基于AT89C51單片機的路口交通信號燈控制設計

林紀言 吉林師范大學博達學院

基于AT89C51單片機的路口交通信號燈控制設計

林紀言 吉林師范大學博達學院

該路口交通信號燈控制系統(tǒng)以美國Atmel公司生產(chǎn)的51單片機為控制核心，配合使用數(shù)碼管、紅黃綠三種發(fā)光二極管、反相器等多種電子軟件，該設計不僅可以控制路口的通行狀態(tài)，也可以是對于車輛的車速進行測量，適用于不同環(huán)境下的交通控制。

AT89C51 速度測量 交通信號燈 keil proteus

引言

隨著社會的不斷發(fā)展，道路上的汽車也越來越多，隨之而來的交通環(huán)境越來越惡劣，道路的擁擠現(xiàn)象越來越嚴重，尤其在北京等大城市的路口，在高峰時間段擁擠更為嚴重。根據(jù)調(diào)查我國的大多數(shù)城市依然采用定周期的交通信號裝置，在日常運行中，不論什么時間段，信號燈都是按照相同的周期進行交替變換，這種單一的設計往往會浪費較多的社會資源。所以，改變傳統(tǒng)信號燈的控制模式，使用周期可調(diào)節(jié)的新型交通信號燈會更快速有效地改變道路現(xiàn)狀，提高道路利用率。

微控制器（Micro Controller Unit，MCU）即單片機是指把組成微型計算機的各種功能的部件（中央處理單元、隨機存儲器、只讀存儲器、計數(shù)器等）集成在一塊微型電子芯片上，由于單片機的硬件結(jié)構(gòu)較小故常用于一些控制裝置當中。

一、信號燈功能分析

圖1

表1

交通信號燈主要用于城市道路交叉口，用于疏導交通車流，提高城市公共交通資源的利用率。該設計（如圖1）①②共有四個狀態(tài)（如表1），實際顯示電路（圖2）。

二、狀態(tài)流程

首先，X區(qū)顯示綠燈亮起60秒，此時X1和X2區(qū)車輛通行，Z1和Z2區(qū)車輛停車等待；當X區(qū)顯示黃燈亮起時，提醒X1和X2區(qū)此時已超過停止線的車輛快速通過，Z1和Z2區(qū)車輛依舊停車等待；5秒后X區(qū)紅燈亮起并持續(xù)60秒，該狀態(tài)下X1和X2區(qū)車輛禁止通行，此時Z區(qū)為綠燈狀態(tài)，Z1和Z2區(qū)域內(nèi)車輛正常通行。當Z區(qū)顯示黃燈亮起的時候，則Z區(qū)已超過停止線的車輛快速通過，此時X1和X2區(qū)車輛停止等待，一個周期結(jié)束，之后重復此流程。

三、硬件設計

（一）主要器件為51單片機，按照芯片半導體制造工藝來劃分，可以分為HMOS工藝性和CHMOS工藝型，在這個系統(tǒng)設計中，我們采用CHMOS型AT89C51單片機，該單片機是一種可編程可擦除的只讀存儲器單片機，具有低耗能的特點。

單片機的最小系統(tǒng)（圖3）即能然單片機工作的最基本元件所構(gòu)成的系統(tǒng)，單片機的最小系統(tǒng)通常由復位電路與時鐘脈沖電路構(gòu)成，現(xiàn)在常見的單片機芯片（如MCS-51）的工作頻率為0～24MHz，我們通常會接上由一個晶振和兩個電容所組成的振蕩電路到18、19號引腳來為單片機傳輸一段脈沖信號使單片機能夠正常工作。復位電路主要由一個電解電容構(gòu)成，將其連接至第九號復位引腳（Reset），再次引腳鏈接高電平超過2個機器周期時，則會產(chǎn)生一個復位動作，使整個系統(tǒng)能夠重新運行。

（圖2）

（二）采用紅黃綠三色led燈和7段共陰極數(shù)碼管作為輸出顯示器件，由于X1和X2區(qū)永遠為同一組輸出狀態(tài)，Z1和Z2區(qū)永遠為同一組輸出狀態(tài)，我們?yōu)榱私档途幊虖碗s度，則我們將同種輸出狀態(tài)的兩組信號燈接在同一I/O口。

（三）鍵盤模塊能夠?qū)τ谥芷跁r間進行更改，選擇（Select）鍵能夠選中不同的倒計時數(shù)字，加（Plus）鍵能夠增加時間，減（Minus）鍵按下即可減少倒計時時間從而減少等待時間，當全部設置完畢時按下退出（Quit）鍵即可恢復到正常運行模式。

鍵盤去抖，由于在我們按下按鍵等待彈回的時間內(nèi)會產(chǎn)生大約一段10～20ms的抖動，這種抖動會明顯地影響系統(tǒng)的可靠性，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，我們在每個按鍵上并聯(lián)一個電容，根據(jù)計算假設抖動的時間為20ms，則可得出C的值在2.8uF到5.6uF之間。

四、軟件設計

由于C語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言，并且C語言具有可讀性好，移植容易的優(yōu)點，所以在路口交通信號燈控制程序的設計中，采用了C語言進行編寫。文件中包含了初始化函數(shù)、顯示函數(shù)以及延時等子模塊，由主程序直接調(diào)用各個子模塊來實現(xiàn)紅黃綠三色信號燈的周期變換以及7段數(shù)碼管的倒計時功能，在正常狀態(tài)下，通過周期性調(diào)用延時子程序來實現(xiàn)定時時間。

五、設計流程

首先使用keil軟件對交通燈控制程序進行編寫，之后運行程序無誤后編譯生成.hex格式文件，打開Proteus軟件，選取所需元器件并按照設計要求排列元器件，繪制電路板（圖3）。

（圖3）

六、電路仿真

檢查電路連接無誤后，將編譯生成的.hex文件燒寫到Atmel公司的C51單片機中，運行信號燈控制系統(tǒng)（圖4）并觀察在一個周期（I～IV）內(nèi)的交通信號燈及倒計時顯示裝置運行狀態(tài)是否正常，按下設置按鈕調(diào)節(jié)每個時間段內(nèi)的時間，再次觀察電路運行是否穩(wěn)定。

（圖4）

七、結(jié)語

最后通過多次運行，該設計能夠穩(wěn)定地運行，并且由于使用單片機進行的設計，只需要對其運行程序的部分語句進行重新編寫就能夠修改各個周期所持續(xù)的時間，同時還可實現(xiàn)信號燈控制系統(tǒng)的維護與升級，大大節(jié)省了日常維護的費用。

注釋：

① X1與X2因為信號狀態(tài)相同簡記為X區(qū)，同理，Z1與Z2記為Z區(qū)。

②R表示紅燈，Y表示黃燈，G表示綠燈。

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林紀言（1995-），吉林長春人，主要研究方向為電子電路設計與數(shù)字通信技術。