單片機(jī)交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董健

1.引言

當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。

1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。1868年，英國機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。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”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。

電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。

1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈;另一種是用擴(kuò)音器來啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。

2.系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)方案的確定

交通燈在安全行車過程中起著十分重要的作用，現(xiàn)在交通燈一般設(shè)在十字路口，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈，加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來控制行車，對(duì)于一般情況下的安全行車、車輛分流發(fā)揮著作用，但根據(jù)實(shí)際行車過程中出現(xiàn)的情況，如何全面有效地利用交通燈指示交通情況，我們嘗試用單片機(jī)來控制交通燈，在軟、硬件方面采取一些改進(jìn)措施，，使交通燈在控制中靈活而有效。

硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)體和裝置，通常由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入接口電路和輸入設(shè)備、輸出接口電路和輸出設(shè)備等組成。單片機(jī)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)硬件的芯片，在實(shí)際應(yīng)用中，通常很難直接和被控對(duì)象進(jìn)行電氣連接，必須外加各種擴(kuò)展接口電路、外部設(shè)備、被控對(duì)象等硬件和軟件，才能構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。該交通燈擬系統(tǒng)的硬件部分主要由鍵盤、顯示和運(yùn)算部分組成。按照題目的設(shè)計(jì)要求，本課題需要使用LED數(shù)碼管顯示和擴(kuò)展鍵盤。在該交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用AT89s52單片機(jī)。

2.2顯示部分電路設(shè)計(jì)

靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是每個(gè)數(shù)碼管必須接一個(gè)8位鎖存器用來鎖存待顯示的字型碼。送入一次字型碼顯示自行一直保持，直到送入新字型碼為止。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用CPU時(shí)間少，顯示便于監(jiān)測(cè)和控制。缺點(diǎn)是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。各數(shù)碼管在顯示過程中持續(xù)得到顯示信號(hào)，與各數(shù)碼管接口的I/O口是專用的。動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個(gè)鎖存器，從而大大地簡(jiǎn)化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。各數(shù)碼管在顯示過程中輪流得到顯示信號(hào)，與各數(shù)碼管接口的I/O口是共用的。

2.3時(shí)鐘部分電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生MCS-51單片機(jī)工作時(shí)所必須的時(shí)鐘控制信號(hào)。其內(nèi)部電路在時(shí)鐘信號(hào)控制下，嚴(yán)格地按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。在執(zhí)行指令時(shí)，CPU首先要到程序存儲(chǔ)器中取出需要執(zhí)行的指令操作碼，然后譯碼，并由時(shí)序電路產(chǎn)生一系列控制信號(hào)去完成指令所規(guī)定操作。

本設(shè)計(jì)采用12MHz晶振和兩個(gè)30Pf瓷片電容，他們構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。該電容的大小影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。為單片機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。其中兩個(gè)瓷片電容起微調(diào)作用。

2.4復(fù)位部分電路設(shè)計(jì)

復(fù)位引腳RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。

復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。

該設(shè)計(jì)采用加電直接復(fù)位，復(fù)位電容采用22uF，電阻1000歐，為了節(jié)省元件，沒有采用上電加按鍵模式。加電瞬間，RES管腳為高電平。通過電阻回路放電，使電壓逐漸降為零，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)位功能。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)時(shí)，軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)一考慮，相結(jié)合進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)定型以后，軟件的任務(wù)也就明確了。

一般來說，軟件的功能可分為兩大類。一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能，如測(cè)量計(jì)算、顯示、打印、輸出控制等;另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織協(xié)調(diào)角色。

我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：

1）根據(jù)軟件功能的要求，將系統(tǒng)軟件分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。設(shè)計(jì)出合理的軟件總體結(jié)構(gòu)，使其清晰、簡(jiǎn)捷、流程合理。

2）各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。

3）在編寫應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。

4）要合理分配系統(tǒng)資源，包括ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷源等。

本設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)，主要由主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊兩大部分模塊組成。

3.2主程序模塊的設(shè)計(jì)

該交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的四中工作狀態(tài)（南北方向的交通燈為例）：

（1）南北方向A車道紅燈亮，東西方向B車道綠燈亮。表示南北方向A車道上的車輛禁止通行，東西方向B車道允許通行。綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間隔時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)信號(hào)，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。

（2）南北方向A車道紅燈亮，東西方向B車道黃燈亮。表示東西方向B車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，南北方向A車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時(shí)間間隔時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。

（3）南北方向A車道綠燈亮，東西方向B車道紅燈亮。表示南北方向A車道允許通行，東西方向B車道上的車輛禁止通行，綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。

（4）南北方向A車道黃燈亮，東西方向B車道紅燈亮。表示東西方向B車道禁止通行，南北方向A車道上位過限停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。

3.3功能實(shí)現(xiàn)模塊的設(shè)計(jì)

功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由中斷處理子程序，鍵盤處理子程序和顯示子程序等組成。下面僅對(duì)INT0中斷服務(wù)程序部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

P3.4與K2連接，K2與地連接。按下K2，東西南北四個(gè)方向全紅，也就是說，東西南北四個(gè)通道都不能通車，這時(shí)可對(duì)南北的總時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。K1與AT89S52的p3.3管腳相連。在按下K2的前提下，按下K1，此時(shí)顯示的是東西的總時(shí)間，并可對(duì)其調(diào)節(jié)。

4.Proteus軟件仿真

一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過總體設(shè)計(jì)，完成了硬件和軟件開發(fā)。元器件安裝后在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中放入編制好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運(yùn)行。一般來說，仿真開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)具有如下的功能：

1）用戶樣機(jī)硬件電路的診斷與檢查;

2）用戶樣機(jī)程序的輸入與修改;

3）程序的運(yùn)行、調(diào)試（單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)）、排錯(cuò)、狀態(tài)查詢功能;

4）將程序固化到EPROM芯片中。

但對(duì)于一個(gè)較完善的仿真開發(fā)系統(tǒng)，還應(yīng)具備：

1）有較全的開發(fā)軟件，同時(shí)要求用戶可用匯編語言編制應(yīng)用軟件;開發(fā)系統(tǒng)自動(dòng)生成目標(biāo)文件;并配有反匯編軟件能將目標(biāo)程序轉(zhuǎn)換成匯編語言程序;有豐富的子程序可供用戶選擇調(diào)用。

2）有跟蹤調(diào)試、運(yùn)行的能力。

3）為了方便模塊化軟件調(diào)試，還應(yīng)配置軟件轉(zhuǎn)儲(chǔ)、程序文本打印功能及設(shè)備。