【正文】 行，以免發(fā)生交通事故。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(hào)系統(tǒng)。到 80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有 300多個(gè) ， 代表了未來(lái)交通控制的發(fā)展方向。對(duì)于傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng) 而言，對(duì)紅綠燈一般采用定時(shí)控制，無(wú)法對(duì)實(shí)際的交通流進(jìn)行識(shí)別優(yōu)化，以至于不能適應(yīng)交通量的不確定性和隨機(jī)性的原因，往往造成交通資源的浪費(fèi)和道路的梗阻。 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。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 2章 單片機(jī)控制的 交通燈 總體設(shè)計(jì)方案 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(lái)，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)。這類系統(tǒng)要求用戶自己編寫(xiě)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(kāi)發(fā)的難度。 集成的實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件 : 例如： Citect， Intouch，由軟件制造商提供，是專門(mén)為實(shí)時(shí)服務(wù)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。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。 RTX， RTKERNEL， RTOS等都是應(yīng)用廣泛的實(shí)時(shí)核。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(lái)說(shuō)是完全透明的，適應(yīng)性強(qiáng)。MCS51 單片機(jī)典型 的應(yīng)用是高速事件控制系統(tǒng)。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)。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。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。 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(lái)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。 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。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)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 。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 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(lái)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)。 顯示部分可模擬顯示交通等的顏色變化于倒計(jì)時(shí)。采用 LED變色、七段數(shù)碼管顯示和蜂鳴器來(lái)執(zhí)行。 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。根據(jù)實(shí)際情況與技術(shù)要求，畫(huà)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 . 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 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(mén)狗芯片、 8255A 等），僅用了晶體振蕩電路和復(fù)位電路。 顯示方面使用了 12 發(fā)光二級(jí)管來(lái)模擬紅黃綠三色交通燈，選用了 8 個(gè) BCD 數(shù)碼管來(lái)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示。 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。 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)。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。 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)。 結(jié)構(gòu)合理 目前單片機(jī)大多采用 Harvard 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)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(lái)，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(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。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。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。這種 8 位機(jī)一般不帶有 I/O 接口，尋址范圍通常為 4KB。 第三階段 :高檔 8 位機(jī)階段 (19781982 年 )。這類單片機(jī)有 Intel 公司的 MCS51, Motorola公司的 6801 和 Ziiog 公司的 Z8 等。 第四階段 :16 位單片機(jī)和超 8 位單片機(jī) (1982 年至今 )。 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)。 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 。 圖 其引腳圖。與 MCS51 完全兼容 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 1288 位內(nèi)部 RAM 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 可編程串行通道 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。單片機(jī)選用從 ATMEL 公司的低功耗、高性能的 8本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 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）。VCC：電源電壓 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。在訪問(wèn)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(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 對(duì)端 口寫(xiě) “1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。 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)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。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）。在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 RI 指令）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。 P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。作輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用 上拉電阻輸出電流（ IIL）。P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。 即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。 表 P3 口第二功能 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） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1） 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)去讀選通） 對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ CS） 。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。 欲使 CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000HFFFFH），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。 XTAL1：振蕩器反相放大器 及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 時(shí)鐘振蕩器： X T A L 2X T A L 1G N D 圖 外部振蕩電路 AT89C51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端 。 外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。采用外部時(shí)鐘的電路如圖 所示，這種情況下 ，外部時(shí)鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2 則懸空。 本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。其具體的硬件電路總圖如圖 。然后南北向路口綠燈亮 38s 后轉(zhuǎn)黃燈亮 2s,再轉(zhuǎn)紅燈亮 20s。 如果發(fā)生緊急事件 , 則按下按鈕 , 此時(shí)東西、南北向都亮紅燈。時(shí)鐘采用倒計(jì)時(shí)方式顯示 , 即各燈亮?xí)r , 時(shí)鐘為點(diǎn)亮的最大時(shí)間 , 以后每 1s 顯示數(shù)據(jù)減 1, 直到減為 0 以后指示燈再進(jìn)行變換。所有的時(shí)間設(shè)置都可以根據(jù)車流量實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。 總之，本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的功能除了典型的交通燈功能之外 ，只要功能還有：全部禁行、全部通行、南北方向通行、東西方向通行、高峰控制、警報(bào)提示、各方向各時(shí)段通行時(shí)間自定義、手動(dòng)復(fù)位等。 當(dāng)開(kāi)關(guān)按下之后，可視為傳感器發(fā)現(xiàn)了闖紅燈的車輛，于是蜂鳴器發(fā)警示音。 LED 的心 臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子和空穴就會(huì)被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。 LED 顯示屏作為大型顯示設(shè)備的一種，具有 亮度高、價(jià)格低、壽 命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。以八段共陰管為例，它有 8 個(gè)發(fā)光二極管 (比七段多一個(gè)發(fā)光二極管，用來(lái)顯示 sP，即點(diǎn) )，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極連在一起。為方便起見(jiàn)，本文主要討論共陰八段 LED 數(shù)碼顯示管，其他類形的顯示管與其類似。 采用共陰極連接 : 表 驅(qū)動(dòng)代碼表 顯示數(shù)值 a b c d e f g dop 驅(qū)動(dòng)代碼（ 16 進(jìn)制） 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0FCH 1 0 0 0 0 0 1 1 0 60H 2 1 1 0 1 1 0 1 0 0DAH 3 1 1 1 1 0 0 1 0 0F2H 4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 5 1 0 1 1 0 1 1 0 0B6H 6 1 0 1 1 1 1 1 0 0BEH 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 7 1 1 1 0 0 0 0 0 0E0H 8 1 1 1 1 1 1 1 0 0FEH 9 1 1 1 1 0 1 1 0 0F6H 相應(yīng)在程序軟件上，可以通過(guò)調(diào)用程序給定的秒值經(jīng)過(guò)特定計(jì)算算出需要顯示的個(gè)位和十位，然后用 DPTR 調(diào)取 LEDMAP 的代碼。每個(gè)方向上設(shè)置紅綠黃燈，總共 4 組。 在本設(shè)計(jì)中，實(shí)際控制的燈只有 6 個(gè)，即：東西紅燈，東西綠燈，東西黃燈，南北紅燈，南北綠燈，南北黃燈 ,其中均是低電平有效。 GYRYGRRGYYGR0. 3K0. 3K0. 3K0. 3K0. 3K0. 3K0. 3K 0. 3K 0. 3K0. 3K 0. 3K 0. 3Kp1 0p1 1p1 2p1 3 p1 4 p1 5p1 0p1 1p1 2p1 3 p1 4 p1 5vc cvc cvc cvc c vc c vc cvc cvc cvc cvc c vc c vc c 圖 信號(hào)燈的連接 括號(hào)中是 P1端口 8個(gè)引腳值 ,進(jìn)制碼。 剛才的 4本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 個(gè)狀態(tài)是依次變換的，這就要涉及到狀態(tài)的判斷和銜接了。 （ 2）蜂鳴器 本設(shè)計(jì)采用一般蜂鳴器，蜂鳴器使用 PNP 三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)連接到單片機(jī)上的引腳輸出為低電平， PNP 導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴；當(dāng)連接到單片機(jī)上的引腳輸出高電平