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基于單片機(jī)的智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì).zip (1.74 MB, 下載次數(shù): 135)

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2.1 設(shè)計(jì)要求

2.1.1項(xiàng)目概述

道路交通信號(hào)燈是道路交通安全的產(chǎn)品，它可以加強(qiáng)道路交通管理，減少交通事故的發(fā)生，提高道路使用效率，改善交通狀況的一種重要工具。它適用于各種十字、丁字等交叉路口，由道路交通信號(hào)燈控制，指導(dǎo)車(chē)輛和行人安全而有序地通行。

2.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一種交通信號(hào)燈的控制系統(tǒng)。要求直觀，簡(jiǎn)單。能夠滿足十字路口交通等的使用需求。

2.1.3 設(shè)計(jì)要求

1. 交通路口為十字路口。

2．馬路為雙向六車(chē)道，即要有左轉(zhuǎn)燈，直行燈，右轉(zhuǎn)燈。

3．要考慮人行橫道的信號(hào)燈。

4．有顯示設(shè)備可以顯示通信時(shí)間。

5．要求通行時(shí)間可調(diào)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 供電方案

    系統(tǒng)要在正常而穩(wěn)定的狀態(tài)下工作，必須要有可靠的電源。而本次基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)需要顯示的芯片較多，電源供應(yīng)量大，因此本次設(shè)計(jì)了如下三種方案。

方案一：利用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源供電。優(yōu)點(diǎn)是可提供穩(wěn)定而可靠電源，而且可以利用220V電壓轉(zhuǎn)化，不受各種因素的限制；缺點(diǎn)是各模塊都采用獨(dú)立電源，會(huì)增加本次設(shè)計(jì)的難度，而且對(duì)其他電路還會(huì)造成一定的干擾。

方案二：采用USB轉(zhuǎn)接口5V電壓供電，這樣簡(jiǎn)單明了，但是單單一個(gè)5V電源供電可能會(huì)顯得電源不足，而無(wú)法滿足實(shí)際的需要。

方案三：采用USB轉(zhuǎn)接口5V雙電源電壓供電，這樣把本次設(shè)計(jì)分為兩大模塊，一是交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，二是萬(wàn)年歷系統(tǒng)，采用雙電源供電，一個(gè)為交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)提供電源，另一個(gè)為萬(wàn)年歷系統(tǒng)提供電源。這樣即簡(jiǎn)單而又可提供穩(wěn)定的電源。

考慮到實(shí)際情況和電路的簡(jiǎn)潔，本設(shè)計(jì)采用了第三套方案，此方案在電路的設(shè)計(jì)上可以把系統(tǒng)分為兩大模塊，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，從而又可以提供穩(wěn)定而可靠電源。而且在單電源斷電的情況下不影響另一模塊的工作。

2.2.2 輸入方案

    該系統(tǒng)要求能手動(dòng)及智能控制改變交通信號(hào)燈的通行時(shí)間和萬(wàn)年歷時(shí)間的調(diào)整。

方案一：采用8155擴(kuò)展I/O 口及鍵盤(pán)、顯示等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：使用靈活可編程，并且有RAM,及計(jì)數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O 口,但操作起來(lái)稍顯復(fù)雜。

方案二： 直接在I/O口線上接上按鍵開(kāi)關(guān)。該方案優(yōu)點(diǎn)是：編程更加簡(jiǎn)潔，使用更加簡(jiǎn)單，且成本更低。缺點(diǎn)就是功能有限。

綜合考慮本設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，在使用輸入的時(shí)候不需要過(guò)于復(fù)雜的功能，因此直接在I/O口線上接上按鍵開(kāi)關(guān)足以滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，故采用方案二。

2.2.3 顯示界面方案

本設(shè)計(jì)涉及到倒計(jì)時(shí)、狀態(tài)燈、時(shí)間、溫度等顯示功能�；�于功能需求，本設(shè)計(jì)考慮如下四種方案：

方案一：完全采用數(shù)碼管顯示。這種方案只顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符，無(wú)法勝任功能需求。

方案二：完全采用點(diǎn)陣式LED 顯示。這種方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且須完成大量的軟件工作；但功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等。

方案三：采用LCD1602液晶顯示，這種顯示比較樂(lè)觀，但是工作量大，而且設(shè)計(jì)復(fù)雜，再加上需要到的LCD1602較多，從經(jīng)濟(jì)上也不劃算。

方案四：采用數(shù)碼管、LED與LCD1602相結(jié)合的方法因?yàn)樵O(shè)計(jì)既要求倒計(jì)時(shí)數(shù)字輸出，又要求有狀態(tài)燈輸出，同時(shí)還要顯示出年、月、日、時(shí)、分、秒、星期和溫度。為了方便觀看并考慮到實(shí)際情況，用數(shù)碼管顯示交通信號(hào)燈的倒計(jì)時(shí)，用LED顯示交通燈的狀態(tài)燈、用LCD1602顯示年、月、日、時(shí)、分、秒、星期和溫度。這種設(shè)計(jì)方案既滿足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

2.2.4交通燈方案

2.2.4.1交通燈規(guī)則方案

本設(shè)計(jì)的交通燈以十字路口為模型，在實(shí)現(xiàn)基本的功能前提下增加了時(shí)間及溫度的液晶顯示。從而還增加了路口高峰期的智能化人工管理機(jī)制。

    實(shí)際生活中交通信號(hào)燈的規(guī)則千變?nèi)f化，在不同的路口上看到的交通信號(hào)燈的規(guī)則不一樣，但是總體還是相差不大，也有一些根據(jù)實(shí)際的需要而設(shè)置不同的交通規(guī)則，本次系統(tǒng)交通規(guī)則的設(shè)置是根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中的交通規(guī)則和多加考慮各種現(xiàn)實(shí)因素結(jié)合起來(lái)而制定了以下交通規(guī)則。

下圖所示為一種紅綠燈規(guī)則的狀態(tài)圖：

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共四種狀態(tài)，分別設(shè)定為S1、S2、S3、S4，交通燈以這四種狀態(tài)為一個(gè)周期，循環(huán)執(zhí)行如下圖所示：

依據(jù)上述車(chē)輛行駛的狀態(tài)圖，可以列出正常模式下各個(gè)路口交通信號(hào)燈的邏輯表如下表所示(其中邏輯值“1”表示直行通行，邏輯值“0”表示禁止通行，邏輯值“L”表示左轉(zhuǎn)通行)：

表2.1 正常模式下工作表

程序就是在上述四種狀態(tài)下循環(huán)轉(zhuǎn)化的，而每種狀態(tài)下又包括綠燈通行和黃燈閃爍警告狀態(tài)。系統(tǒng)在正常模式下循環(huán)一個(gè)周期所需要的時(shí)間為120S,數(shù)碼管顯示的工作模式為半周期60.

2.2.4.2各種模式下通行時(shí)間

   本系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際的需要，而在上述四種狀態(tài)的每種狀態(tài)下再細(xì)分為綠燈通行、黃燈閃爍兩種狀態(tài)，總共八種工作狀態(tài)。系統(tǒng)在正常工作模式下又可分為三種工作模式，分別為：正常模式、繁忙模式和特殊模式。各種模式下的時(shí)間分配如下表2.2：

表2.2 各模式下時(shí)間分配表

2.2.5 萬(wàn)年歷設(shè)計(jì)方案

電路設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)的電路系統(tǒng)框圖如圖2.6所示。AT89C51單片機(jī)對(duì)DS1302和DS18B20寫(xiě)入控制字并讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，繼而控制LCD1602作出對(duì)應(yīng)的顯示，同時(shí)也向交通信號(hào)燈外部發(fā)出定時(shí)中斷，從而改變交通信號(hào)燈的工作模式。

3.1 AT89C51單片機(jī)介紹及應(yīng)用

單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，同時(shí)又稱為微控制器、嵌入式微控制器等，它屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它把各種芯片電路集成在一塊芯片上，因此它具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、可靠性高以及低廉的價(jià)格。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、測(cè)控系統(tǒng)及各種智能儀器儀表等。因此國(guó)際上逐漸采用微控制器(MCU)代替單片微型計(jì)算機(jī)(SCM)這一名稱。微控制器可以更準(zhǔn)確的反應(yīng)出單片機(jī)的本質(zhì)，但單片機(jī)這一名稱以為大多數(shù)人所接受，所以單片微型計(jì)算機(jī)即是單片機(jī)，同時(shí)又稱為微控制器。

3.1.1單片機(jī)的引腳及功能

AT89C51單片機(jī)的 引腳圖如圖3.1 所示

圖3.1 AT89C51單片機(jī)引腳圖

VCC：電源電壓

GND：地

P0口：P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路型8位雙向I／0口，即數(shù)據(jù)／地址總線的復(fù)用口。當(dāng)它作為輸出端口使用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。

P1口：Pl 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，Pl口的輸出緩沖級(jí)能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。當(dāng)我們對(duì)端口寫(xiě)入“1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻來(lái)把端口拉到高電平，此時(shí)P1口可做為輸入端口。當(dāng)P1口做為輸入口時(shí)，由于內(nèi)部存在上拉電阻，當(dāng)被外部引腳拉低時(shí)會(huì)輸出數(shù)據(jù)。P1口除了以上功能外，最重要的是它的第二功能如表3.1所示。

表3.1 P1口引腳的第二功能

P2口：P2口也是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I／O 口。P2 的輸出緩沖級(jí)也能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。當(dāng)我們對(duì)端口寫(xiě)入“1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻來(lái)把端口拉到高電平，此時(shí)P2口可做為輸入端口。當(dāng)P2口做為輸入口時(shí)，由于內(nèi)部存在上拉電阻，當(dāng)被外部引腳拉低時(shí)會(huì)輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出高8位數(shù)據(jù)地址。當(dāng)訪問(wèn)8 位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址時(shí)，P2口的內(nèi)容在整個(gè)訪問(wèn)過(guò)程將不會(huì)改變。

P3 口：P3 口也是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I／0 口。P3 口輸出緩沖級(jí)也能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。當(dāng)我們對(duì)端口寫(xiě)入“1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻來(lái)把端口拉到高電平，此時(shí)P3口可做為輸入端口。當(dāng)P3口做為輸入口時(shí)，由于內(nèi)部存在上拉電阻，當(dāng)被外部引腳拉低時(shí)會(huì)輸出數(shù)據(jù)。P3口除了以上用途外，最重要的是它的第二功能如表3.2所示。

表3.2 P3口引腳的第二功能

P3口還可用于接收一些Flash閃速存儲(chǔ)器的編程及程序的校驗(yàn)控制等。

RST：復(fù)位輸入引腳。振蕩器在工作時(shí)，RST引腳將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的機(jī)器周期高電平來(lái)使單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR的DISRT0 位（地址8EH）可打開(kāi)或關(guān)閉該功能。DISRT0位缺省為RESET輸出高電平打開(kāi)狀態(tài)。

ALE／：在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存）主要是利用輸出脈沖來(lái)鎖存地址低8位字節(jié)。ALE還可以用于對(duì)外輸出時(shí)鐘信號(hào)或定時(shí)功能，因?yàn)锳LE時(shí)刻以時(shí)鐘振蕩器的1/6頻率輸出固定的脈沖信號(hào)。

值得注意的是：當(dāng)我們?cè)谠L問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將會(huì)跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。在F1ash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還可用于輸入編程脈沖。還可以通過(guò)特殊的功能寄存器中的8EH單元的D0位置來(lái)禁止ALE工作。執(zhí)行該操作后，需要通過(guò)MOVX和MOVC指令A(yù)LE才能被激活，從而恢復(fù)工作狀態(tài)。在執(zhí)行單片機(jī)外部程序時(shí)，ALE應(yīng)設(shè)置為無(wú)效。

程序的儲(chǔ)存是在（）允許輸出外部程序存儲(chǔ)器時(shí)進(jìn)行，當(dāng)單片機(jī)需要進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)該引腳在每個(gè)周期下就會(huì)兩次有效，從而發(fā)出兩次脈沖，當(dāng)訪問(wèn)外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，則是發(fā)出一次脈沖信號(hào)。

／VPP：外部訪問(wèn)允許。當(dāng)EA端設(shè)置為低電平時(shí)，CPU可單獨(dú)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（即：0000H－FFFFH地址）。

XTAL1：振蕩器的反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。

3.1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)置

本次基于單片機(jī)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)置的如下圖所示:

圖3.2 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

3.2 LCD1602芯片介紹及應(yīng)用

3.2.1 液晶顯示器的介紹           

液晶顯示器有多種分類方法，通常按顯示的方式分可分為字符式、段式、點(diǎn)陣式等。液晶顯示器即可顯示黑白又可顯示多彩色灰度，因此可分為黑白顯示器和彩色顯示器。如果按驅(qū)動(dòng)方式分，它又可以分為單純矩陣驅(qū)動(dòng)（Simple Matrix）、靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（Static）和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)（Active Matrix）三種。液晶顯示器它具有厚度薄、體積小，適用于大規(guī)模集成電路的驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、便攜式電腦、MP3、MP4、PDA移動(dòng)通信工具等領(lǐng)域。

3.2.2 液晶顯示器各種圖形的顯示原理                                                            

液晶顯示器是利用液晶的物理特性，通過(guò)高低電壓來(lái)控制顯示的區(qū)域，高電平則亮，低電平則滅，這樣就可以顯示出圖形。液晶顯示器圖形的顯示是通過(guò)N*M個(gè)液晶顯示單元構(gòu)成，通過(guò)控制各個(gè)顯示單元的亮暗而達(dá)到顯示圖形的目的。例如一個(gè)液晶顯示器有64行顯示屏，而每行有128列，每字節(jié)又由8列組成，因此每行可顯示16個(gè)字節(jié)，即整個(gè)顯示器可顯示1024個(gè)字節(jié)。最后通過(guò)控制液晶顯示相應(yīng)位置的亮暗從而顯示出每字節(jié)上的內(nèi)容。

3.2.3 LCD1602的基本參數(shù)及引腳功能

LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）或16腳（帶背光）接口，本次設(shè)計(jì)采用16腳（帶背光）來(lái)顯示年、月、日、時(shí)、分、秒、星期和溫度。各引腳接口說(shuō)明如表3.3所示:

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：VL是顯示器對(duì)比度調(diào)整端，當(dāng)接地信號(hào)時(shí)液晶對(duì)比度最高，當(dāng)接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，對(duì)比度的高低將會(huì)影響液晶顯示器的顯示，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”。因此我們通常接一個(gè)10K的電位器來(lái)調(diào)節(jié)。

第4腳：RS是寄存器的選擇，高電平表示數(shù)據(jù)寄存器、低電平表示指令寄存器。

第5腳：R/W是信號(hào)線的讀寫(xiě)，當(dāng)高電平時(shí)表示正在進(jìn)行讀操作，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)表示正在進(jìn)行寫(xiě)操作，如果RS和R/W同時(shí)為低電平時(shí)可進(jìn)行顯示地址或?qū)懭胫噶睿�如果RS為低電平且R/W為高電平時(shí)可進(jìn)行讀取信號(hào)，如果RS為高電平R/W為低電平時(shí)可進(jìn)行寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端是使能信號(hào)端，當(dāng)E端由高電平變化為低電平時(shí)，液晶模塊命令開(kāi)始執(zhí)行。

第7～14腳：D0～D7是8位雙向數(shù)據(jù)線。

第15腳：背光源正極。

第16腳：背光源負(fù)極。

表3.3引腳接口說(shuō)明表

3.2.4 LCD1602的指令說(shuō)明及時(shí)序

LCD1602內(nèi)部液晶顯示模塊控制器指令共11條，如表3.4所示：

LCD1602的讀寫(xiě)操作、光標(biāo)操作以及屏幕顯示等都是通過(guò)各種指令程序而實(shí)現(xiàn)的，具體說(shuō)明如下：（注：1為高電平，0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼由01H復(fù)位到00H位置。

指令2：光標(biāo)復(fù)位，執(zhí)行時(shí)光標(biāo)將返回到00H位置。

指令3：光標(biāo)以及顯示模式的設(shè)置。光標(biāo)的移動(dòng)方向?yàn)椋焊唠娖奖硎居乙疲�低電平則表示左移。S:屏幕文字是否進(jìn)行右移或者進(jìn)行左移。高電平表示有效，低電平表示無(wú)效。

指令4：顯示控制開(kāi)關(guān)。B：光標(biāo)閃爍的控制，高電平表示閃爍，低電平則表示不閃爍。

C：光標(biāo)開(kāi)關(guān)的控制，高電平表示有光標(biāo)，低電平則表示無(wú)光標(biāo) 。D：整體顯示的開(kāi)關(guān)控制，高電平表示打開(kāi)顯示，低電平則表示關(guān)閉顯示。

指令5：光標(biāo)或者顯示移位 S/C的控制。高電平表示文字移動(dòng)的顯示，低電平表示光標(biāo)的移動(dòng)。

指令6：功能命令的設(shè)置。DL為高電平表示4位總線，低電平則表示8位總線。F: 低電平表示顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平表示顯示5x10的點(diǎn)陣字符。 N：低電平表示單行顯示，高電平表示雙行顯示

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。

指令8：DDRAM地址的設(shè)置。

指令9：光標(biāo)地址和讀忙信號(hào)。 BF：表示忙標(biāo)志位，高電平時(shí)表示忙，此時(shí)模塊不能進(jìn)行命令或者數(shù)據(jù)的接受，低電平則表示不忙。

指令10：寫(xiě)數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)

表3.4 控制命令表

LCD1602液晶顯示器有多種，其中市場(chǎng)上最常見(jiàn)的是HD44780。HD44780內(nèi)置了DDRA（80字節(jié)），CGRAM（64字節(jié)，用來(lái)存放用戶自定義字符，每個(gè)字符需要用到8個(gè)字節(jié)，所以以一共可以存放8個(gè)用戶自定義字符），CGROM（內(nèi)存了160個(gè)字符，包括了標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼表上的字符等）。與HD44780相兼容的芯片時(shí)序表如表3.5所示：

表3.5 基本操作時(shí)序表

讀寫(xiě)操作時(shí)序如圖3.3和3.4所示。

圖3.3 讀操作時(shí)序

圖3.4寫(xiě)操作時(shí)序   

      LCD1602液晶顯示是一個(gè)慢顯示器件，所以每次在執(zhí)行指令時(shí)一定要先進(jìn)行確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志位是否為低電平，否而指令將會(huì)失效。要進(jìn)行字符的顯示，首先要進(jìn)行輸入顯示字符的地址，實(shí)際就是輸入顯示的內(nèi)容。LCD1602內(nèi)部顯示地址如圖3.5所示。                                                      

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對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)將會(huì)自動(dòng)右移。液晶模塊在繁忙狀態(tài)下將不能輸入指令。

3.2.5 LCD1602液晶顯示模塊原理圖

LCD1602顯示模塊電路，首先VSS接地信號(hào)，VDD接5V高電平，VEE接10K的變阻器，變阻器兩端分別接5V電壓和大地。接著RS、RW和E是數(shù)據(jù)信號(hào)線分別接單片機(jī)的P2.5、P2.6和P2.7引腳。最后D0到D7接單片機(jī)的P0.0到P0.7引腳，要接排阻。而實(shí)際的LCD1602還有兩個(gè)背光調(diào)節(jié)引腳，分別是BLA和BLK接5V電壓和大地。

圖3.6 LCD1602顯示電路

3.3 DS1302芯片介紹及應(yīng)用

DS1302是美國(guó) DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗的時(shí)鐘芯片，它采用 SPI 三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和 RAM數(shù)據(jù)。它可提供年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)顯示，各月天數(shù)它可進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)整，同時(shí)還具有閏年的補(bǔ)償功能。工作電壓范圍為2.5～5.5V。DS1302芯片采用雙電源供電，即有主電源和備用電源。同時(shí)還可設(shè)置備用電源的充電方式，提供了對(duì)備用電源進(jìn)行電流充電的能力。DS1302也可用于數(shù)據(jù)的記錄， 特別是對(duì)于某些特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)出現(xiàn)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此在各種測(cè)量系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

3.3.1 DS1302引腳功能

DS1302芯片的外部引腳分配如圖3.7所示。

圖3.7 DS1302的外部引腳分配

Vcc1：表示主電源；Vcc2：表示備份電源。如果 Vcc2>Vcc1+0.2V， 則 Vcc2向 DS1302供電，如果 Vcc2< Vcc1，由則Vcc1向 DS1302供電。

SCLK：串行時(shí)鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出。

I/O：三線接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線。

CE：輸入信號(hào)。DS1302在進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，此位必須為高。該引腳有兩個(gè)功能：首先是CE 開(kāi)始控制字進(jìn)行訪問(wèn)移位寄存器的邏輯控制；其次是CE 提供結(jié)束單字節(jié)或者多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸方法。

3.3.2 DS1302讀寫(xiě)說(shuō)明

DS1302是 SPI 總線方式來(lái)驅(qū)動(dòng)。它不僅需要向寄存器寫(xiě)入控制字， 同時(shí)還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。

1：DS1302的讀寫(xiě)寄存器

DS1302的時(shí)間寄存器總共有12個(gè)，其中讀寄存器（81H-8DH）和寫(xiě)寄存器（81H-8DH）是以BCD碼格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。

表3.6 DS1302的讀寫(xiě)寄存器

DS1302小時(shí)寄存器（84H、85H）的位7應(yīng)用于DS1302是運(yùn)行的模式。即12小時(shí)制還是24小時(shí)制。當(dāng)位7為1時(shí)，表示12小時(shí)模式，此時(shí)相應(yīng)的寄存器位5為高時(shí)表示AM,為低時(shí)表示PM。當(dāng)位7為0時(shí)， 表示24小時(shí)模式。

DS1302秒寄存器（80H、81H）的位7應(yīng)用于時(shí)鐘暫停標(biāo)志（CH）位。當(dāng)該位為1時(shí)，時(shí)鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位為0時(shí)，時(shí)鐘開(kāi)始運(yùn)行。

DS1302 控制寄存器（8EH、8FH）的位7是寫(xiě)入保護(hù)位，其它7位均為0。當(dāng)WP位為0時(shí)可以開(kāi)始進(jìn)行對(duì)時(shí)鐘和RAW進(jìn)行寫(xiě)入，當(dāng)WP位為1時(shí)，禁止對(duì)寄存器的寫(xiě)入操作。

2：DS1302中靜態(tài)RAM地址

   DS1302在靜態(tài)工作模式下的RAW地址如表3.7所示。

表3.7 靜態(tài) RAM 的地址表

3：DS1302的工作模式寄存器

DS1302的工作模式寄存器又分為時(shí)鐘突發(fā)模式寄存器、RAW突發(fā)模式寄存器等。突發(fā)模式是指一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和 RAM 數(shù)據(jù)。 突發(fā)模式寄存器如表3.8所示。

表3.8突發(fā)模式寄存器

4：DS1302控制字符表

DS1302的控制字最高位（位7）必須是1，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，否則不能寫(xiě)入數(shù)據(jù)；次高位（位6）表示RAW數(shù)據(jù)或者時(shí)鐘日歷的存取，當(dāng)為1時(shí)表示RAW數(shù)據(jù)存取，為0則表示時(shí)鐘日歷的存取；接著是數(shù)據(jù)操作地址（位5-位1）；最后是位0表示數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，當(dāng)為1時(shí)表示讀操作，為0表示寫(xiě)操作。如表3.9所示。

表3.9              控制字（即地址及命令字節(jié)）

5：DS1302的讀寫(xiě)時(shí)序

DS1302數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)規(guī)則是在控制字的基礎(chǔ)上從低位到高位的輸出，每當(dāng)控制字指令輸入后下一個(gè)SCLK脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)就會(huì)被寫(xiě)入到DS1302中，數(shù)據(jù)從最低位開(kāi)始寫(xiě)入，下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，就會(huì)讀出DS1302里面的數(shù)據(jù)，讀出的規(guī)則也是從低位到高位。

圖3.8 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)序

3.3.3 DS1302時(shí)鐘采集模塊原理圖

圖3.9 DS1302原理圖

此圖為DS1302時(shí)鐘芯片模塊采集原理圖，X1和X2接的是時(shí)鐘晶振,,大小為32.768MHz，VCC1和VCC2分別接3V和5V電壓，I/O、SCLK和ST分別接單片機(jī)的P1.6、P1.7和P1.5引腳。

3.4 DS18B20芯片介紹及應(yīng)用

   DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的One－Wire，即單總線器件，它具有體積小而且線路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。它只有三個(gè)引腳，分別是接高電源、地信號(hào)和一條數(shù)據(jù)信號(hào)線，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而又方便。因此它廣泛應(yīng)用于溫度的測(cè)溫系統(tǒng)。

    DS18B20除了體積小、線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)外，它在實(shí)際應(yīng)用中不需要其它外部任何器件即可實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)溫功能，測(cè)量溫度范圍為－55—+125 °C 之間,如超出檢測(cè)的溫度,DS18B20將會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。數(shù)字溫度計(jì)的讀取可以從9位到12位選擇�？捎脭�(shù)據(jù)線供電，供電范圍+3.0-5.5V電壓。

3.4.1 DS18B20引腳功能

DS18B20器件的封裝引腳排列及引腳功能的描述如圖3.10和表3.10。

圖3.10（底視圖）

表3.10 DS18B20引腳功能

3.4.2 DS18B20的應(yīng)用及原理圖

DS18B20采用的是one－Wire總線協(xié)議方式連接，實(shí)際就是在一根數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，，然而對(duì)于51單片機(jī)在硬件上并不支持單總線協(xié)議方式的連接，因此我們采用軟件的方法來(lái)模擬單總線的協(xié)議方式來(lái)完成對(duì)DS18B20溫度芯片的訪問(wèn)。

DS18B20的讀寫(xiě)是在一根I/O線上進(jìn)行，因此，對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)有著嚴(yán)格的要求。DS18B20的通信協(xié)議也有著嚴(yán)格的要求來(lái)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼�確性和完整性。

DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼�確性和完整性。該通信協(xié)議又細(xì)分了幾種信號(hào)的時(shí)序，即：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。然而在這幾種時(shí)序的工作下都是以主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。數(shù)據(jù)的傳輸是在主機(jī)先啟動(dòng)讀入時(shí)序，讀出數(shù)據(jù)后進(jìn)入寫(xiě)時(shí)序命令，從而啟動(dòng)讀寫(xiě)時(shí)序功能，完成數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。下面為DS18B20在本次設(shè)計(jì)的溫度采集模塊原理圖3.11所示。

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溫度采集模塊圖主要是由DS18B20芯片進(jìn)行，通過(guò)AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和接受，從而再送到LCD1602，從LCD1602顯示出來(lái)。DS18B20只有三個(gè)引腳，分別是VCC為正電源接5V電壓，GND地信號(hào)接大地，最后是DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳連接AT89C51單片機(jī)的P1.0引腳。

4.1 交通燈程序設(shè)計(jì)的流程

4.1.1倒計(jì)時(shí)顯示的理論分析

利用定時(shí)器中斷，設(shè)置              TH0= (65536-50000)/256，TH1＝(65536-50000)%256，即每0.05秒中斷一次。每到第20次中斷即過(guò)了20*0.05秒＝1秒時(shí)，使時(shí)間的計(jì)數(shù)值減1，便實(shí)現(xiàn)了倒計(jì)時(shí)的功能。

4.1.2狀態(tài)燈顯示的理論分析

黃燈閃爍同樣可以利用定時(shí)器中斷。每到第10次中斷即過(guò)了10*0.05秒＝0.5秒時(shí)，使黃燈標(biāo)志位反置，即可讓黃燈1秒閃爍一次。

4.1.3 交通燈主程序設(shè)計(jì)流程

交通燈系統(tǒng)在正常模式下工作的

• 首先，正常進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，交通燈在默認(rèn)正常模式下工作，數(shù)碼管顯示時(shí)間為60。
• 交通信號(hào)燈開(kāi)始正常工作，右轉(zhuǎn)彎為常亮燈（綠色）。南北直行方向綠燈亮，其它方向亮紅燈，數(shù)碼管開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，南北方向從40倒計(jì)，東西方向從60倒計(jì)。
• 35S后，南北直行方向滅綠燈，閃爍黃燈，閃爍時(shí)間為5S。
• 40S后，南北直行方向亮紅燈，左轉(zhuǎn)方向亮綠燈，亮?xí)r15S，同時(shí)數(shù)碼管從20倒計(jì)，其它不變。
• 55S后，南北左轉(zhuǎn)方向滅綠燈，閃爍黃燈，閃爍時(shí)間為5S。
• 60S后，南北左轉(zhuǎn)方向黃燈滅，亮紅燈，數(shù)碼管從60倒計(jì)，東西直行方向亮綠燈，數(shù)碼管從40倒計(jì)，其它不變。
• 95S后，東西直行方向滅綠燈，閃爍黃燈，閃爍時(shí)間為5S。
• 100S后，東西直行方向滅黃燈，亮紅燈，左轉(zhuǎn)方向亮綠燈，亮?xí)r為15S，同時(shí)數(shù)碼管從20倒計(jì)，其它不變。
• 115S后，東西左轉(zhuǎn)方向滅綠燈，閃爍黃燈，閃爍時(shí)間為5S。
• 120S后，東西左轉(zhuǎn)方向滅黃燈，亮紅燈，數(shù)碼管從60倒計(jì)。南北直行亮綠燈，數(shù)碼管從40倒計(jì)。
  

4.2萬(wàn)年歷的設(shè)計(jì)流程

萬(wàn)年歷的設(shè)置一方面可以更好的顯示時(shí)間和溫度，其次可以對(duì)交通信號(hào)燈系統(tǒng)的控制，定時(shí)向交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)發(fā)出外部中斷，從而該變當(dāng)前工作模式,以致在實(shí)際中更具有實(shí)用性。

圖4.2 萬(wàn)年歷主程序流程圖

       此次萬(wàn)年歷的設(shè)計(jì)功能主要是兩個(gè)，一個(gè)是通過(guò)LCD1602顯示時(shí)間和溫度，另一個(gè)則是為交通信號(hào)燈提供外部定時(shí)中斷，從而改變當(dāng)前的工作模式。而萬(wàn)年歷的設(shè)計(jì)流程和普通設(shè)計(jì)的一樣，開(kāi)始先是對(duì)各種芯片的初始化，接著是從DS1302、DS18B20讀取時(shí)間和溫度信息，從而傳送到AT89C51單片機(jī)進(jìn)行時(shí)間、溫度的分離轉(zhuǎn)化，再傳送到LCD1602顯示出來(lái)，其次是時(shí)間的調(diào)整和校正，通過(guò)調(diào)整按鍵可以對(duì)秒、分、時(shí)、星期、日、月和年進(jìn)行加減1的修改。最近是定時(shí)發(fā)出外部中斷，利用IF語(yǔ)句進(jìn)行判斷，適合條件則輸出低電平到交通信號(hào)燈，否則為高電平。從而達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的。

4.3萬(wàn)年歷時(shí)間的調(diào)整流程

本次萬(wàn)年歷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只是采用DS1302進(jìn)行時(shí)間的掃描和讀取，而沒(méi)用進(jìn)行掉電保存電路的設(shè)計(jì)，因此在每次硬件的開(kāi)啟，系統(tǒng)都是進(jìn)入初始化設(shè)置，以致要進(jìn)行時(shí)間的調(diào)整和校正。

圖4.3 時(shí)間調(diào)整控制圖

時(shí)間的調(diào)整程序設(shè)計(jì)。首先，系統(tǒng)在正常工作下，由DS1302時(shí)鐘芯片進(jìn)行時(shí)間的讀取，傳遞到AT89C51單片機(jī)進(jìn)行對(duì)時(shí)間進(jìn)行分離和轉(zhuǎn)化，最后由LCD1602顯示出來(lái)。在進(jìn)行時(shí)間的調(diào)整和校正時(shí)，先進(jìn)入調(diào)整模式，即按下第一個(gè)按鍵，執(zhí)行調(diào)整程序，先是進(jìn)入秒程序調(diào)整，按加減按鍵相應(yīng)的進(jìn)行加1或減1，再按調(diào)整切換鍵進(jìn)入分程序調(diào)整，按加減減進(jìn)行相應(yīng)的加1減1，再接著是時(shí)、星期、日、月、年的調(diào)整。按加減鍵進(jìn)行相應(yīng)的加減1，在進(jìn)行調(diào)整途中，如果按退出時(shí)間調(diào)整按鍵都將會(huì)退出時(shí)間調(diào)整程序。如圖4.3時(shí)間調(diào)整控制圖所示。

4.4交通信號(hào)系統(tǒng)工作模式的工作流程

圖4.4 工作模式切換圖

開(kāi)始進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，默認(rèn)模式為正常模式60S，到了早上7:00時(shí)上班高峰期，萬(wàn)年歷發(fā)出中斷，從而使系統(tǒng)進(jìn)入繁忙模式45S，從而可以減少路口上交通的擁堵。時(shí)間到了早上9:00，車(chē)輛逐漸減少，萬(wàn)年歷又發(fā)出定時(shí)中斷使系統(tǒng)進(jìn)入正常模式，到了11：00，萬(wàn)年歷再次發(fā)出定時(shí)中斷，重新使系統(tǒng)進(jìn)入繁忙模式，減少車(chē)輛的擁堵。到了下午14:00，萬(wàn)年歷發(fā)出定時(shí)中斷，使系統(tǒng)進(jìn)入正常模式，在正常模式下運(yùn)行到下午17:00下班時(shí)間，為了減少交通的擁堵，萬(wàn)年歷發(fā)出定時(shí)中斷，使系統(tǒng)進(jìn)入繁忙模式，到了晚上19:00，道口上車(chē)輛減少，萬(wàn)年歷最后發(fā)出定時(shí)中斷，使系統(tǒng)在正常模式下正常運(yùn)行。系統(tǒng)在正常模式、繁忙模式和特殊模式下運(yùn)行時(shí)，還可以進(jìn)行外部手動(dòng)進(jìn)行中斷來(lái)進(jìn)行通行時(shí)間的調(diào)整。如：在正常模式下按下繁忙模式，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入繁忙模式，當(dāng)下次中斷再次到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)中斷的要求而進(jìn)入相應(yīng)的模式，不會(huì)受上次中斷或下次中斷的影響。

5.1 PROTEUS仿真圖

整個(gè)交通燈控制系統(tǒng)在PROTEUS仿真圖中的仿真如下所示，雙向通行，倒計(jì)時(shí)是2位時(shí)間提醒。每個(gè)路口分別有左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)，分別有紅燈、綠燈和黃燈提示。每個(gè)路口還相應(yīng)配有行人的紅綠燈指示 。圖右上角數(shù)碼管顯示的工作模式，60代表是在正常模式下工作，45和75分別代表是在繁忙模式和特殊模式，右下角是開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)按鍵，左邊三個(gè)開(kāi)關(guān)從上到下是交通燈各種模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，右邊四個(gè)是時(shí)間調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，從而更具有實(shí)用性。

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圖5.1 PROTEUS仿真圖

5.2 硬件實(shí)物圖

   此次硬件實(shí)物的設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是電子器件的設(shè)計(jì)，另一部分是顯示界面的設(shè)計(jì)。電子器件的設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)置、DS1302時(shí)鐘模塊的設(shè)置、DS18B20溫度模塊的設(shè)置以及非門(mén)74HC04的設(shè)置等；顯示界面的設(shè)置主要是LCD1602液晶顯示模塊、各個(gè)方向數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)、數(shù)碼管顯示系統(tǒng)工作模式、各個(gè)道口的交通燈、人行道的交通燈以及控制開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)按鍵的設(shè)置。兩部分的分開(kāi)設(shè)計(jì)可以使實(shí)物顯得更美觀，同時(shí)對(duì)于實(shí)物的器件的修改和調(diào)整也提供了更好的條件。也更聯(lián)系了實(shí)際生活，顯得簡(jiǎn)單、整潔和美觀。

顯示界面如圖5.2所示。

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圖5.2 硬件實(shí)物圖

本次基于單片機(jī)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在一般交通燈的基礎(chǔ)上加上時(shí)間的智能控制，從而改變各方向通行的時(shí)間。因此本次智能交通燈的設(shè)計(jì)可以更好的解決了車(chē)流量較大的十字路口車(chē)輛的通行，與一般交通燈相比，它更具有實(shí)用性、簡(jiǎn)單化和智能化。從而也更好的應(yīng)用到實(shí)際生活中，因此具有一定的實(shí)用價(jià)值。

此次基于單片機(jī)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以說(shuō)得到了成功，但是還是存在很多的不足和缺陷。如：工作模式的時(shí)間只有三種選擇，而不能通過(guò)按鍵進(jìn)行隨意更改，工作模式時(shí)間的智能切換也不能進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，以及對(duì)通過(guò)道口車(chē)流量的統(tǒng)計(jì)、車(chē)輛速度的檢測(cè)和拍攝功能等都還沒(méi)實(shí)現(xiàn)，而且此次設(shè)計(jì)需要用到的電子元器件較多，從經(jīng)濟(jì)上不劃算，因此本次基于單片機(jī)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也還存在著很大的不足，還有待改善。

歷時(shí)三個(gè)月的設(shè)計(jì)已經(jīng)告一段落。經(jīng)過(guò)自己不斷的搜索努力以及大家的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。同時(shí)系里興趣小組實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放和大部分興趣小組同學(xué)也為我的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，在他們的幫助和指導(dǎo)下得到了完成。在此對(duì)于他們的幫助給與深刻的致謝。

在本次基于單片機(jī)的交通信號(hào)燈的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一路遇到了很多的困難，首先從開(kāi)始電路原理圖的設(shè)計(jì)、畫(huà)PCB圖和制板都遇到了困難。先是對(duì)芯片的不理解，專業(yè)知識(shí)的不夠從而導(dǎo)致在程序的編寫(xiě)中經(jīng)常出錯(cuò)。接著是在最后的調(diào)試中，由于本次設(shè)計(jì)分為兩塊電路板，線路繁多因此也很容易混亂等問(wèn)題。但是在大家的幫助和鼓勵(lì)下一一得到了解決。

通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我對(duì)自己有了一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)。認(rèn)識(shí)到了自己專業(yè)知識(shí)的不足和專業(yè)知識(shí)的重要性，同時(shí)也理解了理論要聯(lián)系實(shí)際含義。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)也檢驗(yàn)了自己的學(xué)習(xí)成果，認(rèn)識(shí)到了自己的不足和缺陷，在今后的工作和學(xué)習(xí)中將會(huì)繼續(xù)努力，不斷完善，從而為今后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中一定還存在很多不足之處，敬請(qǐng)各位批評(píng)指正。