【文章內(nèi)容簡介】 義有以下4個方面：(1).對單片機這一成熟的解決方案在交通燈領(lǐng)域的應(yīng)用進行研究和開發(fā)；(2).探究分時管理系統(tǒng)在交通燈系統(tǒng)中的應(yīng)用，對分時管理系統(tǒng)的C語言算法進行開發(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)計考慮了兩種電源方案：方案一：采用獨立的穩(wěn)壓電源。此方案的優(yōu)點是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點是各模塊都采用獨立電源，會使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。方案二：采用單片機控制模塊提供電源。本方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡明扼要，節(jié)約成本；缺點是輸出功率不高?？紤]到實際情況和電路的簡潔，本設(shè)計采用了第二套方案，同時在考慮到突發(fā)斷電的情況，還增加了一個后備電源，再打開后備電源的時候，如果主電源斷電，后備電源瞬間接通繼續(xù)供電，這里會利用到二極管的單向?qū)щ娦浴?顯示界面方案本設(shè)計涉及到倒計時、狀態(tài)燈等功能?；诠δ苄枨?，本設(shè)計考慮如下三個方案：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和數(shù)碼字符，無法勝任功能需求。方案二：完全采用點陣式LED顯示。這種方案實現(xiàn)復(fù)雜，且需要大量軟件工作，但功能強大，可方便的顯示各種英文字符、漢字、圖形等。方案三：采用數(shù)碼管與點陣LED相結(jié)合的方法。因為設(shè)計既需要倒計時數(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)實情況，用數(shù)碼管與LED燈分別顯示時間與提示信息。這種方案既能滿足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。 輸入方案考慮到緊急情況和具體現(xiàn)場的情況，本設(shè)計考慮到兩種方案：方案一：采用8155擴展I/O口及鍵盤，顯示等。該方案的優(yōu)點是：使用靈活可編程，并且有RAM，及計數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O口，但操作起來稍顯復(fù)雜。方案二：直接在I/O口線上接按鍵開關(guān)。該方案優(yōu)點是：編程更加簡潔，使用更加簡單，而且成本更低。缺點是功能有限。綜合考慮本設(shè)計的實際需要，在使用輸入的時候不需要過于復(fù)雜的功能，故采用方案二。3 系統(tǒng)設(shè)計 交通燈規(guī)則方案本設(shè)計的交通燈以十字路口為模型，在實現(xiàn)基本功能的前提下增加了車流量統(tǒng)計、高低峰分時管理機制和人工干預(yù)機制。 相位的概念為保證交通系統(tǒng)的嚴謹性和公平性，本設(shè)計規(guī)定“相位”概念。相位的定義如下：在單個十字路口，整個狀態(tài)每個綠燈亮起的時間為一個固定值。相位的意義在于在一個循環(huán)周期內(nèi)，根據(jù)每個路口車流量大小可以分配適當?shù)木G燈時間以保證時間的充分利用，保證車流大的主干道可以通過足夠多的車輛，車流小的次干道不用浪費時間。從總體上提升系統(tǒng)的效率。 交通燈狀態(tài)為方便說明交通燈狀態(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)定如下狀態(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 高低峰分時管理機制本設(shè)計為提升交通燈系統(tǒng)效率，設(shè)置了高低峰分時管理機制。高低峰分時定義如下：高峰時段：8點到10點，一般為上班上學(xué)出行的高峰期，18點到20點，一般為下班放學(xué)出行高峰期此時主干道車流量高于次干道的車流量；低峰時段：除高峰時段外的其他時段。在高峰時段，采取增加主干道綠燈通行時間，減少次干道綠燈通行時間以最大限度的通過車輛。在低峰時段，采取減少主干道綠燈通行時間，增加次干道綠燈通行時間以平衡通過車輛。高低峰時段狀態(tài)如表31所示：表31 高低峰時段狀態(tài)表S1S2S3S4低峰時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)北綠燈時長20S時長15S時長10S時長10S高峰時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)北綠燈時長25S時長10S時長10S時長10S在高低峰兩個時段中，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)事件的時候啟動緊急狀態(tài)S5全部紅燈亮。這種狀態(tài)主要適用于如救護車，軍車執(zhí)行任務(wù)時候使用。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖37所示： 軟件設(shè)計在本次設(shè)計中，采用了C語言作為程序編程的語言。相較于C語言，匯編語言的機器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強，復(fù)雜一點的程序就更是難讀懂，而C語言在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相當，但可讀性和可移植性卻遠遠超過匯編語言，而且C語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性的代碼編寫問題。對于開發(fā)周期來說中大型的軟件編寫用C語言的開發(fā)周期通常要小于匯編語言很多。綜合以上C語言的優(yōu)點，本設(shè)計在編程的時候選擇了C語言[7]。本設(shè)計在編程環(huán)境上也選擇了Protel DXP2004這款軟件。Protel DXP是Altium公司在原來Protel 99SE的基礎(chǔ)上，應(yīng)用最先進的軟件設(shè)計方法，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)計環(huán)境功能包括雙顯示器支持，可固定、浮動以及彈出面板，強大的過濾和對象定位功能及增強的用戶界面等。Protel DXP是第一個將所有設(shè)計工具集于一身的板級設(shè)計系統(tǒng)，電子設(shè)計者從最初的項目模塊規(guī)劃到最終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照自己的設(shè)計方式實現(xiàn)。Protel DXP運行在優(yōu)化的設(shè)計瀏覽器平臺上，并且具備當今所有先進的設(shè)計特點，能夠處理各種復(fù)雜的PCB設(shè)計過程。通過設(shè)計輸入仿真、PCB繪制編輯、拓撲自動布線、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)融合，Protel DXP提供了全面的設(shè)計解決方案。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)計軟件，該軟件能實現(xiàn)從概念設(shè)計，頂層設(shè)計直到輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及這之間的所有分析驗證和設(shè)計數(shù)據(jù)的管理。當前比較流行的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)計工具，而是由多個模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是SCH（原理圖）設(shè)計、SCH（原理圖）仿真、PCB（印制電路板）設(shè)計、Auto Router（自動布線器）和FPGA設(shè)計等，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設(shè)計。該軟件將項目管理方式、原理圖和PCB圖的雙向同步技術(shù)、多通道設(shè)計、拓樸自動布線以及電路仿真等技術(shù)結(jié)合在一起，為電路設(shè)計提供了強大的支持。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，而且極大地強化了電路設(shè)計的同步化，同時整合了VHDL和FPGA設(shè)計系統(tǒng)，其功能大大加強了。Protel DXP 2004新特點：1. 整合式的元件與元件庫在Protel DXP 2004中采用整合式的元件,在一個元件里連結(jié)了元件符號(Symbol)、元件包裝(Footprint)、SPICE元件模型(電路仿真所使用的)、SI元件模型(電路板信號分析所使用的)。2. 版本控制可直接由Protel設(shè)計管理器轉(zhuǎn)換到其他設(shè)計系統(tǒng)，這樣設(shè)計者可方便地將Protel DXP 2004中的設(shè)計與其他軟件共享。如可以輸入和輸出DXP、DWG格式文件，實現(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，用于板級信號仿真。3. 重復(fù)式設(shè)計Protel DXP 2004提供重復(fù)式設(shè)計，類似重復(fù)層次式電路設(shè)計，只要設(shè)計其中一部分電路圖，即可以多次使用該電路圖，就象有很多相同電路圖一樣。這項功能也支持電路板設(shè)計，包括由電路板反標注到電路圖。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)庫管理系統(tǒng)(ODBC)，就可以存取該文件，此外新增了一個混合模式，也就是在數(shù)據(jù)庫外存為獨立的Windows文件。5. 超強的比較功能Protel DXP 2004新增了超強的比較功能，能對兩個相同格式的文件進行比較，以得到其版本的差異性，也可以對不同格式的文件進行比較，例如電路板文件與網(wǎng)絡(luò)報表文件等。6. 可定義電路板設(shè)計規(guī)則在原理圖設(shè)計時，定義電路板設(shè)計規(guī)則是非常實際的。雖在先前版本的Schematic中就已提供定義電路板的功能，可是都沒有實際的作用。而在Protel DXP中落實了這項功能，讓用戶能在畫電路圖時就定義設(shè)計規(guī)則。8. 加強繪圖功能Protel DXP 2004增強了波形窗口的繪圖功能，例如放置標題欄、標記畫線等，同時Windows的編輯功能在此也可以應(yīng)用[8]。在沒有突發(fā)事件按鈕和高低峰切換按鈕都沒有按下是交通燈執(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)計交通燈的模型和實現(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)計部分根據(jù)本設(shè)計交通燈的模型和實現(xiàn)的功能，硬件部分可以分為以下五個大的系統(tǒng)：單片機系統(tǒng)、交通燈演示系統(tǒng)、車流量檢測系統(tǒng)、雙電源供電系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖如圖310。 單片機系統(tǒng)本設(shè)計單片機主要是用于控制交通燈的演示系統(tǒng)，故只需要單片機最小系統(tǒng)即可完成。單片機的最小系統(tǒng)是指能夠驅(qū)動單片機工作的最小電路[9]。此電路由單片機、時鐘電路、電源、復(fù)位電路4個部分組成。圖311為單片機最小電路的電路圖。其中，復(fù)位電路如圖312[10]。單片機復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳rst上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位，而復(fù)位時間是（時鐘周期=12振蕩周期，振蕩周期=1/f），這個時間只能大不能小，具體數(shù)值可以由rc電路計算出時間常數(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單片機系統(tǒng)供電系統(tǒng)