【正文】 ，減少交通事故是值得我們研究的新課題。隨著人們生活水平的提高，對交通管制也提出了更高的要求，因此提供一個(gè)可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統(tǒng)有著現(xiàn)實(shí)的必要性。 國內(nèi)外學(xué)者對這一學(xué)科也早有研究，控制方案各種各樣，并且各有優(yōu)缺點(diǎn)。到 1963 年加拿大多倫多市建立了一套使用IBM650 型計(jì)算的集中協(xié)調(diào)感應(yīng)控制信號系統(tǒng)，從而標(biāo)志著城市道路交通信號系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。在西方發(fā)達(dá)國家，交通控制系統(tǒng)基本上完成了由傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)向智能交通控制系統(tǒng) ITS（ Intelligent Transport systems）的轉(zhuǎn)變。在 20世紀(jì) 90 年代初，我國的相關(guān)學(xué)者開始意識到研究和開發(fā) ITS 的重要性。 基于整個(gè)交通控制系統(tǒng)的發(fā)展情況，本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行如下方面的研究：用智能，集成，且功能強(qiáng)大 的 MCS51 系列單片機(jī)中的AT89C51 為控制中心，設(shè)計(jì)出一套十字路口的交通控制系統(tǒng)，以指揮該路口的實(shí)時(shí)通行狀態(tài)。 1 系統(tǒng)總體方案 交通管理的方案論證 方案設(shè)想 東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口，各干道有一組紅 、黃、綠三色的指示燈，指揮車輛和行人安全通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換，且黃燈燃亮?xí)r間為東西、南北兩干道的公共停車時(shí)間。 表 指示燈的燃亮方案 60S 5S 80S 5S ?? 東西道 紅燈亮 黃燈亮 綠燈亮 黃燈亮 ?? 南北道 綠燈亮 黃燈亮 紅燈亮 黃燈亮 ?? 表 說明： （ 1）當(dāng)東西方向?yàn)榧t燈，此道車輛和行人禁止通行；南北道為綠燈，此道車輛和行人通過。 （ 2）黃燈 閃爍 5 秒，警示車輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。時(shí)間為 80 秒。 （ 4）這樣如上表的時(shí)間和紅、綠、黃出現(xiàn)的順序依次出現(xiàn)這樣行人和車輛就能安全暢通的通行。本次設(shè)計(jì)考慮了這兩種鍵盤方案： 方案一：采用行列式鍵盤。 方案二：采用獨(dú)立式鍵盤 。本設(shè)計(jì)應(yīng)用的接口數(shù)量不多，故選擇此方案。本次設(shè)計(jì)考慮了這兩種方案： 方案一：采用軟件看門狗。軟件看門狗的最大特點(diǎn)是無須外加硬件電路，經(jīng)濟(jì)性好。當(dāng)然，如果片內(nèi)的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器被占用，就需要尋求其它的設(shè)計(jì)方式了。 硬件看門狗是指一些集成化的或集成在單片機(jī)內(nèi)的專用看門狗電路，它實(shí)際上是一個(gè)特殊的定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，發(fā)出溢出脈沖。而當(dāng)程序運(yùn)行異常時(shí)，看門狗超時(shí)發(fā)出溢出脈沖，通過單片機(jī)的 RESET 引腳使單片機(jī)復(fù)位。但需要外加硬件電路，經(jīng)濟(jì)性較差。 顯示控制方案 這里同樣討論了兩種方案： 方案一：采用靜態(tài)顯示。該方案占用接口資源多，顯示亮度由保證，但硬件開銷大，電路復(fù)雜，信息刷新速度慢，實(shí)用于并行接口資源較少以及對顯示沒有要求的場合。 LED 動態(tài)顯示硬件連接簡單，比較節(jié)省 I/O 接口，但其亮度不如靜態(tài)顯示方式，且動態(tài)掃描的顯示方式在顯示位數(shù)較多時(shí)，CPU 要依次掃描，需占用 CPU 較多的時(shí)間。 2 交通燈控制的功能要求 本設(shè)計(jì)能模擬基本的交通控制系統(tǒng)，用紅綠黃燈表示禁行，通行和等待的信號發(fā)生，還能進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示，車流量檢測及調(diào)整，交通違規(guī)處理等功能。駕駛員和行人普遍都愿意選擇有倒計(jì)時(shí)顯示的信號控制方式，并且認(rèn)為有倒計(jì)時(shí)顯示的路口更安全。 （ 2）車流量檢測及調(diào)整 隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，城市人口和機(jī)動車擁有量在急劇增長，交通流量日益加大，交通擁擠堵塞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，交通事故時(shí)有發(fā)生?，F(xiàn)階段，車輛 檢測器檢測方式有很多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，如紅外線檢測器、地磁檢測器、機(jī)械壓電檢測器，磁頻檢測器、波頻檢測器、視頻檢測器等。而且，目前國內(nèi)使用的紅綠燈都是固定的紅綠燈時(shí)間，并自動切換。交通警察不斷觀察十字路口的兩個(gè)方向，根據(jù)車輛密度和流速決定是否切換紅綠燈，以保證最佳的道路交通控制狀態(tài)。鍵盤是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的人機(jī)接口，一般情況下有獨(dú)立式和行列式兩種。后者適用于按鍵數(shù)量較多的場合，但是在單片機(jī) I/O 口資源相對較少而需要較多按鍵時(shí)，此方法仍不能滿足設(shè)計(jì)要求。 （ 4）違規(guī)檢測 交通規(guī)則必須人人遵守，但是違反規(guī)則，如闖紅燈等，也時(shí)有發(fā)生，交警等交通管理人員雖然可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，但是耗費(fèi)精力，在路口設(shè)置檢測傳感器就可以進(jìn)行自動的警報(bào)提 示。 單片機(jī)設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)，可用單片機(jī)直接控制信號燈的狀態(tài)變化，基本上可以指揮交通的具體通行，當(dāng)然，接入 LED 數(shù)碼管就可以顯示倒計(jì)時(shí)以提醒行使者，更具人性化。 鍵盤設(shè)置模塊對系統(tǒng)輸入模式選擇及具體通行時(shí)間設(shè)置的信號，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，執(zhí)行交通燈狀態(tài)顯示控制，同時(shí)將時(shí)間數(shù)據(jù)倒計(jì)時(shí)輸入到 LED 數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示。 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。 圖 總體框圖 據(jù)此，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由車流量檢測模塊，違規(guī)檢測模塊，和按鍵設(shè)置模塊等產(chǎn)生輸入，信號燈狀態(tài)模塊， 8段 LED 數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)模 塊和蜂鳴器狀態(tài)模塊接受輸出。 系統(tǒng)工作原理 （ 1）開關(guān)鍵盤輸入交通燈初始時(shí)間，通過 8051 單片機(jī) P1口輸入到系統(tǒng) （ 2）由 8051 單片機(jī)的定時(shí)器每秒鐘通過 P0口向 8255 的數(shù)據(jù)口送信息，由 8255 的 PA 口顯示紅、綠、黃燈的燃亮情況；由8255 的 PC 口顯示每個(gè)燈的燃亮?xí)r間。 （ 4）通過 8051 單片機(jī)的 位來控制系統(tǒng)是繼續(xù)工作或設(shè)置初 值，當(dāng) 位為 0，就對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，為 1系統(tǒng)就繼續(xù)工作。 （ 6）紅燈時(shí)間倒計(jì)時(shí)完畢，黃燈閃爍 5 秒，警示車輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。 （ 7）綠燈時(shí)間倒計(jì)時(shí)完畢，黃燈閃爍 5 秒，警示車輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件有單片機(jī)、存儲器、若干 I/O（擴(kuò)展）接口、驅(qū)動器件、保護(hù)器件、檢測器件及外圍設(shè)備等組成。存儲器用于存儲單片機(jī)程序和數(shù)據(jù)。有時(shí)需要擴(kuò)展 I/O 接口 來滿足單片機(jī)接口數(shù)量上的不足，通常采用 8255 芯片。 AT89C51 單片機(jī)簡介 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) AT89C51 是 8051 系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品， AT89C51 單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，如圖 所示。 （ 2）數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) AT89C51 內(nèi)部有 128 個(gè) 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 （ 4）定時(shí) /計(jì)數(shù)器 (ROM) AT89C51 有兩個(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。 （ 6）全雙工串行口 AT89C51 內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 （ 8）時(shí)鐘電路 AT89C51 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但 AT89C51 單片機(jī)需外置振蕩電容。 INTEL 的 AT89C51 系列單片機(jī)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS96 系列單片機(jī)則采用 普林斯頓結(jié)構(gòu)。 89C51 有 40 條引腳 ,與其他 51 系列單片機(jī)引腳是兼容的。 圖 89C51 引腳分配圖 89C51 單機(jī)的電源線有以下兩種： （ 1） VCC： +5V 電源線。 （ 2） GND：接地線。采用內(nèi)部振蕩器時(shí)，它接外部石英晶體和微調(diào)電容的一個(gè)引腳。采用外部振蕩器時(shí)，該引腳懸空。 控制線 89C51 單片機(jī)的控制線有以下幾種： （ 1） RST：復(fù)位輸入端，高電平有效。 （ 3） PSEN ：外部程序存儲器的讀選通線。 89C51 單片機(jī)復(fù)位電路 單片機(jī)在開機(jī)時(shí)或在工作中因干擾而使程序失控， 或工作中程序處于某種死循環(huán)狀態(tài)，在這種情況下都需要復(fù)位。 89C51 單片機(jī)的復(fù)位靠外部電路實(shí)現(xiàn) ,信號由 RESET(RST)引腳輸入 ,高電平有效 ,在振蕩器工作時(shí) ,只要保持 RST 引腳高電平兩個(gè)機(jī)器周期 ,單片機(jī)即復(fù)位 .復(fù)位后 ,PC 程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0000H,片內(nèi) RAM 中內(nèi)容不變 .復(fù)位電路一般有上電復(fù)位和上電∕按鍵手動復(fù)位 2種 ,如圖 所示。 上電復(fù) 位 上電∕按鍵手動復(fù)位 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的晶振電路，即所謂的時(shí)鐘電路。單片機(jī)的時(shí)鐘方式分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，如圖 所示。單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘方式由外接的一只晶振和兩只起振電容，以及單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路組成，頻率范圍有限，晶振的頻率越高，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度越快，系統(tǒng)功耗也會相應(yīng)增加，穩(wěn)定性也會下降。本系統(tǒng)采用 晶振，電容選 22pF 或 30pF 均可。 圖 時(shí)鐘電路 鍵盤接口電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用鍵盤作為輸入設(shè)備，通過它將數(shù)據(jù)、內(nèi)存地址、命令及指令等輸入到系統(tǒng)中，來實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信。獨(dú)立式鍵盤的接口電路：在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，有時(shí)只需要幾個(gè)簡單的按鍵向系統(tǒng)輸入信息。如圖 所示，每個(gè)獨(dú)立按鍵 單獨(dú)占有一根 I/O 接口線，每根 I/O 接口線的工作狀態(tài)不會影響到其他 I/O接口線。故只在按鍵數(shù)量不多時(shí)采用這種按鍵電路。上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)， I/O 接口線有確定的高電平。 R90. 3K12345678161514131211109R 1 ~ 80. 3KS912345678161514131211109S 1 ~ 8S W D IP 8P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .5( M O S 2)6P 1 .6( M IS O )7P 1 .7( S C K )8P 3 .0( R X D )9P 3 .1( T X D )10P 3 .2( I N T 0 )11P 3 .3( I N T 1 )12P 3 .4( T 0)13P 3 .5( T 1)14P 3 .6( W R )15P 3 .7( R D )16P 2 .0( A 8)17P 2 .1( A 9)18P 2 .2( A 10 )19P 2 .3( A 11 )20P 2 .4( A 12 )21P 2 .5( A 13 )22P 2 .6( A 14 )23P 2 .7( A 15 )24P 0 .0( A D 0 )25P 0 .1( A D 1 )26P 0 .2( A D 2 )27P 0 .3( A D 3 )28P 0 .4( A D 4 )29P 0 .5( A D 5 )30P 0 .6( A D 6 )31P 0 .7( A D 7 )32X T A L 133X T A L 234A L E /P R O G35E A /V P P36P S E N37R S T38V C C39G N D40A T 89 C 51+5設(shè)置時(shí)間初值判斷是否設(shè)置初值D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D [ 0. .. 7] 圖 鍵盤接口電路 單片機(jī)接口與對應(yīng)的數(shù)值功能見表 。 8255A 與 74LS373簡介 8255A 簡介 （ 1） 8255A 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，對應(yīng)于引腳 PA7～ PA0、 PB7～ PB0 和 PC7～ PC0。通常 A 口、 B 口作為輸入輸出的數(shù)據(jù)端口。它們分別與端口 A/B 配合使用，可以用作控制信號輸出或作為狀態(tài)信號輸入。 圖 8255A 引腳圖 8255A 可編程并行接口芯片方式控制字格式說明： 8255A 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。 方式控制字格式說明見表 。 D D5： A 口方式選擇。 D3： C 口高 4 位功能（ 1=輸入， 0=輸出）。 D1： B 口功能（ 1=輸入， 0=輸出）。 8255A 可編程并行接口芯片工作方式 說明： 方式 0：基本輸入／輸出方式。每一個(gè)端口都可以用作輸入或輸出。 方式 1：選通輸入／輸出方式。 方式 2：雙向總線方式。 （ 2） 8255A