1 基于單片機交通燈的控制設(shè)計方案 1. 概述 片機交通控制系統(tǒng)的選題背景 隨著人口快速的增多，交通工具的爆炸性的發(fā)展，以及道路資源的有限性，交通控制就應(yīng)運而生，在人類的生活 、 工作環(huán)境中，交通扮演著極其重要的角色，人們的出行都無時不刻與交通打著交道。自 18 世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展帶動整個交通運輸?shù)陌l(fā)展，從而催生了單獨的交通控制學(xué)問與管理機構(gòu)。 交通控制系統(tǒng)是近現(xiàn)代社會隨著物 流、 出行等交通發(fā)展產(chǎn)生的一套獨特的公共管理系統(tǒng)。要保證高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通規(guī)則，還必須通過一定的技 術(shù)手段加以實現(xiàn)?，F(xiàn)代人類科學(xué)技術(shù)，特別是電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和成熟能比較好的解決系統(tǒng)建立中硬軟件方面要求的技術(shù)難題 。 目前，交通控制方面的研究能完全實現(xiàn)自動智能化，甚至將整個區(qū)域整合成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)范圍，還能根據(jù)正常時段以及特定突發(fā)時段的情況進行科學(xué)的自動調(diào)整。 交通對于社會的工業(yè)經(jīng)濟和人們的生活生產(chǎn)中有著十分重要的意義。隨著單片機和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，自動檢測領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，交通自動監(jiān)測控制方面的研究有了明顯的進展，并且必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的交通控制措施。 片機交通控制系統(tǒng)選題 的現(xiàn)實意義 城市道路交通自動控制系統(tǒng)的發(fā)展是以城市交通信號控制技術(shù)為前導(dǎo)，與汽車工業(yè)并行發(fā)展的。在其各個發(fā)展階段，由于交通的各種矛盾不斷出現(xiàn)，人們總是盡可能地把各個歷史階段當(dāng)時的最新科技成果應(yīng)用到交通自動控制中來，從而促進了交通自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展。 早在 1850 年，城市交叉口處不斷增長的交通就引發(fā)了人們對安全和擁堵的關(guān)注。世界上第一臺交通自動信號燈的誕生，拉開了城市交通控制的序幕， 1868年，英國工程師納伊特在倫敦威斯特敏斯特街口安裝了一臺紅綠兩色的煤氣照明 2 燈，用來控制交叉路口馬車的通行，但一次煤氣爆炸 事故致使這種交通信號燈幾乎銷聲匿跡了近半個世紀(jì)。 1914 年及稍晚一些時候，美國的克利夫蘭、紐約和芝加哥才重新出現(xiàn)了交通信號燈，它們采用電力驅(qū)動，與現(xiàn)在意義上的信號燈已經(jīng)相差無幾。 1926 年英國人第一次安裝和使用自動化的控制器來控制交通信號燈，這是城市交通自動控制的起點。 早期的交通信號燈使用“固定配時”方式實行自動控制，這種方式對于早期交通流量不大的情況曾起過一定的作用。但隨著汽車工業(yè)的發(fā)展、交通流量增加、隨機變化增強，采用以往那種單一模式的“固定配時”方式已不能滿足客觀需要，于是一種多時段多方案的信號控制 器開始出現(xiàn)并逐步取代了傳統(tǒng)的只有一種控制方案的控制器。 20 世紀(jì) 30 年代初，美國最早開始用車輛感應(yīng)式信號控制器，之后是英國，當(dāng)時使用的車輛檢測器是氣動橡皮管檢測器。車輛感應(yīng)控制器的特點是它能根據(jù)檢測器測量的交通流量來調(diào)整綠燈時間的長短，使綠燈時間更有效地被利用，減少車輛在交叉口的時間延誤，比定時控制方式有更大的靈活性。車輛感應(yīng)控制的這一特點刺激了車輛檢測器技術(shù)的發(fā)展。繼氣動橡皮管式檢測器之后，雷達、超聲波、光電、地磁、電磁、微波、紅外以及環(huán)形線圈等檢測器相繼問世。當(dāng)今在城市道路交通自動控制、交通監(jiān)測和交通 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣的是環(huán)形線圈車輛檢測器。超聲波檢測器主要在日本等少數(shù)國家得到廣泛應(yīng)用。 計算機技術(shù)的出現(xiàn)為交通控制技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，更是實現(xiàn)了以一個城市或者更大地域，而非簡單的一個路口的交通總體控制系統(tǒng)。 1952 年，美國科羅拉多州丹佛市首次利用模擬計算機和交通檢測器實現(xiàn)了對交通信號機網(wǎng)的配時方案自動選擇式信號燈控制，而加拿大多倫多市于 1964 年完成了計算機控制信號燈的實用化，建立了一套由 計算機控制的交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，成為世界上第一個具有電子數(shù)字計算機城市交通控制系統(tǒng)的城市。 這是道路交通控制技術(shù)發(fā)展的里程碑。 可以說，在近百年的發(fā)展中，道路交通信號控制系統(tǒng)經(jīng)歷了手動到自動，從固定配時到靈活配時，從無感應(yīng)控制到有感應(yīng)控制，從單點控制到干線控制，從區(qū)域控制到網(wǎng)絡(luò)控制的長遠(yuǎn)過程。 交通控制研究的發(fā)展，旨在解決人類交通因需求的增多而日益繁重帶來的問 3 題，局限于道路建設(shè)的暫時不足和交通工具的快速增長，就要使更多的車輛安全高效的利用有限的道路資源，避免因無序和搶行等無控制原因造成的不必要阻塞甚至癱瘓，另外，針對整個交通線路車輛的多少實時調(diào)整和轉(zhuǎn)移多條線路的分流也十分必要。 交通網(wǎng)絡(luò)是 城市的 動 脈 ，象征著一個城市的 工業(yè)文明水平 。 交通 關(guān)系著 人們對于財產(chǎn)，安全和時間相關(guān) 的利益。具有 優(yōu)良科學(xué) 的 交通控制技術(shù) 對 資源物流和人們出行 都是十分 有 價值的 ， 保證交通線路的暢通安全，才能保證出行舒暢，物流準(zhǔn)時到位，甚至是生命通道的延伸。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展 內(nèi)外交通控制技術(shù) 當(dāng)前世界各國廣泛使用的最具代表性卻有實施的城市道路交通信號控制系統(tǒng)有英國的 在信號機的發(fā)展歷程中，自適應(yīng)理論一直受到各研究機構(gòu)的歡迎，比如上面所述的 統(tǒng)。最近幾年，國外仍偏向于引進自適應(yīng)理論來對交通信號控制系統(tǒng)進行研制，特別是美國有十幾個大學(xué)或研制機構(gòu)正在研制自適應(yīng)交通信號控制系統(tǒng)，具有代表性的有美國亞利桑那大學(xué)研制的 我國交通領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，基本是從新中國建國之后，隨著各方面的條件的成熟以及社會發(fā)展的要求，才建立及健全交通控制系統(tǒng)的。 城市交通是一個高度綜合而又復(fù)雜的問題，必須從政策，機構(gòu)，體制，管理，收費價格，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和投資各個方面同時入手解決。我國城市經(jīng)濟和社會的高速發(fā)展使得社會對交通的需求急劇增加。也對此提 出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，一句城市發(fā)展的規(guī)劃，建設(shè)以及運行原照，在廣泛借鑒和吸取國外先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，建立并完善適合我國國情的城市交通系統(tǒng) 通控制存在的問題 我國城市交通運輸?shù)默F(xiàn)狀和存在的問題，借鑒國外城市交通管理的先進經(jīng)驗，強調(diào)建立城市交通管理體制的重要性，提出加強城市交通研究的交通規(guī)劃，建立穩(wěn)定的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的資金出道，實行公交優(yōu)先政策，建立先進的交通信息系統(tǒng)等對策。 4 隨著城市機動車增長速度的加快。 1994 年臥軌城市機動車保有量已接近 500完輛。 20 世紀(jì) 90 年代以來，經(jīng)濟的發(fā)展加快，從 1985 年 到 1995 年，機動車增長率達 13%左右，近幾年更是增多。 然而，在此同時，城市道路建設(shè)規(guī)模也在加大，我國城市普遍存在道路密度，道路面積率偏低的問題，這是我國城市喲其是大城市有機的一個重要原因。我國城市道路的密度只有 平方千米，而在 20世紀(jì) 80年代，世界發(fā)達國家就已到達 20平方千米。 20 世紀(jì) 90 年代，我國部分城市道路面積率，上海為 而國外東京為 巴黎為 25%，普遍高于我國。近幾年，國家雖不斷加大城市道路建設(shè)的力度，但仍趕不上車輛的增長速度，且與世界其他國家相比 ，差距仍很大。 出租車以及公交的發(fā)展運營情況并不盡如人意，雖然車輛和線路長度增長，但運營速度成了瓶頸，新增的運力被運輸效率低下所抵消。 交通管理方面水平還欠發(fā)展，隨著交通需求越來越旺盛，而我國城市中小交通管理和交通安全的現(xiàn)代化設(shè)施卻做得不足。在車輛，道路和交通管理系統(tǒng)，城市交通信號控制系統(tǒng)，城市交通管制中應(yīng)用人工智能技術(shù)，信息 采集和信息提供技術(shù)等方面都與發(fā)達國家有很大差距。近幾年，雖然有部分城市研究和引進一些國外先進的交通信號管理系統(tǒng)，但是由于交通管理設(shè)施不足等原因，我國交通事故率居高不下。城市車流行駛速 度逐年下降，目前不少城市交通運量年年增長，但運輸速度普遍下降，這都源于交通通行不佳。 片機交通控制系統(tǒng)主要研究的內(nèi)容 基于整個交通控制系統(tǒng)的發(fā)展情況，本設(shè)計主要進行如下方面的研究：用智能，集成，且功能強大的單片機芯片為控制中心，設(shè)計出一套十字路口的交通控制系統(tǒng)，以指揮該路口的實時通行狀態(tài)。 本設(shè)計主要做了如下幾方面的工作： 一是確定系統(tǒng)交通控制的總體設(shè)計，包括十字路口具體的通行禁行方案設(shè)計以及系統(tǒng)應(yīng)擁有的各項功能，在這里，本設(shè)計除了有信號燈狀態(tài)控制能實現(xiàn)基本的交通功能，還增加了倒計時顯示提示，基于 實際情況，又要求了對車流量檢測及自調(diào)整模擬功能，違規(guī)檢測及處理，緊急狀況處理和鍵盤可設(shè)置等強大功能。 二是進行智能傳感器的硬件電路，顯示電路等的設(shè)計對各器件的選擇及連 5 接，大體分配各個器件及模塊的基本功能要求。 三是進行軟件系統(tǒng)設(shè)計，對本系統(tǒng)，本人采用單片機匯編語言編寫，對單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作情況做了充足的研究，了解定時器，中斷以及延時原理，總體上完成了軟件的編寫。 2. 單片機交通控制系統(tǒng)總體設(shè)計 片機交通控制系統(tǒng)通行方案設(shè)計 設(shè)在十字路口，分為東西向和南北向，在任一時刻只有一個方向通行，另 一方向禁行，持續(xù)一定時間，經(jīng)過短暫的過渡時間，將通行禁行方向?qū)Q。其具體狀態(tài)如下圖所示。說明：黑色表示亮，白色表示滅。交通狀態(tài)從狀態(tài) 1開始變換，直至狀態(tài) 6然后循環(huán)至狀 1， 周而復(fù)始，即如圖 圖 通狀態(tài) 狀態(tài)一：東西方向紅燈滅，同時綠燈亮，南北方向黃燈滅，同時紅燈亮，倒計時 20秒。此狀態(tài)下，東西向禁止通行，南北向允許通行。 6 狀態(tài)二：東西方向綠燈滅，同時黃燈亮，南北方向紅燈亮，倒計時 2秒。此狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 狀態(tài)三：南北方向紅燈滅，同時綠燈亮，東 西方向黃燈滅，同時紅燈亮，倒計時 20秒。此狀態(tài)下，東西向允許通行，南北向禁止通行。 狀態(tài)四：南北方向綠燈滅，同時黃燈亮，東西方向紅燈亮，倒計時 2秒。此狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 下面我們可以用圖表表示燈狀態(tài)和行止?fàn)顟B(tài)的關(guān)系如下 ： 表 通狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài) 表 通狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài) 東西南北四個路口均有紅綠黃 3 燈和數(shù)碼顯示管 2 個，在任一個路口，遇紅燈禁止通行，轉(zhuǎn)綠燈允許通行，之后黃燈亮警告行止?fàn)顟B(tài)將變換。狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài)如表 明： 0表示滅， 1表示亮。 片機交通控制系統(tǒng)的功能要求 本設(shè)計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，還能進行倒計時顯示，車流量檢測及調(diào)整，交通違規(guī)處理和緊急處理等功能。 計時顯示 倒計時顯示 可以提醒駕駛員在信號燈燈色發(fā)生改變的時間、在“停止”和“通狀態(tài) 1 狀態(tài) 3 狀態(tài) 4 狀態(tài) 6 東西向 禁行 等待變換 通行 等待變換 南北向 通行 等待變換 禁行 等待變換 東西紅燈 1 1 0 0 東西黃燈 0 0 0 1 東西綠燈 0 0 1 0 南北紅燈 0 0 1 1 南北綠燈 1 0 0 0 南北黃燈 0 1 0 0 7 過”兩者間作出合適的選擇。駕駛員和行人普遍都愿意選擇有倒計時顯示的信號控制方式，并且認(rèn)為有倒計時顯示的路口更安全。倒計時顯示是用來減少駕駛員在信號燈色改變的關(guān)鍵時刻做出復(fù)雜判斷的 1 種方法，它可以提醒駕駛員燈色發(fā)生改變的時間，幫助駕駛員在“停止”和“通過”兩者間作出合適的選擇 。 流量檢測及調(diào)整 隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的蓬勃發(fā)展，城市人口和機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，交通事故時有發(fā)生。車輛檢測器作為智能交 通系統(tǒng)的基本組成部分，在智能交通系統(tǒng)中占有重要的地位。現(xiàn)階段，車輛檢測器檢測方式有很多，各有其優(yōu)缺點，如紅外線檢測器、地磁檢測器、機械壓電檢測器，磁頻檢測器、波頻檢測器、視頻檢測器等。一般車流量檢測器采用傳感器 +單片機 +外圍器件來實現(xiàn)。而且，目前國內(nèi)使用的紅綠燈都是固定的紅綠燈時間，并自動切換。紅燈時間和綠燈時間，是根據(jù)道口東西向和南北向的車流量，利用統(tǒng)計方法確定的。交通警察不斷觀察十字路口的兩個方向，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)。 間手動設(shè)置 除系統(tǒng)根 據(jù)車流量自動控制調(diào)整，也可以通過鍵盤進行手動設(shè)置，增加了人為的可控性，避免自動故障和意外發(fā)生，并再緊急狀態(tài)下，可設(shè)置所有燈變?yōu)榧t燈。鍵盤是單片機系統(tǒng)中最常用的人機接口，一般情況下有獨立式和行列式兩種。前者軟件編寫簡單，但在按鍵數(shù)量較多時特別浪費 I 0 口資源，一般用于按鍵數(shù)量少的系統(tǒng)。后者適用于按鍵數(shù)量較多的場合，但是在單片機 I 0 口資源相對較少而需要較多按鍵時，此方法仍不能滿足設(shè)計要求。本系統(tǒng)要求的按鍵控制不多，且 I 0口足夠，可直接采用獨立式。 急處理 交通路口出現(xiàn)緊急狀況在所難免，如特大 事件發(fā)生，救護車等急行車通過等，我們都必須盡量允許其暢通無阻，畢竟在這種情況下是分秒必爭的，時時刻刻關(guān)系著公共財產(chǎn)安全，個人生死攸關(guān)等。由此在交通控制中增設(shè)禁停按鍵，就可達到想此目的。 8 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，也時有發(fā)生，交警等交通管理人員雖然可以進行實時監(jiān)管，但是耗費精力，在路口設(shè)置檢測傳感器就可以進行自動的警報提示。 片機交通控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及原理 單片機設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)，可用單片機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 碼管就可以顯示倒計時以提醒行使者，更具人性化。本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，加入了違規(guī)檢測電路和車流量檢測電路為單片機采集數(shù)據(jù)，單片機對此進行具體處理，及時調(diào)整控制指揮，為了超越視覺指揮的局限性，同時接上蜂鳴器，在聽覺上加強了指揮提醒作用。 單片機 圖 統(tǒng)的總體框圖 據(jù)此，本設(shè)計系統(tǒng)以單片機為控制核心，連接成最小系統(tǒng)，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， 計時模塊和蜂鳴器狀態(tài)模塊接受輸出。系統(tǒng) 的總體框圖如圖 示。 按鍵控制 單片機 車流量傳感器 紅黃綠信號燈 蜂鳴 器 8 級 碼管顯示 9 鍵盤設(shè)置模塊對系統(tǒng)輸入模式選擇及具體通行時間設(shè)置的信號，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)，執(zhí)行交通燈狀態(tài)顯示控制，同時將時間數(shù)據(jù)倒計時輸入到 碼管上實時顯示。在此過程中還要實時捕捉違規(guī)檢測和緊急按鍵信號，以達到對異常狀態(tài)進行實時控制的目的。急停按鍵和違規(guī)檢測隨時調(diào)用中斷。 在模式選擇上，若為自動模式，將不斷調(diào)用車流量檢測模塊對車流量進行檢測統(tǒng)計，到達一定時間將修正通行時間一滿足不同路況的需要。 3. 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成及原理 實現(xiàn)本設(shè)計要求的具體功能，可以 選用 片機及外圍器件構(gòu)成最小控制系統(tǒng)， 12 個發(fā)光二極管分成 4 組紅綠黃三色燈構(gòu)成信號燈指示模塊， 8 個流量檢測傳感器采集流量數(shù)據(jù)，光敏傳感器捕獲違規(guī)信號，若干按鍵組成時間設(shè)置和模式選擇按鈕和緊急按鈕等，以及用 1個蜂鳴器進行報警。 統(tǒng)硬件電路構(gòu)成 本系統(tǒng)以單片機為核心，組成一個集車流量采集、處理、自動控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由車流量檢測電路、單片機、違規(guī)檢測電路，狀態(tài)燈， 鍵，蜂鳴器組成。其具體的硬件電路總圖如圖 其中 于送顯兩片 碼管， 于控制紅綠黃發(fā)光二極管，違規(guī)檢測電路和緊停東西時間設(shè)置鍵 J， 車流量檢測電路， ， 回鍵 F， 統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)上電或手動復(fù)位之后，系統(tǒng)等待模式選擇設(shè)置鍵按下，模式分兩種：紅綠燈時間自動和紅綠燈時間設(shè)置。若此時 設(shè)置為自動模式，若此時按下的是 設(shè)置為時間設(shè) 置模式，依次按 按 實這個過程就是將存儲時間值的寄存 10 器進行設(shè)置，以及標(biāo)志是否要進行車流量檢測及調(diào)整。 接下來，系統(tǒng)必須先顯示狀態(tài)燈及 碼管，將狀態(tài)碼值送顯 ，將要顯示的時間值的個位和十位分別送顯 ，在此同時以 50周期，用軟件方法計時 1秒，到達 1，刷新 時間到達一個狀態(tài)所要全部時間，則要進行下一狀態(tài)判斷及銜接，并裝入次狀態(tài)的相應(yīng)狀態(tài)碼值以及時間值， 當(dāng)然，還要開啟兩個外部中斷，其一為違規(guī)信號或 禁停信號輸入，一旦信號有效，中斷開始，進入中斷服務(wù)子程序，開啟蜂鳴器禁止全部通行，當(dāng)按下 斷結(jié)束返回。其二為車流量檢測信號輸入，若檢測到車輛經(jīng)過，進入相應(yīng)的中斷子程序，將存儲車流量的寄存器加 1，然后中斷結(jié)束返回。 每滿一個狀態(tài)循環(huán)周期，若為自動模式，則須將檢測到的車流量數(shù)據(jù)處理一次，判斷兩個方向的交通輕重緩急狀況，再調(diào)整下次狀態(tài)循環(huán)的紅綠燈時間，以達到自動控制的目的。 11 12 圖 于單片機的交通燈控制系統(tǒng)電路圖 片機的選擇 片機的概述 單片微型計算機簡稱單片機，又稱微控 制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機。它把中央處理器、存儲器、輸入 /輸出接口電路以及定時器 /計數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。正是由于這一原因，國際上逐漸采用微控制器 (替單片微型計算機(一名稱。“微控制器”更能反映單片機的本質(zhì)，但是由于單片機這個名稱已經(jīng)為國內(nèi)大多數(shù)人所接受，所以仍沿用“單片機”這一名稱。 單片機的主要特點有： 1)具有優(yōu)異的性能價格比。 2)集成 度高、體積小、可靠性高。 3)控制功能強。 13 片的主要性能 芯片 司生產(chǎn)的帶 2K 字節(jié)快閃存儲器的 8 位單片 機。它具有如下的一些特性： 9品兼容 K 字節(jié)可重復(fù)編程快閃存儲器 ,000 寫 /擦除周期 9. V 的工作電壓范圍 4 28*8 位內(nèi)部 可編程 I/0 引線 16 位的計數(shù)器 /定時器 中斷源 出 另外 ,該單片機還具有體積小 ,價格低等特點。 片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 一帶有 2K 字節(jié)快閃可編程可擦除存儲體 (低電壓、高性能 8 位 型計算機。它采用 高密非易失存儲技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 51 指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的 快閃存儲器， 司生產(chǎn)的 一強勁的微型計算機，它對許多嵌入式控制的應(yīng)用，提供了一種高度靈活和成本低的解決辦法。圖 14 圖 片最小系統(tǒng) 一個最簡單的單片機系統(tǒng)包括晶振、復(fù)位、電源、系統(tǒng)的輸入控制、輸出顯示，以及其他外圍模塊 (如通信、數(shù)據(jù)采集等 )。 （ 1）時鐘電路 首先介紹一下單片機的晶振電路，即時鐘電路。單片機的工作流程，就是在系統(tǒng)時鐘的作用下，一條一條地執(zhí)行存儲器中的程序。單片機的時鐘電路由外接的一只晶振和兩只起振電容，以 及單片機內(nèi)部的時鐘電路組成，晶振的頻率越高，單片機處理數(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。單片機系統(tǒng)常用的晶振頻率有 611 059212系統(tǒng)采用 11 05925 晶振，電容選 220 （ 2）復(fù)位電路 系統(tǒng)剛上電時，單片機內(nèi)部的程序還沒有開始執(zhí)行，需要一段準(zhǔn)備時間，也就是復(fù)位時間。一個穩(wěn)定的單片機系統(tǒng)必須設(shè)計復(fù)位電路。當(dāng)程序跑飛或死機時，也需要進行系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位電路有很多種，有上電復(fù)位，手動復(fù)位等。 (3) 單片機的 控制 程序從內(nèi)部存儲器還是從外部存儲器讀取程序。由于現(xiàn)在單片機內(nèi)部的 量都很大，因此基本都是從內(nèi)部的存儲器讀取程序，即不需要外接 此， 本設(shè)計中復(fù)位方式采用上電按鍵手動復(fù)位方式，時鐘采用內(nèi)部時鐘。如下圖 圖 系統(tǒng)復(fù)位與時鐘方式 它硬件介紹及連接 流量檢測電路及模擬 為了達到對紅綠燈的時間控制，需要對道路上的車流量進行檢測。當(dāng)前比較流行的車流量檢測器件，是一種自感式的車輛傳感器。其工作原理是當(dāng)車輛經(jīng)過傳感器時，引起其自 感的變化，考慮到單片機系統(tǒng)的便利性，本次設(shè)計用一種手動的操作方式，即車流量的檢測電路用撥斷開關(guān)代替。其基本思路為：當(dāng)車流量大時，有撥斷開關(guān)送出一個高電平。另外，再單片機和坡度按開關(guān)之間加了光電隔離。下面叫簡紹光電隔離，以 16 日本東芝公司生產(chǎn)的一款光耦，該光耦沒有和基極連接，適合與再噪聲比較大的環(huán)境中應(yīng)用。 工作原理如下：當(dāng) 的電壓為正，且能時發(fā)光二極管正常發(fā)光時，控制的發(fā)光二極管發(fā)光，使得輸出端的光敏二極管導(dǎo)通。這樣輸出端的基極相當(dāng)于與 8引腳連接，其電平為高， 使得三極管導(dǎo)通，及 于 5引腳接地，這樣輸出端 6叫就為低電平。再實際使用中， 樣當(dāng) 出端三極管就不到同，就相當(dāng)于輸出端 6引腳通過一個電阻接到了 8腳上。相對于后面的連接電路來書，其為高電平。這樣就可以通過控制 控制輸出 6引腳的電平，達到電壓耦合的隔離的作用。車流量檢測電路如下圖 圖 流量檢測電路 基于光電隔離的作用，再加上撥斷開關(guān)和 了避免干擾信號，可以加入光 電耦合器。如圖所示，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)如圖所示時， 時低電平被單片機捕獲。當(dāng)開關(guān)撥下時 時高點平被單片機捕獲，這樣單片機通過捕獲的電平狀態(tài)做出相應(yīng)的控制，與 規(guī)檢測電路及模擬 在紅燈和黃燈期間，車輛是禁行的，為了對那些違反規(guī)則的車輛進行檢測，可使用超聲波車輛傳感器。但是，用于受到條件的限制，本系統(tǒng)設(shè)計中只是使用了普通光敏二極管。 17 圖 規(guī)檢測電路 其基本設(shè)計思想是：將光敏二極管放在停車線上，當(dāng)車輛行駛過將光敏二極管遮住，這樣， 光敏二極管就不導(dǎo)通，單片機檢測到這一信號執(zhí)行警報操作。違規(guī)檢測電路如下圖 示。 但是除了使用光敏二極管，還需使用三極管，三極管的型號是 以設(shè)計在電路中加入了三極管作為開關(guān)。由于普通光敏二極管在導(dǎo)通的情況下的電阻都能達到 以在設(shè)計中將光敏二極管直接連到了電源上。同時三極管還可以起到一定的隔直作用。當(dāng)光敏二極管關(guān)閉時，三極管的基極為低電平，基極與發(fā)射基之間的電壓為零，三極管關(guān)斷，檢測口的電壓為高電平。同理，當(dāng)光敏二極管導(dǎo)通時，三極管的基極電壓為高 ，基極與發(fā)射極之間的電平為高，三極管導(dǎo)通，檢測口的電壓為低電平?；诖司涂梢詸z測是否有違規(guī)車輛了。 段 碼管 示屏作為大型顯示設(shè)備的一種，具有 亮度高、價格低、壽命長、維護簡便等優(yōu)點。 碼管的結(jié)構(gòu)簡單，分為七段和八段兩種形式，也有共陽和共陰之分。以八段共陽管為例，它有 8 個發(fā)光二極管 (比七段多一個發(fā)光二極管，用來顯示 點 )，每個發(fā)光二極管的陽極連在一起，如圖 示。這樣，一個碼管就有 I 根位選線和 8 根段選線，要想顯示一個數(shù)值，就要分別對它們的高低電平來加以控制。 為方便起見，本文主要討論共陽八段 碼顯示管，其他類形的顯示管與其類似。 18 圖 的顯示原理 :通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二極管是否點亮而顯示不同的字形，如 g,f,e,d,c,b,a 全亮顯示為，采用共陽極連接驅(qū)動代碼，代碼表如下表 驅(qū)動代碼表 相應(yīng)在程序軟件上，可以通過調(diào)用程序給定的秒值經(jīng)過特定計算算出需要顯示的個位和十位，然后有 為顯示器。四個方位上總共用 8個 在單片機的 上。雖然路口不一樣，但是顯示的時間在數(shù)字上是一顯示數(shù)值 dp,g,f,e,d,c,b,a 驅(qū)動代碼 0 11010000 11111001 10100100 10110000 10011001 99H 5 10010010 92H 6 10000010 82H 7 11111000 10000000 80H 9 10010000 90H 19 樣的，所以兩邊連接的 是對稱的。如圖 示， 其中 A， B 分別是 1的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。 圖 它器件 （ 1）發(fā)光二極管 根據(jù)本設(shè)計的特點，紅綠燈的顯示不可少，紅綠燈的顯示采用普通的發(fā)光二極管。每個方向上設(shè)置紅綠黃燈，總共 4組。如果東西紅燈亮，那南北方向就是綠燈亮，反之亦然，所以在硬件上連接圖上也是對稱分布的，如下圖 示。 圖 號燈的連接 （ 2）蜂鳴器 本設(shè)計采用一般蜂鳴器，蜂鳴器使用 極管進行驅(qū)動控制，當(dāng) 腳輸出為低電平， 通，蜂鳴器蜂鳴；當(dāng) 腳輸出高電平時， 止，蜂鳴 器停止蜂鳴。如下圖 圖 鳴器連接 20 （ 3）按鍵控制 本設(shè)計設(shè)置了有 3 個鍵： S 鍵 J 鍵 F 鍵 個按鍵一端接地，另一端接上拉電阻。低電平有效，當(dāng)按鍵按下端口接地，單片機捕獲到低電平，從而知道相應(yīng)的輸入信息。如下圖 示。 圖 鍵示意圖 序主體設(shè)計流程 全部控制程序?qū)嶋H上分為若干模塊：鍵盤設(shè)置處理程序，狀態(tài)燈控制程序，抖動延時程序，次狀態(tài)判斷及處理程序，緊停或違規(guī)判斷程序，中斷服務(wù)子程序，車流量計數(shù) 程序，紅綠燈時間調(diào)整程序等 。 整個軟件程序方面主要分兩大部分：按鍵處理程序和 50描程序。流程圖如圖 21 圖 統(tǒng)總流程圖 首先是按鍵處理程序， 89過對 描，確定是否有鍵按下，再判斷具體是那個鍵按下，根據(jù)鍵值跳轉(zhuǎn)到按鍵處理程序。按鍵處理結(jié)果可設(shè)置兩種工作模式：紅綠燈時間設(shè)置模式和紅綠燈時間自動模式，次程序相當(dāng)于系統(tǒng)的模式設(shè)置，若想重新設(shè)置則要按下復(fù)位鍵。設(shè)置過后進入 50 50刷新顯示模塊，若為自動模式則接下來要計數(shù)車流量，然后掃描緊停信號 和違規(guī)信號，若捕獲則調(diào)用中斷，中斷服務(wù)子程序主要啟動蜂鳴器，直至恢復(fù)鍵按下。 50描 20次之后計時到達1，在顯示模塊中修改顯示緩沖區(qū)內(nèi)容 。在半個狀態(tài)對換時， 車流量計數(shù)程序在一個狀態(tài)變換循環(huán)先后計數(shù)兩個方向的車流量，然后調(diào)用紅綠燈時間調(diào)整程序，更新紅綠燈時間。 當(dāng)前狀態(tài)時間已到，則判斷其狀態(tài)裝入相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后進入下一狀態(tài)。 統(tǒng)軟件的理論基礎(chǔ)知識 時器原理 定時器工作的基本原理其實就是給初值，讓它不斷加 1直至減完為模值，這個初值是送到 是 以加法記數(shù)的，并能從全 1到全 0時自動產(chǎn)生溢出中斷請求。因此，我們可以把計數(shù)器記滿為零所需的計數(shù)值，即所要求的計 22 數(shù)值設(shè)定為 C，把計數(shù)初值設(shè)定為 得到如下計算通式： 中， 數(shù)值并不是目的，目的是時間值，設(shè)計 1 次的時間，即定時器計數(shù)脈沖的周期為 是單片機系統(tǒng)主頻周期的 12倍，設(shè)要求的時間值為 T，則有 C=T 算通式變?yōu)椋?T=（ M 值和計數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式 0 時 M 為 8192；在方式 1 時 M 的值為65536；在方式 2 和 3 為 256。就此可以算出各種方式 的最大延時。如單片機的主脈沖頻率為 12過 12分頻后，若采用方式最大延時只有 秒，采用方式最大延時也只有 就是為什么掃描周期為 50 若使用軟件則會耽擱程序流程，顯然不可行。相反，時間計時方面卻不可能只用計數(shù)器，因為 顯然秒鐘已經(jīng)超過了計數(shù)器的最大定時間，所以我們還必須采用定時器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個問題。 件延時原理 工作頻率為 12器周期與主頻有關(guān)，機器周期是主頻的 12倍，所以一個機器周期的時間為 12*（ 1/12=1們可以知道具體每條指令的周期數(shù)，這樣我們就可以通過指令的執(zhí)行條數(shù)來確定 1秒的時間，但同時由于單片機的運行速度很快其他的指令執(zhí)行時間可以忽略不計。 我們設(shè)定一個初值為 20 的軟件計數(shù)器和使 時 50 毫秒。這樣每當(dāng) 0 毫秒時 響應(yīng)它的溢出中斷請求，進入他的中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中， 后判斷它是否為零。為零表示秒已到。設(shè)定定時器需要定時 50 毫秒，故 須工作于方式。要求初值 ：0=2165536=3程序如下 ： 01H 023 斷原理 本系統(tǒng)主要使用了外部中斷，中斷信號有引腳 電平有效， 8051允許外部中斷以電平方式或負(fù)邊沿方式兩種中斷方式輸入中斷請求信號，可由用戶通過設(shè)置 ，為電平觸發(fā)方式， ，為負(fù)邊沿觸發(fā)方式，本設(shè)計采用電平方式， 其中斷標(biāo)志位，有中斷信號則置位，中斷服務(wù)子程序響應(yīng)后， 動清零。 的 允許中斷的總控制位，為 1開啟， 外部中斷允許控制位，為 1開啟。 在優(yōu)先級的允許下，一旦有外部中斷信號產(chǎn)生，單片機 后執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行完后，用 時 回 序再正常執(zhí)行。 綠燈時間調(diào)整原理 車流量檢測傳感器可對單片機控制系統(tǒng)提供實時 數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對所獲數(shù)據(jù)進行模糊處理。實現(xiàn)紅綠燈模糊控制必須解決對當(dāng)前十字路口的交通狀況的檢測，并完成如下工作 : 統(tǒng)采集兩個輸入量，即兩個方向的車流量。 紅綠燈時間值。 成精確的輸出控制信號。 為了采集上述數(shù)據(jù)，在十字路口的四側(cè)共設(shè)置 2個傳感器。分別檢測兩個方向的車流量，車流量檢測不是最終目的，在每半個循環(huán)周期，系統(tǒng)會檢測到兩個方向的車流量數(shù)據(jù)，除以時間，那么就可以得到單位時間的車流量，然 后比較兩個方向單位時間車流量多少，以確定下一次循環(huán)紅綠燈時間，達到調(diào)整的目的。 如，在一次循環(huán)過后，檢測到南北向車流量（設(shè)此時南北綠燈，東西紅燈時間為 20s）為 100 輛，東西向車流量（設(shè)此時東西綠燈，南北紅燈時間為 30s）為 90 輛，則單位時間車流量南北向和東西向的比例是：（ 100/20） /（ 90/30） =然南北向交通嚴(yán)重，那么現(xiàn)在就可以把南北綠燈，東西紅燈時間調(diào)長。 上面的比例 是一個確定數(shù)值，究竟多少為多，多少為少，這就必須設(shè) 24 定模糊規(guī)則，劃定幾個值域范圍，分別對應(yīng)到具體的調(diào)整時間上，系統(tǒng)就 調(diào)用具體的輸出值了。 程序模塊設(shè)計 鍵掃描程序 首先程序不斷掃描模式設(shè)置鍵，分別記為： S 鍵， J 鍵， F 鍵對應(yīng)端口的 電平有效，按鍵順序是指定的，若直接按 為自動調(diào)整模式，然后進入下一程序；若先按 按 后進入下一程序。 程序的開始要判斷是否有鍵按下，可以不斷將 鍵值相與，與值為1則表示沒有鍵按下，為 0則表示有鍵按下，程序如下： C, C, B C, 接下來要判斷具體是那個鍵，若為 將自動標(biāo)志位置 1，進入下一程序，否則為 S 鍵，則表示設(shè)置南北綠燈時間，用 值，按 1 下加 1，同時還需判斷此時 按下，則表示南北綠燈時間設(shè)置完畢，開始設(shè)置東西綠燈時間，用 樣按 1下加 1 ，同時判斷此時 按下，則表示時間設(shè)置完畢，進入下一程序。 在這個過程中， S， J 鍵的計數(shù)是循環(huán)的，從初值 20 開始，加到 40 則循環(huán)回到 20。如判斷 #40, #20 態(tài)燈顯示及判斷 在本設(shè)計中，實際控制的燈只有 6個，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。定義 中均是低電平有效。 25 _ _ _ _ 有 4 鐘狀態(tài)：東西紅燈亮，南北綠燈亮（ 11011101/東西紅燈亮，南北黃燈亮（ 10111101/東西綠燈亮，南北紅燈亮（ 11101101/東西黃燈亮，南北紅燈亮（ 11100111/ 括號中是 口 8 個引腳值 在用于顯示發(fā)光二極管時，直接由 令將十六進制碼送入 。 剛才的 4 個狀態(tài)是依次變換的，這就要涉及到狀態(tài)的判斷和銜接了。先把口的值與所有的 4 個狀態(tài)碼比較，若相同則判斷成功當(dāng)前狀態(tài)，再把下一狀態(tài)的狀態(tài)碼送顯 可。程序如下： A, A, #01 #1: A, 2 #2: A, #3 #3: A, # # 計時顯示 秒都要刷新 1次，那么計時滿 1秒時就要將存儲時間的工作寄存器 ，然后送入 面要將時間數(shù)據(jù) 位分開送顯 口，首先將 以 10，整數(shù)即十位放在 A 中，余數(shù)即個位放在 B 中，設(shè)置 7 段 示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表，用數(shù)據(jù)指針寄存器 向數(shù) 26 據(jù)表的首地址，再加上 可以指向十位數(shù)字，然后送顯即可，個位顯示同理。具體程序如下 ： A, B, #10 A, B # A, A+ A A, B A, A+ A 36H,56H,67H,7 流量檢測中斷服務(wù)子程序 車流量檢測是用外部中斷引腳 獲到一個低電平，則進入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，在子程序中，用 車向標(biāo)志位為 01H，判斷車向，程序如下： 01H, U : 停及違規(guī)中斷服務(wù)子程序 緊停按鍵和違規(guī)信號傳感器均連接到外部中斷引腳 進入該中斷，中斷程序中先把蜂鳴器 口置 0，啟動蜂鳴。并且等待恢復(fù)鍵 后關(guān)閉蜂鳴返回。 $ 27 綠燈時間調(diào)整程序 根據(jù)紅綠燈時間調(diào)整原理，一個周期下來， 分別存儲著南北，東西的車流量，接下來求單位時 間車流量，此時南北向時間，東