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交通燈控制系統設計
摘要：本系統由單片機系統、鍵盤、LED 顯示、交通燈演示系統組成。系統包括人行道、左轉、右轉、以及基本的交通燈的功能。系統除基本交通燈功能外，還具有倒計時、時間設置、緊急情況處理、分時段調整信號燈的點亮時間以及根據具體情況手動控制等功能。
關鍵詞：AT89S51，交通規則
一、 方案比較、設計與論證
1 電源提供方案
為使模塊穩定工作，須有可靠電源。我們考慮了兩種電源方案 方案一：采用獨立的穩壓電源。此方案的優點是穩定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點是各模塊都采用獨立電源，會使系統復雜，且可能影響電路電平。
方案二：采用單片機控制模塊提供電源。改方案的優點是系統簡明扼要，節約成本；缺點是輸出功率不高。
綜上所述，我們選擇第二種方案。
2 顯示界面方案
該系統要求完成倒計時、狀態燈等功能。基于上述原因，我們考慮了三種方案：
方案一：完全采用數碼管顯示。這種方案只顯示有限的符號和數碼字苻，無法勝任題目要求。
方案二：完全采用點陣式LED 顯示。這種方案實現復雜，且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，圖形等。
方案三：采用數碼管與點陣LED 相結合的方法因為設計既要求倒計時數字輸出，又要求有狀態燈輸出等，為方便觀看并考慮到現實情況，用數碼管與LED燈分別顯示時間與提示信息。這種方案既滿足系統功能要求，又減少了系統實現的復雜度。權衡利弊，第三種方案可互補一二方案的優缺，我們決定采用方案三以實現系統的顯示功能。
3 輸入方案：
題目要求系統能手動設燈亮時間、緊急情況處理，我們討論了兩種方案：
方案一：采用8155擴展I/O 口及鍵盤，顯示等。該方案的優點是：
使用靈活可編程，并且有RAM,及計數器。若用該方案，可提供較多I/O 口,但操作起來稍顯復雜。
方案二： 直接在IO口線上接上按鍵開關。因為設計時精簡和優化了電路，所以剩余的口資源還比較多，我們使用四個按鍵，分別是K1、K2、K3、K4。
由于該系統對于交通燈及數碼管的控制，只用單片機本身的I/O 口就可實現，且本身的計數器及RAM已經夠用，故選擇方案二。
二、理論分析與計算
1．交通燈顯示時序的理論分析與計算
對于一個交通路口來說，能在最短的時間內達到最大的車流量，就算是達到了最佳的性能，我們稱在單位時間內多能達到的最大車流為車流量，用公式：車流量= 車流 / 時間 來表示。 先設定一些標號如圖2－1 所示。 說明：此圖為直方圖，上邊為北路口燈，右邊為東路口燈，下邊為南路口燈，左邊為西
路口燈。
圖2－2 所示為一種紅綠燈規則的狀態圖，分別設定為S1、S2、S3、S4，交通燈以這四
的狀態為一個周期，循環執行（見圖2－3）。 請注意圖2－1b和圖2－1d，它們在一個時間段中四個方向都可以通車，這種狀態能在
一定的時間內達到較大的車流量，效率特別高。
依據上述的車輛行駛的狀態圖，可以列出各個路口燈的邏輯表，由于相向的燈的狀態圖
是一樣的，所以只需寫出相鄰路口的燈的邏輯表；根據圖2－3 可以看出，相鄰路口的燈它
們的狀態在相位上相差180°。因此最終只需寫出一組S1、S2、S3、S4的邏輯狀態表。 如表2－1 所示。
表中的“×”代表是紅燈亮（也代表邏輯上的0），“√”是代表綠燈亮（也代表邏輯上
的1），依上表，就可以向相應的端口送邏輯值。 2．交通燈顯示時間的理論分析與計算
東西和南北方向的放行時間的長短是依據路口的各個方向平時的車流量來設定，并且
S1、S2、S3、S4各個狀態保持的時間之有嚴格的對應關系，其公式如下所示。
T-S1+T-S2=T-S3
T-S2=T-S4
T-S1=T-S3
我們可以依據上述的標準來改變車輛的放行時間。按照一般的規則，一個十字路口可分
為主干道和次干道，主干道的放行時間大于次干道的放行時間，我們設定值時也應以此為參
考。
三、電路圖及設計文件
1．燈控制電路設計
由于32個LED 來實現紅綠燈狀態，若直接接在單片機的口線，路口倒計時的顯示就不
能實現，所以本次設計中采用一種新型的電路如圖3－1 所示。
圖中74LS04的作用是倒相和驅動，它輸出的電流大約48mA，實際測試發現足以滿足要
求，而且發光管也能達到足夠的亮度。
觀察圖可以看出：兩組發光管（一組紅、一組綠）由于反相器的作用，其邏輯狀態恰恰
相反。
圖中和電阻串聯的二極管的作用是為了分壓，防止因上下兩組發光管分壓不同導致邏輯
的錯誤。
共四組和上述相同的電路分別代表東西南北四個方向的紅綠燈，使用兩片74LS04 作為
驅動。
2．倒計時顯示電路設計
前面已經分析過相向的燈的狀態和倒計時都是相同的，所以為了節省，采用兩組四個數碼管
作為倒計時的顯示；同時為了節省口資源，采用串口顯示的方式驅動數碼管。見圖3－2 所
示。 四、程序設計思路與流程圖
1．主程序流程圖
主程序中主要是一個死循環，不停的循環四個狀態，如圖4－1 所示。
2．按鍵子程序流程圖
它包含倒計時調整和緊急狀態兩個狀態。
主程序中放了一個按鍵的判斷指令，當有按鍵按下的時候，程序就自動的跳轉到按鍵子
程序處理。當檢測到K2鍵按下的時候就自動返回到主程序。
當出現緊急的情況的時候，按下K3或者K4 就切換到緊急狀態，當緊急事件處理完畢
的時候，按下K2，就可以返回正常狀態。 五、測試、數據及結果分析
1．狀態燈顯示測試
當電路連接完畢后，將寫好的測試程序刷寫到芯片內，K1 和K2分別給端口送高電平和
低電平，通電即可檢測。
2．數碼管的測試
將串口的和電路板上的接口連接，將寫好的測試程序刷寫到芯片內，開電源即可測試。
3．整體電路測試
系統上電，刷寫好程序即可開始測試，觀測一個周期（共計S1～S4四個狀態，默認140
秒）燈的顯示狀態是否正常，同時觀察倒計的計數是否正常。
六、總結
由于使用的是單片機作為核心的控制元件，使得電路的可靠性比較高，功能也比較強大，
而且可以隨時的更新系統，進行不同狀態的組合。
但是在我們設計和調試的過程中，也發現了一些問題，譬如紅燈和綠燈的切換還不夠迅
速，紅綠燈規則不效率還不是很高等等，這需要在實踐中進一步完善。
參考文獻
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[2] 李廣弟.單片機基礎.北京：北京航空航天大學出版社，1992
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[4] 張毅剛. 單片機原理及接口技術.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1990
[5] 譚浩強.單片機課程設計. 北京：清華大學出版社，1989
Abstract
This system is made up of single-chip microcomputer ,keyboard,lcd displaying module
and Traffic lights system.The system includes pavement,left truning,right truning,and the basic
traffic lights function.Excepting the basic traffic lights function,italso includes couting,time
installing,emergency disposaling,speech cluing,lcd information displaying,adjusting the lighting
time of lights based on different time and controlling with hand in accordance with circumstances
and so on. 附錄 系統總體電路圖 |
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