基于AT89S52的交通燈綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘要 介紹了模擬交通燈控制系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)以AT89S52為核心，采用多種中斷處理和P口分時復(fù)用功能來控制數(shù)碼管和LED燈，實(shí)現(xiàn)了各種情況下交通燈的正常指示和倒計(jì)時功能。實(shí)驗(yàn)采用的軟件有KeilC51、Proteus、Protel等，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)習(xí)者較完整地掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 綜合實(shí)驗(yàn)；交通燈控制；AT89S52

    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，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、定時中斷功能、動態(tài)掃描功能等，這些功能放入一個程序中，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)掌握用動態(tài)掃描方法解決多位LED共用一個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。LED顯示模塊用以顯示各車道的通行情況及時間(紅燈表示該車道禁止通行；綠燈表示該車道允許通行，黃燈為中間過渡時間)；驅(qū)動電路用以驅(qū)動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板包含一個兩位數(shù)碼管U1、6個LED燈D1～D6，其中，6個LED燈排成兩行，每行有紅(R)、黃(Y)、綠(G)3個燈，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LED的陰極連接到一個公共段G1上，當(dāng)G1為低電平，a為高電平時就可以點(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。
    (2)驅(qū)動電路。ULN2003是常見的驅(qū)動芯片，一片可提供8路驅(qū)動信號，兩片ULN2003共16路，用于驅(qū)動8位數(shù)碼管及4組2×3LED燈的陰極，其中U2為LED燈的陰極驅(qū)動芯片，U3為數(shù)碼管的驅(qū)動芯片；8個三極管Q1～Q8組成的共集電極電路用于驅(qū)動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AT9S52芯片，對交通燈的控制主要用其中的定時器完成，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)時時間的功能鍵，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、特殊事件模式和時間設(shè)置模式，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間長短如圖3所示。

    (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)碼管顯示時間40 s，此時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。
    狀態(tài)2 南北段直行倒計(jì)時至最后5 s時，直行綠燈同時黃燈閃爍(SG SY)；左轉(zhuǎn)紅燈同時黃燈閃爍(LR LY)，如圖3所示。
    狀態(tài)3 如圖2所示，南北段直行倒計(jì)時為0時，數(shù)碼管顯示時間從20 s開始倒計(jì)時，直行通行紅燈亮(SR)、左轉(zhuǎn)綠燈亮(LC)，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。
    狀態(tài)4 南北段左轉(zhuǎn)倒計(jì)時至最后5 s時，直行紅燈繼續(xù)亮(SR)，左轉(zhuǎn)綠燈同時黃燈閃爍(LG LY)，如圖3所示。
    狀態(tài)5 南北段左轉(zhuǎn)倒計(jì)時為0時，數(shù)碼管顯示時間從60 s開始倒計(jì)時，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。特殊事件指臨時需緊急通行的事件，比如急救車、消防車、警車等。此時，應(yīng)使東西南北4個方向全亮紅燈，并延時10 s，以便特殊事件得到解決。
    (3)時間設(shè)置模式。如果某路段的時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)入時間設(shè)置模式，對該路段各個路口的直行、左轉(zhuǎn)時間長度進(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、特殊事件和時間設(shè)置等中斷處理程序。
    (1)主程序流程。系統(tǒng)以正常狀態(tài)下交通信號燈各狀態(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)時子程序和中斷延時以實(shí)現(xiàn)各種交通狀態(tài)。

    (2)顯示控制。數(shù)碼管采用動態(tài)方式顯示交通指示燈的計(jì)時時間，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1 s，倒計(jì)時時間減1。流程如圖5所示。

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

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，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)知識的掌握情況，進(jìn)行了填表調(diào)查，結(jié)果如表1所示。

    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，時間設(shè)置功能和特殊事件處理等功能。