基于MCS-51十字路口交通燈控制系統設計(二)

（2）8051開發工具

KEIL C51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發提供了C語言環境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51編譯器的功能不斷增強，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產品。C51已被完全集成到uVision2的集成開發環境中，這個集成開發環境包含：編譯器，匯編 器，實時操作系統，項目管理器，調試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發環境。

C51是目前最高效、靈活的8051開發平臺。它可以支持所有8051的衍生產品，也可以支持所有兼容的仿真器，同時支持其它第三方開發工具。

（2）編輯器和調試器

uVision2編輯器包含了所有用戶熟悉的特性。彩色語法顯像和文件辯識都對C源代碼進行和優化。可以在編輯器內調試程序并且可以編寫或使用類似C的數語言進行調試。

（3）測試程序

uVision2調試器具備所有常規源極調試，符號調試特性以及歷史跟蹤，代碼覆蓋，復雜斷點等功能。DDE界面和shift語言支持自動程序測試。

2、總體方案設計

2.1十字路口交通燈的原理

圖2.1是十字路口交通信號燈示意圖, 本系統的控制對象有八個，分別為東西方向紅燈兩個，南北方向紅燈兩個，東西方向黃燈兩個，南北方向黃燈兩個，東西方向綠燈兩個，南北方向綠燈兩個，東西方向左轉彎綠燈兩個，南北方向左轉彎綠燈兩個。本控制系統律分為高峰時段和正常時段進行控制，晚上時段按提示敬告方式運行，規律為：東、南、西、北四個黃燈全部閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮0.4秒，暗0.6秒的規律反復循環。

圖2-1十字路口交通信號燈的示意圖

正常時段(8時~16時、18時~6時)：

南北紅燈亮維持25秒，在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅，在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮。

東西紅燈亮維持30秒，南北綠燈亮維持25秒，然后閃亮3秒后熄滅，同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅。這時南北紅燈又亮，東西綠燈又同時亮，如此周而復始。

高峰時段（6時~8時、16時~18時）：

南北紅燈亮維持25秒，在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅，在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮。

東西紅燈亮維持40秒，南北綠燈亮維持35秒，然后閃亮3秒后熄滅，同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅。這時南北紅燈又亮，東西綠燈又同時亮，如此周而復始。

2.2設計要求及可實現功能

本系統由PLC系統、鍵盤、LED 顯示、交通燈演示系統組成。由MCS-51PLC組成PLC最小應用系統，控制南北，東西兩條干線十字路口的交通信號燈的亮滅，使兩條干線交替成為放行線和禁止線。

系統包括人行道、左轉、右轉、以及基本的交通燈的功能。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、違規車輛檢測以及根據具體情況手動控制等功能。

2.3交通燈顯示規律分析

2.3.1交通燈時序顯示

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。

圖2-2標號設定

圖2-3規則狀態圖

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2－3] 所示為一種紅綠燈規則的狀態圖，分別設定為S1、S2、S3、S4，交通燈以這四種狀態為一個周期，循環執行見圖2-4。

圖2-4(a)車輛行駛狀態S1                圖2-4(b)車輛行駛狀態S2

  

圖2-4(c)車輛行駛狀態S3          圖2-4(d)車輛行駛狀態S4

2-4 交通燈四種狀態

請注意圖2－4(b)]和圖2－4(d)]，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2－4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2-1 交通燈的循環邏輯表

S1的狀態 A B C D E F G H

邏輯值

顯示時間 從40秒到0秒

S2的狀態 A B C D E F G H

邏輯值

顯示時間 從30秒到0秒

S3的狀態 A B C D E F G H

邏輯值

顯示時間 從70秒到30秒

S4的狀態 A B C D E F G H

邏輯值

顯示時間 從30秒到0秒

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。

2.3.2交通燈時間顯示方案

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。

2.4方案選擇

本文采用以PLC為核心本系統采用MSC-51系列PLC80c51為中心器件來設計交通燈控制器，采用C語言為程序編譯語言，使用Keil CPLC軟件完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等流程。該系統具體分為輸入模塊、界面顯示模塊、電源模塊以進行方案設計與選擇。

2.4.1輸入模塊

對于本系統要求的能手動設燈亮時間、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PLC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。

2.4.2界面顯示模塊

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符，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。

2.4.3電源模塊

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PLC控制模塊提供電源。本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，如圖2-5。

圖2-5 電源電路

3、硬件系統設計

3.1 LED顯示控制電路

紅綠燈的顯示采用普通的發光二極管，每個方向上設置紅綠黃燈及行人燈各一個，共四組，如圖3-1所示。如果東西方向紅燈亮那南北方向就是綠燈，反之亦然，所以在硬件連接圖上也成對稱分布。

圖3-1 LED控制電路

3.2計時器顯示電路

8段LED是一種常用的數碼顯示屏。這種數碼管的每個線段都是一個發光二極管，因而把它叫做LED數碼管。由于在數碼管的右下角增加了一個小數點，形成了所謂的8段數碼管。E10501是屬于共陰極類型的數碼管，只要公共端接地，其他端送上高電平就能點亮。E10501不僅具有工作電壓低，體積小，壽命長，可靠性高等優點，而且響應時間短（一般不超過0.1微秒），亮度也比較高。缺點是工作電流比較高，一般工作電流都在10毫安左右。E10501的外形圖和等效電路圖如圖3-2(a)]所示。

 

圖3-2(a) E10501外形圖               圖3-2(b) E10501等效電路圖

LED段顯示數碼管的設置為每個方位上一對2位顯示器。四個方位上總共有8個LED接在PLC的I/O口上。顯示時我們不需要小數點，所以每個LED的10根管腳只用了9根。連接后的時間顯示電路，如圖3-2(b)]所示，雖然路口不一樣，但是顯示的時間在數字上是一樣的，所以兩邊連接的I/O口是對稱的,原理圖如圖3-2(c)。

圖3-2(c) 數碼管顯示

3.3車輛違規檢測電路

在紅燈和黃燈期間,車輛是禁止通行的.為了對那些違反規則的車輛進行檢測,受條件限制,本系統設計中只使用了普通光敏二極管。基本設計思路如下：將光敏二極管放在停車線上，當車輛通過的時候，因光敏二極管給遮住，二極管就不導通，PLC檢測到這一信號后就執行報警操作。但是，顯然在實際中，使用發光二極管無法實現。違規車輛檢測電路除了使用光敏二極管，還使用了三極管，型號為9031。由于普通的光敏二極管的開關性能不是很好，所以在設計中加個三極管做開關。由于普通光敏二極管在導通的情況下的電阻能達到0.5—1k，所以在設計中將光敏二極管直接接上了電源。同時三極管還可以起到一定的隔離作用。當光敏二極管關斷時，三極管的基極為低電平，基極與發射極之間電壓為零，三極管關斷，檢測口的電壓為高電平；同理，當光敏二極管導通時，三極管的基極電壓為高電平，基極與發射極之間的電壓為高，三極管導通，檢測口的電壓為低電平。基于此就可以檢測是否有車輛違章,其原理圖如圖3-3。

圖3-3 違規檢測電路