秦風(fēng)元

（重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404155）

今天，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(jiàn)和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。 進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，從而帶動(dòng)了以出行、物流為主的交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，而對(duì)交通燈的控制是一種對(duì)大眾進(jìn)行管理的公共系統(tǒng)手段。安全并且高效的公共交通秩序，必須以一系列強(qiáng)制的交通規(guī)則作為基礎(chǔ)保障，同時(shí)利用新興的高科技方式進(jìn)行有效實(shí)施。在交通管理中引入單片機(jī)控制交通燈代替交管人員在交叉路口服務(wù)，有助于提高交通運(yùn)輸?shù)陌踩?、提高交通管理的服?wù)質(zhì)量。并在一定程度上盡可能降低由道路擁擠造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也減小了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

中國(guó)車輛數(shù)量不斷增加，交通控制在未來(lái)的交通管理中起著越來(lái)越重要的作用。智能交通燈的管理比重修一條馬路無(wú)論在經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)行速率上都有很好的效益、更加節(jié)約資源。交管人員有更多的精力投入到整個(gè)城市交通管理中，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為創(chuàng)造美好的城市交通形象發(fā)揮更多的作用。本設(shè)計(jì)應(yīng)用8051單片機(jī)為核心，利用數(shù)碼管及LED燈組成顯示電路，以鍵盤電路組成系統(tǒng)設(shè)置和特殊情況控制電路。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口，各干道有一組紅、黃、綠三個(gè)指示燈，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。設(shè)置紅燈25s、黃燈5s、綠燈20s、采用兩位數(shù)碼管來(lái)顯示時(shí)間，時(shí)間以倒計(jì)時(shí)方式來(lái)顯示；通過(guò)鍵盤來(lái)調(diào)整東西、南北路口各信號(hào)燈的時(shí)間和緊急情況的設(shè)置。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用8051單片機(jī)作為控制器，通行時(shí)間或者等待時(shí)間通過(guò)數(shù)碼管以倒計(jì)時(shí)方式顯示，同時(shí)單片機(jī)控制交通信號(hào)燈（紅燈、黃燈、綠燈）的正常替換工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中，單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，是控制中心，能運(yùn)行程序和處理數(shù)據(jù)，交通燈主要完成交通信號(hào)紅、黃、綠燈的顯示，數(shù)碼管完成時(shí)間的顯示。只有各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的分析，確定硬件組成，并在PROTUES中繪制系統(tǒng)原理圖。

圖1 系統(tǒng)硬件組成方框圖

（1）單片機(jī)。單個(gè)芯片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件：中央處理器CUP、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行接口等部件制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體上同步?，F(xiàn)在，雖然單片機(jī)的品種繁多、各具特色，但以80C51為核心的單片機(jī)仍占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有Philips公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國(guó)臺(tái)灣的Winbond系列單片機(jī)。

本設(shè)計(jì)采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)作為主控模塊，實(shí)現(xiàn)信息處理和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。

（2）最小系統(tǒng)電路。系統(tǒng)中，復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路和單片機(jī)組成單片機(jī)最小系統(tǒng)，是保證單片機(jī)正常運(yùn)行程序的最小硬件電路。只要正確完整設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)，單片機(jī)就能運(yùn)行程序，從而控制硬件電路，實(shí)現(xiàn)交通燈的功能。其中復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位，電路如圖2所示。

（3）數(shù)碼管顯示電路。數(shù)碼管顯示分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，本系統(tǒng)采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式。采用兩個(gè)兩位的共陽(yáng)數(shù)碼管，分別顯示東西和南北路口的信號(hào)燈持續(xù)時(shí)間，時(shí)間采用倒計(jì)時(shí)顯示，利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)1秒精確定時(shí)。數(shù)碼管段碼接單片機(jī)P0口，位碼接P2口。電路如圖2所示。

（4）信號(hào)燈電路。本設(shè)計(jì)應(yīng)用單片機(jī)的P2口來(lái)控制12個(gè)發(fā)光二極管來(lái)模擬十字路口信號(hào)燈的工作情況，其中，P1.0，P1.1，P1.2分別控制東西路口的紅燈、黃燈和綠燈，用P1.3，P1.4，P1.5分別來(lái)控制南北路口的綠燈、黃燈和紅燈。二極管才用共陽(yáng)連接方式，所以對(duì)應(yīng)端口輸出高電平信號(hào)燈點(diǎn)亮，輸出低電平信號(hào)燈熄滅。

（5）鍵盤控制電路。單片機(jī)鍵盤電路分獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤，本設(shè)計(jì)應(yīng)用獨(dú)立式鍵盤。在單片機(jī)的P3口接幾個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)東西和南北信號(hào)燈持續(xù)時(shí)間的調(diào)整。當(dāng)需要根據(jù)實(shí)時(shí)交通堵塞情況實(shí)行人為控制時(shí)或遇到緊急情況時(shí)，鍵盤電路起到控制的作用，并能使各路交通恢復(fù)到初始狀態(tài)。

根據(jù)上述對(duì)系統(tǒng)各部分電路的分析和設(shè)計(jì)，最后在protues中繪制完成整個(gè)系統(tǒng)的電路圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路原理圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，C語(yǔ)言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。C語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)、運(yùn)行速度快、編譯效率高、有很好的可移植性，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的直接控制。此外，C語(yǔ)言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法提供了很好的保障。因此，使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為軟件開(kāi)發(fā)的一個(gè)主流。

軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)硬件電路的控制，按要求完成本系統(tǒng)的全部功能。本系統(tǒng)軟件主要包括主函數(shù)、延時(shí)函數(shù)、數(shù)碼管顯示函數(shù)、按鍵識(shí)別函數(shù)和定時(shí)器中斷函數(shù)等。采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，每個(gè)函數(shù)完成特定功能。整個(gè)程序的運(yùn)行總是從主函數(shù)開(kāi)始，最后從主函數(shù)結(jié)束，所以主函數(shù)是整個(gè)程序的入口，也是整個(gè)程序的出口。其中，主函數(shù)主要完成了交通燈的初始化工作，使得東西和南北干道交通能正常轉(zhuǎn)換工作。在主函數(shù)中分別調(diào)用了兩個(gè)子函數(shù)，一個(gè)是數(shù)碼管動(dòng)動(dòng)態(tài)顯示函數(shù)，用來(lái)控制十字路口信號(hào)燈持續(xù)時(shí)間，另一個(gè)是鍵盤掃描函數(shù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤的識(shí)別和按鍵開(kāi)關(guān)功能。系統(tǒng)1秒時(shí)間由單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，一次定時(shí)50ms，連續(xù)定時(shí)20次就是1秒時(shí)間，定時(shí)/計(jì)數(shù)器采用中斷方式，定時(shí)方便而且精確。

根據(jù)系統(tǒng)功能分析，確定軟件設(shè)計(jì)算法，并畫(huà)出程序流程圖，然后在KEIL軟件中進(jìn)行程序的編寫(xiě)。

1.3 系統(tǒng)仿真并調(diào)試功能

打開(kāi)繪制完成的電路圖，將運(yùn)行并編譯成功的程序文件加載到單片機(jī)，在PROTUES中仿真運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

圖3 主函數(shù)流程圖

2 結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn)一個(gè)完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，只有軟件和硬件協(xié)調(diào)工作，才能完成系統(tǒng)功能。本次設(shè)計(jì)采用8051單片機(jī)為核心，結(jié)合特殊情況下的控制電路、時(shí)鐘電路、鍵盤、LED顯示，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種高效快速，綠色節(jié)能的新型交通燈控制系統(tǒng)。

［1］劉小平.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2016.

［2］黃美興.電子技術(shù)［M］.南京：南京大學(xué)出版社，2015.

［3］張毅坤.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

［4］譚浩強(qiáng).單片機(jī)課程設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.