四方位交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計(jì)課題四方位交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專業(yè)電子工程信息技術(shù)班級(jí)院（系）機(jī)械與電子信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師職稱二○一五年五月十三日畢業(yè)設(shè)計(jì)真實(shí)性承諾及指導(dǎo)教師聲明學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)真實(shí)性承諾本人鄭重聲明：所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，內(nèi)容真實(shí)可靠，不存在抄襲、造假等學(xué)術(shù)不端行為。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)不含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。如被發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在抄襲、造假等學(xué)術(shù)不端行為，本人愿承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任和一切后果。學(xué)生（簽名）： 日期：緒論1.交通紅綠燈的發(fā)展歷史交通指揮信號(hào)已有100多年的歷史了。它經(jīng)歷了從人工到自動(dòng)，從點(diǎn)到線，從線到面的控制過程。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，道路交通堵塞問題日趨嚴(yán)重，如何對(duì)交通進(jìn)行合理的管理和調(diào)度而盡可能減少堵車現(xiàn)象成為目前我國很多地方尤其是特大城市急需解決的問題，顯然交通燈在其中起著不可或缺的作用。本文就控制交通燈的方法進(jìn)行了討論，分析了各種方案的性價(jià)比，并用軟、硬件加以實(shí)現(xiàn)。而后，對(duì)六車道以上道路的“十字交叉路口交通燈控制”進(jìn)行了分析。最后，還對(duì)城市交通燈網(wǎng)的控制進(jìn)行了展望。希望能給有關(guān)政府部門一些參考，更好地改善我們的城市交通?，F(xiàn)今的交通發(fā)展迅速，車輛極具增加，馬路不斷擴(kuò)寬，人行橫道相對(duì)較少。在車流量較大的地段即便有人行橫道，行人也很難通過馬路。行人自控指示燈系統(tǒng)可以有效的改善這種狀況。特別是像北京這樣的大都市，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，車輛繁多，人口密集。緩解交通已成為當(dāng)務(wù)之急.例如在我們新校區(qū)西門口(塔南路)就是這種情況,每天進(jìn)出校門的學(xué)生特別多,大多還需要穿過這條繁忙的高速公路,這為學(xué)校師生帶來大大的不便.該系統(tǒng)主要應(yīng)用于交通領(lǐng)域，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)利用紅燈,黃燈,綠燈來指揮車輛和行人，以達(dá)到車輛停止，行人通行的目的,減少了交通擁擠現(xiàn)象,為行人節(jié)省了時(shí)間,即保證行人過馬路時(shí)的安全，也減輕了交管部門的負(fù)擔(dān)。本產(chǎn)品面對(duì)公共交通設(shè)施，并不注重經(jīng)濟(jì)收益，而是注重以后潛在的發(fā)展，從而帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)。用戶可以完全掌握行人自控指示燈系統(tǒng)的操作方法，以及各個(gè)按鍵的作用科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)直接把我們帶進(jìn)了信息化的社會(huì)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已普及到經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。2.道路交通控制的必要性經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化速度的加快，機(jī)動(dòng)車輛占有量急劇增加，由此引發(fā)出日益嚴(yán)重的交通問題：交通擁擠甚至堵塞，交通事故頻繁，空氣和噪聲污染嚴(yán)重，公共運(yùn)輸系統(tǒng)效率下降等。解決這一問題通常有兩種辦法，一種是修路造橋，這對(duì)道路交通狀況的改善是一種最直接的辦法，但它需要巨額的投資，且在城市中心區(qū)受拆遷的限制，很難實(shí)施．另一種是在現(xiàn)有的道路交通條件下，實(shí)施交通控制和管理，充分發(fā)揮現(xiàn)有道路的通行能力，大量事實(shí)已經(jīng)證明這種方法的有效性?，F(xiàn)代道路交通的復(fù)雜多樣，常常是幾個(gè)或幾十個(gè)甚至是成百上千個(gè)路口互相關(guān)聯(lián)，在這種情況下，使任何一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的交通警察都無能為力．因此，人們?cè)絹碓疥P(guān)注把先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)用于交通管理，從而促進(jìn)了交通自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展。道路交通控制的目的可定義為：在確定的行政規(guī)定約束下，采用合適的營運(yùn)方法來確保公共和私人運(yùn)輸方式具有最佳的交通運(yùn)行狀態(tài)。圍繞這一目的研制出的道路交通控制系統(tǒng)，把受控對(duì)象看成一個(gè)整體，采用對(duì)交通流科學(xué)地時(shí)間分割的方法，最大限度地保證交通流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，使受控區(qū)域的交通流減少?zèng)_突，同時(shí)平穩(wěn)地、有規(guī)則地運(yùn)動(dòng)。道路交通控制的作用主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：（1）改善交通秩序，增加交通安全。（2）減少交通延誤，提高經(jīng)濟(jì)效益。（3）降低污染程度，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。（4）節(jié)省能源和土地消耗。第一章交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)要求及實(shí)現(xiàn)方案1.1交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)要求1）在十字路口東西南北各設(shè)置紅、黃、綠三種信號(hào)燈，正常情況下，東西、南北方向輪流放行。當(dāng)東西方向(A線)放行、南北方向(B線)禁行時(shí)，東西方向(A線)綠燈亮25秒，然后黃燈亮5秒，南北方向(B線)紅燈亮30秒；當(dāng)南北方向(B線)放行、東西方向(A線)禁行時(shí)，南北方向(B線)綠燈亮25秒，然后黃燈亮5秒，東西方向(A線)紅燈亮30秒。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)交通燈定時(shí)控制。2）有急救車優(yōu)先通過功能。當(dāng)有急救車到達(dá)時(shí)，路口的信號(hào)燈全部變紅燈，以便急救車通過，急救車的通行時(shí)間為10秒，急救車過后，交通燈恢復(fù)先前狀態(tài)。3）交通燈在紅、綠燈交替點(diǎn)亮中，用兩個(gè)數(shù)碼管顯示點(diǎn)亮的燈還能持續(xù)的時(shí)間。北北西東南圖1-1交通效果圖如1-1圖是十字路口交通控制器的效果圖，在A、B兩道路相交叉的路口，可以分成東西南北四個(gè)方向，其中東西、南北方向的紅綠燈顯示是完全一樣，只是為了便于在不同方位不同距離清楚的看到路況，在實(shí)際交通路口安裝了兩組一樣的交通信號(hào)燈。1.2交通信號(hào)燈的實(shí)現(xiàn)方案隨著自動(dòng)化控制技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC作為前沿的工業(yè)控制器，具有體積小、可靠性高、易操作、靈活性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。用內(nèi)部編程取代繼電器邏輯控制電路中大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，簡化了控制路線，提高了系統(tǒng)控制的可靠性，這是PLC最大的優(yōu)點(diǎn)。借助于書序控制圖和梯形圖來編制用戶控制程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)順序控制，是PLC的主要功能之一?？刂菩盘?hào)系統(tǒng)在車水馬龍的都市，當(dāng)交通干道不便于挖掘地下通道或架設(shè)天橋的時(shí)候，為了穿越馬路行人的安全，需要在指定的人行橫道兩端設(shè)置人行道口的的紅綠燈。交通燈控制工藝：南北、東西向的十字路口，均設(shè)有紅、黃、綠三只信號(hào)燈。六只燈依一定的時(shí)序循環(huán)往復(fù)工作，圖1-2為交通信號(hào)燈時(shí)序圖圖1-2交通燈時(shí)序工作波形圖控制交通信號(hào)燈的PLC可選用FX2N-32MR，從時(shí)序圖可以看出，該系統(tǒng)有一個(gè)輸入裝置和6個(gè)輸出裝置。表1為輸入裝置與輸出裝置與PLC的地址編號(hào)對(duì)應(yīng)表。表1PLC的I/O分配交通信號(hào)燈的控制是一個(gè)典型的時(shí)序控制圖，其梯形圖設(shè)計(jì)關(guān)鍵是各燈(Y0~Y5)狀態(tài)變化的“時(shí)間點(diǎn)”表示出來、時(shí)間的精確計(jì)算用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，本例將用T0~T9共10個(gè)定時(shí)器;燈的閃爍次數(shù)要用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，本例將用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，表是各定時(shí)器和計(jì)數(shù)器形成時(shí)間點(diǎn)的使用說明。b.順序控制的概率及方法PLC是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電邏輯自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時(shí)、記憶和算術(shù)運(yùn)算等功能。PLC結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、操作方便、抗干擾能力強(qiáng)、編程靈活簡單、工作安全可靠、能耗低等優(yōu)點(diǎn)使其很快在工業(yè)自動(dòng)化控制中占據(jù)主導(dǎo)地位，PLC外部接線簡單方便，通過預(yù)先編制的程序來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。c.系統(tǒng)梯形圖設(shè)計(jì)順序控制是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，在生產(chǎn)過程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)有秩序地進(jìn)行操作。PLC的設(shè)計(jì)者們繼承了繼電器順序控制的思想，為順序控制程序的設(shè)計(jì)提供了大量通用的和專用的編程元件和指令，開發(fā)了供設(shè)計(jì)順序控制程序用的順序功能圖語言，使之成為當(dāng)前PLC程序設(shè)計(jì)的主要方法。順序控制設(shè)計(jì)法又稱步進(jìn)控制設(shè)計(jì)法，它是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，很容易被初學(xué)者接受，有經(jīng)驗(yàn)的工程師也會(huì)提高設(shè)計(jì)的效率，程序的調(diào)試、修改和閱讀也很方便。圖1-3和圖1-4為交通信號(hào)燈的順序功能圖和步進(jìn)梯形圖設(shè)計(jì)。圖1-3交通信號(hào)燈的順序功能圖的設(shè)計(jì)圖1-4交通信號(hào)燈的步進(jìn)梯形圖設(shè)計(jì)這兩個(gè)圖有以下特點(diǎn)：1)將復(fù)雜的任務(wù)或過程分解成若干個(gè)工序(狀態(tài))。無論多么復(fù)雜的過程均能分化為小的工序，這非常有利于程序的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。相對(duì)于某一具體的工序來說，控制任務(wù)實(shí)現(xiàn)了簡化，給局部程序的編程帶來了方便。3)整體程序是局部程序的綜合，只要弄清各工序成立的條件、工序轉(zhuǎn)移的條件和轉(zhuǎn)移的方向，就可進(jìn)行這類圖形的設(shè)計(jì)。4)狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程圖可讀性強(qiáng)、容易理解，能清晰地反映工藝控制全過程。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是狀態(tài)編程法的重要工具。狀態(tài)編程的一般思想為：將一個(gè)復(fù)雜的控制過程分解為若干個(gè)工作狀態(tài)，弄清各狀態(tài)的工作內(nèi)容(狀態(tài)的功能、轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移方向)，根據(jù)總的控制順序要求，將各獨(dú)立狀態(tài)聯(lián)系起來，形成狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，進(jìn)行繪制梯形圖程序，寫出語句表。1.3系統(tǒng)工作原理1）編程設(shè)置好交通燈初始時(shí)間，通過編程器寫入89C51單片機(jī)系統(tǒng)。2）由89C51單片機(jī)的定時(shí)器每秒鐘通過P0輸送交通信息，顯示紅，綠，黃燈的燃亮情況；由P0，P2口顯示每個(gè)燈的燃亮?xí)r間。3）通過89C51單片機(jī)的RESET位來控制系統(tǒng)是工作或設(shè)置初值，為0就對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，為1系統(tǒng)就開始工作；4）由CD4511譯碼器來把89C51輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成BCD碼，然后通過數(shù)碼管來顯示時(shí)間。5)當(dāng)有緊急救護(hù)車出現(xiàn)時(shí),應(yīng)使東西南北四個(gè)方向全亮紅燈,并延時(shí)10秒鐘,以便急救車通過.技術(shù)上可用外部中斷0發(fā)出一單脈沖向CPU申請(qǐng)中斷。1.4系統(tǒng)控制信號(hào)分析在這個(gè)交通控制器的設(shè)計(jì)中，最為主要的是AT89C51芯片，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在電路中總共用到了P0，P1，P2三個(gè)端口，P0口的八個(gè)I/O口連接到了74LS240這個(gè)芯片。74LS240的主要功能是反向驅(qū)動(dòng)，從89C51傳送過來的輸入信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后，輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力加大了。經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后，數(shù)碼管LED得以顯示。從P1端口輸出的6個(gè)I/O口連接到74LS244的6個(gè)輸入端，因?yàn)樵谑致房谟袃山M是相同的，所以只用到了6個(gè)LED。經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后，由程序直接控制LED紅綠燈顯示信息。在數(shù)碼管時(shí)間顯示與信號(hào)輸入之間存在一個(gè)譯碼的問題，在這是用了一個(gè)CD4511芯片來譯碼。P2端口的四個(gè)I/O口連接到CD4511的A，B，C，D口，通過CD4511譯碼器譯碼，傳輸給LED七段數(shù)碼管，來顯示時(shí)間。根據(jù)交通燈的設(shè)計(jì)，數(shù)字從大到小顯示一直到零，當(dāng)A道亮綠燈從三十到零時(shí)，B道紅燈從二十五減到零，然后亮黃燈，從五減到零。反之亦然。另外在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，還有三個(gè)電路，分別是復(fù)位電路，晶振電路，電源電路，在三個(gè)電路在一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都是要使用到的，他們?cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)當(dāng)中的作用在下面的單元電路中都會(huì)做詳細(xì)的介紹。這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，相對(duì)是比較簡單的，并沒有用到很復(fù)雜的芯片，所以這個(gè)系統(tǒng)具備了一些基本的功能，可能在特別情況下會(huì)不適用。第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1硬件電路設(shè)計(jì)編程設(shè)置編程設(shè)置時(shí)間參數(shù)電源89C51系統(tǒng)設(shè)置驅(qū)動(dòng)電路時(shí)間顯示交通燈驅(qū)動(dòng)電路圖2-1硬件系統(tǒng)總框圖 在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，我們根據(jù)硬件系統(tǒng)的總框圖，知道要用到哪幾個(gè)芯片，89C51芯片是總的系統(tǒng)的核心，它既驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，又驅(qū)動(dòng)交通燈。時(shí)間顯示功能我們是用七段數(shù)碼管，因?yàn)槭怯迷谑致房?，需要有兩個(gè)時(shí)間顯示，所以用到了四個(gè)七段數(shù)碼管，數(shù)碼管的譯碼功能是用了CD4511芯片。為了不使用外部電源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)橋式整流電源。在紅綠燈顯示上了，我們只用了六個(gè)LED，因?yàn)樵贏道上的兩組紅綠燈是完全一致的，在B道上也是一樣的，所以我們只用了六個(gè)LED完全可一代表整個(gè)交通控制情況了。當(dāng)我們已經(jīng)完全知道我們的硬件需要時(shí)，在畫原理圖的時(shí)候要合理的布置各個(gè)芯片，各條線，盡量不要使電線交叉在一起，還要讓我們的原理圖看上去美觀。2.2元件介紹2.2.1AT89C51芯片介紹圖2-2AT89C51芯片引腳管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管腳備選功能

P3.0RXD（串行輸入口）

P3.1TXD（串行輸出口）

P3.2/INT0（外部中斷0）

P3.3/INT1（外部中斷1）

P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）

P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）

P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）

P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。功能描述：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器,片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程度存儲(chǔ)器,能重復(fù)寫入擦除解1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS-51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容,不僅可完全代替MCS251系列單片機(jī),而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng),縮小系統(tǒng)體積,增加系統(tǒng)的可靠性,降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4K，四個(gè)I/O口全部提供給用戶?？捎?V電壓編程,而且擦寫時(shí)間僅需10毫秒,僅為8751/87C51的擦除時(shí)間的百分之一,與8751/87C51的12V電壓擦寫相比,不易損壞器件,沒有兩種電源的要求,改寫時(shí)不拔下芯片,適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬2.7V～6V,全靜態(tài)工作,工作頻率寬,在0Hz～24MHz內(nèi),比8751/87C51等系列的6MHz～12MHz更具有靈活性,系統(tǒng)能快能慢。AT89C51芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密,提供了方便靈活而可靠的硬加密手段,能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外AT89C51還具有MCS51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)。128×8位內(nèi)部RAM,32位雙向輸入輸出線,兩個(gè)十六位定時(shí)計(jì)時(shí)器,5個(gè)中斷源,兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí),一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。2.2.274LS244芯片介紹74LS244是一種三態(tài)輸出的八緩沖器和線驅(qū)動(dòng)器，該芯片的邏輯電路圖和引腳圖如圖2-3所示。圖2-374LS244芯片引腳從圖2-3可見，該緩沖器有8個(gè)輸入端，分為兩路——1A1～1A4，2A1～2A4，同時(shí)8個(gè)輸出端，也分為兩路——1Y1～1Y4，2Y1～2Y4，分別由2個(gè)門控信號(hào)1G和2G控制，當(dāng)記為低電平時(shí)，1Y1～1Y4的電平與1A1～1A4的電平相同，即輸出反映輸入電平的高低；同樣，當(dāng)2G為低電平時(shí)，1Y1～1Y4的電平與2A1～2A4的電平相同。而當(dāng)1G（或2G）為高電平時(shí)，輸出1A1～1A4（或2A1～2A4）為高阻態(tài)。經(jīng)74LS244緩沖后，輸入信號(hào)被驅(qū)動(dòng)，輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力加大了。74LS244緩沖器主要用于三態(tài)輸出的存儲(chǔ)地址驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和總線定向接收器和定向發(fā)送器等。2.2.374LS240芯片介紹圖2-474LS240引腳74LS240芯片結(jié)構(gòu)與功能和74LS244的相類似，而有所區(qū)別的是74LS244是八同向三態(tài)緩沖器/線驅(qū)動(dòng)器，74LS240是八反向三態(tài)緩沖器/線驅(qū)動(dòng)器，如圖2-4。內(nèi)部引腳是相同的。74LS240芯片的特點(diǎn)是三態(tài)門，可以把多個(gè)芯片的輸出，并聯(lián)在一起而不會(huì)互相影響；2.2.4CD4511芯片介紹CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰LED顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器，其引腳路如圖2-5，邏輯功能見表1，8421BCD碼對(duì)應(yīng)的顯示見圖2-6。

其功能介紹如下：BI：當(dāng)BI=0時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅狀態(tài)，不顯示數(shù)字。

LT：當(dāng)BI=1，LT=0時(shí)，不管輸入DCBA狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。LE：使能控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。DCBA：為8421BCD碼輸入端。abcdefg：為譯碼輸出，輸出為高電平。圖2-5CD4511芯片引腳輸入輸出LEBILTDCBAabcdefg顯示××00000000000000001×0111111111111111110111111111111111111××××××××0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111××××111111100000001111110011000011011011111001011001110110110011111111000011111111111011000000000000000000000000000000000000000000。80123456789。表2邏輯功能表圖2-6BCD碼顯示圖這里使用的是共陰數(shù)碼管，對(duì)于CD4511，它與數(shù)碼管的基本連接方式如圖2-7所示。圖2-7數(shù)碼管連接方式圖2-7是CD4511譯碼器與數(shù)碼管的連接方式，從89C51芯片端輸出四個(gè)信號(hào)給CD4511的A，B，C，D端口，經(jīng)過譯碼后a,b,c,d,e,f，g七個(gè)端口，經(jīng)過CD4511譯碼器的譯碼，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變成高低電平傳送給數(shù)碼管。2.3單元電路設(shè)計(jì)2.3.1復(fù)位電路圖2-8復(fù)位電路圖圖2-8的復(fù)位電路是比較簡單的基本復(fù)位電路，復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個(gè)引腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0－P3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片為ROM的00H處開始運(yùn)行程序。復(fù)位操作不會(huì)對(duì)內(nèi)部RAM有所影響。2.3.2晶振電路圖2-9晶振電路圖微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；RC（電阻、電容）振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置，適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立RC振蕩器?；诰д衽c陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認(rèn)真對(duì)待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對(duì)放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移（甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾（EMI）、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運(yùn)行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木?。選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為2.2mA。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA~60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。在電路中起振蕩作用.使電路中的電流形成高低電平來回振蕩,并以晶振的頻率振動(dòng).XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時(shí)鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內(nèi)選擇。電容取30PF左右。2.3.3LED紅綠燈顯示電路圖2-10紅綠燈顯示電路圖在十字路口A、B兩道交通燈中，由于在同一道中的紅綠燈顯示是完全一致的，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)只采用了一組紅綠燈來代表，可以用六個(gè)LED發(fā)光二極管來替代。圖中的DS1~DS6就是六個(gè)LED，DS1~DS3為一組，DS4~DS6為另外一組。它是由89C51的六個(gè)輸出端口來控制的，由程序來直接控制紅綠燈的點(diǎn)亮情況。1Y1，1Y2，1Y3，2Y1，2Y2，2Y3分別與89C51芯片的P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4,P1.5連接。當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)，高電平有效，DS1，DS2，DS3分別代表綠，紅，黃；而DS4，DS5，DS6也分別代表綠，紅，黃。當(dāng)DS1亮?xí)r，DS5也亮，但由于亮的時(shí)間不同，當(dāng)DS1亮了25秒以后，DS6亮；當(dāng)DS4亮的時(shí)候，DS2先亮，亮了二十五秒以后，DS3亮。但當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，又按鍵來使得DS2和DS5都兩紅燈。如圖2-10所示。2.3.4七段數(shù)碼管時(shí)間顯示電路圖2-11數(shù)碼管顯示電路圖數(shù)碼管顯示電路總共運(yùn)用了四個(gè)七段數(shù)碼管，兩個(gè)為一組。一組數(shù)碼管可以顯示0`99之間的數(shù)字，AT89C51的P2口輸出四個(gè)信號(hào)給CD4511，CD4511的四個(gè)端口，分別是A，B，C，D。A，B，C，D四個(gè)端口是BCD碼輸入端，經(jīng)過CD4511譯碼輸出，輸出高電平。數(shù)碼管的四個(gè)引腳DIG1~~DIG4分別是從74LS240輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)，這樣才會(huì)是數(shù)碼管能夠顯示時(shí)間，而另外一方面由于CD4511芯片的作用，89C51芯片的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成高低電平，這樣才會(huì)按照時(shí)間從高到底的顯示。其中的上拉電阻是起限流保護(hù)作用的。2.3.5電源電路圖2-12電源電路圖在該系統(tǒng)中,無論是AT89C51單片機(jī)工作電源,二極管還是數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng),都要用到+5V的直流電源，所以，一個(gè)穩(wěn)定的,持續(xù)的+5V直流電源對(duì)本系統(tǒng)十分重要.本系統(tǒng)運(yùn)用橋式整流電路,將交流轉(zhuǎn)換為直流,為各部分電路提供恒定的+5V直流.模擬部分和數(shù)字部分分別采用一個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓管供電,保證電路的穩(wěn)定性和抗干擾性,其電路如圖2-12所示。2.3.5.1電源電路工作原理參照?qǐng)D2-13，我們可知從接口J1輸入9V左右的交流電壓,波形如下圖a所示,經(jīng)全波整流電橋DB整流后，得到一幅值為0-8V左右的波動(dòng)直流如下圖b所示.這一波動(dòng)的直流經(jīng)C1,C2,C3濾波后,得到一較平穩(wěn)的直流,再經(jīng)LM7805穩(wěn)壓為+5V,C4再次濾波后，得到穩(wěn)定的+5V直流電流,如下圖c所示.圖a圖圖a圖b圖c圖2-13電源電路波形圖2.4整機(jī)電路原理圖分析圖2-14整機(jī)電路原理圖整機(jī)電路的工作原理是通過AT89C51芯片，P0口的八個(gè)I/O口連接74LS240芯片的1A1,1A2,1A3,1A4,2A1,2A2,2A3,2A4八個(gè)輸入口，74LS240的在整個(gè)電路中的作用是驅(qū)動(dòng)時(shí)間顯示數(shù)碼管，它的四個(gè)輸出口連接數(shù)碼管的四個(gè)DP口，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管能夠顯示時(shí)間數(shù)字。另外CD4511譯碼器的作用是譯碼從89C51輸入的信號(hào)，89C51的P2端口的四個(gè)I/O：P2.0,P2.1,P2.2,P2.3，連接到CD4511A，B，C，D四個(gè)口，CD4511的a,b,c,d,e,f,g的七個(gè)引腳分別與四個(gè)數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g連接，其中的電阻是起保護(hù)數(shù)碼管的作用的。在這個(gè)的整機(jī)電路中，還設(shè)計(jì)有復(fù)位電路，電源電路，晶振電路，設(shè)計(jì)這些電路都是為了能使整個(gè)系統(tǒng)能夠很好的運(yùn)轉(zhuǎn)，或是當(dāng)出現(xiàn)異常的情況時(shí)，能夠馬上使系統(tǒng)恢復(fù)原來的狀態(tài)，都是不可缺少的組成部分。2.5軟件設(shè)計(jì)2.5.1軟件控制流程圖軟件部分包括主程序、延時(shí)、顯示子程序、中斷服務(wù)程序，各程序流程圖如各圖所示。開始初始化顯示初始值設(shè)置A道放行，B道禁行延時(shí)顯示延時(shí)5sA道禁行，B道放置顯示初始值延時(shí)顯示A道禁行，B道警告延時(shí)顯示A道警告，B道禁行開始初始化顯示初始值設(shè)置A道放行，B道禁行延時(shí)顯示延時(shí)5sA道禁行，B道放置顯示初始值延時(shí)顯示A道禁行，B道警告延時(shí)顯示A道警告，B道禁行圖2-15主程序流程圖返回顯示次數(shù)=0？延時(shí)1ms顯示個(gè)位數(shù)延時(shí)1ms顯示十位數(shù)設(shè)置顯示次數(shù)R2十位數(shù)R1個(gè)位數(shù)秒十位數(shù)轉(zhuǎn)字形碼秒個(gè)位數(shù)轉(zhuǎn)字形碼拆分秒數(shù)顯示秒數(shù)減1秒數(shù)轉(zhuǎn)十進(jìn)制開始返回顯示次數(shù)=0？延時(shí)1ms顯示個(gè)位數(shù)延時(shí)1ms顯示十位數(shù)設(shè)置顯示次數(shù)R2十位數(shù)R1個(gè)位數(shù)秒十位數(shù)轉(zhuǎn)字形碼秒個(gè)位數(shù)轉(zhuǎn)字形碼拆分秒數(shù)顯示秒數(shù)減1秒數(shù)轉(zhuǎn)十進(jìn)制開始圖2-16顯示子程序流程圖中斷響應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場A道放行，B道禁行延時(shí)10s恢復(fù)現(xiàn)場返回中斷響應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場A道放行，B道禁行延時(shí)10s恢復(fù)現(xiàn)場返回圖2-17緊急情況中服務(wù)程序圖2.5.2功能實(shí)現(xiàn)空空B道綠燈B道黃燈B道紅燈A道綠燈A道黃燈A道紅燈控制碼P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0狀態(tài)說明000011000CHA道放行、B道禁止000010100AHA道警告、B道禁止0010000121HA道禁止、B道放行0001000111HA道禁止、B道警告表3交通燈信號(hào)控制碼表3是根據(jù)整體方案設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的紅綠燈控制碼，“1”代表亮，“0”代表不亮。我們可以很直觀的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A道放行，B道禁止時(shí)，A道綠燈亮，B道紅燈亮；當(dāng)A道警告，B道禁止時(shí)，A道黃燈亮，B道紅燈亮；A道禁止，B道放行時(shí)，A道紅燈亮，B道綠燈亮；當(dāng)A道禁止，B道警告時(shí)，A道紅燈亮，B道黃燈亮。在這里，關(guān)于救護(hù)車緊急通行的問題并未過多牽涉，具體的根據(jù)交通現(xiàn)狀與國家法律法規(guī)，在碰到救護(hù)車通行時(shí)，可以不遵守交通燈的約束。結(jié)論本系統(tǒng)主要采用了AT89C51的I/O端口來完成對(duì)交通信號(hào)燈的控制，并附屬以74LS240，74LS244，CD4511等小型芯片來完善信號(hào)燈的功能。用P