郝文延

(長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西長治 046000)

隨著各種車輛的增多，經(jīng)常遇到交通堵塞問題，作為交通控制主要工具的交通燈，扮演著重要的角色［1］，本文設(shè)計(jì)了一種交通燈控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)包括:主控制器AT89S52、鍵盤模塊、數(shù)碼管顯示模塊、LED燈模塊等，為使學(xué)習(xí)能綜合練習(xí)從輸入到輸出的完整過程。系統(tǒng)中可采用主控器的外部中斷功能、定時(shí)中斷功能、動(dòng)態(tài)掃描功能等，這些功能放入一個(gè)程序中，可使學(xué)習(xí)者能更深刻地理解它們的實(shí)際應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的

(1)通過學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)，掌握單片機(jī)并行口傳輸數(shù)據(jù)的方法，以控制數(shù)碼管和發(fā)光二極管的亮滅。(2)掌握用動(dòng)態(tài)掃描方法解決多位LED共用一個(gè)P口顯示的問題。(3)通過單片機(jī)程序的編寫，熟練掌握計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和中斷的使用方法。(4)通過系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，掌握驅(qū)動(dòng)芯片的使用及數(shù)碼管的連接，將所學(xué)的電路理論聯(lián)系到實(shí)踐中去。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 模擬交通燈控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、功能鍵模塊、特殊事件處理模塊、接口電路、驅(qū)動(dòng)電路及LED顯示模塊組成。其中，單片機(jī)為系統(tǒng)的主控部件，用以控制其他模塊協(xié)調(diào)工作，文中選擇AT89S52為主控芯片［2］。LED顯示模塊用以顯示各車道的通行情況及時(shí)間(紅燈表示該車道禁止通行;綠燈表示該車道允許通行，黃燈為中間過渡時(shí)間);驅(qū)動(dòng)電路用以驅(qū)動(dòng)LED和數(shù)碼管工作;特殊事件處理模塊以外部中斷方式進(jìn)入;接口電路則起到各模塊間的連接作用，以使整個(gè)系統(tǒng)正常工作。模擬交通燈控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

2.2 各模塊的硬件結(jié)構(gòu)

(1)LED板模塊。由于交通實(shí)際情況是右轉(zhuǎn)不受紅綠燈限制，車輛直行與人行道的直行一致，因此該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)每塊LED板包含一個(gè)兩位數(shù)碼管U1、6個(gè)LED燈D1～D6，其中，6個(gè) LED燈排成兩行，每行有紅(R)、黃(Y)、綠(G)3個(gè)燈，上面一行指示車輛和人行的直行(S)通行，下面一行指示車輛的左轉(zhuǎn)(L)通行。6個(gè)LED的陰極連接到一個(gè)公共段G1上，當(dāng)G1為低電平，a為高電平時(shí)就可以點(diǎn)亮D1;同樣，若要點(diǎn)亮D6，只要使G1為低電平，f為高電平即可。

圖1 交通燈控制系統(tǒng)的硬件框圖

(2)驅(qū)動(dòng)電路。ULN2003是常見的驅(qū)動(dòng)芯片，一片可提供8路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩片ULN2003共16路，用于驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管及4組2×3LED燈的陰極［3］，其中U2為LED燈的陰極驅(qū)動(dòng)芯片，U3為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片;8個(gè)三極管Q1～Q8組成的共集電極電路用于驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管的段及LED燈的陽極。

(3)單片機(jī)接口電路。系統(tǒng)中的單片機(jī)選擇AT89S52芯片，對交通燈的控制主要用其中的定時(shí)器完成，一方面要完成對各模塊的控制，另一方面是協(xié)調(diào)好各模塊的時(shí)序及口線沖突問題。如圖1所示，P1為數(shù)碼管段碼和LED燈陽極的控制口，P0和P2分別為數(shù)碼管和LED燈的位選信號(hào)控制口。

(4)按鍵模塊。圖1中，在P3口的P3.2～P3.6引腳各裝有一個(gè)按鍵K1～K5，其中，K1用于外部中斷0發(fā)出一單脈沖向CPU申請中斷，K2用于外部中斷1發(fā)出一單脈沖向CPU申請中斷進(jìn)行模式選擇，K3～K5是設(shè)置倒計(jì)時(shí)時(shí)間的功能鍵，K3用于數(shù)碼管的換位，K4用于進(jìn)行加1操作，K5用于確認(rèn)操作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作模式說明

系統(tǒng)分3種工作模式:正常模式、特殊事件模式和時(shí)間設(shè)置模式［4］，并且通過圖1中K1、K2按鈕可實(shí)現(xiàn)模式選擇。交通燈的主要狀態(tài)示意圖，如圖2所示，南北方向交通燈亮滅順序及時(shí)間長短如圖3所示。

圖2 交通燈主要狀態(tài)示意圖

圖3 南北方向交通燈亮滅順序及時(shí)間長短

(1)正常模式。

狀態(tài)1 如圖2程序開始運(yùn)行先南北段通行60 s，其中車輛和人行道的直行通行40 s，數(shù)碼管顯示時(shí)間40 s，此時(shí)南北段直行通行綠燈亮(SG)、左轉(zhuǎn)紅燈亮(LR)，東西段直行左轉(zhuǎn)紅燈都亮60 s，同時(shí)南北段和東西段方向的數(shù)碼管分別從40 s和60 s開始倒計(jì)時(shí)。

狀態(tài)2 南北段直行倒計(jì)時(shí)至最后5 s時(shí)，直行綠燈同時(shí)黃燈閃爍(SG SY);左轉(zhuǎn)紅燈同時(shí)黃燈閃爍(LR LY)，如圖3所示。

狀態(tài)3 如圖2所示，南北段直行倒計(jì)時(shí)為0時(shí)，數(shù)碼管顯示時(shí)間從20 s開始倒計(jì)時(shí)，直行通行紅燈亮(SR)、左轉(zhuǎn)綠燈亮(LG)，表示禁止車輛和人的直行，允許左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)通行20 s，東西段紅燈繼續(xù)倒計(jì)時(shí)。

狀態(tài)4 南北段左轉(zhuǎn)倒計(jì)時(shí)至最后5 s時(shí)，直行紅燈繼續(xù)亮(SR)，左轉(zhuǎn)綠燈同時(shí)黃燈閃爍(LG LY)，如圖3所示。

狀態(tài)5 南北段左轉(zhuǎn)倒計(jì)時(shí)為0時(shí)，數(shù)碼管顯示時(shí)間從60 s開始倒計(jì)時(shí)，直行紅燈亮(SR)、左轉(zhuǎn)紅燈亮(LR)，表示禁止南北段的直行和左轉(zhuǎn)。東西段狀態(tài)與南北段交替，開始允許直行通行40 s后左轉(zhuǎn)通行20 s，再循環(huán)至狀態(tài)1。

(2)特殊事件模式。特殊事件指臨時(shí)需緊急通行的事件，比如急救車、消防車、警車等。此時(shí)，應(yīng)使東西南北4個(gè)方向全亮紅燈，并延時(shí)10 s，以便特殊事件得到解決。

(3)時(shí)間設(shè)置模式。如果某路段的時(shí)間初始值與該路段的車輛通行狀況不符，可按下中斷鍵進(jìn)入時(shí)間設(shè)置模式，對該路段各個(gè)路口的直行、左轉(zhuǎn)時(shí)間長度進(jìn)行設(shè)置。

3.2 程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)主要用C語言編程，總程序分為3部分:主程序;顯示控制、狀態(tài)處理等子程序;定時(shí)、特殊事件和時(shí)間設(shè)置等中斷處理程序［5］。

(1)主程序流程。系統(tǒng)以正常狀態(tài)下交通信號(hào)燈各狀態(tài)的循環(huán)顯示為主程序，如圖4所示。在主程序中，調(diào)用數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)子程序和中斷延時(shí)以實(shí)現(xiàn)各種交通狀態(tài)。

圖4 主程序流程圖

(2)顯示控制。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)方式顯示交通指示燈的計(jì)時(shí)時(shí)間，查詢判斷是否計(jì)滿50 ms，記滿后需重置計(jì)數(shù)初值，循環(huán)顯示20次直至完成定時(shí)1 s，倒計(jì)時(shí)時(shí)間減1。流程如圖5所示。

圖5 顯示控制流程圖

(3)特殊事件通行控制。發(fā)生特殊事件時(shí)通行受特殊事件強(qiáng)行通過按鍵控制，將此按鍵按下，無論原來信號(hào)燈的狀態(tài)如何，一律強(qiáng)制4個(gè)路口紅燈點(diǎn)亮，禁止其他車輛通行［6］，使特種車放行10 s，其流程如圖6所示。

圖6 緊急事件處理流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)者首先需要在KeilC51環(huán)境下對編寫的程序進(jìn)行編譯調(diào)試，然后要用Proteus軟件對模擬交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析［7］，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行所需的功能，最后可在Protel中畫出PCB圖，動(dòng)手制作PCB板并組裝完成。

為檢驗(yàn)學(xué)習(xí)者做該交通燈綜合實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果，實(shí)驗(yàn)前后對63名學(xué)習(xí)者關(guān)于AT89S52單片機(jī)部分軟硬件設(shè)計(jì)知識(shí)的掌握情況，進(jìn)行了填表調(diào)查，結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)前后學(xué)習(xí)者對AT89S52單片機(jī)軟硬件知識(shí)掌握情況統(tǒng)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，學(xué)習(xí)者通過做該模擬交通燈綜合實(shí)驗(yàn)，可以更靈活、有效、全面地掌握單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

該模擬交通燈控制系統(tǒng)硬件部分具有電路簡單、成本低、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，通過軟件部分，控制4塊LED板上的數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)及紅、黃、綠二極管的點(diǎn)亮與熄滅，實(shí)現(xiàn)基本的交通燈功能，時(shí)間設(shè)置功能和特殊事件處理等功能。

［1］吳慎將，李黨娟.智能交通燈控制器的設(shè)計(jì)［J］.研究與開發(fā)，2010，29(11):51-53.

［2］李廣弟，朱秀月，冷祖祈.單片機(jī)基礎(chǔ)［M］.3版.北京:航空航天大學(xué)出版社，2010.

［3］郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［4］郭強(qiáng)，劉志峰，張愛平，等.基于STC89C52單片機(jī)的智能交通燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電一體化，2008，14(11):85-88.

［5］譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)［M］.3版.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［6］王冬梅，張建秋，路敬裿.基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，27(1):42-44.

［7］何翼.智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(5):763-766.