基于MCS-51十字路口交通灯控制系统设计(二)

（2）8051开发工具

KEIL C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编 器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。

C51是目前最高效、灵活的8051开发平台。它可以支持所有8051的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器，同时支持其它第三方开发工具。

（2）编辑器和调试器

uVision2编辑器包含了所有用户熟悉的特性。彩色语法显像和文件辩识都对C源代码进行和优化。可以在编辑器内调试程序并且可以编写或使用类似C的数语言进行调试。

（3）测试程序

uVision2调试器具备所有常规源极调试，符号调试特性以及历史跟踪，代码覆盖，复杂断点等功能。DDE界面和shift语言支持自动程序测试。

2、总体方案设计

2.1十字路口交通灯的原理

图2.1是十字路口交通信号灯示意图, 本系统的控制对象有八个，分别为东西方向红灯两个，南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。本控制系统律分为高峰时段和正常时段进行控制，晚上时段按提示敬告方式运行，规律为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。

图2-1十字路口交通信号灯的示意图

正常时段(8时~16时、18时~6时)：

南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭，在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。

东西红灯亮维持30秒，南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒后熄灭，同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭。这时南北红灯又亮，东西绿灯又同时亮，如此周而复始。

高峰时段（6时~8时、16时~18时）：

南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭，在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。

东西红灯亮维持40秒，南北绿灯亮维持35秒，然后闪亮3秒后熄灭，同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭。这时南北红灯又亮，东西绿灯又同时亮，如此周而复始。

2.2设计要求及可实现功能

本系统由PLC系统、键盘、LED 显示、交通灯演示系统组成。由MCS-51PLC组成PLC最小应用系统，控制南北，东西两条干线十字路口的交通信号灯的亮灭，使两条干线交替成为放行线和禁止线。

系统包括人行道、左转、右转、以及基本的交通灯的功能。除基本交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、分时段调整信号灯的点亮时间、违规车辆检测以及根据具体情况手动控制等功能。

2.3交通灯显示规律分析

2.3.1交通灯时序显示

对于一个交通路口来说，能在最短的时间内达到最大的车流量，就算是达到了最佳的性能，我们称在单位时间内多能达到的最大车流为车流量，用公式：车流量= 车流 / 时间 来表示。

图2-2标号设定

图2-3规则状态图

说明：此图为直方图，上边为北路口灯，右边为东路口灯，下边为南路口灯，左边为西路口灯。图2－3] 所示为一种红绿灯规则的状态图，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四种状态为一个周期，循环执行见图2-4。

图2-4(a)车辆行驶状态S1                图2-4(b)车辆行驶状态S2

  

图2-4(c)车辆行驶状态S3          图2-4(d)车辆行驶状态S4

2-4 交通灯四种状态

请注意图2－4(b)]和图2－4(d)]，它们在一个时间段中四个方向都可以通车，这种状态能在一定的时间内达到较大的车流量，效率特别高。

依据上述的车辆行驶的状态图，可以列出各个路口灯的逻辑表，由于相向的灯的状态图是一样的，所以只需写出相邻路口的灯的逻辑表；根据图2－4可以看出，相邻路口的灯它们的状态在相位上相差180°。因此最终只需写出一组S1、S2、S3、S4的逻辑状态表。如表2－1所示。

表2-1 交通灯的循环逻辑表

S1的状态 A B C D E F G H

逻辑值

显示时间 从40秒到0秒

S2的状态 A B C D E F G H

逻辑值

显示时间 从30秒到0秒

S3的状态 A B C D E F G H

逻辑值

显示时间 从70秒到30秒

S4的状态 A B C D E F G H

逻辑值

显示时间 从30秒到0秒

表中的“×”代表是红灯亮（也代表逻辑上的0），“√”是代表绿灯亮（也代表逻辑上的1），依上表，就可以向相应的端口送逻辑值。

2.3.2交通灯时间显示方案

东西和南北方向的放行时间的长短是依据路口的各个方向平时的车流量来设定，并且S1、S2、S3、S4各个状态保持的时间之有严格的对应关系，其公式如下所示：

T-S1+T-S2=T-S3

T-S2=T-S4

T-S1=T-S3

我们可以依据上述的标准来改变车辆的放行时间。按照一般的规则，一个十字路口可分为主干道和次干道，主干道的放行时间大于次干道的放行时间，我们设定值时也应以此为参考。

2.4方案选择

本文采用以PLC为核心本系统采用MSC-51系列PLC80c51为中心器件来设计交通灯控制器，采用C语言为程序编译语言，使用Keil CPLC软件完成编辑、编译、连接、调试、仿真等流程。该系统具体分为输入模块、界面显示模块、电源模块以进行方案设计与选择。

2.4.1输入模块

对于本系统要求的能手动设灯亮时间、紧急情况处理，我们讨论了两种方案：

方案一：采用8155扩展I/O 口及键盘，显示等。该方案的优点是：使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。若用该方案，可提供较多I/O 口,但操作起来稍显复杂。

方案二： 直接在IO口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用四个按键，分别是K1、K2、K3、K4。由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用PLC本身的I/O 口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。

2.4.2界面显示模块

该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，我们考虑了三种方案：

方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任题目要求。

方案二：完全采用点阵式LED 显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。

方案三：采用数码管与点阵LED 相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。

权衡利弊，第三种方案可互补一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。

2.4.3电源模块

为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案：

方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。

方案二：采用PLC控制模块提供电源。本方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。

综上所述，我们选择第二种方案，如图2-5。

图2-5 电源电路

3、硬件系统设计

3.1 LED显示控制电路

红绿灯的显示采用普通的发光二极管，每个方向上设置红绿黄灯及行人灯各一个，共四组，如图3-1所示。如果东西方向红灯亮那南北方向就是绿灯，反之亦然，所以在硬件连接图上也成对称分布。

图3-1 LED控制电路

3.2计时器显示电路

8段LED是一种常用的数码显示屏。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因而把它叫做LED数码管。由于在数码管的右下角增加了一个小数点，形成了所谓的8段数码管。E10501是属于共阴极类型的数码管，只要公共端接地，其他端送上高电平就能点亮。E10501不仅具有工作电压低，体积小，寿命长，可靠性高等优点，而且响应时间短（一般不超过0.1微秒），亮度也比较高。缺点是工作电流比较高，一般工作电流都在10毫安左右。E10501的外形图和等效电路图如图3-2(a)]所示。

 

图3-2(a) E10501外形图               图3-2(b) E10501等效电路图

LED段显示数码管的设置为每个方位上一对2位显示器。四个方位上总共有8个LED接在PLC的I/O口上。显示时我们不需要小数点，所以每个LED的10根管脚只用了9根。连接后的时间显示电路，如图3-2(b)]所示，虽然路口不一样，但是显示的时间在数字上是一样的，所以两边连接的I/O口是对称的,原理图如图3-2(c)。

图3-2(c) 数码管显示

3.3车辆违规检测电路

在红灯和黄灯期间,车辆是禁止通行的.为了对那些违反规则的车辆进行检测,受条件限制,本系统设计中只使用了普通光敏二极管。基本设计思路如下：将光敏二极管放在停车线上，当车辆通过的时候，因光敏二极管给遮住，二极管就不导通，PLC检测到这一信号后就执行报警操作。但是，显然在实际中，使用发光二极管无法实现。违规车辆检测电路除了使用光敏二极管，还使用了三极管，型号为9031。由于普通的光敏二极管的开关性能不是很好，所以在设计中加个三极管做开关。由于普通光敏二极管在导通的情况下的电阻能达到0.5—1k，所以在设计中将光敏二极管直接接上了电源。同时三极管还可以起到一定的隔离作用。当光敏二极管关断时，三极管的基极为低电平，基极与发射极之间电压为零，三极管关断，检测口的电压为高电平；同理，当光敏二极管导通时，三极管的基极电压为高电平，基极与发射极之间的电压为高，三极管导通，检测口的电压为低电平。基于此就可以检测是否有车辆违章,其原理图如图3-3。

图3-3 违规检测电路