道路交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計論文

1、50/50基于AT89C51的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計摘 要交通燈控制系統(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)。隨著我國城市現(xiàn)代化進程的不斷推進，交通是影響我國社會經(jīng)濟發(fā)展的嚴(yán)重問題，而城市交通問題的核心就是對十字路口交通信號的控制。因此，我國的城市交通問題的研究重點是交通燈控制系統(tǒng)的研究。本課題是根據(jù)單片機相關(guān)知識對簡單交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文首先介紹了交通燈的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，闡述了本課題的任務(wù)要求，并在交通管理系統(tǒng)知識的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計要求和實際應(yīng)用情況，進行總體方案論述。接著，對單片機進行了簡單介紹，然后通過對交通燈控制系統(tǒng)需完成的功能確定了控制系統(tǒng)中需要設(shè)

2、計的模塊，最后對每個模塊進行硬件的選擇與設(shè)計，完成了對交通燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。在軟件設(shè)計部分，運用Proteus和Keil軟件對交通控制系統(tǒng)編程與仿真，使交通燈控制系統(tǒng)功能達到任務(wù)要求。關(guān)鍵詞：信號燈 AT89C51 倒計時 控制引言：在今天，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。早期的交通信號燈使用“固定配時”方式實行自動控制，這種方式對于早起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

3、代了傳統(tǒng)的只有一種控制方案的控制器。計算機的出現(xiàn)為交通控制技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。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IBM650型計算機控制的交通信號協(xié)調(diào)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。為此，設(shè)計一個關(guān)于交通燈控制系統(tǒng)，該設(shè)計以AT89C51單片機作為核心，功耗小可以方便以后研究。1.設(shè)計的要求與方案1.1根據(jù)上述交通燈控制系統(tǒng)的研究意義，本課題設(shè)計了適應(yīng)當(dāng)前交通管理的交通燈控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)中除了具有基本的交通燈功能之外，還具有倒計時、時間設(shè)置、根據(jù)情況手動控制等功能。(1)在一般情況下，交

4、通燈控制系統(tǒng)要求正常顯示信號燈以與倒計時的時間變化：當(dāng)東西方向為綠燈時，南北方向為紅燈；當(dāng)東西方向綠燈變?yōu)辄S燈，提示此方向即將禁止通行；當(dāng)東西方向變?yōu)榧t燈，南北方向變?yōu)榫G燈；當(dāng)南北方向變?yōu)辄S燈時，提示此方向即將禁止通行。在每個方向都要求有倒計時顯示，提示通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間。(2)在特殊情況下，某一方向的車流量過多，按鍵設(shè)置通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間。綜上所述，交通燈的發(fā)展帶動了整個交通運輸?shù)陌l(fā)展。本章主要介紹了交通燈的發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義，提出了本課題的任務(wù)要求。1.2 系統(tǒng)設(shè)計的總體方案1.2.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)隨著人們?nèi)粘Ｉ钏降奶岣?，機動車輛不斷增加，簡單的交通控制系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前交通道

5、路管理的需要。為了最大程度的滿足交通管理的需要，為車輛提供準(zhǔn)確的通行時間，本課題應(yīng)結(jié)合先進的研究技術(shù)設(shè)計出功能完善的交通燈控制系統(tǒng)。此外，還需要充分考慮系統(tǒng)的可操作性，使控制系統(tǒng)具備與突發(fā)狀況相適應(yīng)的可調(diào)節(jié)能力。1.2.2 交通道路管理方案在設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)之前，應(yīng)明確交通道路中交通燈的管理方案。東西、南北兩干道交于一個十字路口，各干道有一組紅、黃、綠三色的指示燈，以指揮車輛的安全通行。紅燈亮禁止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換，且黃燈燃亮?xí)r間為東西、南北兩干道的公共停車時間。信號燈指示方案如表1.2.1所示。表1.2.1 信號燈指示方案狀態(tài)信號燈顯示S1東西方

6、向綠燈 南北方向紅燈S2東西方向黃燈 南北方向紅燈S3東西方向紅燈 南北方向綠燈S4東西方向紅燈 南北方向黃燈1.2.3 系統(tǒng)設(shè)計總體方案根據(jù)交通系統(tǒng)管理方案和本課題任務(wù)的要求，該系統(tǒng)應(yīng)具有交通燈的顯示功能、倒計時功能和通行時間設(shè)置功能，所以把系統(tǒng)分為四個模塊，包括單片機控制、信號燈顯示、倒計時顯示和鍵盤設(shè)置，系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。初 始 參數(shù) 設(shè) 置AT89C51單片機控制模塊倒計時顯示模塊信號燈顯示模塊鍵盤設(shè)置74LS245驅(qū)動圖1.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)下面分別簡單介紹這四個模塊：(1)單片機控制模塊：單片機將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上，具有優(yōu)異的性能價格比，控

7、制功能強，這將使各模塊功能的實現(xiàn)變得簡單方便。本系統(tǒng)中，8051單片機的P0口控制南北方向的時間顯示；P1口控制信號燈的點亮；P2口控制東西方向的時間顯示；P3口接入鍵盤開關(guān)，可設(shè)置適應(yīng)當(dāng)前狀況的通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間。(2)信號燈顯示模塊：利用發(fā)光二極管代替交通信號燈，通過單片機控制使其按要求點亮。(3)倒計時顯示模塊：此模塊有兩種方案。第一種是采用數(shù)碼管顯示。該方案實現(xiàn)簡單，但只能顯示有限的符號和數(shù)碼字符。第二種是采用點陣式LED顯示。該方案實現(xiàn)復(fù)雜，須完成大量的軟件工作，但功能強大，可方便的顯示各種英文字符、漢字和圖形。由于本控制系統(tǒng)只需顯示倒計時時間，利用數(shù)碼管即可完成此功能，因此本控

8、制系統(tǒng)中利用2位一體的共陰數(shù)碼管顯示道路兩個方向的通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間，通過單片機控制進行倒計時顯示。(4)鍵盤設(shè)置模塊：在交通道路突發(fā)情況時，可通過按鍵手動設(shè)置通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間，通過單片機控制進行時間設(shè)置。此模塊有兩種方案：第一種是采用8255擴展I/O口與鍵盤、信號燈顯示等。該方案使用靈活，可提供較多I/O口，但操作復(fù)雜。另一種是直接在I/O口線上接上按鍵開關(guān)。該方案設(shè)計精簡，但提供的I/O口數(shù)量有限。由于本控制系統(tǒng)對于交通燈與數(shù)碼管的控制只用單片機本身的I/O口就可實現(xiàn)，故選擇第二種方案。綜上所述，交通燈控制系統(tǒng)的總體方案已經(jīng)確定，下面進行硬件設(shè)計。2交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1

9、 單片機簡介8051系列單片機是在美國Intel公司于20世紀(jì)80年代推出的MCS-51系列高性能8位單片機的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它在單一芯片內(nèi)集成了并行I/O口、異步串行口、16位定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、片內(nèi)RAM和片內(nèi)ROM，以與其他一些功能部件5。單片機主要有如下特點：(1)有優(yōu)異的性能價格比。(2)集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機把各功能部件集成在一塊芯 片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性 與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣的環(huán)境下工作。(3)控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中均

10、有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O 口的邏輯操作以與位處理功能。單片機的邏輯控制功能與運行速度均高于同一檔次的微機。(4)低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。(5)外部總線增加了 IC(Inter-Integrated Circuit)與 SPI(Serial Peripheral Interface)等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)。(6)單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)6。2.2 系統(tǒng)時鐘電路晶振采用了內(nèi)部時鐘信號源的方式，如圖3.1所示。8051單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器，用于構(gòu)成振蕩器，反向放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，分別是

11、8051的第19和18腳。在XTAL1和 XTAL2之間接1個石英晶體與2個電容，就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，當(dāng)震蕩在6MHz12 MHz時通常取30pF左右的電容進行微調(diào)7。圖3.1 系統(tǒng)時鐘電路2.3 信號燈顯示電路在信號燈顯示電路中，本控制系統(tǒng)選用了發(fā)光二極管代替信號燈。其中：紅色發(fā)光二極管、黃色發(fā)光二極管和綠色發(fā)光二極管分別代替紅燈、黃燈、綠燈。發(fā)光二極管是一種特殊的二極管，導(dǎo)通時會發(fā)光（發(fā)光二極管導(dǎo)通壓降一般為1.5V左右）8。此外，工作電流要滿足該二極管的工作電流。一般發(fā)光二極管與I/O端口之間都會再連接一個電阻，其作用在于限制通過二極管的電流，從而達到減少功耗或者滿足端口對最大電

12、流的限制9。一般發(fā)光二極管的點亮電流為515mA?？刂葡到y(tǒng)中，信號燈指示電路如圖3.2所示。圖3.2 信號燈顯示電路在此信號燈顯示電路中，每個發(fā)光二極管都與1個220的電阻相連接，起到限流作用。因為二極管的導(dǎo)通電壓為1.5V，電阻分得的電壓為5V1.5V=3.5V,當(dāng)選擇220的電阻時發(fā)光二極管的電流為3.5V/220，約為15mA,此時發(fā)光二極管正常點亮。2.4 倒計時顯示電路該交通燈控制系統(tǒng)的倒計時功能可以采用數(shù)碼管顯示，也可以采用點陣式LED顯示。點陣式LED雖然功能強大，但是需要完成大量的軟件工作，系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度會增加，因此本控制系統(tǒng)選擇采用數(shù)碼管來實現(xiàn)交通燈倒計時功能的顯示。8段數(shù)

13、碼管又稱為8字型數(shù)碼管，分為8段：A、B、C、D、E、F、G、DP。其中，DP為小數(shù)點。數(shù)碼管常用的有10根管腳，每一段有一根管腳，另外兩根管腳為一個數(shù)碼管的公共段，兩根之間相互連通10-13。8段LED數(shù)碼管，就是在一定形狀的絕緣材料上，利用不同形狀點劃的發(fā)光二極管組合，排列成“8”字型的數(shù)碼管，分別引出它們的電極，點亮相應(yīng)的點劃來顯示09的數(shù)字14。數(shù)字顯示代碼如表3.1所示。表3.1 數(shù)字顯示驅(qū)動代碼表顯示數(shù)值dop g f e d c b a驅(qū)動代碼（16進制）000 1 1 1 1 1 13FH10 0 0 0 0 1 1 006H201 0 1 1 0 1 15BH301 0 0

14、1 1 1 14FH401 1 0 0 1 1 066H501 1 0 1 1 0 06DH601 1 1 1 1 0 07DH700 0 0 0 1 1 107H801 1 1 1 1 1 17FH本控制系統(tǒng)倒計時電路采用了4個2位一體的共陰數(shù)碼管，此數(shù)碼管在交通燈控制系統(tǒng)中便于觀察倒計時顯示，如圖3.3所示。圖2.2位一體的共陰數(shù)碼管這4個數(shù)碼管分別與控制兩干道倒計時顯示的端口相連接，即可顯示出信號燈的倒計時功能。以南北方向的數(shù)碼管為例，如圖3.4所示。此數(shù)碼管顯示的數(shù)值從綠燈的設(shè)置時間最大值一直減，每秒鐘減1，然后又從黃燈的設(shè)置時間一直減，再從紅燈的設(shè)置時間一直減，接下來又顯示綠燈時間，

15、如此循環(huán)。圖3.4 南北方向倒計時顯示2.5 鍵盤設(shè)置電路鍵盤設(shè)置電路中，采用獨立式按鍵進行控制。獨立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)14。獨立式按鍵的典型應(yīng)用如圖3.5所示：圖3.5 獨立式按鍵電路獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。根據(jù)以上特點，本控制系統(tǒng)單片機的I/O口數(shù)可以滿足該鍵盤，并且可以完成課題中所要求的手動設(shè)定時間的控制功能，所以本控制系統(tǒng)中應(yīng)采用獨立式鍵盤，鍵盤設(shè)置電路如圖2.6所示。圖2.6 鍵盤

16、設(shè)置電路2.6 單片機控制電路設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)中，單片機控制模塊是整個電路設(shè)計的主要部分。8051單片機有4個并行I/O口P0、P1、P2和P3，每個口都有8個引腳，共有32根I/O引腳，它們都是雙向通道，每一條I/O引腳都能獨立地用做輸入和輸出。本系統(tǒng)中，8051單片機的P0口控制南北方向的時間顯示；P1口控制信號燈的點亮；P2口控制東西方向的時間顯示；P3口接入鍵盤開關(guān)，可設(shè)置適應(yīng)當(dāng)前交通狀況的通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間。另外，在P0口控制南北方向的時間顯示中，利用74LS245芯片驅(qū)動數(shù)碼管。74LS245管腳結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，它是常用的芯片，用來驅(qū)動LED或者其他的設(shè)備,是8路同相三態(tài)

17、雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)15。8051單片機P0口內(nèi)部不帶上拉電阻，輸出只有電壓沒電流，接負(fù)載時要外接上拉電阻，即當(dāng)8051單片機的P0口總線負(fù)載達到或超過P0最大負(fù)載能力時，必須接入74LS245等總線驅(qū)動器。圖3.774LS245管腳結(jié)構(gòu)74LS245芯片具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)，74LS245芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。圖3.874LS245內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)片選端低電平有效時，DIR=“0”，信號由 B 向 A 傳輸，即接收數(shù)據(jù)；DIR=“1”，信號由 A 向 B 傳輸，即發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)為高電平時，A、B均為高阻態(tài)。所以，在本控制系統(tǒng)中需要用74LS245芯片對數(shù)碼管進

18、行驅(qū)動。本章對單片機進行了簡單介紹，設(shè)計了交通燈控制系統(tǒng)硬件電路。接下來，還需要對軟件部分進行設(shè)計，完成整個控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。3 交通燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計硬件平臺結(jié)構(gòu)一旦確定，功能框架就已經(jīng)形成。軟件在硬件平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)筑，完成各部分硬件的控制和協(xié)調(diào)。系統(tǒng)是由軟硬件共同實現(xiàn)的，由于軟件的可伸縮性，最終實現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進行全面測試也是檢驗錯誤排除故障的重要手段。3.1 軟件設(shè)計環(huán)境簡介3.1.1 Proteus仿真軟件簡介Proteus ISIS是英國L

19、abcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路16。該軟件的特點是：(1)實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機與其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。(2)支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以與各種外圍芯片。(3)提供

20、軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。(4)具有強大的原理圖繪制功能17?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。3.1.2KeilC51編譯軟件簡介目前流行的51系列單片機開發(fā)軟件是德國Keil公司推出的Keil C51軟件，它是一個基于32位Windows環(huán)境的應(yīng)用程序，支持C語言和匯編語言編程，其6.0以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為uVision（通常稱為uV2

21、）18。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，由以下幾部分組成：uVision IDE集成開發(fā)環(huán)境（包括工程管理器、源程序編輯器、程序調(diào)試器）、C51編譯器、A51匯編器、LIB51庫管理器、BL51連接/定位器、OH51目標(biāo)文件生成器以與 Monitor-51、RTX51實時操作系統(tǒng)19-21。3.2 交通燈系統(tǒng)主程序在交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計中，首先對交通燈進行初始參數(shù)設(shè)置，然后根據(jù)是否出現(xiàn)鍵盤事件，如出現(xiàn)鍵盤事件就啟動鍵盤程序，進行鍵盤時間處理；若沒有出現(xiàn)，繼續(xù)進行由初始參數(shù)進行的控制程序。交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖4.1所示：開始

22、初始化等待鍵盤事件鍵盤事件處理顯示程序處理圖4.1 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計流程3.3 交通燈延時程序延時方法可以有兩種，一種是利用MCS-51內(nèi)部定時器才生溢出中斷來確定1秒的延時時間，另一種是采用軟件延時的方法。3.3.1 計數(shù)器硬件延時(1)計數(shù)器初值計算定時器工作時必須給計數(shù)器初值，這個值是送到TH和TL中的。它是以加法計數(shù)的，并能從全1到全0時自動產(chǎn)生溢出中斷請求22-26。因此，我們可以把計數(shù)器記滿為零所需的計數(shù)值設(shè)定為C和計數(shù)初值設(shè)定為TC可得到如下計算通式：TC=MC式中，M為計數(shù)器模值，該值和計數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式0時M為213；在方式1時M的值為216；在方式2和3為28。(

23、2)計算公式TC=MT/ T計數(shù)T計數(shù)是單片機時鐘周期TCLK的12倍；TC為定時初值，如單片機的主脈沖頻率TCLK為12MHZ，經(jīng)過12分頻：方式0: TMAX=2131us =8.192ms方式1: TMAX=2161us=65.536ms方式2和3: TMAX=281us=0.256ms顯然1秒鐘已經(jīng)超過了計數(shù)器的最大定時時間，所以只有采用定時器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個問題。(3)延時1秒的方法系統(tǒng)中采用在主程序中設(shè)定一個初值為4000的軟件計數(shù)器和使定時器定時250us。這樣每當(dāng)T0到250us時CPU就響應(yīng)它的溢出中斷請求，進入它的中斷服務(wù)子程序。在中斷子程序中，CPU先使軟件

24、計數(shù)器減1，然后判斷它是否為0。為0表示1秒已到可以返回到輸出時間顯示程序。(4)相應(yīng)程序代碼主程序中：定時器需要定時250 us，故T0工作于方式2。初值：TC=MT/ T計數(shù)=28250us/1us=06HTMOD = 0 x02;/設(shè)置定時器0為工作方式2TH0 = 0 x06;TL0 = 0 x06;/初始化8位定時器 (2566)*4000 = 1sEA = 1;/總中斷允許ET0 = 1;/T0中斷允許TR0 = 1;/打開T0中斷3.3.2 軟件延時軟件延時需要通過編寫延時程序進行延時。計算機執(zhí)行一條指令需要一定的時間，由一些指令組成一段程序，并反復(fù)循環(huán)執(zhí)行，利用計算機執(zhí)行程序所

25、用的時間來實現(xiàn)延時，這種程序稱為延時程序27-28。如當(dāng)系統(tǒng)使用12MHz晶振時，一個機器周期為1us，執(zhí)行一條雙字雙周期DJNZ指令的時間為2us,因此執(zhí)行該指令50萬次，就可以實現(xiàn)延時1s的目的，對于50萬次循環(huán)可采用外循環(huán)、中循環(huán)、內(nèi)循環(huán)嵌套的多重循環(huán)結(jié)構(gòu)。3.4 交通燈顯示程序交通燈顯示程序設(shè)計流程如圖4.2所示。交通燈顯示程序總共有4個狀態(tài)S1、S2、S3和S4，每個狀態(tài)中發(fā)光二極管顯示信號燈點亮情況，數(shù)碼管來進行倒計時顯示，完成這4個狀態(tài)后再進入初始狀態(tài)S1，進行循環(huán)。開始初始化，狀態(tài)S1延時，并顯示時間狀態(tài)S2延時，并顯示時間狀態(tài)S3延時，并顯示時間狀態(tài)S4延時，并顯示時間圖4.

26、2 交通燈顯示設(shè)計流程3.5 按鍵處理程序鍵盤是人機進行交互的重要接口之一。用戶通過對儀器下達命令，儀器獲得相應(yīng)的鍵值，并執(zhí)行相應(yīng)的命令程序29。鍵盤部分的軟件設(shè)計主要是對鍵盤管理芯片8051進行編程，從而成功地讀取鍵盤值，實現(xiàn)相應(yīng)功能。按鍵模塊設(shè)計流程如圖4.3所示。在系統(tǒng)中有3個按鍵設(shè)置，分別為“設(shè)置鍵”、“增加鍵”、“減少鍵”。若“設(shè)置鍵”沒有按下，不進行按鍵處理。若“設(shè)置鍵”按下，則按照到“設(shè)置鍵”程序處理，看是否有“增加鍵”和“減少鍵”被按下，若沒有，不進行處理；若有，進行相應(yīng)按鍵處理。YYNNY等待按鍵按下設(shè)置鍵是否按下增加鍵是否按下減少鍵是否按下設(shè)置鍵處理程序增加鍵處理程序減少鍵

27、處理程序圖4.3 按鍵模塊設(shè)計流程3.5.1 設(shè)置鍵處理(1)設(shè)置鍵的功能設(shè)置鍵的功能是根據(jù)按鍵次數(shù)決定的，如表4.1所示。按下“設(shè)置鍵”1次，則設(shè)置東西方向的綠燈點亮?xí)r間；按下“設(shè)置鍵”2次，則設(shè)置東西方向黃燈點亮?xí)r間；按下“設(shè)置鍵”3次，則設(shè)置南北方向的綠燈點亮?xí)r間；按下“設(shè)置鍵”4次，則設(shè)置南北方向黃燈點亮?xí)r間；按下“設(shè)置鍵”5次，則恢復(fù)交通燈工作狀態(tài)，時間顯示設(shè)置后的通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間。表4.1 設(shè)置鍵功能按“設(shè)置鍵”次數(shù)第1次第2次第3次第4次第5次調(diào)整內(nèi)容東西方向綠燈點亮?xí)r間東西方向黃燈點亮?xí)r間南北方向綠燈點亮?xí)r間南北方向黃燈點亮?xí)r間恢復(fù)交通燈工作狀態(tài)(2)設(shè)置鍵設(shè)計流程NNN

28、NYYYYY等待按鍵釋放第5次按下東西向綠燈點亮，數(shù)碼管閃爍，設(shè)置通行時間東西向黃燈點亮，數(shù)碼管閃爍，設(shè)置暫緩?fù)ㄐ袝r間南北向綠燈點亮，數(shù)碼管閃爍，設(shè)置通行時間南北向黃燈點亮，數(shù)碼管閃爍，設(shè)置暫緩?fù)ㄐ袝r間交通燈正常顯示，數(shù)碼管顯示設(shè)置好的時間返回等待第4次按下第3次按下第2次按下第1次按下圖4.4 設(shè)置鍵設(shè)計流程(3)設(shè)置鍵相關(guān)程序void setSecond(void)while(P3_4 = 0);cntP3_4+;/標(biāo)志設(shè)置鍵被按下的次數(shù)switch(cntP3_4)case 1:cntEW = 5;/ cntEW為東西向標(biāo)志位 P1 = 0 xf7;/東西向綠燈點亮 break;case

29、 2:cntEW = 1;P1 = 0 xef;/東西向黃燈點亮break;case 3:cntSN = 1;/ cntSN為南北向標(biāo)志位 P1 = 0 xfe;/南北向綠燈點亮break;case 4:cntSN = 3; P1 = 0 xfd;/南北向黃燈點亮break;case 5:cntEW = 5;/東西方向和南北方向標(biāo)志位都回到初始狀態(tài) cntSN = 5; cnt_num = 0; cntP3_4 = 0; break;增加鍵處理(1)增加鍵的功能當(dāng)系統(tǒng)系統(tǒng)需要進行按鍵設(shè)置時，通過“增加鍵”可以改變東西方向和南北方向的通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間。此按鍵分為兩個功能，一個是“加1”功能

30、，一個是“加10”功能。(2)增加鍵處理流程NNNYYYY延時按鍵是否還在按下延時按鍵是否釋放按鍵是否還在按下等待按鍵釋放數(shù)碼管值加1返回數(shù)碼管值加10數(shù)碼管加10延時圖4.5 增加鍵設(shè)計流程(3)“增加鍵”相關(guān)程序秒數(shù)加1程序：void addSecond(void)while(P3_5 = 0);cnt_key = 0;/記錄長按鍵的參數(shù)清零switch(cntP3_4)case 1:if(keyMemory != greenEW + 10)/判斷按鍵是否已經(jīng)加10,如果沒有加10則秒數(shù)加1,如果已經(jīng)加10則不加1greenEW+;if(greenEW = 90)greenEW = 0;/

31、90為秒數(shù)增加后的最大值，當(dāng)超過90s后自動為0scdEW = greenEW;scdSN = greenEW + yellowEW + 1;break; /東西向綠燈顯示時間設(shè)置case 2:if(yellowEW+ = 9)yellowEW = 0;scdEW = yellowEW;break; /東西向黃燈顯示時間設(shè)置case 3:if(keyMemory != greenSN + 10)greenSN+;if( greenSN = 90) greenSN = 0;scdEW = greenSN + yellowSN + 1;scdSN = greenSN;break; /南北向綠燈顯示

32、時間設(shè)置case 4:if(yellowSN+ = 9)yellowSN = 0;scdSN = yellowSN;break; /南北向黃燈顯示時間設(shè)置長按加10s程序：當(dāng)長時間按下按鍵后，增加的時間為10s void add_10s(void)cnt_key = 0;switch(cntP3_4)case 1: /設(shè)置鍵按1次，設(shè)置東西方向綠燈顯示時間greenEW = greenEW + 10;/長按秒數(shù)加10if(greenEW = 90)greenEW = 0;keyMemory = greenEW + 10;/keyMemory用來標(biāo)記秒數(shù)已經(jīng)加10scdEW = greenEW;

33、scdSN = greenEW + yellowEW + 1;break;case 3: /設(shè)置鍵按3次，設(shè)置東西方向綠燈顯示時間greenSN = greenSN + 10;if(greenSN =90)greenSN = 0;keyMemory = greenSN + 10;scdEW = greenSN + yellowSN + 1;scdSN = greenSN;break;減少鍵處理“減少鍵”與“增加鍵”設(shè)計的流程基本一樣，如圖4.6所示。NNNYYYY延時按鍵是否還在按下延時按鍵是否釋放按鍵是否還在按下等待按鍵釋放數(shù)碼管值減1返回數(shù)碼管值減10數(shù)碼管減10延時圖 “減少鍵”設(shè)計流程

34、交通燈控制系統(tǒng)仿真 仿真開始時，東西方向為綠燈，數(shù)碼管從20s開始倒計時；南北方向為紅燈，數(shù)碼管從24s開始倒計時。接著，東西方向為黃燈，數(shù)碼管從3s開始倒計時；南北方向還是紅燈。過后，東西方向為紅燈，數(shù)碼管從30s開始倒計時；南北方向為綠燈，數(shù)碼管從24s開始倒計時。再接著，東西方向繼續(xù)為紅燈；南北方向為黃燈，數(shù)碼管從5s開始倒計時。最后，回到初始狀態(tài)進行循環(huán)。當(dāng)?shù)缆飞铣霈F(xiàn)突發(fā)狀況時，按鍵設(shè)置通行時間后，交通燈信號燈顯示狀態(tài)不變，通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間變?yōu)榘存I設(shè)置后的時間。交通燈初始狀態(tài)時的仿真初始狀態(tài)下，東西方向顯示綠燈，數(shù)碼管從20s開始倒計時；南北方向顯示紅燈，禁止通行，數(shù)碼管從24s

35、開始倒計時。圖4.7 交通燈初始狀態(tài)的仿真東西向信號燈切換時仿真東西向綠燈變?yōu)辄S燈，時間為3s，南北方向為紅燈。圖4.8 東西向信號燈切換時的仿真鍵盤控制重設(shè)時間的仿真通過設(shè)置鍵、增加鍵、減少鍵對交通燈控制系統(tǒng)的通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間進行設(shè)置，東西方向的通行時間為36s，南北方向等待通行時間為40s。圖4.9 鍵盤控制重設(shè)時間的仿真綜上所述，該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計極其重要。本章主要闡述了每個模塊的設(shè)計流程，簡單介紹了控制系統(tǒng)的程序設(shè)計，列出了本控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果。4 交通燈控制系統(tǒng)調(diào)試因本設(shè)計本身要求有穩(wěn)定性高、免維護、抗干擾能力強等功能，系統(tǒng)調(diào)試除了驗證數(shù)據(jù)處理的精度，確保判斷的準(zhǔn)確性外，同時

36、必須確認(rèn)各項的功能的正常運行。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試，包括對：交通燈點亮功能調(diào)試，倒計時功能調(diào)試，鍵盤設(shè)置功能調(diào)試。單片機軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。最后將各模塊組合后進行整體測試，使系統(tǒng)的所有功能得以實現(xiàn)。4.1 硬件調(diào)試交通燈控制系統(tǒng)電路板焊接工作量非常大，電路焊接完成后，首先要進行檢查，即確認(rèn)電路無虛焊，無短路，無斷路，集成元件安裝是否正確，之后進行電路功能模塊的分級調(diào)試，根據(jù)電路功能逐級進行：(1)信號燈點亮功能調(diào)試：四種狀態(tài)下的

37、信號燈點亮情況和亮度的調(diào)試；(2)倒計時功能調(diào)試：包括數(shù)碼管亮度調(diào)試和延時功能的調(diào)試；(3)鍵盤設(shè)置功能調(diào)試：包括按鍵功能調(diào)試與延時功能的調(diào)試；4.2 軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)全部用C語言來編寫，選用Keil對其進行調(diào)試。首先，對程序的語法進行檢查。當(dāng)確認(rèn)程序沒問題時，通過直接下載到單片機來調(diào)試。采取的是自下到上的調(diào)試方法，即單獨調(diào)試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)，最后完成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。4.3 軟硬件聯(lián)調(diào)系統(tǒng)做好后，進行系統(tǒng)的完整調(diào)試。主要任務(wù)是檢驗實現(xiàn)的功能與其效果。調(diào)試時，單片機軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。信號燈指示電路模塊由12個發(fā)光二極

38、管和12個220電阻組成。該模塊接線繁瑣，極易出錯。當(dāng)檢查發(fā)光二極管無故障、導(dǎo)線無斷線、連線接頭無互相搭聯(lián)后可先寫一個軟件調(diào)試程序，依次檢查東南西北方向的信號燈（發(fā)光二極管）是否點亮；若未點亮，則可能是連線接錯。根據(jù)燈的亮滅情況依次查找錯誤，直到電路正常工作為止。倒計時顯示電路模塊由4個數(shù)碼管組成。調(diào)試時，先檢查數(shù)碼管管腳是否與相應(yīng)引腳相連，確認(rèn)無誤后，再將數(shù)碼管與仿真器相連，編制一個簡單的程序進行調(diào)試，直到數(shù)碼管正常顯示時間為止。鍵盤設(shè)置電路模塊由3個按鍵和3個1K電阻組成。當(dāng)檢查按鍵無故障、導(dǎo)線連接無誤后，用一個軟件調(diào)試程序進一步檢查按鍵設(shè)置電路。當(dāng)各模塊均調(diào)試好后，進行整機聯(lián)調(diào)：將各模塊

39、連接起來，逐個進行檢測。調(diào)試成功后再將程序?qū)懙絾纹瑱C中進行調(diào)試，直至整個系統(tǒng)能夠正常工作。此外，在電路抗干擾設(shè)計方面，硬件電路中采取了引線盡量短，減少交叉等措施。實踐證明，這些措施對消除某些引腳引起的直流分量干擾起到了很好的效果?？垢蓴_設(shè)計是單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，沒有良好的抗干擾措施，系統(tǒng)就無法安全可靠的工作。當(dāng)然，本系統(tǒng)只能通過系統(tǒng)軟件、硬件設(shè)計盡可能的減少干擾帶來的影響，而不可能完全消除干擾。5結(jié) 論本系統(tǒng)采用了8051芯片和74LS245芯片為中心器件來設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過P1口對交通燈燃亮情況進行了控制，而南北方向和東西方向的顯示時間分別是通過P0、P2口進行了控

40、制，鍵盤設(shè)置時間模塊是由P3.4、P3.5、P3.6控制，該系統(tǒng)設(shè)計簡便，實用性強，操作簡單。但是本文所設(shè)計的交通燈控制系統(tǒng)還存在一些未盡人意的地方，還有很多不足之處：(1)該交通燈控制系統(tǒng)沒有考慮到夜晚車輛極少情況下的交通燈顯示情況。(2)該交通燈控制系統(tǒng)不能控制車的左、右轉(zhuǎn)，以與自動根據(jù)車流改變紅綠燈時間等。(3)該交通燈控制系統(tǒng)只考慮交通道路中的車輛，未考慮到行人的通行問題。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我得到了一次運用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉，使我在單片機的基本原理、單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程以與在常用編程設(shè)計思路技巧的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后成為合格的應(yīng)用型人才打

41、下良好的基礎(chǔ)。參 考 文 獻1 余發(fā)山.單片機原理與應(yīng)用技術(shù)M.中國礦業(yè)大學(xué),2002.2李朝青.單片機原理與接口技術(shù)（修訂版）M.：航空航天大學(xué)，1998.3Zadeh L.A. Fuzzy Sets and their ApplicationsM. New York:Academic Press,1975.4李廣弟.單片機基礎(chǔ)M.：航空航天大學(xué)，1992.5余錫存,曹國華.單片機原理與接口技術(shù)M.陜西：西安電子科技大學(xué)，1998.6 張立新,吳明捷,張曉燕. HYPERLINK :/ cnki .cn/Article/CJFDTOTAL-BJSY200101012.htm%09%09%09

42、%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09 t _blank 可編程控制器(PLC)的高速計數(shù)器的應(yīng)用J.石油化工學(xué)院學(xué)報,2001(1):3436.7 蔣萬君.在論循環(huán)時序電路的簡便設(shè)計J.機電一體化，2005(2):1214.8 史建平. HYPERLINK :/ cnki .cn/Article/CJFDTOTAL-CZGB199902007.htm%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09 t _blank PLC在全功能交通燈控制上的應(yīng)用J.常州工學(xué)院學(xué)報,1999(6):6568.9 Tobin,R.L Friesz .T.L

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44、昆等編.交通管理與控制M.：人民文通，1992.15 繞慶和.MSC-51單片機實用技術(shù)M.：電子工業(yè)，2003.16 沈紅衛(wèi).單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例與分析M.：航空航天大學(xué)，2000.17陳靜,花瑞,宋炳生. HYPERLINK :/d.wanfangdata .cn/Periodical_whqcgydxxb200805008.aspx 交叉口交通信號控制的半實物仿真平臺設(shè)計J.武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版）,2008(5):2629.18 馀吉萬等編.城市交通的計算機控制和管理M.測繪，1985.19 劉曉娟，張雁鵬，湯自安編.城市軌道交通智能控制系統(tǒng)M.中國鐵道，2008.20

45、王煒.城市交通規(guī)劃理論與其應(yīng)用M.：電子工業(yè)，2007.21 張輝.8051單片機控制交通信號燈的方法研究J.邵陽師范高等專科學(xué)校學(xué)報，附錄附錄一：電路圖附錄二：程序#includeat89x51.hunsigned char num=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f;/數(shù)字09unsigned char ctr=0 xfa,0 xf5;/0 xfa（P3_0和 P3_2為0,即高位有效)0 xf5(P3_1和P3_3為0,即低位有效)unsigned char disEW2;/記錄東西向高低位數(shù)值unsig

46、ned char disSN2; /記錄南北向高低位數(shù)值unsigned char v; unsigned char cnt_ctr; unsigned int scdEW,scdSN; unsigned int cntSN,cntEW; unsigned char cntP3_4,cntP3_5,cntP3_6;unsigned int cnt_num,cnt_key,cnt_flash,keyMemory;int greenEW = 20,yellowEW = 3,greenSN = 24,yellowSN = 5;/延時函數(shù),a為1延時1毫秒 void delay_ms(unsigned

47、 int a)int i;while(a-)i = 70;while(i-);/設(shè)置紅綠黃燈秒數(shù)void setSecond(void)while(P3_4 = 0);cntP3_4+;/標(biāo)志設(shè)置鍵被按下的次數(shù)switch(cntP3_4)case 1:cntEW = 5;P1 = 0 xf7;break;case 2:cntEW = 1;P1 = 0 xef;break;case 3:cntSN = 1;P1 = 0 xfe;break;case 4:cntSN = 3;P1 = 0 xfd;break;case 5:cntEW = 5;cntSN = 5;cnt_num = 0;cntP3

48、_4 = 0;break;/秒數(shù)加1void addSecond(void)while(P3_5 = 0);cnt_key = 0;/記錄長按鍵的參數(shù)清零switch(cntP3_4)case 1:if(keyMemory != greenEW + 10)/判斷按鍵是否已經(jīng)加10,如果沒有加10則秒數(shù)加1,如果已經(jīng)加10則不加1 greenEW+;if(greenEW = 90) greenEW = 0;scdEW = greenEW;scdSN = greenEW + yellowEW + 1;break;case 2:if(yellowEW+ = 9)yellowEW = 0;scdEW

49、= yellowEW;break;case 3:if(keyMemory != greenSN + 10)greenSN+;if( greenSN = 90) greenSN = 0;scdEW = greenSN + yellowSN + 1;scdSN = greenSN;break;case 4:if(yellowSN+ = 9)yellowSN = 0;scdSN = yellowSN;break;/秒數(shù)減1void subSecond(void)while(P3_6 = 0);cnt_key = 0;/記錄長按鍵的參數(shù)清零switch(cntP3_4)case 1:if(keyMem

50、ory != greenEW - 10)/判斷按鍵是否已經(jīng)減10,如果沒有減10則秒數(shù)減1,如果已經(jīng)減10則不減1 greenEW-;if(greenEW = -1) greenEW = 89;scdEW = greenEW;scdSN = greenEW + yellowEW + 1;break;case 2:if(yellowEW- = 0)yellowEW = 9;scdEW = yellowEW;break;case 3:if(keyMemory != greenSN - 10)greenSN-;if(greenSN = -1) greenSN = 89;scdEW = greenSN

51、 + yellowSN + 1;scdSN = greenSN;break;case 4:if(yellowSN- = 0)yellowSN = 9;scdSN = yellowSN;break; /正常顯示秒數(shù)void display(void)cnt_num+;if(cnt_ctr = 10) cnt_ctr = 0; P3 = 0 xff; P3 = ctrv;P2 = numdisEWv; /顯示東西方向秒數(shù)P0 = numdisSNv; /顯示南北方向秒數(shù)if(v+ = 1) v = 0; /閃爍顯示秒數(shù)void dspFlash(void)cnt_flash+;if(cnt_fla

52、sh = 90)greenEW = 0;keyMemory = greenEW + 10;/keyMemory用來標(biāo)記秒數(shù)已經(jīng)加10scdEW = greenEW;scdSN = greenEW + yellowEW + 1;break;case 3:greenSN = greenSN + 10;if(greenSN =90)greenSN = 0;keyMemory = greenSN + 10;scdEW = greenSN + yellowSN + 1;scdSN = greenSN;break;/長按減10秒void sub_10s(void)cnt_key = 0;switch(cntP3_4)case 1:greenEW = greenEW - 10;/長按秒數(shù)減10if(green