基于單片機的交通信號燈模擬演示平臺設(shè)計

徐萬明 陳克林 楊 敏 田紹東 楊思陽 周 爽

（黔東南民族職業(yè)技術(shù)學院，貴州 凱里 556000）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷攀升，城市化進程的不斷加快，機動車輛的不斷增多，城鄉(xiāng)交通擁堵問題也不斷突顯。交通信號燈，尤其是智能、移動式交通信號設(shè)備的運用為車人流較大、環(huán)境復(fù)雜路段的交通暢通保障起到至關(guān)重要的作用。

交通信號燈不僅是維系道路交通的指示工具，更是科技成果應(yīng)用的具體體現(xiàn)。單片機技術(shù)作為能夠?qū)崿F(xiàn)交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計的主流技術(shù)，是各高等院校電子信息等專業(yè)技能培養(yǎng)的核心課程，是理論和實踐結(jié)合緊密的課程。通過選定一處交通繁忙十字路口，引導(dǎo)學生觀察該路口交通信號燈對人流、車流的疏導(dǎo)，記錄交通燈顯示狀態(tài)，并應(yīng)用單片機技術(shù)，實現(xiàn)所觀察交通信號燈的顯示功能模擬，完成交通信號燈演示平臺硬軟件設(shè)計。

2 交通信號燈模擬對象選定及其顯示狀態(tài)

2.1 交通信號燈模擬對象選定

為使擬設(shè)計的交通信號燈演示平臺源于生活，貼近生活，體現(xiàn)學以致用的育人理念，特選定位于學校附近且人流車流較大的凱里高鐵南站十字路口（東西南北雙向均為八車道）交通信號燈作為本次設(shè)計的模擬對象。

2.2 模擬對象組成及顯示狀態(tài)

所模擬的交通信號燈十字路口其東西南北均有雙向八車道，各路口信號燈燈桿上有兩位數(shù)碼管一個，用于倒計時顯示；交通信號燈12只，每3只為1組，共計4組，每組均有紅黃綠三色組成，分別用于左轉(zhuǎn)向、直行、人行指示。

通過對模擬對象運行顯示規(guī)律的觀察，該交通信號燈由四種通行模式循環(huán)構(gòu)成，即：南北向直行（東西向禁行）→南北向左轉(zhuǎn)（東西向禁行）→東西向直行（南北向禁行）→東西向左轉(zhuǎn)（南北向禁行）→南北向直行（東西向禁行）。其通行模式下的顯示狀態(tài)如下：

模式一：南北向直行（東西向禁行）

狀態(tài)1：南北向直行綠燈亮、人行綠燈亮、左轉(zhuǎn)紅燈亮，數(shù)碼管顯示27s倒計時；東西向直行、人行、左轉(zhuǎn)均為紅燈亮，數(shù)碼管顯示50s倒計時。

狀態(tài)2：南北向直行黃燈亮、人行黃燈亮、左轉(zhuǎn)紅燈亮，數(shù)碼管顯3s倒計時；東西向直行、人行、左轉(zhuǎn)均為紅燈亮，數(shù)碼管顯示23s倒計時。

模式二：南北向左轉(zhuǎn)（東西向禁行）

狀態(tài)3：南北向直行紅燈亮、人行紅燈亮、左轉(zhuǎn)綠燈亮，數(shù)碼管顯示17s倒計時；東西向直行、人行、左轉(zhuǎn)均為紅燈亮，數(shù)碼管顯示20s倒計時。

狀態(tài)4：南北向直行紅燈亮、人行紅燈亮、左轉(zhuǎn)黃燈亮，數(shù)碼管顯示3s倒計時；東西向直行、人行、左轉(zhuǎn)均為紅燈亮，數(shù)碼管顯示3s倒計時。

模式三：東西向直行（南北向禁行）

狀態(tài)5：東西向直行綠燈亮、人行綠燈亮、左轉(zhuǎn)紅燈亮，數(shù)碼管顯示27s倒計時；南北向直行、人行、左轉(zhuǎn)均為紅燈亮，數(shù)碼管顯示50s倒計時。

狀態(tài)6：東西向直行黃燈亮、人行黃燈亮、左轉(zhuǎn)紅燈亮，數(shù)碼管顯3s倒計時；南北向直行、人行、左轉(zhuǎn)均為紅燈亮，數(shù)碼管顯示23s倒計時。

模式四：東西向左轉(zhuǎn)（南北向禁行）模式

狀態(tài)7：東西向直行紅燈亮、人行紅燈亮、左轉(zhuǎn)綠燈亮，數(shù)碼管顯示17s倒計時；南北向直行、人行、左轉(zhuǎn)均為紅燈亮，數(shù)碼管顯示20s倒計時。

狀態(tài)8：東西向直行紅燈亮、人行紅燈亮、左轉(zhuǎn)黃燈亮，數(shù)碼管顯示3s倒計時；南北向直行、人行、左轉(zhuǎn)均為紅燈亮，數(shù)碼管顯示3s倒計時。

3 交通信號燈演示平臺系統(tǒng)設(shè)計

基于對模擬對象的觀察及其顯示狀態(tài)的總結(jié)，所設(shè)計的交通信號燈模擬演示平臺需完成四種模式下的8種狀態(tài)循環(huán)顯示功能。考慮到本設(shè)計主要用于單片機課程實踐教學，重在培養(yǎng)學生系統(tǒng)設(shè)計及創(chuàng)新驅(qū)動能力，結(jié)合單片機課程主講機型及市場主流機型，選定具有51內(nèi)核架構(gòu)的8位單片機作為本設(shè)計的控制核心，配以外設(shè)晶振電路、復(fù)位電路、矩陣按鍵控制電路、數(shù)據(jù)緩沖電路、數(shù)碼管刷新電路、數(shù)碼管顯示電路及LED指示電路等，完成既滿足模擬對象顯示要求，又具有顯示倒計時可調(diào)控功能的交通信號燈設(shè)計。

圖1 交通信號燈演示平臺設(shè)計原理框圖

4 硬件電路設(shè)計

硬件設(shè)計中，充分發(fā)揮Proteus的電路設(shè)計及仿真功能，在其虛擬環(huán)境下進行系統(tǒng)的調(diào)試與仿真。

4.1 主控電路

以宏晶科技STC89C52RC單片機為控制核心，系統(tǒng)設(shè)計為5V直流供電系統(tǒng)，如圖2所示。

其中，電容C1、C2（20pF），無源晶振Y1等組成晶振電路，分別連接至單片機XTAL1，XTAL2引腳，為單片機系統(tǒng)提供11.0592MHz的基準時鐘信號。由電阻R1（18Ω）、R2（4.7KΩ）、電容C3（0.1uF）、按鍵K0等組成復(fù)位電路，連接至單片機的RST引腳，為單片機系統(tǒng)提供上電復(fù)位和手動復(fù)位功能，解決程序運行死機或跑飛等現(xiàn)象，提高系統(tǒng)運行效率。

將單片機P0口作為數(shù)據(jù)輸出接口，向交通信號燈顯示外設(shè)提供控制數(shù)據(jù)；將P1口作為交通信號燈顯示外設(shè)的動態(tài)刷新接口，用于傳輸刷新數(shù)據(jù)；將P2口作為人機對話接口，用于接收由矩陣按鍵輸入到單片機的控制數(shù)據(jù)；將P3口作為功能擴展接口，另作他用。

STC89C52RC單片機內(nèi)部自帶8KB Flash存儲器，512B數(shù)據(jù)存儲器，其容量足夠本設(shè)計要求，不需對存儲器進行外部擴展，因此PSEN及ALE引腳懸空，EA引腳接5V電源。

圖2 交通信號燈主控電路

4.2 數(shù)據(jù)緩沖電路

74HC245雙向數(shù)據(jù)緩沖器能夠在70mA電流下穩(wěn)定工作，而交通信號燈數(shù)碼管顯示和LED指示均由發(fā)光二極管組成，屬電流驅(qū)動器件，需要足夠大且穩(wěn)定的電流才能正常工作。為保證單片機I/O口能夠穩(wěn)定驅(qū)動交通信號燈顯示電路，特在單片機P0口和交通信號燈顯示模塊之間連接74HC245，起到電流驅(qū)動緩沖，防止回流，保障數(shù)據(jù)傳輸通道暢通的作用。

圖3 數(shù)據(jù)緩沖電路

4.3 動態(tài)刷新電路

雖本系統(tǒng)單片機引腳資源富余，但考慮到數(shù)字電子技術(shù)教學中缺乏譯碼器系統(tǒng)應(yīng)用的實踐訓練，結(jié)合后續(xù)顯示外設(shè)的數(shù)量，引進4選16譯碼器74154，分配單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口與其輸入選擇端連接，并將其輸出端與交通信號燈東南西北方向的數(shù)碼管和LED控制端連接（見圖4、圖6、圖7），以0.5ms/次的速度，實現(xiàn)6ms內(nèi)完成12只控制端的動態(tài)刷新。

圖4 數(shù)碼管、LED動態(tài)刷新電路

4.4 矩陣按鍵

為實現(xiàn)人機對話，拓展交通燈信號通禁時間人工可調(diào)功能，系統(tǒng)特設(shè)計4×4矩陣按鍵電路（如圖5所示），并分配P2口與其連接，掃描采集按鍵輸入信息。

圖5 矩陣按鍵電路

其中0~9為數(shù)字鍵，用于輸入所需調(diào)整通禁的時間；EAST、SOUTH、WEST、NORTH為功能按鍵，分別用于控制東南西北四個方向的禁通時間設(shè)置；ENTER鍵為功能確定鍵；ESC鍵為錯誤輸入時的取消鍵。注意，在進行通禁時間設(shè)置時，一定要符合東南西北四方向的時間循環(huán)顯示邏輯，否則會出現(xiàn)顯示混亂。

4.5 交通信號燈數(shù)碼管顯示及LED指示電路

本交通信號燈顯示電路布局設(shè)計模擬凱里高鐵南站十字路口交通信號燈東南西北向布置（如圖6所示）。東南西北各向分別有4組LED燈，每組都由紅黃綠三色LED組成。其中數(shù)碼管用于顯示車人通禁時間；數(shù)碼管左側(cè)橫向3只紅黃綠LED燈用于指示車輛左轉(zhuǎn)通禁；數(shù)碼管右側(cè)橫向3只紅黃綠LED燈用于指示車輛直行通禁；數(shù)碼管兩側(cè)縱向3只紅黃綠LED燈用于指示人行道上行人通禁。

圖6 交通信號燈東南西北向顯示布局

選擇該顯示電路布局方式，主要想引導(dǎo)學生課題選擇可源于生活，培養(yǎng)學生學以致用、不斷創(chuàng)新的能力。

各向數(shù)碼管引腳與數(shù)據(jù)緩沖器74HC245輸出端連接，接收顯示P0口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，各組紅黃綠LED燈亮滅指示由P0口數(shù)據(jù)控制。為實現(xiàn)數(shù)碼管、LED的動態(tài)顯示，東南西北各向的數(shù)碼管及LED燈工作情況均受單片機P1口控制，且由4選16譯碼器每0.5ms進行一次顯示刷新，12只控制引腳共需6ms，實現(xiàn)所有顯示元件的動態(tài)刷新，完成交通信號燈的顯示功能。

圖7 北向（north）數(shù)碼管顯示、LED指示電路

5 軟件設(shè)計

軟件采用基于單片機的C語言設(shè)計，并在Keil環(huán)境下對軟件進行調(diào)試編譯。

5.1 主程序設(shè)計

主程序完成系統(tǒng)的初始化，定時判斷，交通信號燈顯示數(shù)據(jù)刷新，按鍵動作判斷，按鍵功能函數(shù)調(diào)用，中斷等待等。其流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

5.2 中斷程序設(shè)計

中斷子程序完成定時器初值重載，矩陣按鍵掃描，數(shù)碼管及LED動態(tài)刷新，1s標志位設(shè)置等功能。其流程圖所圖9所示。

6 結(jié)論

本設(shè)計在Proteus+Keil環(huán)境下進行硬軟件仿真，運用Altium Designer進行PCB設(shè)計，采用熱傳印法制作印制電路板，完成元器件焊接，并經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試，其顯示邏輯和狀態(tài)與所模擬交通信號燈一致，符合設(shè)計要求。通過對各向通禁時間的人工設(shè)置，其顯示效果達到預(yù)期，實現(xiàn)各向倒計時人工可調(diào)功能。

圖9 中斷服務(wù)子程序流程圖

將本設(shè)計引入單片機課程實踐教學，向?qū)W生進行模擬演示，極大地增強了學生單片機學習興趣。以演示為背景，項目驅(qū)動為動力，融入單片機課程設(shè)計，在一定程度上，可提升學生單片機系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用能力。基于對交通信號燈不同顯示狀態(tài)的需求，引導(dǎo)學生對其軟件進行修改，設(shè)計多種顯示方式，實現(xiàn)對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

[1]宋雪松，李冬明，崔長勝．手把手教你學51單片機（C語言版）[M]．北京：清華大學出版社，2014．

[2]胡漢才．單片機原理及其接口技術(shù)[M]．北京：清華大學出版社，2010．