第一章緒論1.1研究背景城市化和交通擁堵的加劇迫切需要以最高效率運(yùn)營(yíng)我們的交通系統(tǒng)。實(shí)時(shí)交通信號(hào)控制是現(xiàn)代城市交通控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，旨在實(shí)現(xiàn)道路網(wǎng)絡(luò)的可選利用。為大型復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)提供有效的實(shí)時(shí)交通信號(hào)控制是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的分布式控制問(wèn)題。最近的趨勢(shì)是將交通信號(hào)系統(tǒng)視為集成多模式運(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)小組件，這使得信號(hào)系統(tǒng)的操作更加復(fù)雜。優(yōu)化交通信號(hào)和其他控制設(shè)備，以使街道和高速公路上的交通高效運(yùn)行，是交通管理系統(tǒng)中具有挑戰(zhàn)性的一部分。1868年12月10日，鐵路工程師J.P.Knight在倫敦英國(guó)議會(huì)大廈外安裝了第一個(gè)交通燈。它們與當(dāng)時(shí)的鐵路信號(hào)燈很相似,有著旗桿和夜間使用的紅色和綠色煤氣燈。煤氣燈的底部用一個(gè)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，以便適當(dāng)?shù)臒艄饷鎸?duì)交通。然而后來(lái)卻發(fā)生了事故，導(dǎo)致操作人員身體損傷?，F(xiàn)代電動(dòng)交通燈是美國(guó)人的發(fā)明。1923年，GarrettMorgan獲得了交通信號(hào)裝置的專(zhuān)利。正是他在克利夫蘭大街上開(kāi)車(chē)時(shí)的經(jīng)歷，讓他發(fā)明了一種交通信號(hào)裝置。俄亥俄州的阿什維爾號(hào)稱(chēng)是美國(guó)最古老的紅綠燈所在地，在1982年被轉(zhuǎn)移到當(dāng)?shù)夭┪镳^之前，紅綠燈一直被用在公共道路的一個(gè)十字路口。第一個(gè)互聯(lián)交通信號(hào)系統(tǒng)于1917年在鹽湖城安裝，通過(guò)一個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)同時(shí)控制六個(gè)相連的十字路口。1922年3月，美國(guó)德克薩斯州休斯敦市引入了互聯(lián)交通燈的自動(dòng)控制。1927年，英國(guó)第一個(gè)自動(dòng)實(shí)驗(yàn)交通燈在伍爾弗漢普頓部署。從過(guò)去的幾十年，交通管理一直是現(xiàn)代化的最大問(wèn)題之一。為了克服交通危機(jī)，許多科研人員已經(jīng)投入了相當(dāng)大的精力。從一開(kāi)始，“人工交通管制”就要求人力來(lái)控制交通。根據(jù)國(guó)家和州的不同，交通政策被分配到不同的地區(qū)來(lái)控制交通。這些人拿著牌子、信號(hào)燈和哨子來(lái)控制交通。他們被要求穿特定的制服，以便于被司機(jī)識(shí)別。K.Vidhya等人提出了一種基于密度的交通信號(hào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)感知交叉口的交通密度自動(dòng)改變信號(hào)計(jì)時(shí)。在大城市，交通信號(hào)的時(shí)間分配是固定的。本研究的主要目的是通過(guò)捕捉圖像,然后將其轉(zhuǎn)換為灰度圖像,再轉(zhuǎn)換為閾值圖像來(lái)控制交通信號(hào)。輪廓圖像有助于計(jì)算路口車(chē)輛的數(shù)量。輸出屏幕顯示在交叉口的車(chē)輛數(shù)量，綠色信號(hào)將根據(jù)交通密度發(fā)光。。他們分析了圖像序列,然后估計(jì)了交通堵塞,最后預(yù)測(cè)了交通信號(hào)燈的時(shí)間。樹(shù)莓派微控制器用于感知交通密度并提供信號(hào)定時(shí)。A.PromilaSinhmar女士提出了一種使用紅外傳感器和微控制器的智能交通燈和密度控制，利用微控制器優(yōu)化交通燈控制。本課題使用的單片機(jī)是89451RD2，它是基于MCS51家族的。紅外線(xiàn)發(fā)射器和紅外線(xiàn)接收器放置在道路的兩側(cè)。當(dāng)一輛車(chē)在紅外發(fā)射器和紅外接收器之間的道路上經(jīng)過(guò)時(shí)，紅外系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)激活，并計(jì)算當(dāng)前的車(chē)輛數(shù)量并存儲(chǔ)在內(nèi)存中。單片機(jī)根據(jù)車(chē)輛數(shù)量對(duì)交通信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行決策。在他們的研究中，他們提出，首先從車(chē)輛或物體獲取輸入或圖像。其次是對(duì)單片機(jī)給定的輸入進(jìn)行處理，最后通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)顯示交通燈的控制。KhalilM.Yousef等人提出了一種使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通燈流量控制系統(tǒng)。本文主要是針對(duì)交通信號(hào)燈控制的有效管理和利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)，對(duì)單個(gè)和多個(gè)交叉口的交通狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。他們的研究包括交通系統(tǒng)通信算法(TSCA)和交通信號(hào)時(shí)間操縱算法(TSTMA)，這兩種算法都是通過(guò)交通信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的交通控制。在單個(gè)交叉口中,交通堵塞可以通過(guò)計(jì)算平均等待時(shí)間和平均排隊(duì)長(zhǎng)度來(lái)解決,而在多個(gè)交叉口上實(shí)現(xiàn)全局有效的交通流控制。他們未來(lái)的工作可以模擬人類(lèi)行為，并使用FPGA技術(shù)封裝整個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)，還考慮了不同類(lèi)型的交叉口和不同類(lèi)型的交叉口方向。A.D.Jadhav和其他人提出了一種智能交通燈控制系統(tǒng)，旨在通過(guò)減少交通量來(lái)減少道路上的延誤。他們分析了每條道路的交通流量以及信號(hào)，并指定時(shí)間段以發(fā)出各自的光。建議的系統(tǒng)旨在盡量減低交通擠塞的可能性，在一定程度上是透過(guò)清理車(chē)輛密度較高的道路。交通密度較高的道路會(huì)被指定為綠燈，其他道路則會(huì)被指定為紅燈。1.2研究目標(biāo)及意義城市交通堵塞是一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題，各個(gè)方向的交通越來(lái)越擁擠，城市之間以及郊區(qū)之間的交通也越來(lái)越擁擠。交通燈是用來(lái)控制交通的。在現(xiàn)代，每個(gè)人都有不同類(lèi)型的車(chē)輛，導(dǎo)致車(chē)輛數(shù)量的增加。這就是為什么交通燈是強(qiáng)制性的，以避免交通堵塞和事故。交通信號(hào)中有三個(gè)燈，對(duì)司機(jī)有不同的信息。紅燈要求司機(jī)在十字路口讓道，綠燈給司機(jī)自由駕駛通過(guò)中間路段的許可，而黃燈提醒司機(jī)如果下一個(gè)燈是紅燈就等待，或者如果下一個(gè)燈是綠燈就準(zhǔn)備走/打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)。本文的重點(diǎn)是減少交叉路口處的交通堵塞，這將減少長(zhǎng)時(shí)間的等待，燃料和金錢(qián)的損失。交通燈是位于道路交叉口的信號(hào)裝置，用于控制交通流量。一般來(lái)說(shuō)，交通燈由三個(gè)燈組成。它們分別是紅色、黃色和綠色。當(dāng)紅燈亮起時(shí)，它表示面向紅燈的車(chē)輛停下，黃燈表示在十字路口以外小心準(zhǔn)備停車(chē)。綠燈是朝著所示的方向前進(jìn)。交通燈序列可能與其他不同，它們可能是特殊的規(guī)則或一組特定方向的交通燈。該項(xiàng)目的目標(biāo)是:1.設(shè)計(jì)交通控制系統(tǒng)硬件電路。2.開(kāi)發(fā)合適的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。3.成功模擬自動(dòng)交通控制。該項(xiàng)目的意義在于:1.它將有助于減少十字路口可能發(fā)生的碰撞或事故，從而提高司機(jī)和行人的安全系數(shù)。2.該項(xiàng)目旨在減輕人們對(duì)由于交通控制系統(tǒng)不合理而浪費(fèi)時(shí)間的擔(dān)憂(yōu)。3.由于該系統(tǒng)能夠不間斷地工作24小時(shí)，從而確保交通控制服務(wù)的持續(xù)可用性，因此減少了人力和精力。第二章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與要求2.1系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)在具體設(shè)計(jì)模擬交通燈控制系統(tǒng)之前,首先進(jìn)行需求分析。系統(tǒng)應(yīng)包含正常情況下的通行模式、繁忙狀態(tài)下的通行模式和緊急情況下的通行模式。三種模式如下：正常模式。沒(méi)有特殊車(chē)輛時(shí),交通燈按正常時(shí)序進(jìn)行變換。東西南北四個(gè)方向，任何一處時(shí)刻，都只有一個(gè)方向通行，另外一個(gè)方向是禁止通行的。典型的十字路口如圖1所示。沒(méi)有必要設(shè)置交通燈來(lái)限制傾向于右轉(zhuǎn)的汽車(chē)，因?yàn)樾枰肄D(zhuǎn)的汽車(chē)不會(huì)與其他汽車(chē)發(fā)生沖突。因此，十字路口的交通燈只需要設(shè)計(jì)為控制傾向于左轉(zhuǎn)和直行的汽車(chē)。正常模式通行車(chē)道交通的時(shí)間為40s,禁行車(chē)道禁止的時(shí)間為60s,左轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)間變?yōu)?9s，共有8個(gè)通行狀態(tài)，狀態(tài)S0東西禁止時(shí)間60s,南北通行時(shí)間40s,南北左轉(zhuǎn)時(shí)間為20s，從狀態(tài)S0開(kāi)始變換直至狀態(tài)S7，然后循環(huán)至狀態(tài)S0，重復(fù)以上過(guò)程。8個(gè)通行狀態(tài)總結(jié)如下：S0S0狀態(tài)：東西人、車(chē)行道紅燈亮，南北人、車(chē)行道綠燈亮S1狀態(tài)：直行時(shí)間小于5時(shí)，南北黃燈亮，等待左轉(zhuǎn)信號(hào)S3狀態(tài)：左轉(zhuǎn)時(shí)間小于5時(shí)，南北黃燈亮，等待停止信號(hào)S2狀態(tài)：左轉(zhuǎn)綠燈亮，南北紅燈亮、黃燈滅，人行道紅燈亮S4狀態(tài)：東西人、車(chē)行道綠燈亮，南北人、車(chē)行道紅燈亮S5狀態(tài)：直行時(shí)間小于5時(shí)，東西黃燈亮，等待左轉(zhuǎn)信號(hào)S6狀態(tài)：左轉(zhuǎn)綠燈亮，東西紅燈亮、黃燈滅，人行道紅燈亮S7狀態(tài)：左轉(zhuǎn)時(shí)間小于5時(shí)，東西黃燈亮，等待停止信號(hào)圖2-1正常模式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(2)繁忙模式：隨著道路上車(chē)輛數(shù)量的增加，大城市的交通擁堵問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。這通常發(fā)生在早晨和晚上的主要樞紐。由于這種影響，人們?cè)诼飞侠速M(fèi)了他們的時(shí)間。交通流量大的時(shí)間段的延遲時(shí)間應(yīng)該比交通流量小的時(shí)間段的延遲時(shí)間設(shè)置得長(zhǎng)，處于繁忙模式。因此可以通行車(chē)道交通的時(shí)間變成30s,禁止行駛車(chē)道禁止的時(shí)間變?yōu)?5s,左轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)間變?yōu)?5s,其余狀態(tài)和正常模式一致。(3)緊急模式：這種應(yīng)急模式是在救護(hù)車(chē)、消防隊(duì)、警車(chē)或VIP等重要車(chē)輛到達(dá)時(shí)使用的。如果沒(méi)有緊急模式，重要車(chē)輛將面臨更多的延誤時(shí)間。因此，緊急模式對(duì)于每一個(gè)交通燈都是非常重要的。在這種情況下，全部顯示紅燈。在這個(gè)交通燈路口，人們等待交通燈變成綠色。2.2系統(tǒng)的功能要求根據(jù)一個(gè)十字路口車(chē)輛交通控制的實(shí)際運(yùn)行情況可知，交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能:1.控制車(chē)行道東西南北四組紅綠燈，每組分別包含紅黃綠燈和一個(gè)左轉(zhuǎn)指示燈，共16盞信號(hào)燈以及四組人行道紅綠燈，每組包含相同的兩個(gè)紅燈和綠燈，共16盞信號(hào)燈，總共32盞信號(hào)燈的亮滅。2.利用5個(gè)0.36寸兩位一體共陰極數(shù)碼管，四個(gè)角落各一組利用倒計(jì)時(shí)功能來(lái)表現(xiàn)通行時(shí)間的變化，剩下的一組用來(lái)設(shè)定通行時(shí)間的值。通行時(shí)間可利用按鍵來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.利用按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈正常模式、繁忙模式以及緊急模式的切換。第三章系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成因微控制器單元(MCU)在嵌入式系統(tǒng)中的主要作用是提供廉價(jià)的可編程邏輯控制和與永久設(shè)備的接口。這意味著微控制器通常不需要提供復(fù)雜的功能。它非常適合監(jiān)控選定的各種輸入，并使用由內(nèi)置處理器執(zhí)行的預(yù)編程指令實(shí)時(shí)響應(yīng)這些輸入。嵌入式微控制器可以通過(guò)各種設(shè)備響應(yīng)這些輸入。這些功能對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是可以用非常合理的成本獲得的，而不需要很多努力。如果電路中有一些問(wèn)題，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單地更改程序或糾正程序來(lái)配置它。此外，我們可以通過(guò)用基于微控制器的交通燈控制系統(tǒng)代替微處理器來(lái)修改基于微處理器的交通燈控制系統(tǒng)，因?yàn)樵谖⑻幚砥餍酒?，只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和輸入/輸出端口不在單個(gè)芯片中，但是在微控制器中，所有上述內(nèi)容都嵌入在單個(gè)集成電路中。因此，在基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)中，功耗和成本也將更低。為實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的基于微控制器的交通燈控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要四個(gè)子模塊，如圖3-1所示。開(kāi)發(fā)的交通燈控制系統(tǒng)的多功能性是通過(guò)使用微控制器STC89C51實(shí)現(xiàn)的，這使研究人員能夠使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能、靈活和經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。此外，其他元器件包括自鎖開(kāi)關(guān)、晶體振蕩器、數(shù)碼管、導(dǎo)線(xiàn)、DC座和萬(wàn)用板等。單單片機(jī)按鍵模塊晶振電路數(shù)碼管顯示模塊顯示驅(qū)動(dòng)模塊信號(hào)燈顯示模塊復(fù)位電路圖3-1系統(tǒng)的總體框圖3.2單片機(jī)系統(tǒng)3.2.1單片機(jī)引腳介紹STC89C51有40個(gè)引腳，如表1所示：表1單片機(jī)引腳功能表P3的第二功能如表2所示:P3口第二功能第二功能說(shuō)明P3.0RXD串行通信輸入P3.1TXD串行通信輸出P3.2INT0外部中斷0輸入P3.3INT1外部中斷1輸入P3.4T0計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器0輸入P3.5T1計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器1輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫(xiě)入信號(hào)P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀取信號(hào)表2P3的第二功能單片機(jī)引腳圖如下：圖3-2單片機(jī)引腳圖3.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)包含復(fù)位電路、晶振電路、上拉排阻和單片機(jī)本身。復(fù)位電路基本電路為單片機(jī)RESET(第9引腳)引腳引出一根線(xiàn)，和復(fù)位按鍵一端的一個(gè)引腳相連，另一端斜對(duì)角一個(gè)引腳接到VCC上，同時(shí)串聯(lián)一個(gè)大小為10uF的電容C1，并且兩個(gè)引腳并聯(lián)起來(lái)通過(guò)一個(gè)大小為10K的電阻接入地。晶振電路基本電路為大小為11.0592MKz晶振的兩個(gè)引腳同時(shí)串聯(lián)一個(gè)大小為30uF的電容，并聯(lián)起來(lái)接入地，同時(shí)一個(gè)接入單片機(jī)的XTAL1(19引腳)引腳，另一個(gè)接入單片機(jī)的XTAL2(18引腳)引腳。P0口輸出不了高電平，平常只有低電平和高阻態(tài)兩種狀態(tài)，為了讓P0口能夠輸出高電平，將上拉排阻接在P0口，如果不接上拉排阻，則P0無(wú)法驅(qū)動(dòng)其他芯片，上拉排阻的選取一般都為10K的。EA/VPP引腳(31引腳)普遍都接電源，因?yàn)镋A/VPP引腳接高電平時(shí)，單片機(jī)讀取內(nèi)部的ROM，接低電平時(shí)，讀取外部的RPM，普遍下載程序時(shí)，都下載在單片機(jī)內(nèi)部ROM。系統(tǒng)圖如圖3-2所示：圖3-3單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖3.3顯示驅(qū)動(dòng)模塊3.3.1LED顯示本系統(tǒng)總共設(shè)有控制車(chē)行道東西南北四組紅綠燈，每組包含紅黃綠燈和一個(gè)左轉(zhuǎn)指示燈，共16盞信號(hào)燈以及四組人行道紅綠燈，每組包含相同的兩個(gè)紅燈和綠燈，共16盞信號(hào)燈，總共32盞信號(hào)燈來(lái)指示通行狀態(tài)。車(chē)行道東西紅黃綠和左轉(zhuǎn)信號(hào)燈通過(guò)74HC573分別接在單片機(jī)P1.3～P1.0口，車(chē)行道南北紅黃綠和左轉(zhuǎn)信號(hào)燈通過(guò)74HC573分別接在單片機(jī)P1.7～P1.4口，東西方向人行道上的綠燈通過(guò)三極管被連接在P3.0口上，由于東西向人行道和直行車(chē)輛同時(shí)停止通行，所以東西向人行道上的紅燈和車(chē)行道的紅燈一樣，都接在P1.3口上，同理，南北方向人行道上的紅燈和車(chē)行道的紅燈一樣，都接在P1.7口上，南北方向人行道上的綠燈通過(guò)三極管被連接在P3.1口上。圖3-3LED燈3.3.2數(shù)碼管顯示本系統(tǒng)共設(shè)有5組0.36寸兩位一體共陰極數(shù)碼管，低電平點(diǎn)亮，四個(gè)角落各一組利用倒計(jì)時(shí)功能來(lái)表現(xiàn)通行時(shí)間的變化，剩下的一組用來(lái)設(shè)定通行時(shí)間的值。所有數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)不需要被點(diǎn)亮，所以數(shù)碼管dp引腳閑置即可。東西方向數(shù)碼管第5和第10引腳通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)電路分別接在單片機(jī)P2.2和P2.3口，南北方向數(shù)碼管的第5和第10引腳通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)電路分別接在單片機(jī)P2.1和P2.0口，用來(lái)設(shè)定通行時(shí)間的數(shù)碼管第5和第10引腳通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)電路分別接在單片機(jī)P2.4和P2.5口。所有數(shù)碼管剩下的1，3，4，6，7，8，9引腳串聯(lián)起來(lái)通過(guò)另一個(gè)74HC573和上拉電阻分別接在P0.6,P0.0,P0.5,P0.3,P0.4,PO.2,P0.1口。圖3-4數(shù)碼管顯示3.3.3驅(qū)動(dòng)電路74HC573包含八路D型透明鎖存器，本系統(tǒng)用到了兩個(gè)74HC573芯片，都是用到了它的驅(qū)動(dòng)作用，輸入為高電平，輸出則為高電平，輸入為低電平，相應(yīng)的輸出也為低電平。單片機(jī)的IO口輸出的電流非常小，輸出能力非常差，為了讓數(shù)碼管和LED燈足夠亮，必須要用到驅(qū)動(dòng)芯片。一個(gè)74HC573芯片直接對(duì)應(yīng)接在單片機(jī)P1.0~P1.7口上，另一個(gè)相同的74HC573芯片通過(guò)上拉排阻接在單片機(jī)P0.0~P0.7口上。表374HC573電氣參數(shù)表74HC573參數(shù)74HC573基本參數(shù)電壓

2.0～6.0V驅(qū)動(dòng)電流

+/-7.8mA傳輸延遲

14ns@5V74HC573其他特性邏輯電平

CMOS功耗考量

低功耗或電池供電應(yīng)用74HC573封裝與引腳SO20,SSOP20,DIP20,TSSOP2074HC573特征：輸入輸出分布在芯片封裝的兩側(cè)，為微處理器提供簡(jiǎn)便的接口用于微控制器和微型計(jì)算機(jī)的輸入輸出口三態(tài)正相輸出，用于面向總線(xiàn)的應(yīng)用共用三態(tài)輸出使能端圖3-574HC573驅(qū)動(dòng)電路圖三極管驅(qū)動(dòng)電路，用到的都是9013NPN型三級(jí)管，主要用到它的開(kāi)關(guān)作用，三極管基極為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通。三極管的發(fā)射極連接起來(lái)接入地，基極通過(guò)串聯(lián)一個(gè)大小為4.7KΩ的限流電阻接入單片機(jī)，三極管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6分別接入單片機(jī)P2.1~P2.6口。當(dāng)三極管被導(dǎo)通，數(shù)碼管的公共端就會(huì)得到一個(gè)低電平。三級(jí)管Q7、Q8分別接入單片機(jī)P3.0口(RXD引腳)、P3.1口(TXD引腳)，高電平導(dǎo)通之后得到是高電平，用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈。圖3-6三極管驅(qū)動(dòng)電路3.4按鍵模塊本系統(tǒng)一共有5個(gè)按鍵，包括復(fù)位按鍵、繁忙模式按鍵、時(shí)間加、時(shí)間減按鍵和緊急模式按鍵。這些按鍵是整個(gè)電路唯一需要手動(dòng)控制的部分，但是卻靈活的實(shí)現(xiàn)了對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制，通過(guò)這些按鍵可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈正常模式、繁忙模式以及緊急模式的切換，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通行時(shí)間的加減，是我們的設(shè)計(jì)更加人性化，方便對(duì)我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中對(duì)交通路口進(jìn)行靈活有效的控制，更好的服務(wù)于我們的駕駛員和行人。輕觸按鍵在連接時(shí)只需按照按鍵斜對(duì)角連接即可，當(dāng)多個(gè)按鍵一起用的時(shí)候就可以利用導(dǎo)通性，不用每個(gè)按鍵都接地或電源。復(fù)位按鍵、繁忙模式按鍵、緊急模式和時(shí)間加、時(shí)間減按鍵分別接入單片機(jī)RESET引腳(第9引腳)、P3^6引腳(WR)、P3^7(RD引腳)、P3^3引腳(INT1引腳)、P3^4引腳(T0引腳);按鍵電路如圖3-7所示：圖3-7鍵盤(pán)控制電路圖3.5時(shí)鐘模塊MCS-51的時(shí)鐘有兩種方法：外部方法和內(nèi)部方法。內(nèi)部方法使用內(nèi)部振蕩器電路實(shí)現(xiàn)。交通燈的時(shí)鐘電路很容易，所以可以使用內(nèi)部振蕩器。晶振電路基本電路為大小為11.0592MKz晶振的兩個(gè)引腳同時(shí)串聯(lián)一個(gè)大小為30uF的電容，并聯(lián)起來(lái)接入地，同時(shí)一個(gè)接入單片機(jī)的XTAL1(19引腳)引腳，另一個(gè)接入單片機(jī)的XTAL2(18引腳)引腳。晶振就相當(dāng)于單片機(jī)工作的速度，一般選取時(shí)大小不會(huì)超過(guò)24MHz，如果太高，則有可能會(huì)造成運(yùn)行不穩(wěn)定，電容C2和C3主要是為了消減諧波，起到一個(gè)穩(wěn)定的作用，具體大小沒(méi)有相應(yīng)的計(jì)算公式，晶振電路為整個(gè)電路提供了時(shí)鐘，是我們能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行精確控制的關(guān)鍵，尤其對(duì)于交通燈來(lái)說(shuō)，時(shí)間必須精確無(wú)誤，不容許有半點(diǎn)兒誤差，并且要足夠穩(wěn)定，可以支持系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間完好運(yùn)行。圖3-8晶振電路3.6復(fù)位模塊復(fù)位電路基本電路為單片機(jī)RESET(第9引腳)引腳引出一根線(xiàn)，和復(fù)位按鍵一端的一個(gè)引腳相連，另一端斜對(duì)角一個(gè)引腳接到VCC上，同時(shí)串聯(lián)一個(gè)大小為10uF的電容C1，并且兩個(gè)引腳并聯(lián)起來(lái)通過(guò)一個(gè)大小為10KΩ的電阻接入地。復(fù)位電路復(fù)位原理其實(shí)就是讓RESET引腳保持兩微妙的高電平，程序才可以從頭開(kāi)始執(zhí)行，電容C4和電阻R2的作用是，當(dāng)單片機(jī)剛開(kāi)機(jī)的時(shí)候，電容C4會(huì)開(kāi)始充電，由于下拉電阻R2的作用，電壓會(huì)慢慢減小，使得RESET引腳會(huì)有一段時(shí)間的高電平輸出，單片機(jī)就重頭開(kāi)始執(zhí)行它的程序，如果不接電容C4，單片機(jī)剛剛開(kāi)機(jī)的時(shí)候，不會(huì)去執(zhí)行這個(gè)程序，什么狀態(tài)都沒(méi)有，當(dāng)按下自鎖開(kāi)關(guān)時(shí)，單片機(jī)才會(huì)從頭開(kāi)始執(zhí)行，常態(tài)時(shí)RESET引腳時(shí)低電平，只有復(fù)位時(shí)它才是高電平，下拉電阻R2就是為了保持RESET引腳常態(tài)是為低電平。通過(guò)復(fù)位按鍵實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路隨時(shí)隨地復(fù)位的功能，可以將電路恢復(fù)到正常模式，加強(qiáng)了我們對(duì)電路的控制，方便我們對(duì)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。雖然是手動(dòng)復(fù)位，但是依然簡(jiǎn)便實(shí)用。圖3-9復(fù)位電路第四章系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件程序構(gòu)成系統(tǒng)軟件程序包括主程序、延時(shí)函數(shù)、顯示函數(shù)、按鍵函數(shù)和中斷服務(wù)函數(shù)。主程序通過(guò)對(duì)其他功能函數(shù)的調(diào)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)化的功能。該系統(tǒng)采用嵌入式C語(yǔ)言編程，具有良好的可移植性和清晰的結(jié)構(gòu)，能夠完成極其復(fù)雜的工作。系統(tǒng)流程圖如圖所示:否否是開(kāi)始進(jìn)入主函數(shù)定時(shí)器初始化判斷是否是緊急模式順序按時(shí)執(zhí)行紅綠燈狀態(tài)將所有路口置紅燈禁止車(chē)輛通行數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束圖4-1系統(tǒng)總的流程圖4.2功能函數(shù)介紹4.2.1延時(shí)函數(shù)延時(shí)的原理是利用for循環(huán)嵌套，不斷地執(zhí)行空語(yǔ)句，耗費(fèi)系統(tǒng)的時(shí)間，來(lái)達(dá)到延時(shí)的目的。常用的51單片機(jī)用11.0592MHz的話(huà)，執(zhí)行一次需要1μs的時(shí)間，按鍵的去抖可以利用延時(shí)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)作延時(shí)去抖。單片機(jī)自帶的延時(shí)函數(shù)為_(kāi)nop_，是一個(gè)空的語(yǔ)句，執(zhí)行它一次，則延時(shí)1μs的時(shí)間。一個(gè)簡(jiǎn)單的延時(shí)函數(shù):voidDelay(unsignedintit){while(--t);}延時(shí)函數(shù)，含有輸入?yún)?shù)unsignedintit，無(wú)返回值，unsignedint是定義無(wú)符號(hào)整型變量，其值的范圍是0~65536。本系統(tǒng)用到的延時(shí)函數(shù)(大約延時(shí)1ms，不精確)：voiddelay(uintx) { uintp; ucharq; for(p=0;p<x;p++) for(q=0;q<121;q++);}4.2.2顯示函數(shù)實(shí)現(xiàn)I/O口控制，想要某一個(gè)燈點(diǎn)亮，只需要對(duì)應(yīng)的I/O口輸出低電平，因?yàn)長(zhǎng)ED的正極接VCC了，默認(rèn)無(wú)操作情況下，I/O口輸出為高電平，所以L(fǎng)ED燈不會(huì)亮，只有我們用程序給它把I/O口的電平輸出為低了，這個(gè)燈才會(huì)亮。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，先進(jìn)行位選，然后進(jìn)行段選，計(jì)算數(shù)碼管數(shù)字的段碼，位選是為了確定這個(gè)數(shù)碼管所處的具體位置，看它的狀態(tài)，是否是連通的，數(shù)碼管正常連通以后，才能根據(jù)計(jì)算出來(lái)的段碼，顯示相應(yīng)的數(shù)字。只要單片機(jī)刷新速度夠快，我們就可以看到連續(xù)的圖像。4.2.3按鍵函數(shù)按鍵函數(shù)主要是利用延時(shí)函數(shù)delay，通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間來(lái)對(duì)按鍵進(jìn)行去抖，可以更加精準(zhǔn)的對(duì)按鍵動(dòng)作是否發(fā)生進(jìn)行判斷，消除了誤差，使系統(tǒng)更加嚴(yán)謹(jǐn)有效。4.2.4中斷服務(wù)函數(shù)CPU同時(shí)接到幾個(gè)中斷指令時(shí)，首先響應(yīng)的是優(yōu)先級(jí)最高的中斷請(qǐng)求。正在進(jìn)行的中斷不能被新的同級(jí)或更低優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求中斷，正在進(jìn)行的低優(yōu)先級(jí)的終端服務(wù)，能被高優(yōu)先級(jí)中斷請(qǐng)求中斷。中斷函數(shù)的寫(xiě)法：void函數(shù)名()interrupt中斷編號(hào){ ；}interrupt必須要加，表示定義成中斷服務(wù)函數(shù)。后面n是中斷號(hào)，中斷號(hào)是編譯器識(shí)別不同中斷的唯一編號(hào)。INT0東西通行INT0東西通行東西綠燈亮南北紅燈亮保持中斷中斷返回INT1南北通行東西紅燈亮南北綠燈亮保持中斷中斷返回圖4-2中斷子程序定時(shí)中斷子程序中斷程序的流程圖如圖所示：定時(shí)中斷入口定時(shí)中斷入口啟動(dòng)定時(shí)器中斷初始化定時(shí)器0設(shè)置字型碼和字位碼，完成數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示關(guān)閉定時(shí)器0計(jì)數(shù)變量自加1定義1s 圖4-3定時(shí)中斷流程圖4.3軟件的應(yīng)用4.3.1AltiumDesigner的應(yīng)用AltiumDesigner是進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)的應(yīng)用，本系統(tǒng)采用AltiumDesigner15版本，按照整體設(shè)計(jì)思路，以單片機(jī)為主，先將其他模塊設(shè)計(jì)好，然后和單片機(jī)進(jìn)行連接，完成電路圖的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成的原理圖如附錄A所示。4.3.2Keil的應(yīng)用本文采用Keil實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)。KeilC51是所有8051兼容設(shè)備的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具鏈，它支持經(jīng)典8051、Dallas390、NXPMX、擴(kuò)展8051變種和C251設(shè)備。μVisionIDE/Debugger集成了完整的設(shè)備仿真、接口以及許多目標(biāo)調(diào)試適配器，并提供各種監(jiān)視器調(diào)試解決方案，而且它很容易學(xué)習(xí)和使用。編程運(yùn)行完程序以后，不出錯(cuò)的情況下，生成HEX文件備用。程序設(shè)計(jì)代碼如附錄D所示。4.3.3ProteusISIS的應(yīng)本文采用ProteusISIS進(jìn)行仿真和測(cè)試，Proteus是英國(guó)labcenter電子公司開(kāi)發(fā)的電路分析和模擬軟體，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的單片機(jī)設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)，仿真可以降低設(shè)計(jì)成本，提高電路的實(shí)用性。利用ProteusISIS按照原理圖搭建好電路圖，并進(jìn)行一定程度的優(yōu)化，設(shè)計(jì)一個(gè)仿真的十字路口，使得整個(gè)系統(tǒng)更加形象化。加載Keil軟件運(yùn)行生成的HEX文件，進(jìn)行程序功能的仿真，仿真圖見(jiàn)附錄B。第五章系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試測(cè)試樣品采用萬(wàn)能板。根據(jù)示意圖，基本的電氣連接是手工完成的。在整個(gè)裝配完成后，模塊之間的電氣連接由電纜完成。組裝完成后，如附錄C所示。具體運(yùn)行情況如下：S0狀態(tài)：東西人、車(chē)行道紅燈亮，南北人、車(chē)行道綠燈亮S1狀態(tài)：直行時(shí)間小于5時(shí)，南北黃燈亮，等待左轉(zhuǎn)信號(hào)S2狀態(tài)：左轉(zhuǎn)綠燈亮，南北紅燈亮、黃燈滅，人行道紅燈S3狀態(tài)：左轉(zhuǎn)時(shí)間小于5時(shí)，南北黃燈亮，等待停止信號(hào)S4狀態(tài)：東西人、車(chē)行道綠燈亮，南北人、車(chē)行道紅燈亮S5狀態(tài)：直行時(shí)間小于5時(shí)，東西黃燈亮，等待左轉(zhuǎn)信號(hào)S6狀態(tài)：左轉(zhuǎn)綠燈亮，東西紅燈亮、黃燈滅，人行道紅燈S7狀態(tài)：左轉(zhuǎn)時(shí)間小于5時(shí)，東西黃燈亮，等待停止信號(hào)緊急模式可以看到，所有功能正常顯示，運(yùn)行完好，硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)都成功實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論本文采用深圳宏晶科技有限公司STC89C51單片機(jī)，先進(jìn)行整體框架的構(gòu)建，其次使用AltiumDesigner畫(huà)出符合條件的原理圖，緊接著就是利用Keil51編寫(xiě)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的程序，在完全編譯運(yùn)行之后，無(wú)錯(cuò)誤的情況下，生成HEX文件，再使用Proteus仿真平臺(tái)加載上一個(gè)步驟生成的HEX文件進(jìn)行仿真，仿真順利實(shí)現(xiàn)以后，開(kāi)始著手實(shí)物圖的焊接，焊接完成以后，燒錄程序，最后對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試，這些工作都完成之后，才算真正完成了我們本次的設(shè)計(jì)工作。值得注意的是，Proteus對(duì)電路進(jìn)行仿真，必須加載Keil中生成的HEX文件開(kāi)始運(yùn)行，得到可以在單片機(jī)中運(yùn)行的仿真電路。該系統(tǒng)具有性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好、可靠性高、用戶(hù)界面友好等特點(diǎn)。該方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、直觀，能有效地修復(fù)電路和程序。系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，編程方便。仿真結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈和數(shù)碼管的交通指揮，具有較好的實(shí)用價(jià)值。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相比，使用計(jì)算機(jī)模擬可以清楚地看到所有關(guān)鍵部件的參數(shù)，效率高，速度快，無(wú)需采購(gòu)麻煩。

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附錄C圖C1實(shí)物顯示圖

附錄D程序代碼如下：#define uchar unsignedchar#define uint unsignedint //宏定義#include <reg52.h> //包含庫(kù)文件/*****定義控制位**********************/sbitTime_Show_LED2=P2^5;//Time_Show_LED2控制位sbitTime_Show_LED1=P2^4;//Time_Show_LED1控制位sbit EW_LED2=P2^3; //EW_LED2控制位sbit EW_LED1=P2^2; //EW_LED1控制位sbit SN_LED2=P2^1; //SN_LED2控制位sbit SN_LED1=P2^0; //SN_LED1控制位sbitSN_Yellow=P1^6;//SN黃燈sbitEW_Yellow=P1^2;//EW黃燈sbitEW_Red=P1^3;//EW人車(chē)紅燈sbitSN_Red=P1^7;//SN人車(chē)紅燈sbitEW_ManGreen=P3^0;//EW人行道綠燈sbitSN_ManGreen=P3^1;//SN人行道綠燈sbitSpecial_LED=P2^6;//交通正常指示燈sbitBusy_LED=P2^7;//交通繁忙指示燈sbitNomor_Button=P3^5;//交通正常按鍵sbitBusy_Btton=P3^6;//交通繁忙按鍵sbitSpecial_Btton=P3^7;//交通特殊按鍵sbitAdd_Button=P3^3;//時(shí)間加sbitReduces_Button=P3^4;//時(shí)間減bitFlag_SN_Yellow;//SN黃燈標(biāo)志位bitFlag_EW_Yellow;//EW黃燈標(biāo)志位bit flag_jinji;char Time_EW;//東西方向倒計(jì)時(shí)單元char Time_SN;//南北方向倒計(jì)時(shí)單元ucharEW=60,SN=40,EWL=19,SNL=19;//程序初始化賦值，正常模式ucharEW1=60,SN1=40,EWL1=19,SNL1=19;//用于存放修改值的變量ucharcodetable[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};//1~~~~9段選碼ucharcodeS[9]={0X28,0X48,0X98,0X48,0X82,0X84,0X89,0X84,0x88};//交通信號(hào)燈控制代碼/*高電平1是亮南北紅南北黃南北綠南北左綠東西紅東西黃東西綠東西左綠0x2800101000 南北綠東西紅0x4801001000 南北黃東西紅0x9810011000 南北紅南北左綠東西紅0x4801001000 南北黃東西紅0x8210000010 南北紅東西綠0x8410000100 南北紅東西黃0x8910001001 南北紅東西紅東西左綠0x8410000100 南北紅東西黃0x8810001000 南北紅東西紅*//**********************延時(shí)子程序************************/voiddelay(uintx) //延時(shí)函數(shù)，大約延時(shí)1ms，不精確{ uintp; ucharq; for(p=0;p<x;p++) for(q=0;q<121;q++);}/*****************顯示子函數(shù)**************************/void Display(void) { charh,l; //定義變量 h=Time_EW/10; //東西時(shí)間除以10得到十位數(shù)字賦值給h l=Time_EW%10; //東西時(shí)間除以10的余數(shù)得到個(gè)位賦值給l P0=table[l]; //l對(duì)應(yīng)的字符碼賦值給P0口 EW_LED2=1; //東西的數(shù)碼管第二位（就是個(gè)位）點(diǎn)亮 delay(1); //短延時(shí)，讓數(shù)碼管顯示一會(huì) EW_LED2=0; //關(guān)閉數(shù)碼管 P0=table[h]; //h對(duì)應(yīng)的字符碼賦值給P0口 EW_LED1=1; //東西的數(shù)碼管第一位（就是十位）點(diǎn)亮 delay(1); //短延時(shí)，讓數(shù)碼管顯示一會(huì) EW_LED1=0; //關(guān)閉數(shù)碼管 //下同 h=Time_SN/10; l=Time_SN%10; P0=table[l]; SN_LED2=1; delay(1); SN_LED2=0; P0=table[h]; SN_LED1=1; delay(1); SN_LED1=0; h=EW1/10; l=EW1%10; P0=table[l]; Time_Show_LED1=1; delay(1);Time_Show_LED1=0; P0=table[h]; Time_Show_LED2=1; delay(1); Time_Show_LED2=0;}voidKEY() //按鍵函數(shù){ if(Add_Button==0)//時(shí)間加 { delay(20); //按鍵去抖 if(Add_Button==0) //再次判斷按鍵狀態(tài) { EW1+=5; //東西加5 SN1+=5; //南北加5 SN1=EW1-20; //南北等于東西減20 EWL1=19; //東西左轉(zhuǎn)時(shí)間賦值19 SNL1=19; //南北左轉(zhuǎn)時(shí)間賦值19 if(EW1>=100) //時(shí)間加到大于100 { EW1=99; //等于99 SN1=79; //南北的比東西小20 } } while(Add_Button==0)Display(); //按鍵釋放 } if(Reduces_Button==0)//時(shí)間減 { delay(20); //按鍵去抖 if(Reduces_Button==0) //下同 { EW1-=5; SN1-=5; SN1=EW1-20; EWL1=19; SNL1=19; if(EW1<=40) { EW1=40; SN1=20; } } while(Reduces_Button==0)Display(); } if(Nomor_Button==0)//測(cè)試按鍵是否按下，按下為正常狀態(tài) { delay(20); if(Nomor_Button==0) { EW1=60; //東西時(shí)間60 SN1=40; //南北時(shí)間40 EWL1=19; //東西左轉(zhuǎn)時(shí)間19 SNL1=19; //南北左轉(zhuǎn)時(shí)間19 Busy_LED=0;//關(guān)繁忙信號(hào)燈 Special_LED=0;//關(guān)特殊信號(hào)燈 } while(Nomor_Button==0)Display(); } if(Busy_Btton==0)//測(cè)試按鍵是否按下，按下為繁忙狀態(tài) { delay(20); if(Busy_Btton==0) { EW1=45; ////東西時(shí)間45 SN1=30; //南北時(shí)間30 EWL1=14; //東西左轉(zhuǎn)時(shí)間14 SNL1=14; //南北左轉(zhuǎn)時(shí)間14 Special_LED=0;//關(guān)特殊信號(hào)燈 Busy_LED=1;//開(kāi)繁忙信號(hào)燈 } while(Busy_Btton==0)Display(); } if(Special_Btton==0) { delay(50); if(Special_Btton==0) flag_jinji=~flag_jinji; //緊急模式，全部紅燈 while(Special_Btton==0)Display(); }}/**********************T0中斷服務(wù)程序*******************/voidtimer0()interrupt1using1{ staticucharcount; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; //定時(shí)器初值大約50ms count++; //變量50ms加一 if(count==10) //加10次就是500ms { if(Flag_SN_Yellow==1)//測(cè)試南北黃燈標(biāo)志位//是南北黃燈時(shí)間 {SN_Yellow=~SN_Yellow;} //控制南北黃燈閃爍 if(Flag_EW_Yellow==1)//測(cè)試東西黃燈標(biāo)志位//是東西黃燈時(shí)間 {EW_Yellow=~EW_Yellow;} //控制東西黃燈閃爍 } if(count==20) //加20次就是1s（1000ms） { Time_EW--; //時(shí)間數(shù)據(jù)減一秒 Time_SN--; //時(shí)間數(shù)據(jù)減一秒 if(Flag_SN_Yellow==1)//測(cè)試南北黃燈標(biāo)志位//是南北黃燈時(shí)間 {SN_Yellow=~SN_Yellow;} //控制南北黃燈閃爍 if(Flag_EW_Yellow==1)//測(cè)試東西黃燈標(biāo)志位//是東西黃燈時(shí)間 {EW_Yellow=~EW_Yellow;} //控制東西黃燈閃爍 count=0; //變量清零 } }/*********************主程序開(kāi)始**********************/void main(void){ Busy_LED=0; Special_LED=0; TMOD=0x01;//定時(shí)器工作于方式1 TH0=(65536-50000)/256;//定時(shí)器賦初值 TL0=(65536-50000)%256; EA=1;//CPU開(kāi)中斷總允許 ET0=1;//開(kāi)定時(shí)中斷TR0=1;//啟動(dòng)定時(shí) while(1) //進(jìn)入循環(huán) { if(flag_jinji==0) //不是緊急模式 { /*******S0狀態(tài)**********/ EW_ManGreen=0; //EW人行道禁止 SN_ManGreen=1;//SN人行道通行 Flag_EW_Yellow=0; //EW關(guān)黃燈顯示信號(hào) Time_EW=EW; //時(shí)間賦值 Time_SN=SN; while(Time_SN>=5&&flag_jinji==0)//時(shí)間大于5 {P1=S[0]; //SN通行，EW紅燈 南北通行，東西紅燈 Display(); //調(diào)用顯示函數(shù) KEY();} //按鍵函數(shù) /*******S1狀態(tài)**********/ P1=0x00; //P1口拉低 while(Time_SN>=0&&flag_jinji==0)//時(shí)間不大于0跳出循環(huán) {Flag_SN_Yellow