【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 智能交通系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)性、信息交流的交互性以及服務(wù)的廣泛性，其核心技術(shù)是電子技術(shù)、信息技術(shù)、通信技 術(shù)、交通工程和系統(tǒng)工程。智能交通系統(tǒng) ITS是在較完善的道路設(shè)施基礎(chǔ)上，將先進(jìn)的電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)集成運(yùn)用于地面交通管理所建立的一種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、大范圍、全方位發(fā)揮作用的交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。 第 2 章 單片機(jī)控制的交通燈總體設(shè)計(jì)方案 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本形式 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的種類繁多，但歸納起來，目前實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的方式基本上屬于下面五種形式： 成套的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品 : 目前世界上已出現(xiàn)了許多與硬件產(chǎn)品配套的，具有不同特點(diǎn)、適用于不同控制對(duì)象的 軟件產(chǎn)品，像 HONEYWELL、 WDPF等 DCS(集散系統(tǒng) )系統(tǒng)。 以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，由控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)在操作系統(tǒng)上運(yùn)行的實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件 : 目前通用有一大批 IRMXRTOX， PSOS的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這類系統(tǒng)要求用戶自己編寫應(yīng)用程序，設(shè)計(jì)程序的流向，而由操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度和占先，循環(huán)處理，因此減少了應(yīng)用軟件開發(fā)的難度。但要求程序員熟悉實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)，而且圖形界面不太好。 集成的實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)軟件 : 例如： Citect， Intouch，由軟件制造商提供，是專門為實(shí)時(shí)服務(wù)的開發(fā)環(huán)境和運(yùn) 行環(huán)境。系統(tǒng)本身已經(jīng)構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)不同功能的軟件包、程序模塊和控鍵。用戶只需要按照規(guī)定方式，根據(jù)實(shí)際對(duì)象要求，調(diào)用相應(yīng)模塊，即可構(gòu)成應(yīng)用程序。 在通用操作系統(tǒng)例了如 DOS， WINDOWS環(huán)境下 : 采用實(shí)時(shí)核實(shí)現(xiàn)程序的實(shí)時(shí)多任務(wù)特性。 RTX， RTKERNEL， RTOS等都是應(yīng)用廣泛的實(shí)時(shí)核。 直接從系統(tǒng)的最底層采用高級(jí)語言或匯編語言編制實(shí)時(shí)應(yīng)用程序 : 這種方法先把系統(tǒng)劃分層次，明確目標(biāo)，任務(wù)，對(duì)各個(gè)任務(wù)的子過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編程，然后還要另外編寫計(jì)時(shí)、中斷、調(diào)度等控制程序。程序設(shè)計(jì)的難度和工作量很大，但整個(gè) 程序?qū)τ谠O(shè)計(jì)人員來說是完全透明的，適應(yīng)性強(qiáng)。 本設(shè)計(jì)的單片機(jī)的基本情況 8 位 AT89C51 CHMOS 工藝單片機(jī)被設(shè)計(jì)用于處理高速計(jì)算和快速輸入 /輸出。MCS51 單片機(jī)典型的應(yīng)用是高速事件控制系統(tǒng)。商業(yè)應(yīng)用包括調(diào)制解調(diào)器，電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，打印機(jī)，影印機(jī)，空調(diào)控制系統(tǒng)，磁盤驅(qū)動(dòng)器和醫(yī)療設(shè)備。汽車工業(yè)把 MCS51 單片機(jī)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，懸掛系統(tǒng)和反鎖制動(dòng)系統(tǒng)。 AT89C51 尤其很好適用于得益于它的處理速度和增強(qiáng)型片上外圍功能集，諸如：汽車動(dòng)力控制，車輛動(dòng)態(tài)懸掛，反黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 鎖制動(dòng)和穩(wěn)定性控制應(yīng)用。由于 這些決定性應(yīng)用，市場(chǎng)需要一種可靠的具有低干擾潛伏響應(yīng)的費(fèi)用 效能控制器，服務(wù)大量時(shí)間和事件驅(qū)動(dòng)的在實(shí)時(shí)應(yīng)用需要的集成外圍的能力，具有在單一程序包中高出平均處理功率的中央處理器。擁有操作不可預(yù)測(cè)的設(shè)備的經(jīng)濟(jì)和法律風(fēng)險(xiǎn)是很高的。一旦進(jìn)入市場(chǎng)，尤其任務(wù)決定性應(yīng)用諸如自動(dòng)駕駛儀或反鎖制動(dòng)系統(tǒng)，錯(cuò)誤將是財(cái)力上所禁止的。重新設(shè)計(jì)的費(fèi)用可以高達(dá) 500K 美元，如果產(chǎn)品族享有同樣內(nèi)核或外圍設(shè)計(jì)缺陷的話，費(fèi)用會(huì)更高。 另外，部件的替代品領(lǐng)域是極其昂貴的，因?yàn)樵O(shè)備要用來把模塊典型地焊接成一個(gè)總體的價(jià)值比各個(gè)部件高幾倍。為了緩和 這些問題，在最壞的環(huán)境和電壓條件下對(duì)這些單片機(jī)進(jìn)行無論在部件級(jí)別還是系統(tǒng)級(jí)別上的綜合測(cè)試是必需的。 Intel Chandler 平臺(tái)工程組提供了各種單片機(jī)和處理器的系統(tǒng)驗(yàn)證。這種系統(tǒng)的驗(yàn)證處理可以被分解為三個(gè)主要部分。系統(tǒng)的類型和應(yīng)用需求決定了能夠在設(shè)備上執(zhí)行的測(cè)試類型。 系統(tǒng)總體方案 根據(jù)實(shí)際情況及系統(tǒng)技術(shù)要求，擬采用 AT89C51微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核心以構(gòu)成交通燈控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用了 AT89C51微控器構(gòu)成最小系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖 。下面是其主要組成部分的實(shí)施方案。 圖 系統(tǒng)框圖 AT89C51微控器構(gòu)成的最小系統(tǒng) 根據(jù)本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求來判斷是否需要對(duì)此微控器進(jìn)行片外程序存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。若需要，則對(duì) AT89C51微控器進(jìn)行片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展，以構(gòu)成控制系統(tǒng)的最基本部分。若不需要，則單片機(jī)及其時(shí)鐘電路與復(fù)位電路等構(gòu)成最小系統(tǒng)。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 1 顯示部分 顯示部分采用 LED作為模擬的交通燈，采用七段數(shù)碼管來作為倒計(jì)時(shí)顯示。 顯示部分可模擬顯示交通等的顏色變化于倒計(jì)時(shí)。 2 控制與執(zhí)行部分 開關(guān)控制交通燈的通行方式、時(shí)間的設(shè)定、模擬高峰和違 章等情況。采用 LED變色、七段數(shù)碼管顯示和蜂鳴器來執(zhí)行。 3 供電電源單元 供電電源一般由變壓器、整流濾波及穩(wěn)壓等電路組成，分別給以上各部分提供所需要的電壓，可以提供 +5V, +12V, +40V的穩(wěn)定電壓。但由于本設(shè)計(jì)電壓源是現(xiàn)成的設(shè)備，可以在市場(chǎng)上訂制，所以不在涉及范圍內(nèi)，不再予以講述。 本章小結(jié) 本章首先介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的五種基本形式，經(jīng)查閱相關(guān)資料確定了本文所需要設(shè)計(jì)的單片機(jī)的類型 ——AT89C51。根據(jù)實(shí)際情況與技術(shù)要求，畫出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并擬定了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，包括顯示單元、控 制與執(zhí)行單元、系統(tǒng)各部分所需電源等輸入與輸出通道，并對(duì)每一部分都進(jìn)行了較詳細(xì)的敘述 . 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)概述 從總體上講，本系統(tǒng)硬件電路根據(jù)技術(shù)需求為了減小制作成本，本設(shè)計(jì)選用了價(jià)格低廉的 AT89C51，性價(jià)比高，同時(shí)減少了外圍電路（如看門狗芯片、 8255A 等），僅用了晶體振蕩電路和復(fù)位電路。當(dāng)然這樣做增加了軟件代碼量。 顯示方面使用了 12 發(fā)光二級(jí)管來模擬紅黃綠三色交通燈，選用了 8 個(gè) BCD 數(shù)碼管來進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示。這樣使得硬件電路界面也變得十分整潔。 單片機(jī)的選擇及分析 本設(shè)計(jì)選擇了性價(jià)比較高的 AT89C51單片機(jī)及其構(gòu)成的最下系統(tǒng)，在能滿足技術(shù)要求的前提下最大限度的降低了成本。并且該單片機(jī)的指令簡(jiǎn)單，易學(xué)易懂，同時(shí)外圍電路也簡(jiǎn)單，硬件設(shè)計(jì)方便 io口操作簡(jiǎn)單，無方向寄存器，資源豐富，對(duì)應(yīng)一般的設(shè)計(jì)已經(jīng)足夠使用了，更重要的是價(jià)格便宜、容易購買，資料豐富容易查到，程序燒寫簡(jiǎn)單。 單片機(jī)的定義和特點(diǎn) 所謂單片機(jī)就是把 CPU、寄存器、 RAM/ROM、 I/O 接口電路集成在一塊集成電路芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的主要特點(diǎn)有： 集成度高、 功能強(qiáng) 微型計(jì)算機(jī)通常由中央處理器 (CPU)、存儲(chǔ)器 (RAM, ROM)以及 I/O 接口組成，其各部分分別集成在不同的芯片上。例如，大家熟悉的 Z80 微型計(jì)算機(jī)就是由 Z80CPU、存儲(chǔ)器 (RAM, ROM), PIO 等芯片組成的，單片機(jī)則不同，它把 CPU, RAM, ROM, I/O 接口，以及定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器都集成在一個(gè)芯片上。目前應(yīng)用得最多的是 MCS51 系列單片機(jī)。 和微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較，單片機(jī)不僅體積大大減小，而且功能大為增強(qiáng)。 MCS51系列單片機(jī)內(nèi)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器為 16 位，而 Z80 微型計(jì)算機(jī)只有 8 位， MCS51 系列單片機(jī)中不但有 4 個(gè)并行 I/O 接口，而且還有串行接口，且時(shí)鐘頻率可達(dá) 12MHz。 結(jié)構(gòu)合理 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 目前單片機(jī)大多采用 Harvard 結(jié)構(gòu)。這是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器相互獨(dú)立的一種結(jié)構(gòu)。而在許多微型計(jì)算機(jī) (如 Z80, Inte18085, M6800 等 )中，大都采用兩類存儲(chǔ)器合二為一 (即統(tǒng)一編址 )的方式。單片機(jī)采用上述結(jié)構(gòu)主要有四點(diǎn)好處 ——存儲(chǔ)量大、速度快、抗干擾性、強(qiáng)指令豐富。 單片機(jī)的發(fā)展概況 自從 1974 年 12 月美國(guó)仙童 (Fairchild )公司第一個(gè)推出 8 位 單片機(jī) FS 以來，單片機(jī)以驚人的速度發(fā)展，從 4 位機(jī)、 8 位機(jī)發(fā)展到 16 位機(jī)、 32 位機(jī)，集成度越來越高，功能越來越強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來越廣。到目前為止，單片機(jī)的發(fā)展主要可分為以下四個(gè)階段 : 第一階段 :4 位單片機(jī)。這種單片機(jī)的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，控制功能強(qiáng)，片內(nèi)含有多種I/O 接口，如并行 I/O 接口、串行 I/O 接口、定沖計(jì)數(shù)器接口、中斷功能接口等。根據(jù)不同用途，還配有許多專用接口，如打印機(jī)接口、鍵盤及顯示器接口， PLA(可編程邏輯陣列 )譯碼輸出接口，有些甚至還包括 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換， PLL(鎖相環(huán) )，聲音合成等電路。豐富的 I/O 功能大大地增強(qiáng)了 4 位單片機(jī)的控制功能，從而使外部接口電路極為簡(jiǎn)單。 第二階段 :低、中檔 8 位機(jī) (19741978 年 )。這種 8 位機(jī)一般不帶有 I/O 接口，尋址范圍通常為 4KB。它是 8 位機(jī)的早期產(chǎn)品，如 Mostek 公司的 3870, Intel 公司的 8048 等單片機(jī)即屬此類。 第三階段 :高檔 8 位機(jī)階段 (19781982 年 )。這一類單片機(jī)常有串行 I/O 接口，有多級(jí)中斷處理，定時(shí) /計(jì)數(shù)器為 16 位，片內(nèi)的 RAM 和 ROM 的容量相對(duì)增大，且尋址范圍可達(dá) 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉(zhuǎn)換接口。這類單片機(jī)有 Intel 公司的 MCS51, Motorola公司的 6801 和 Ziiog 公司的 Z8 等。由于這類單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域較廣，其結(jié)構(gòu)和性能還在不斷地改進(jìn)和發(fā)展。 第四階段 :16 位單片機(jī)和超 8 位單片機(jī) (1982 年至今 )。此階段的主要特征是，一方面不斷完善高檔 8 位機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同用戶的需要；另一方面發(fā)展 16 位單片機(jī)及專用單片機(jī)。 16 位單片機(jī)除了 CPU 為 16 位外，片內(nèi) RAM 和 ROM 的容量也進(jìn)一步增大，片內(nèi) RAM 為 232 字節(jié)， ROM 為 8KB，片內(nèi)帶有高速輸入輸出部件，多通道10 位 A/D 轉(zhuǎn)換部件，中斷處理為 8 級(jí)，其實(shí)時(shí)處理 能力更強(qiáng)。近來， 32 位單片機(jī)己進(jìn)入實(shí)用階段，但還未引入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。 在今后單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將是 :向著大容量、高性能化，小容量、低價(jià)格化和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。 AT89C51是美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes的反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲(chǔ)單元可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。圖 其引腳圖。 主要特性： 與 MCS51 完全兼容 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 1288 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 功能性概述： AT89C51 提供 以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 AT89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹 單片機(jī)電路是系統(tǒng)控制的核心。單片機(jī)選用從 ATMEL 公司的低功耗、高性能的 8位 CMOS 芯片 AT89C51，其片內(nèi)帶有 4K 字節(jié)的閃速可編程及可擦除只讀存儲(chǔ)器（ EPROM）。引腳功能說明如下： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 圖 AT89C51 引腳圖 VCC：電源電壓 GND：地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的力式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫 “1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時(shí)， P0 口接收指令字 節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 Pl 口： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)叫可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫 “1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1 接收低 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電