摘要：針對(duì)實(shí)現(xiàn)交通燈系統(tǒng)的雙模式控制的目的。采用以C 編寫(xiě)程序，設(shè)計(jì)電路的軟件部分和以89C52 單片機(jī)為，連同紅外接收模塊、交通燈顯示模塊和其它元器件，設(shè)計(jì)電路的硬件部分的軟硬件相結(jié)合的方法。即軟件部分：在KEIL 環(huán)境中編寫(xiě)并驗(yàn)證C 程序。硬件部分：通過(guò)單片機(jī)控制交通燈和數(shù)碼管的顯示，同時(shí)可利用按鍵或紅外遙控切換交通燈系統(tǒng)運(yùn)行模式，即普通模式和上下班高峰模式。此系統(tǒng)可保證在平時(shí)，車(chē)輛與行人有較長(zhǎng)時(shí)間穿過(guò)馬路。通過(guò)切換運(yùn)行模式，此系統(tǒng)又可有效防止上下班時(shí)交通堵塞和車(chē)輛、人員滯留。比起普通交通燈控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)提高了交通控制的效率，保證交通有序進(jìn)行。

　　0 引言

　　近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市中車(chē)輛不斷增多。由此引起交通擁擠、堵塞，交通事故頻發(fā)等一系列問(wèn)題。交通燈是城市重要的交通指揮系統(tǒng)，與人們的日常生活有十分密切的關(guān)系，它不僅關(guān)系到城市交通的有序進(jìn)行，也影響到人們的出行便捷和安全。設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、靈活、便捷的交通燈控制系統(tǒng)具有必要性和現(xiàn)實(shí)性。然而現(xiàn)實(shí)生活中很多交通燈都是按照一個(gè)時(shí)間間隔切換。而本設(shè)計(jì)中交通燈可根據(jù)平時(shí)或上下班高峰期來(lái)轉(zhuǎn)換紅綠燈切換時(shí)間，如上下班高峰期紅燈轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置為40 秒，平時(shí)設(shè)置為60 秒。這樣可有效緩解在上下班時(shí)間，由于紅燈設(shè)置時(shí)間太長(zhǎng)，為了趕時(shí)間而闖紅燈現(xiàn)象。同時(shí)，有效緩解交通堵塞現(xiàn)象。

　　1 交通管理方案的論證

　　1968 年，聯(lián)合國(guó)《道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定》對(duì)各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定：綠燈亮允許通行；紅燈亮，禁止通行；黃燈亮，提示人們注意紅，綠燈的狀態(tài)即將切換。為了方便說(shuō)明，現(xiàn)假設(shè)東西，南北走向的兩干道相交于一處十字路口。同時(shí)，為了保證行人安全，設(shè)置A,B,C,D 四條人行道。如圖1 所示。

圖1. 路口指示燈示意圖

　　路口指示燈工作情況說(shuō)明：當(dāng)東西道為紅燈，此道車(chē)輛禁止通行，此時(shí)B,D 人行道上行人可通過(guò)馬路；同時(shí)南北道為綠燈，此道車(chē)輛通過(guò)，此時(shí)A,C 人行道上行人禁止通行，時(shí)間為60 秒。黃燈閃爍5 秒，警示車(chē)輛和行人紅，綠燈的狀態(tài)即將切換。當(dāng)東西道為綠燈，此道車(chē)輛通行，此時(shí)B,D 人行道上行人禁止通過(guò)馬路；同時(shí)南北道為紅燈，此道車(chē)輛禁止通過(guò)，此時(shí)A,C 人行道上行人可通行，時(shí)間為60 秒。依此循環(huán)，即可指引車(chē)輛有序行駛，行人安全通過(guò)馬路。

　　2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)電路總體概要

　　本設(shè)計(jì)主要由89C52 單片機(jī)、交通燈顯示模塊、紅外接收模塊、數(shù)碼管、按鍵等組成。

　　89C52 單片機(jī)為系統(tǒng)主控制器，控制其他模塊協(xié)調(diào)工作；按鍵和紅外接收模塊用來(lái)切換系統(tǒng)工作模式：正常模式或上下班高峰模式。即正常模式下，紅燈設(shè)置的時(shí)間為60 秒；上下班高峰模式下，紅燈設(shè)置的時(shí)間為40 秒。交通燈顯示模塊用以指引各路道車(chē)輛的通行，數(shù)碼管為了顯示交通紅綠燈所剩的切換時(shí)間，行人依此判斷是否有足夠時(shí)間過(guò)馬路，是走還是停。其主要框圖如圖2 所示。

圖 2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖

　　2.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

　　2.2.1 控制器的選擇

　　作為交通智能控制的中心，控制器的選擇十分重要。我們常見(jiàn)的有：（1）現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA；（2）可編程邏輯控制器PLC；（3）51 系列單片機(jī)等。這是一種較為實(shí)用的系統(tǒng)，所以要從價(jià)格和使用方面等因素綜合考慮。以上3 種控制器都可以很好的完成交通燈的智能控制，而FPGA 和PLC 操作和完成簡(jiǎn)單，但成本價(jià)格較高，性?xún)r(jià)比低。對(duì)于本設(shè)計(jì)，51 系列單片機(jī)完全可以實(shí)現(xiàn)其控制，且性能良好，價(jià)格低廉。因此選用大家所熟知的89C52單片機(jī)作為控制器。

　　2.2.2 紅外發(fā)射接收原理

圖3 紅外發(fā)射與接收原理圖

　　通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，應(yīng)用編/解碼專(zhuān)用集成電路芯片來(lái)進(jìn)行控制如圖3所示。紅外接收頭的工作原理：內(nèi)置接收管將紅外發(fā)射管發(fā)射出來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)由IC 內(nèi)部放大器進(jìn)行放大，然后通過(guò)自動(dòng)增益控制、帶通濾波、解調(diào)變、波形整形后還原為遙控器發(fā)射出來(lái)的原始編碼，經(jīng)由接收頭的信號(hào)輸出腳輸入到電器上的編碼識(shí)別電路。

　　2.2.3 硬件電路總圖

　　本設(shè)計(jì)選用 89C52單片機(jī)作為控制器，控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式，普通模式和上下班高峰模式。可通過(guò)按鍵或紅外遙控對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行切換。按鍵切換適于值班人員使用，而紅外遙控切換適于交警巡查時(shí)使用，方便快捷。現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹該系統(tǒng)工作原理：89C52 單片機(jī)通過(guò)鎖存器控制數(shù)碼管顯示紅綠燈時(shí)間，東西、南北四組數(shù)碼管時(shí)間顯示相同。P1^2～P1^7 控制交通燈的顯示。P1^2～P1^4 控制東西道兩組交通燈的顯示，這兩組紅綠燈通過(guò)單片機(jī)控制顯示相同顏色的指示燈并且切換時(shí)間相同；而P1^5～P1^7 控制南北道兩組交通燈的顯示，這兩組紅綠燈同樣通過(guò)單片機(jī)控制顯示相同顏色的指示燈并且切換時(shí)間相同。P3^5 接按鍵S1，通過(guò)此按鍵可控制系統(tǒng)運(yùn)行模式。P3^2 接紅外接收模塊，通過(guò)此接口可紅外遙控切換系統(tǒng)運(yùn)行模式。如圖4 所示：

圖4，硬件電路圖

　　到此，硬件電路搭建完成。

　　3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　近年來(lái)，單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語(yǔ)言到逐漸使用語(yǔ)言，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil 軟件是目前開(kāi)發(fā)MCS-51 系列單片機(jī)程序的軟件。

　　Keil 提供了包括C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uVison）將這些部分連在一起。

　　因此該系統(tǒng)的軟件部分在Keil 環(huán)境下進(jìn)行程序的編程，下面主要介紹程序中的主要子程序和一些重要部分：

　　初始函數(shù)主要是對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器和一些參數(shù)初值的設(shè)定：

　　#include<reg52.h>

　　#define uint unsigned int

　　#define uchar unsigned char

　　uint aa,num,MODEL1,numa,HMODE1;

　　uchar shi,ge,gtime,rtime;

　　… …

　　sbit dula=P1^0; // 段選

　　sbit wela=P1^1; // 位選

　　sbit LED1=P1^2; // 東西（紅燈）

　　sbit LED2=P1^5; // 南北（紅燈）

　　sbit LED3=P1^6; // 南北（黃燈）

　　sbit LED4=P1^3; // 東西（黃燈）

　　sbit LED5=P1^7; // 南北（綠燈）

　　sbit LED6=P1^4; // 東西（綠燈）

　　sbit KEY1=P3^5;

　　uchar code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

　　uchar table1[]={0xbf,0x7f};

　　void delay（uchar z） // 延時(shí)函數(shù)

　　{ uchar x,y;

　　for（x=z;x>0;x--）

　　for（y=110;y>0;y--）； }

　　void init（）

　　{ TMOD=0x01; // 選擇方式一，16 位計(jì)數(shù)器

　　TH0=15536/256;

　　TL0=15536%256; // 定時(shí)器高、低位，置入初值

　　EA=1; // 中斷允許總控制位

　　ET0=1; // 定時(shí)器0 中斷允許控制位

　　TR0=1; // 定時(shí)器0 運(yùn)行控制位

　　aa=0;

　　gtime=60;

　　rtime=40;

　　num=1;

　　numa=1;

　　MODEL1=1;

　　HMODE1=0;}

　　定時(shí)的函數(shù)及原理：

　　當(dāng)單片機(jī)工作于定時(shí)狀態(tài)時(shí)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，每個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)振蕩周期，以晶振頻率為12MHZ 為例，則：

　　1 個(gè)機(jī)器周期=12/晶振頻率=12/12000000=0.001ms定時(shí)時(shí)間為：TC=XTP。其中，TP 為機(jī)器周期，TC 為定時(shí)時(shí)間。

　　則應(yīng)裝入計(jì)數(shù)/定時(shí)器的初值為：

　　（注：M=2ⁿ , TP 為機(jī)器周期，TC 為定時(shí)時(shí)間）

　　對(duì)于方式1，的定時(shí)時(shí)間為：T=（2¹⁶-0）×0.001=65.536ms ，為了便于計(jì)算，設(shè)定每次定時(shí)時(shí)間為50ms，計(jì)算應(yīng)裝入的初值：N = 65536 − 50000 = 15536

　　顯示子函數(shù)：

　　通過(guò)單片機(jī)對(duì)鎖存器進(jìn)行位選，段選的控制，使數(shù)碼管顯示需要的數(shù)字。

　　void display（shi,ge）

　　{ dula=1;

　　P0=table[shi];

　　dula=0;

　　wela=1;

　　P0=table1[0];

　　wela=0;

　　delay（5）；

　　P0=0xff; // 對(duì)數(shù)碼管消影

　　dula=1;

　　P0=table[ge];

　　dula=0;

　　wela=1;

　　P0=table1[1];

　　wela=0;

　　delay（5）；

　　P0=0xff;}

　　模式一函數(shù)：

　　void mod1（）

　　{ if（num==1&&gtime>5） // 東西道紅燈亮，南北道綠燈亮，5 秒切換成黃燈

　　{ LED5=0;

　　LED1=0; }

　　if（num==2） // 東西道綠燈亮，南北道紅燈亮

　　{ LED2=0;

　　LED6=0;

　　LED5=1;

　　LED3=1;

　　LED1=1; }

　　if（num==1&&gtime==5） // 東西道紅燈亮，南北道黃燈亮5 秒

　　{ LED5=1;

　　LED2=1;

　　LED3=0; }

　　shi=gtime/10;

　　ge=gtime%10;

　　if（aa==20） // 50ms×20=1s, 即過(guò)1s 數(shù)碼管數(shù)字減1

　　{ aa=0;

　　gtime--; }

　　display（shi,ge）；

　　if（gtime==0&&num!=2）

　　{ gtime=60;

　　num=2; }

　　if（gtime==0&&num==2）

　　{ num=1;

　　gtime=60;

　　LED2=1;

　　LED6=1; } }

　　模式二函數(shù)：

　　如同模式一，只是參數(shù)有變化。如將gtime=60 換成rtime=40；num=1 換成numa=1；僅此而已。

　　主函數(shù)：

　　void main（）

　　{ init（）；

　　while（1）

　　/* 模式一，平常模式，紅綠燈切換時(shí)間為60 秒*/

　　{ if（MODEL1==1||HMODE1==0） // 按鍵或紅外控制切換模式

　　{ mod1（）； }

　　/* 通過(guò)按鍵切換工作模式*/

　　if（KEY1==0）

　　{ delay（5）； //按鍵消抖

　　while（KEY1==0）

　　{ MODEL1++;

　　rtime=40;

　　if（MODEL1==3）

　　{ MODEL1=1;

　　gtime=60; }

　　while（！KEY1）； } }

　　… …

　　/*模式二，上下班高峰期模式。紅綠燈切換時(shí)間為40 秒*/

　　if（MODEL1==2||HMODE1==1）

　　{ mod2（）； }

　　} }

　　void timer0（） interrupt 1

　　{ TH0=15536/256;

　　TL0=15536%256;

　　aa++; }

　　4 系統(tǒng)的仿真

　　結(jié)合軟硬件，通過(guò)proteus 仿真，此系統(tǒng)可安全、可靠的運(yùn)行。仿真圖的部分截圖如圖5 所示。

圖5 交通燈控制系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

　　5 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)的紅外遙控雙模式交通燈控制系統(tǒng)，通過(guò)硬件電路的搭建和軟件的調(diào)試，通過(guò)proteus 進(jìn)行仿真。該系統(tǒng)完全可以完成設(shè)計(jì)的要求。具有一定的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)，該系統(tǒng)還有諸多開(kāi)發(fā)前景，具備一定的擴(kuò)展能力，如：根據(jù)圖像識(shí)別，判斷車(chē)輛數(shù)是否增加，以此來(lái)判斷該運(yùn)行哪種模式，有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。