【正文】 .................................................................... 29 1 序言 由于單片機(jī)技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，在單片機(jī)家族的眾多成員中， MCS51 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能，成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。因此，可以極方便的利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。但這一技術(shù)在 19 世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了。這種交通燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市 5 號大街的一座高塔上。 信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。綠燈是通行信號，面對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。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。 當(dāng)今時代是一個自動化時代，交通燈控制等很多行業(yè)的設(shè)備都與單片機(jī)密切相關(guān)。隨著大規(guī)模集成電路和單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在控制技術(shù)方面的廣泛運用，交通燈智能控制是現(xiàn)代交通管理發(fā)展的一個主流方向。智能交通燈的管理比重修一條馬路無論在經(jīng)濟(jì)、交通運行速率上都有很好的效益，而且更加節(jié)約資源，使交管人員有更多的精力投入到管理整個城市交通控制，帶來更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為創(chuàng)造美好的城市交通形象發(fā)揮更多的作用。相應(yīng)地，我國進(jìn)入 WTO 以后，我國經(jīng)濟(jì)貿(mào)易與世界接軌，汽車業(yè)關(guān) 稅大大降低，使很多人都能負(fù)擔(dān)得起，買私家車不再是夢想。放眼現(xiàn)在的中國，如廣州、 北京 、上海等大都市，無不受到交通堵塞的困擾。有及于此，我國交通管制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)以人性化、智能化為目的，作出相應(yīng)的改善。 單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。 交通信號燈是城市交通有序、安全、快速運行的重要保障，而保障交通信號燈正常工作就成了保障交通有序、安全、快速運行的關(guān)鍵。 （二）選題背景 由于我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展從而導(dǎo)致了汽車數(shù)量的猛增，大中型城市的城市交通，正面臨著嚴(yán)峻的考驗，從而導(dǎo)致交通問題日益嚴(yán)重，其主要表現(xiàn)如下：交通事故頻發(fā)，對人類生命安全造成極大威脅；交通擁堵嚴(yán)重，導(dǎo)致出行時間增加，能源消耗加大；空氣污染和噪聲污染程度日益加深等。在這種背景下，結(jié)合我國城市道路交通的實際情況，開發(fā)出真正適合我們自身特點的智能信號燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前的主要任務(wù)。所以，改變和完善我國現(xiàn)有的交通系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急。使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量，提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用單片機(jī)技術(shù)對交通燈進(jìn)行智能化管理，已成為目前廣泛采用的方法。但這一技術(shù)在 19 世紀(jì)就已出現(xiàn)了。這是世界上最早的交通信號燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成 ，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。 1914 年，電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。從最早的手牽皮帶到 20 世紀(jì) 50 年代的電氣控制。 在信號機(jī)的發(fā)展歷程中，自適應(yīng)理論一直受到各研究機(jī)構(gòu)的歡迎，比如上面所述的 SCOOTS 和SCATS 系統(tǒng)。 我國交通領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，基本上從新中國建國以后，隨著各方面的條件的成熟以及社會發(fā)展的要求，才建立及健全交通控制系統(tǒng)的，主要引用國外的交通控制系統(tǒng)。雖然在整體規(guī)模和層次上與世界發(fā)達(dá)國家還有不少差距，但部分領(lǐng)域技術(shù)水平已經(jīng)處于世界先進(jìn)位置。 1 交通控制存在的問題 目前，城市交通控制還存在如下問題： （ 1）隨著城市機(jī)動車增長速度加快的同時，城市道路建設(shè)規(guī)模也在加大，我國城市普遍存在道路密度，道路面積率偏低的問題 ，這是我國城市尤其是大城市道路交通出現(xiàn)問題的一個重要原因。 20 世紀(jì) 90 年代，我國部分城市道路面積率，北京為 %，上海為 %，而國外東京為%，巴黎為 25%，普遍高于我國。 （ 2）出租車以及公交的發(fā)展運營情況并不盡如人意，雖然車輛和線路長度增長，但運營速度成了 4 瓶頸，新增的運力被運輸效率低下所 抵消。在車輛、道路和交通管理系統(tǒng)，城市交通信號控制系統(tǒng)，城市交通管制中應(yīng)用人工智能技術(shù)、信息采集和信息提供技術(shù)等方面都與發(fā)達(dá)國家有很大差距。城市車流行駛速度逐年下降，目前不少城市交通運量年年增長，但運輸速度普遍下降，這都源于交通通行不佳。 2 交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向 綜合分析國內(nèi)外先進(jìn)的城市交通控制系統(tǒng)，結(jié)合我國城市道路及交通的實際情況，同時也對今后城市交通與道路建設(shè)的發(fā)展的前瞻性考量，我國道路智能交通控制系統(tǒng)的發(fā)展模式應(yīng)具有如下功能： （ 1）多模式化。此外，充分根據(jù)不同地區(qū)實時交通情況，對路口能力最大、延遲時間最短等作為遴選不同系統(tǒng)的參考標(biāo)準(zhǔn)。隨著信息技術(shù)的高度發(fā)展，作為道路交通控制系統(tǒng)所承擔(dān)的工作不僅僅是對交通流的引導(dǎo)，更承擔(dān)了諸如為車輛提供道路交通信息的職能，利用對車輛的 CPS 誘導(dǎo)，使道路通行更加順暢。隨著計算機(jī)技術(shù)和優(yōu)化理論的發(fā)展，模型算法的求解和交通模型的建立就有可能獲得最優(yōu)解并建立最佳模型。 （ 4）規(guī)整化。我國在建立完整的道路交通控制系統(tǒng)之前，必須針對道路狀況和交通流做出若干種交通疏導(dǎo)預(yù)案和道路使用預(yù)案，從而使交通和道路更加規(guī)整。根據(jù)計算科學(xué)的發(fā)展，我國在制定和實施智能交通控制系統(tǒng)時必須在硬件設(shè)計和軟件編程上采用通用化和模塊化，有利于將來的逐步升級和換代。 （ 1） PLC 具有以下特點 PLC （ Programmable Logic Controller） 可編程邏輯控制器，是工業(yè)控制計算機(jī)。具有光電隔離的輸入輸出端子，可代替大量的定時器、記數(shù)器、繼電器，具有極高的可靠性。 PLC 包括 操作系統(tǒng)及強(qiáng)電的光電隔離的輸入 /輸出，方便應(yīng)用并具有極高的可靠性與抗干擾能力、擴(kuò)展能力及使用方便性。 （ 2）單片機(jī)具有以下特點 單片計算機(jī)是將電子計算機(jī)的基本環(huán)節(jié) ,如 :CPU,存儲器 ,總線 ,輸入輸出接口等 ,采用集成電路技術(shù)集成在一片硅基片上 。 城市交通是一個高度綜合而又復(fù)雜的問題，必須從政策、機(jī)構(gòu)、體制、管理、收費價格、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和投資各個方面同時入手解決。因此，本文中采用單片機(jī)作為交通燈控制系統(tǒng)。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示允許通行。 本系統(tǒng)利用單片機(jī)的定時器定時，控制十字路口的紅綠燈交替點亮和熄滅，并且用 LED 數(shù)碼管顯示時間。 （二） 方案選擇 方案一：采用分模塊設(shè)計思想，程序設(shè)計實現(xiàn)的基本思想是一個計數(shù)器，選用一個單片機(jī)，其內(nèi)部為一個十六位計數(shù)器，模塊化后，通過設(shè)置和程序清除來實 現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，由于每一個模塊的計數(shù)都不相同，各個模塊是以預(yù)置數(shù)和計數(shù)器計數(shù)共同來實現(xiàn)的，所以要考慮增加一個置數(shù)模塊。以主干道為例，簡述其設(shè)計思想。由上分析得出可以用一個計數(shù)器和跳轉(zhuǎn)指令去完成預(yù)置數(shù)，而紅綠燈的顯示也是一樣，由狀態(tài)分析可以得出紅綠燈的變化表，如表 22 所示： 表 22 紅綠燈變化表 狀態(tài) 主干道燈顯示 次干道燈顯示 00 紅燈 綠燈 01 紅燈 左轉(zhuǎn)綠燈 10 綠燈 紅燈 11 左轉(zhuǎn)綠燈 紅燈 通過表 22 可以得出用組合電路能實現(xiàn)該功能。接下來就是計數(shù)模塊，它主要的功能為：要從預(yù)置數(shù)開始遞減計數(shù)，一個狀態(tài)結(jié)束，通過判斷，通知主控制模塊，使之進(jìn)入下一模塊。所以，系統(tǒng)中的兩個狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，在上一狀態(tài)結(jié)束時設(shè)置預(yù)置數(shù)，而控制紅綠燈的是隨著系統(tǒng)本身狀態(tài)的變化而變化，體現(xiàn)在要有兩組電路去判斷符合的狀態(tài)。 （ 2）建立顯示控制系統(tǒng)，本設(shè)計采用 74190 芯片倒計時控制，每個方向用兩片來相連實現(xiàn)。 （ 3）建立反饋和細(xì)節(jié)連接部分，本部分主要解決顯示和燈控的同步問題。 綜上所述，方案一采用了分模塊設(shè)計，在設(shè)計上顯得較簡單，設(shè)計純樸，便于測試。相比之下方案一有較強(qiáng)的可讀性和較強(qiáng)的可修改性。對工程設(shè)計人員來說，采取分模塊設(shè)計的產(chǎn)品無論從維修上還是升級上考慮都有好處。單片機(jī)微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。每個子系列有諾干中型號。改進(jìn)后的型號更加省電。 Inter 公司停止生產(chǎn) MCS51 系列單片機(jī)之后將生產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓給了許多其他公司，于是出現(xiàn)了許多與 Mcs51 兼容的單片機(jī)。我們現(xiàn)在使用比較的多的是 AT89C51/AT89S51 等 [2]。它把運算器、控制器、少量的存儲器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。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，便可以構(gòu)成一個單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的 CPU 功能在增強(qiáng)，內(nèi)部資源在增多，引腳越來越多功能化。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡，民用豪華轎車的 安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。它主要是作為控制部分的核心部件。 本系統(tǒng)的主要元件包括：電路板 ， AT89S51 單片機(jī) ， 7SEGMPX2CC 數(shù)碼管， 按鈕，二極管， LED燈，電阻，排阻，揚聲器，交通燈。 (2)由 AT89S51 單片機(jī)的定時器每秒鐘通過 口輸出顯示紅燈、綠燈、左轉(zhuǎn)綠燈的點亮?xí)r間情況；由 AT89S51 的 、 、 、 、 、 、 口顯示每個燈的點亮情況。 (4)AT89S51 本身集成了看門狗指令，當(dāng)系統(tǒng)出 現(xiàn)異常，看門狗將發(fā)出溢出中斷。 （二）芯片選擇 芯片 選用的 AT89S51 用于實現(xiàn)系統(tǒng)的總的控制 ， 其主要功能列舉如下： （ 1）、為一般控制應(yīng)用的 8 位單片機(jī)； （ 2）、晶片內(nèi)部具有時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 33MHz）； （ 3）、內(nèi)部程式存儲器（ ROM）為 4KB； （ 4）、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）為 128B； （ 5）、外部程序存儲器可擴(kuò)充至 64KB； （ 6）、外部數(shù)據(jù)存儲器可擴(kuò)充至 64KB； （ 7）、 32 條雙向輸入輸出線，且每條 均可以單獨做 I/O 的控制； （ 8）、 5 個中斷向量源； （ 9）、 2 組獨立的 16 位定時器； （ 10）、 1 個全雙工串行通信端口； （ 11）、 8751 及 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)保密的功能； （ 12）、單芯片提供位邏輯運算指令 [5]。 GND： 接地線 。 EA/Vpp： 程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 PSEN： 外部存儲器讀選通信號 。 P0 口 （ ～ ）：端口 0 是一個 8 位寬的開路電極（ Open Drain）雙向輸出入端口，共 有 8個位， 表示位 0， 表示位 1，依此類推。如果當(dāng) EA 引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器）， P0 就以多工方式提供地址總線（ A0～ A7）及數(shù)據(jù)總線（ D0～ D7）。 P1 口 （ ～ ） ：端口 1 也是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，其輸出緩沖器可以推動4 個 LS 的 TTL 負(fù)載，同樣地，若將端口 1 的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。 P2 口 （ ～ ）：端口 2 是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，每一個引腳可以推動 4 個LS 的 TTL 負(fù)載，若將端口 2 的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。 P3 口 （ ～ ）：端口 3 也具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，其輸出緩沖器可以推動 4個 TTL 負(fù)載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、定時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?[6]。串入并出移位寄存器，在每個時鐘的上升沿采樣數(shù)據(jù)。 LED（ Light Emitting Diode），中文名 發(fā)光二極管 ，從模擬電子技術(shù)的角度解釋，它是一種固態(tài)的 半導(dǎo)體 器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是 N 型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。 LED 顯示屏是利用發(fā)光二極管點陣模塊或像素單元排列組成的平面式顯示屏幕。較 LCD 顯示器相比 , LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢 [8]。共陽需要把公共端接高電位，用低電平控制；共陰的則是 把公共端接低電位，用高電平控制 。假如我們將 b和 c段接上正電源，其它端接地或懸空，那么 b和 c段發(fā)光，此時，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“ 1”。其它字符的顯示原理類同。 程序中開始是先定義發(fā)光二極管的 I/O 口，接著設(shè)定各個狀態(tài)量發(fā)光二極管的狀態(tài)數(shù)組。其流程圖如圖 41 所示： 圖 41 數(shù)字顯示模塊流程圖 核心代碼如下： void Display(void) { P0=table[Time_EW%10]。 Delay(2)。 P0=table[Time_EW/10]。 Delay(2)。