【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 義有以下4個(gè)方面：(1).對(duì)單片機(jī)這一成熟的解決方案在交通燈領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)；(2).探究分時(shí)管理系統(tǒng)在交通燈系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)分時(shí)管理系統(tǒng)的C語(yǔ)言算法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。舉一反三，延伸到其他類似領(lǐng)域的應(yīng)用；(3).探究全新的交通燈管理系統(tǒng)；(4).建立不間斷電源在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的具體模型和電路結(jié)構(gòu)。2 方案比較、設(shè)計(jì)和論證 供電方案為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源。本設(shè)計(jì)考慮了兩種電源方案：方案一：采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。此方案的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點(diǎn)是各模塊都采用獨(dú)立電源，會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。方案二：采用單片機(jī)控制模塊提供電源。本方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)明扼要，節(jié)約成本；缺點(diǎn)是輸出功率不高。考慮到實(shí)際情況和電路的簡(jiǎn)潔，本設(shè)計(jì)采用了第二套方案，同時(shí)在考慮到突發(fā)斷電的情況，還增加了一個(gè)后備電源，再打開(kāi)后備電源的時(shí)候，如果主電源斷電，后備電源瞬間接通繼續(xù)供電，這里會(huì)利用到二極管的單向?qū)щ娦浴?顯示界面方案本設(shè)計(jì)涉及到倒計(jì)時(shí)、狀態(tài)燈等功能?；诠δ苄枨?，本設(shè)計(jì)考慮如下三個(gè)方案：方案一：完全采用數(shù)碼管顯示。這種方案只顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符，無(wú)法勝任功能需求。方案二：完全采用點(diǎn)陣式LED顯示。這種方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且需要大量軟件工作，但功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符、漢字、圖形等。方案三：采用數(shù)碼管與點(diǎn)陣LED相結(jié)合的方法。因?yàn)樵O(shè)計(jì)既需要倒計(jì)時(shí)數(shù)字輸出，又要求有狀態(tài)燈輸出等，為方便觀看并考慮到現(xiàn)實(shí)情況，用數(shù)碼管與LED燈分別顯示時(shí)間與提示信息。這種方案既能滿足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。 輸入方案考慮到緊急情況和具體現(xiàn)場(chǎng)的情況，本設(shè)計(jì)考慮到兩種方案：方案一：采用8155擴(kuò)展I/O口及鍵盤(pán)，顯示等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：使用靈活可編程，并且有RAM，及計(jì)數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O口，但操作起來(lái)稍顯復(fù)雜。方案二：直接在I/O口線上接按鍵開(kāi)關(guān)。該方案優(yōu)點(diǎn)是：編程更加簡(jiǎn)潔，使用更加簡(jiǎn)單，而且成本更低。缺點(diǎn)是功能有限。綜合考慮本設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，在使用輸入的時(shí)候不需要過(guò)于復(fù)雜的功能，故采用方案二。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 交通燈規(guī)則方案本設(shè)計(jì)的交通燈以十字路口為模型，在實(shí)現(xiàn)基本功能的前提下增加了車流量統(tǒng)計(jì)、高低峰分時(shí)管理機(jī)制和人工干預(yù)機(jī)制。 相位的概念為保證交通系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)性和公平性，本設(shè)計(jì)規(guī)定“相位”概念。相位的定義如下：在單個(gè)十字路口，整個(gè)狀態(tài)每個(gè)綠燈亮起的時(shí)間為一個(gè)固定值。相位的意義在于在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，根據(jù)每個(gè)路口車流量大小可以分配適當(dāng)?shù)木G燈時(shí)間以保證時(shí)間的充分利用，保證車流大的主干道可以通過(guò)足夠多的車輛，車流小的次干道不用浪費(fèi)時(shí)間。從總體上提升系統(tǒng)的效率。 交通燈狀態(tài)為方便說(shuō)明交通燈狀態(tài)，交通燈系統(tǒng)的示意圖如圖31所示。圖31 交通燈示意圖如圖31，交通道路系統(tǒng)是由常見(jiàn)的雙向車道加人行道組成，由南向北行駛的車輛所看的交通燈是北路口的車行道交通燈，由北向南行駛的車輛所看的交通燈是南路口的車行道交通燈，由西向東行駛的車輛所看的交通燈是東路口的車行道交通燈，由東向西行駛的車輛所看的交通燈是西路口的車行道交通燈?，F(xiàn)規(guī)定如下?tīng)顟B(tài)：S1：南北方向車輛通行，東西方向及所有左轉(zhuǎn)方向禁行，東西方向人行道通行，南北方向人行道禁行。S1狀態(tài)如圖32所示。圖32 S1狀態(tài)示意圖圖33 S2狀態(tài)示意圖S2：東西方向車輛通行，南北方向及所有左轉(zhuǎn)方向禁行，南北方向人行道通行，東西方向人行道禁行。S2狀態(tài)如圖33所示。S3：南左轉(zhuǎn)西、北左轉(zhuǎn)東方向車輛通行，南北方向、東西方向、西左轉(zhuǎn)北、東左轉(zhuǎn)南方向車輛禁行，南北方向、東西方向人行道禁行。S3狀態(tài)如圖34所示。S4：西左轉(zhuǎn)北、東左轉(zhuǎn)南方向車輛通行，南北方向、東西方向、南左轉(zhuǎn)西、北左轉(zhuǎn)東方向車輛禁行，南北方向、東西方向人行道禁行。S4狀態(tài)如圖35所示。S5：全紅燈，緊急事件狀態(tài)。S5狀態(tài)如圖36所示。圖34 S3狀態(tài)示意圖圖35 S4狀態(tài)示意圖圖36 S5狀態(tài)示意圖 高低峰分時(shí)管理機(jī)制本設(shè)計(jì)為提升交通燈系統(tǒng)效率，設(shè)置了高低峰分時(shí)管理機(jī)制。高低峰分時(shí)定義如下：高峰時(shí)段：8點(diǎn)到10點(diǎn)，一般為上班上學(xué)出行的高峰期，18點(diǎn)到20點(diǎn)，一般為下班放學(xué)出行高峰期此時(shí)主干道車流量高于次干道的車流量；低峰時(shí)段：除高峰時(shí)段外的其他時(shí)段。在高峰時(shí)段，采取增加主干道綠燈通行時(shí)間，減少次干道綠燈通行時(shí)間以最大限度的通過(guò)車輛。在低峰時(shí)段，采取減少主干道綠燈通行時(shí)間，增加次干道綠燈通行時(shí)間以平衡通過(guò)車輛。高低峰時(shí)段狀態(tài)如表31所示：表31 高低峰時(shí)段狀態(tài)表S1S2S3S4低峰時(shí)段南北向車行道綠燈東西向車行道綠燈南左轉(zhuǎn)西，北左轉(zhuǎn)東綠燈東左轉(zhuǎn)南，西左轉(zhuǎn)北綠燈時(shí)長(zhǎng)20S時(shí)長(zhǎng)15S時(shí)長(zhǎng)10S時(shí)長(zhǎng)10S高峰時(shí)段南北向車行道綠燈東西向車行道綠燈南左轉(zhuǎn)西，北左轉(zhuǎn)東綠燈東左轉(zhuǎn)南，西左轉(zhuǎn)北綠燈時(shí)長(zhǎng)25S時(shí)長(zhǎng)10S時(shí)長(zhǎng)10S時(shí)長(zhǎng)10S在高低峰兩個(gè)時(shí)段中，全部車行道綠燈的總和都為55秒，即相位都為55S。在發(fā)生突發(fā)事件的時(shí)候啟動(dòng)緊急狀態(tài)S5全部紅燈亮。這種狀態(tài)主要適用于如救護(hù)車，軍車執(zhí)行任務(wù)時(shí)候使用。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖37所示： 軟件設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，采用了C語(yǔ)言作為程序編程的語(yǔ)言。相較于C語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強(qiáng)，復(fù)雜一點(diǎn)的程序就更是難讀懂，而C語(yǔ)言在大多數(shù)情況下其機(jī)器代碼生成效率和匯編語(yǔ)言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)匯編語(yǔ)言，而且C語(yǔ)言還可以嵌入?yún)R編來(lái)解決高時(shí)效性的代碼編寫(xiě)問(wèn)題。對(duì)于開(kāi)發(fā)周期來(lái)說(shuō)中大型的軟件編寫(xiě)用C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)周期通常要小于匯編語(yǔ)言很多。綜合以上C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在編程的時(shí)候選擇了C語(yǔ)言[7]。本設(shè)計(jì)在編程環(huán)境上也選擇了Protel DXP2004這款軟件。Protel DXP是Altium公司在原來(lái)Protel 99SE的基礎(chǔ)上，應(yīng)用最先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)方法，率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系統(tǒng)的EDA設(shè)計(jì)軟件。Protel DXP在前版本的基礎(chǔ)上增加了許多新的功能。新的可定制設(shè)計(jì)環(huán)境功能包括雙顯示器支持，可固定、浮動(dòng)以及彈出面板，強(qiáng)大的過(guò)濾和對(duì)象定位功能及增強(qiáng)的用戶界面等。Protel DXP是第一個(gè)將所有設(shè)計(jì)工具集于一身的板級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，電子設(shè)計(jì)者從最初的項(xiàng)目模塊規(guī)劃到最終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照自己的設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。Protel DXP運(yùn)行在優(yōu)化的設(shè)計(jì)瀏覽器平臺(tái)上，并且具備當(dāng)今所有先進(jìn)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能夠處理各種復(fù)雜的PCB設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)設(shè)計(jì)輸入仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)渥詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)融合，Protel DXP提供了全面的設(shè)計(jì)解決方案。圖37 狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖Protel DXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的電路設(shè)計(jì)軟件，該軟件能實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)，頂層設(shè)計(jì)直到輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及這之間的所有分析驗(yàn)證和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理。當(dāng)前比較流行的Protel 9Protel 99 SE，就是它的前期版本。Protel DXP 2004已不是單純的PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)工具，而是由多個(gè)模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是SCH（原理圖）設(shè)計(jì)、SCH（原理圖）仿真、PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)、Auto Router（自動(dòng)布線器）和FPGA設(shè)計(jì)等，覆蓋了以PCB為核心的整個(gè)物理設(shè)計(jì)。該軟件將項(xiàng)目管理方式、原理圖和PCB圖的雙向同步技術(shù)、多通道設(shè)計(jì)、拓樸自動(dòng)布線以及電路仿真等技術(shù)結(jié)合在一起，為電路設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。與較早的版本——Protel99相比，Protel DXP 2004不僅在外觀上顯得更加豪華、人性化，而且極大地強(qiáng)化了電路設(shè)計(jì)的同步化，同時(shí)整合了VHDL和FPGA設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其功能大大加強(qiáng)了。Protel DXP 2004新特點(diǎn)：1. 整合式的元件與元件庫(kù)在Protel DXP 2004中采用整合式的元件,在一個(gè)元件里連結(jié)了元件符號(hào)(Symbol)、元件包裝(Footprint)、SPICE元件模型(電路仿真所使用的)、SI元件模型(電路板信號(hào)分析所使用的)。2. 版本控制可直接由Protel設(shè)計(jì)管理器轉(zhuǎn)換到其他設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這樣設(shè)計(jì)者可方便地將Protel DXP 2004中的設(shè)計(jì)與其他軟件共享。如可以輸入和輸出DXP、DWG格式文件，實(shí)現(xiàn)和Auto CAD等軟件的數(shù)據(jù)交換，也可以輸出格式為Hyperlynx的文件，用于板級(jí)信號(hào)仿真。3. 重復(fù)式設(shè)計(jì)Protel DXP 2004提供重復(fù)式設(shè)計(jì)，類似重復(fù)層次式電路設(shè)計(jì)，只要設(shè)計(jì)其中一部分電路圖，即可以多次使用該電路圖，就象有很多相同電路圖一樣。這項(xiàng)功能也支持電路板設(shè)計(jì)，包括由電路板反標(biāo)注到電路圖。4. 新的文件管理模式Protel DXP 2004提供三種文件管理模式?？蓪⒏魑募嫒肴雴我粩?shù)據(jù)庫(kù)文件，即Protel 99SE的ddb，也可以存為Windows文件，即一般的分離文件，而不需要數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(ODBC)，就可以存取該文件，此外新增了一個(gè)混合模式，也就是在數(shù)據(jù)庫(kù)外存為獨(dú)立的Windows文件。5. 超強(qiáng)的比較功能Protel DXP 2004新增了超強(qiáng)的比較功能，能對(duì)兩個(gè)相同格式的文件進(jìn)行比較，以得到其版本的差異性，也可以對(duì)不同格式的文件進(jìn)行比較，例如電路板文件與網(wǎng)絡(luò)報(bào)表文件等。6. 可定義電路板設(shè)計(jì)規(guī)則在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，定義電路板設(shè)計(jì)規(guī)則是非常實(shí)際的。雖在先前版本的Schematic中就已提供定義電路板的功能，可是都沒(méi)有實(shí)際的作用。而在Protel DXP中落實(shí)了這項(xiàng)功能，讓用戶能在畫(huà)電路圖時(shí)就定義設(shè)計(jì)規(guī)則。8. 加強(qiáng)繪圖功能Protel DXP 2004增強(qiáng)了波形窗口的繪圖功能，例如放置標(biāo)題欄、標(biāo)記畫(huà)線等，同時(shí)Windows的編輯功能在此也可以應(yīng)用[8]。在沒(méi)有突發(fā)事件按鈕和高低峰切換按鈕都沒(méi)有按下是交通燈執(zhí)行預(yù)定方案。預(yù)定程序執(zhí)行方案流程圖如圖38。圖38 預(yù)定執(zhí)行方案流程圖根據(jù)本設(shè)計(jì)交通燈的模型和實(shí)現(xiàn)的功能，程序流程圖如圖39所示。圖39 主程序流程圖 硬件設(shè)計(jì)部分根據(jù)本設(shè)計(jì)交通燈的模型和實(shí)現(xiàn)的功能，硬件部分可以分為以下五個(gè)大的系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、交通燈演示系統(tǒng)、車流量檢測(cè)系統(tǒng)、雙電源供電系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖如圖310。 單片機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)單片機(jī)主要是用于控制交通燈的演示系統(tǒng)，故只需要單片機(jī)最小系統(tǒng)即可完成。單片機(jī)的最小系統(tǒng)是指能夠驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作的最小電路[9]。此電路由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、電源、復(fù)位電路4個(gè)部分組成。圖311為單片機(jī)最小電路的電路圖。其中，復(fù)位電路如圖312[10]。單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳rst上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，而復(fù)位時(shí)間是（時(shí)鐘周期=12振蕩周期，振蕩周期=1/f），這個(gè)時(shí)間只能大不能小，具體數(shù)值可以由rc電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)[11]。中斷系統(tǒng)緊急全停高低峰切換交通燈演示系統(tǒng)STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)供電系統(tǒng)