【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3。 27 附錄 2 28 1．引言 當(dāng)今， 交通信號(hào)燈 安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見(jiàn)和最有效的手段 ， 這一技術(shù)在 19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。 1858 年，在英國(guó)倫敦 主要 街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅 、 藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。 1868 年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的 議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩 種 旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示 “ 停止 ” ，綠色表示 “ 注意 ” 。 1869 年 1月 2日，煤氣燈爆炸， 造成人員傷亡 ，遂被取消。 電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914 年 開(kāi) 始安裝于紐約市 5 號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示 “ 停止 ” ，綠燈亮表示 “ 通行 ” 。 1918 年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下 ,另一種是用擴(kuò)音器來(lái)啟動(dòng)紅綠燈。 信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流 量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。 1968 年，聯(lián)合國(guó)《道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定》對(duì)各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過(guò)人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號(hào)，面對(duì)紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號(hào)，面對(duì)黃燈的車輛不能越過(guò)停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。 基于單片機(jī)構(gòu)成的城市交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng) 成本，從而有效的提高工作效率。但利用單片機(jī)控制交通信號(hào)燈涉及到一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，諸如信號(hào)的驅(qū)動(dòng)、車輛到達(dá)的感知等。為此，我們采用模擬方式進(jìn)行說(shuō)明。所謂模擬，就是用綠、黃、紅色三只共 四 組發(fā)光二極管代替交通信 號(hào)燈。目前，城市交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，因此，開(kāi)發(fā)這種系統(tǒng) 非常實(shí)用。 2．設(shè)計(jì)任務(wù) 及思路 設(shè)計(jì)一個(gè)能夠控制十二盞交通信號(hào)燈的模擬系統(tǒng)。通過(guò)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。 系統(tǒng)工作受開(kāi)關(guān)控制，起動(dòng)開(kāi)關(guān) ON 則系統(tǒng)工作；起動(dòng)開(kāi)關(guān) OFF 則系統(tǒng)停止工作。控制對(duì)象 如下 ： 東西方向紅燈兩個(gè) , 南北方向紅燈兩個(gè)， 東西方向黃燈兩個(gè) , 南北方向黃燈兩個(gè)， 東西方向綠燈兩個(gè) , 南北方向綠燈兩個(gè)， 圖 1 交通信號(hào) 示意 十字路口東西方向和南北方向各裝有直行（包括右拐彎）控制紅、黃、綠交通信號(hào)燈 （如圖 1 所示） 。還有倒計(jì)時(shí)顯示器，顯示器用于顯示相應(yīng)方向直行控制當(dāng)前點(diǎn)亮信號(hào)燈還要持續(xù)的時(shí)間（即剩余時(shí)間）。系統(tǒng)中有兩個(gè)按鈕－啟動(dòng)和停止，啟動(dòng)按鈕按下后信號(hào)燈系統(tǒng)開(kāi)始工作，并周而復(fù)始地循環(huán)；停止按鈕按下，所有信號(hào)燈都熄滅。信號(hào)燈的控制規(guī)律 如表 1所示。即 系統(tǒng)啟動(dòng)后，東西 方向 先綠燈亮 25s，然后綠燈 閃爍 3s，最后黃燈亮 2s，與此同時(shí)南北 方向 紅燈亮 30s。南北 方向 紅燈亮 30s 后轉(zhuǎn)為先綠燈亮 25s，然后綠燈閃爍 3s，最后黃燈亮 2s，東西向紅燈亮 30s。由此周而復(fù)始地循環(huán)。要求采用 單片機(jī) 實(shí)現(xiàn)交通燈的控制規(guī)律。 東南北西 表 1 信號(hào)燈控制規(guī)律 東西方向 信號(hào) 綠燈亮 綠燈閃爍 黃燈亮 紅燈亮 時(shí)間 25s 3s 2s 30s 南北方向 信號(hào) 紅燈亮 綠燈亮 綠燈閃爍 黃燈亮 時(shí)間 30s 25s 3s 2s 設(shè)計(jì)電路中使用到的主要元器件，單片機(jī)芯片、 8255 芯片和晶閘管。十字路口分四條道，每條道有三個(gè)紅 綠燈，共十二個(gè)。每個(gè)紅綠燈由一塊 8031 芯片單獨(dú)控制，我們只設(shè)計(jì)一個(gè)紅綠燈的燃亮情況，同理根據(jù)燃亮順序設(shè)計(jì)其它紅綠燈。然后再組合起來(lái)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 3．單片機(jī) 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)是一種集成電路芯片，簡(jiǎn)稱為單片微型計(jì)算機(jī)。是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU，隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM，只讀存儲(chǔ)器 ROM，多種 I\0口和中斷系統(tǒng)，定時(shí)器，計(jì)時(shí)器等功能，集成在一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu) 單片機(jī)由運(yùn)算器，控制器，存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備組成。 單片機(jī)硬件特性 （ 1） 單片機(jī)集成度很高，單片機(jī)包括 CPU、 4KB 容量的 ROM(8031 無(wú) )、 128B 容量的 RAM、 2 個(gè) 16 定時(shí)計(jì)時(shí)器、 4 個(gè) 8 位并行口、全雙工串口行口。 （ 2）單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)了模塊化。 （ 3）單片機(jī)可靠性能好，可工作很長(zhǎng)時(shí)間。 （ 4） 處理功能強(qiáng)，速度快 4． 芯片的選擇 74LS373 以及 74LS07 簡(jiǎn)介 74LS373 是一種帶三態(tài)門的 8D 鎖存器，其管腳示意圖 2如下 所示： 圖 2 74LS373 管腳示意圖 其中： 1D8D為 8個(gè)輸入端。 1Q8Q為 8個(gè)輸出端。 LE 為數(shù)據(jù)打入端：當(dāng) LE為“ 1”時(shí)，鎖存器輸出 狀態(tài)同輸入狀態(tài)；當(dāng) LE由“ 1”變“ 0”時(shí)，數(shù)據(jù) 打入鎖存器 OE 為輸出允許端； 當(dāng) OE=0 時(shí)，三態(tài)門打開(kāi)； 當(dāng) OE=1 時(shí)，三態(tài)門關(guān)閉，輸出高阻。 六驅(qū)動(dòng)器 (OC 高壓輸出 ) 74LS07 Vcc 6A 6Y 5A 5Y 4A 4 ┌┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴┐ │ 14 13 12 11 10 9 8│ Y = A ） │ │ 1 2 3 4 5 6 7│ └┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬┘ 7805 實(shí)現(xiàn)正電壓輸出，負(fù)電壓截止。 8255 芯片 8255 可編程并行接口芯片簡(jiǎn)介 8255 可編程并行接口芯片有三個(gè)輸入輸出端口，即 A口、 B口和 C 口，對(duì)應(yīng)于引腳 PA7～ PA0、 PB7～ PB0 和 PC7～ PC0。其內(nèi)部還有一個(gè)控制寄存器，即控制口。通常A口、 B 口作為輸入輸出的數(shù)據(jù)端口。 C口作為控制或狀態(tài)信息的端口 ，它在方式字的控制下，可以分成 4位的端口，每個(gè)端口包含一個(gè) 4位鎖存器。它們分別與端口 A／ B配合使用，可以用作控制信號(hào)輸出或作為狀態(tài)信號(hào)輸入。 8255 的內(nèi)部組成框圖如 圖 3 所示： 圖 3 8255 內(nèi)部組成框圖 8255可編程并行接口芯片方式控制字格式說(shuō)明 8255 有兩種控制命令字：一個(gè)是方式選擇控制字；另一個(gè)是 C口按位置位／復(fù)位控制字。其中 C口按位置位／復(fù)位控制字方式使用較為繁難，說(shuō)明也較冗長(zhǎng)，故在 此不作敘述。方式控制字格式說(shuō)明如圖 4所示： 圖 4 8255 方式控制字 方式 0：基本輸入／輸出方式。適用于三個(gè)端口中的任何一個(gè)。每一個(gè)端口都可以用作輸入或輸出。輸出可被鎖存，輸入不能鎖存。方式 0適合于兩種情況：一種是無(wú)條件傳送，另一種是查詢方式傳送。 方式 1：選通輸入／輸出方式。這時(shí) A 口或 B口的 8 位外設(shè)線用作輸入或輸出， C口的 4 條線中三條用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆?lián)絡(luò)信號(hào)和中斷請(qǐng)求信號(hào)。 方式 2 ：雙向選通輸入 /輸出方式。只有 A 口具備雙向選通輸入 /輸出方式， 8位外設(shè)線用作輸入或輸出。 晶閘管 晶閘管（ Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡(jiǎn)稱為可控硅； 晶閘管是 PNPN 四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽(yáng)極，陰極和門極；晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發(fā)電流；其派生器件有：快速晶閘管，雙向晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開(kāi)關(guān)型半導(dǎo)體器件，在電路 中用文字符號(hào) “VT” 表示 ； 圖 5為晶閘管的結(jié)構(gòu)圖 ； 圖 6為晶閘管的電路圖； 圖 5 晶閘管的結(jié)構(gòu)圖 圖 6 為晶閘管的電路圖 晶閘管 VT 在工作過(guò)程中，它的陽(yáng)極 A 和陰極 K 與電源和負(fù)載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極 G和陰極 K與控 制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。晶閘管的工作條件： 1. 晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。 2. 晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。 3. 晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。 在電路中我們使用的晶閘管來(lái)控制紅綠燈的亮滅。如圖 7所示： 圖 7 晶閘管控制電路 A G Ic0 PNP R E K NPN Ia Ic1 Ig Ic2 Ik P1 N1 P2 N2 G K A 5．交通燈控制原理分析與 方案論證 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，以 LED 數(shù)碼管作為倒計(jì)時(shí)指示，根據(jù) 設(shè)計(jì) 的要求我們考慮了各功能模塊的幾種設(shè)計(jì)方案，以求最佳方案，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各種狀態(tài)，系統(tǒng)還增設(shè)了根據(jù)交通擁擠情況可分別設(shè)置主干道和次干道的通行時(shí)間，以提高效率，緩減交通擁擠。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 8所示： 圖 8 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1． 電源提供方案 為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源。本次設(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。該方案的優(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。 綜上所述，選擇第二種方案。 2． 顯示界面方案 該系統(tǒng)要求完成倒計(jì)時(shí)功能?；谏鲜鲈?，本次設(shè)計(jì)考慮了兩種方案： 方案一：完全采用點(diǎn)陣式 LED 顯示。這種方案功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等 ，但 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且須完成大量的軟件工作。 方案二：完全采用數(shù)碼管顯示。這種 方案 優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以完成倒計(jì)時(shí)功能。缺點(diǎn)是功能較少，只能顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，方案二已 經(jīng)滿足了要求，所以本次設(shè)計(jì)采用方案二以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯示功能。 3． 輸入方案 單 片 機(jī) 最 小 系 統(tǒng) 倒 計(jì) 時(shí) 交 通 燈 鍵盤 與狀 態(tài)顯 示 這里同樣討論了兩種方案： 方案一：采用 8155 擴(kuò)展 I/O 口 、 鍵盤 及 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口線上接上按鍵開(kāi)關(guān)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)精簡(jiǎn)和優(yōu)化了電路，所以剩余的端口資源還比較多，我們使用六個(gè)按鍵，分別是 P1 P1 P2 P P3P33，依次完成倒計(jì)時(shí)加 倒計(jì)時(shí)減 調(diào)完確認(rèn)、調(diào)時(shí)方向切換、南北強(qiáng)行和東西強(qiáng)行等功能。 由于該 系統(tǒng) 是 對(duì)交通燈及數(shù)碼管的控制，只 需 用單片機(jī)本身的 I/O 口就可實(shí)現(xiàn)，且本身的計(jì)數(shù)器及 RAM已經(jīng)夠用，故 選擇 方案二。 硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方方面面很多，除了實(shí)現(xiàn)交通燈基本功能以外，主要還要考慮如下幾個(gè)因素： ① 系統(tǒng)穩(wěn)定度； ② 器件的通用性或易選購(gòu)性； ③軟件編程的易實(shí)現(xiàn)性； ④ 系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)；因此硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要?，F(xiàn)從各功能模塊的實(shí)現(xiàn)逐個(gè)進(jìn)行分析探討。 總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，共分以下幾個(gè)功能模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)、鍵盤及狀態(tài)顯示、 倒計(jì)時(shí) 模塊等 。 單片機(jī)作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機(jī) 振蕩 電路、復(fù)位電路等組成。 鍵盤及狀態(tài)顯示，開(kāi)關(guān)鍵盤輸入 交通 燈初始時(shí)間，通過(guò)單片機(jī) P1 輸入到系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用雙數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，最大顯示數(shù)字 99。 友好的人機(jī)界面、靈活的控制方式、優(yōu)化的物理結(jié)構(gòu)是本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 振蕩電路 AT89C51是內(nèi)部 具有 振蕩電路的單片機(jī)，只需在 18腳和 19腳之間接上石英晶體，給單片機(jī) 加 工作所需直流 電源 ，振蕩器就開(kāi)始振蕩起來(lái)。 振蕩電路就為單片機(jī)工作提供了所需要的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，是單片機(jī)的內(nèi)部電路、單片機(jī)的內(nèi)部程序（若有）開(kāi)始工作。振蕩電路不工作，整個(gè)單片機(jī)電路都不能正常工作。 AT89C51 常外接 6MHz、 12MHz的石英晶體， 18 腳和 19 腳分別對(duì)地接了一 個(gè) 20pF 的電容，目的是防止單片機(jī)自激。若從 18腳輸入外部時(shí)鐘脈沖，則 19腳接地。 復(fù)位電路 復(fù)位電路就是在 RST 端（ 9腳）外接的一個(gè)電路，目的是使單片機(jī)上 的 電開(kāi)始工作時(shí)，內(nèi)部電路從初始狀態(tài)開(kāi)始工作，或者在工作中人為讓單片機(jī)重新從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。在時(shí)鐘工作的情況下， 只要復(fù)位引腳高電平保持在兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51 便能完成系統(tǒng)重置的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)置成已知狀態(tài)，并且從地址 0000H 處讀入程序代碼而執(zhí)行程序。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖9所示： 圖 9 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 顯示及其驅(qū)動(dòng)模塊 鍵盤與狀態(tài)顯示功能 鍵盤在本設(shè)計(jì)中用于緊急情況的手動(dòng)控制裝置， 以及定時(shí)時(shí)間的設(shè)置等功能，起到了不可缺 少 的重要作用。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)為 1秒時(shí)程序跳轉(zhuǎn)到時(shí)間顯示及信號(hào)燈顯示子程序，它將 依次 顯示信號(hào)燈時(shí)間，同時(shí)一直顯示信號(hào)燈的顏色， 這時(shí)在返回定時(shí)子程序定時(shí) 1秒，在顯示黃燈的下一個(gè)時(shí)間，這樣依次把所有的時(shí)間顯示完后在重新給時(shí)間計(jì)數(shù)器賦初值，重新進(jìn)入循環(huán)。 鍵盤電路 如圖 10所示： 圖 10 鍵盤電路 倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能 本系統(tǒng)使用數(shù)碼管完成倒計(jì)時(shí)顯示功能。以南北方向?yàn)槔?，?shù)碼管顯示的數(shù)值從綠燈的設(shè)置時(shí)間最大值往下減，每秒鐘減 1，一直減到 1。然后又從紅燈的設(shè)置時(shí)間最大值往下減，一直減到 1。接下來(lái)又顯示綠燈時(shí)間，如此循環(huán)。 系統(tǒng)共有 4個(gè)兩位的 LED 數(shù)碼管，分別放置在模擬交通燈控制板上的四個(gè)路口。各個(gè)方向的數(shù)碼管個(gè)位（把數(shù)碼管第二位定 義為個(gè)位，第一位定義為十位）用一根信號(hào)線控制，十位用另一根信號(hào)線控制。這里采用動(dòng)態(tài)顯示。 LED 數(shù)碼管如圖 11所示： 圖 11 LED 數(shù)碼管 7．