【正文】 .................................................................................................................................. 21 源程序： ..................................................................................................................................... 22 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 1 課程設(shè)計(jì) 任務(wù)書(shū) 學(xué)生姓名： XXX 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 物流 工程卓越 1001 指導(dǎo)教師： 朱宏輝 工作單位： 物流工程 題 目 : 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 初始條件： 1. 熟悉背景資料和任務(wù) ： 熟悉給定的背景資料和數(shù)據(jù)，明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求；擬訂設(shè)計(jì)計(jì)劃和初步方案。對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用系統(tǒng)，可設(shè)計(jì)出 PCB 圖。本系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展功能強(qiáng)。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故稱(chēng)為微控制器。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 交通燈發(fā)展概述 早在 1850 年，城市交叉口處不斷增長(zhǎng)的交通就引發(fā)了人們對(duì)安全和擁堵的關(guān)注。1914 年及稍晚一些時(shí)候，美國(guó)的克利夫蘭、紐約和芝加哥才重新出現(xiàn)了交通信號(hào)燈，它們采用電力驅(qū)動(dòng)，與現(xiàn)在意義上的信號(hào)燈已經(jīng)相差無(wú)幾。 伴隨著城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展。傳統(tǒng)的城市道路交通控制指的是區(qū)域交叉口信號(hào)燈控制，而城市交通的區(qū)域協(xié)調(diào)控制，是在整個(gè)城市范圍內(nèi)對(duì)交通進(jìn)行控制，這無(wú)論是從理論角度還是實(shí)踐角度，都是一個(gè)極其復(fù)雜的大系統(tǒng)控制問(wèn)題。 課題背景及意義 當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車(chē)輛最常見(jiàn)和最有效的手段。 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(chē)通行。 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。 1869 年 1月 2 日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車(chē)輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來(lái)啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車(chē)放行，以免發(fā)生交通事故。 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。左右轉(zhuǎn)彎車(chē)輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車(chē)輛和過(guò)人行橫道的行人優(yōu)先通行。黃燈是警告信號(hào)，面對(duì)黃燈的車(chē)輛不能越過(guò)停 車(chē)線(xiàn)，但車(chē)輛已十分接近停車(chē)線(xiàn)而不能安全停車(chē)時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。所以，采用單片機(jī)自動(dòng)控制交通燈有現(xiàn)實(shí)的社會(huì)意義。系統(tǒng)除基本的交通功能外，還具有倒計(jì)時(shí)，時(shí)間設(shè)置。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。 程序開(kāi)始運(yùn)行先南北段通行、東西段禁止 60s，后東西段通行、南北段禁止 60s，依此循環(huán)。 正常模式：直行時(shí)間顯示數(shù)碼管顯示 60。 繁忙模式：南北段、東西段的通行時(shí)間改為 45s，其中左拐的時(shí)間改為 15s，其它與正常模式類(lèi)似。 原理分析 交通燈顯示時(shí)序的理論分析 下圖所示為一種紅綠燈規(guī)則的狀態(tài)圖： 圖 11 狀態(tài) S1南北直行通行 圖 12 狀態(tài) S2南北左拐通行 圖 13 狀態(tài) S3東西直行通行 圖 14 狀態(tài) S4東西左拐通行 交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖： 圖 15 交通燈狀態(tài)循環(huán)圖 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 5 依據(jù)上述車(chē)輛行駛的狀態(tài)圖，可以列出各個(gè)路口燈的邏輯表如下表所示 (其中邏輯值“ 1”代表直行通行，邏輯值“ 0”代表禁止通行，邏輯值“ L”代表左拐通行 )： 表 11 邏輯值 E N W N S1 0 1 0 1 S2 0 L 0 L S3 1 0 1 0 S4 L 0 L 0 交通燈顯示的理論分析 倒計(jì)時(shí)顯示的理論分析：利用定時(shí)器中斷，設(shè) TH0=TH1＝ (6553650000)/256，即每 秒中斷一次。 狀態(tài)燈顯示的理論分析：黃燈閃爍同樣可以利用定時(shí)器中斷。 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 6 第 2 章 設(shè)計(jì)方案分析 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的交通燈是一款的多功能交通燈，預(yù)期實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。系統(tǒng)硬件框圖如下圖 21： 圖 21 硬件框圖 該系統(tǒng)主控芯片單片機(jī)采用 AT89C51，它內(nèi)部具有 128 個(gè) 8位用戶(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128 個(gè)專(zhuān)用寄存器單元，兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向，可以滿(mǎn)足該控制程序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求?；?上述原因，我們考慮了二種方案： 方案一：完全采用數(shù)碼管顯示。 法案二：完全采用點(diǎn)陣式 LED 顯示。但功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等。它屬于電流控制型 半導(dǎo)體器件 ，使用時(shí)需串接合適的限流電阻。 AT89C2051 是一種帶 2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳 相兼容。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89S51 共有 5個(gè)中斷源，其中又 2 個(gè)外部中斷源和 3 個(gè)內(nèi)部中斷源。 VCC：電源電壓 P0 口： P0口是一組 8 位雙向 I／ 0口。當(dāng) CPU訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)， P0口分時(shí)先作低 8 位地址總線(xiàn)，后作雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)，此時(shí)， P0 口就不能再作 I/O 口使用了。 P3 口除了作為通用的 I/O 口使用之外，每個(gè)引腳還具有第二功能，具體分配如 下 表 具有第二功能的 P3口引腳 ： 端口引腳 第二功能： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外中斷 0） / INT1（外中斷 1） T0（定時(shí)／計(jì)數(shù)器 0 外部輸入） T1（定時(shí)／計(jì)數(shù)器 1 外部輸入） / WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） / RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳 出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 DISRT0 位缺省為 RESET 輸出高電平打開(kāi)狀態(tài)。 ALE／ PROG———— ：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。要注意的是：每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE 無(wú)效。 PSEN———— 程序儲(chǔ)存允許（ PSEN———— ）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89S51 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 11 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN————有效，即輸出兩個(gè)脈沖。 欲使 CPU 僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000H－FFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 C51 的中斷源 C51 有 5 個(gè)中斷源，它們是兩個(gè)外中斷 INT0（ ）和 INT1（ ）、兩個(gè)片內(nèi)定時(shí) /計(jì)數(shù)器溢出中斷 TF0 和 TF1，一個(gè)是片內(nèi)串行口中斷 TI 或 RI，這幾個(gè)中斷源由TCON 和 SCON 兩個(gè)特殊功能寄存器進(jìn)行控制 ,其中 5 個(gè)中斷源的程序入口地址如 下 表所示： 中斷源的服務(wù)程序入口地址 中斷源 入口地址 外中斷 0 0003H 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 000BH 外中斷 1 0013H 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 001BH 串行口中斷 0023H 硬件電路實(shí)現(xiàn) 選用設(shè)備 8051 單片機(jī)一片，共陰極的七段兩位數(shù)碼管兩個(gè)，紅、黃、交通燈各四個(gè)，綠發(fā)光二極管 8個(gè)，按鍵三個(gè)、電容兩個(gè) 22pF，電阻十六個(gè) 470Ω，晶體振蕩器一個(gè)，連線(xiàn)若干。如圖 32 所示。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。具體數(shù)值可以由 RC 電路計(jì)算出時(shí)間 常數(shù)。 （ 1）上電復(fù)位電路要求接通電源后，通過(guò)外部電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位操交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 12 作。 RERST 引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（ 2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生 ALE和 PSEN 信號(hào)，即 ALE=1 和 PSEN=1。 本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路，如圖 32所示 圖 32 復(fù)位電路圖 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱(chēng)叫晶體振蕩器，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率。 外部時(shí)鐘方式是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入到單片機(jī)內(nèi)。一般要求外部信號(hào)高電平的持續(xù)時(shí)間大于 20μ s，且為頻率低于 12MHz 的方波。如圖 3所示。通過(guò)七段發(fā)光二極管的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母或者其他符號(hào)。如圖 33所示。使用時(shí)公共陽(yáng)極接 +5V。 （ 2）共陰極接法 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 14 圖 33 LED引腳圖及兩種連接方法 此設(shè)計(jì)用共陰級(jí)的 2位數(shù)碼管，如圖 34所示： 圖 34 二位數(shù)碼管 經(jīng)過(guò)萬(wàn)用表測(cè)定，此設(shè)計(jì)所用的數(shù)碼管的引腳圖，如下圖 35 所示： 圖 35 實(shí)物數(shù)碼管引腳圖 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 15 LED 顯示分為動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示 （ 1）靜態(tài)顯示，是指顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。靜態(tài)顯示時(shí)，較小的驅(qū)動(dòng)電流就可以得 到較高的顯示亮度，所以可由接口芯片直接驅(qū)動(dòng)。對(duì)于多位 LED 顯示器的接口電路來(lái)說(shuō)，需要有兩個(gè)輸出口：各位數(shù)碼管的段控線(xiàn)相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8位的 I/O口控制，還學(xué)要一個(gè)輸出口輸出位控制信號(hào)，“位控”實(shí)際上就是對(duì) LED 顯示器的公共端進(jìn)行控制，位控信號(hào)的數(shù)目與顯示器個(gè)數(shù)相同。 動(dòng)態(tài)顯示方式的硬件電路簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)顯示采用多路復(fù)用技術(shù)的動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，利用人眼的暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短，發(fā)光的 亮度等因素 。 本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)二位一體共陰數(shù)碼管，不管將幾位數(shù)碼管連在一起，數(shù)碼管的顯示原理都是一樣的，用 P0 口來(lái)控制 LED 數(shù)碼管的段控線(xiàn)和和利用 P2 口控制位控線(xiàn)，動(dòng)態(tài)顯示采用動(dòng)態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示及循環(huán)點(diǎn)亮每一個(gè)數(shù)碼管，雖然任何時(shí)刻都只有一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，但由于人眼存在暫留效應(yīng)，只要每位數(shù)碼管間隔時(shí)間足夠短，就可以給人以同時(shí)顯示的感覺(jué)。發(fā)光 二極管 與普通二極管一樣是由一個(gè) PN 結(jié) 組成，也具有 單向?qū)щ娦?。不同的 半導(dǎo)體材料