基于单片机的十字路口交通灯控制器的设计.doc

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1、基于单片机的十字路口交通灯控制系统的设计摘要：近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过AT89C51芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时

2、间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过PA口输出，显示时间直接通过8255的PC口输出至双位数码管）；车辆闯红灯报警；通过设置“看门狗电路”来防止单片机死机，提高单片机系统的抗干扰性；绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。 关键词：单片机 交通灯 闯红灯 检测车流量MCU-based design of intersection traffic signal controllerAbstract：With the rapid development of science and technology in recent

3、years, the application of MCU is a growing, while driving more traditional control detection technology updates. In real-time detection and automatic control of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core component, only the microcontroller is not enough knowledge,

4、but also according to the specific combination of hardware architecture of hardware and software, to be improved. Crossroads shuttle vehicles, pedestrians bustling, car dealers lane, one pedestrian and orderly. Then rely on to achieve this discipline of the order it?Is the traffic lights by the auto

5、matic control system. Many traffic lights control. This system uses the MSC-51 Series MCU ATSC51 and programmable parallel I/O interface chip 8255A-centered design of traffic light controller device to realize the actual traffic flow according to the P1 port through AT89C51 to set the red, green bri

6、ghten time function; traffic light cycle lights, countdown 5 seconds left when the yellow light flashing warning (traffic signal through the PA port output, display the time directly through the 8255s PC port to double-digit LED output); car runs a red light to alarm; by setting the gatekeeper dog c

7、ircuit to prevent crashes MCU, MCU system to improve noise immunity; green time of traffic flow can be detected by double-digit digital display. This system is practical, simple and strong extensions. Keywords:MCU Traffic lightsRunning red lightsDetect traffic目 录1 引言12 系统总体方案22.1 交通管理的方案论证22.2 交通灯控制

8、的功能要求42.3 系统总框图52.4 系统工作原理63 系统硬件设计73.1 AT89C51单片机简介73.2 89C51单片机复位电路93.3 时钟电路103.4 键盘接口电路113.5 8255A与74LS373简介123.6 八段LED数码管显示电路153.7 看门狗硬件电路173.8 红外对管检测电路183.9 驱动和放大电路193.10 交通指示灯电路213.11 报警电路和按键控制电路224 系统软件设计244.1 1秒的设定和T0定时器244.2 东西、南北路口红外检测中断子程序264.3 1ms软件延时子程序274.4 时间显示子程序284.5 黄灯闪烁5s子程序294.6

9、检测车流量与显示子程序304.7 报警子程序314.8 主程序31结论33致34参考文献35附录A 总硬件电路图36附录B 十字路口交通灯控制器的代码3743 / 471 引言交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济、生产与生活的各个方面。我国机动车辆发展迅速，而城镇道路建设由于历史等各种原因相对滞后。道路拥挤、阻塞现象与交通事故常有发生。如何利用当今自动控制技术，有效地疏导交通，提高城镇交通路口的通行能力，提高车辆速度，减少交通事故是值得我们研究的新课题。交通灯是城市交通中的重要指挥系统，它与人们日常生活密切相关。随着人们生活水平的提高，对交通管制也提出了更高的要求，因此提供一个可靠

10、、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。本设计旨在设计出一款良好的交通灯控制系统来改善交通紊乱问题，目的性强，也具有很强的现实意义。国外学者对这一学科也早有研究，控制方案各种各样，并且各有优缺点。从1868年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，城市交通信号机由手动到自动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年的历史1。到1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市道路交通信号系统的发展进入了一个新的阶段。之后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区

11、域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。在西方发达国家，交通控制系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通控制系统ITS（Intelligent Transport systems）的转变2。而在我国，智能交通系统则刚刚处于起步阶段。在20世纪90年代初，我国的相关学者开始意识到研究和开发ITS的重要性。到90年代中期，由于受到国外ITS研发的影响，政府部门也开始重视对ITS的研究。基于整个交通控制系统的发展情况，本设计主要进行如下方面的研究：用智能，集成，且功能强大的MCS-51系列单片机中的AT89C51为控制中心，设计出一套十字路口的交通控制系统，以指挥该路口

12、的实时通行状态。本设计除了有红、黄、绿信号灯状态控制能实现基本的交通功能外，还增加了倒计时显示提示，基于实际情况，又要求了对车流量检测功能，“看门狗芯片”保护功能，违规检测与处理、键盘可设置等强大功能，以方便人们的生活需求。2 系统总体方案2.1 交通管理的方案论证 方案设想东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间5。设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案见表2.1。表2.1指示灯的燃亮方案60S5S80S5S东西道

13、红灯亮黄灯亮绿灯亮黄灯亮南北道绿灯亮黄灯亮红灯亮黄灯亮表2.1说明：（1）当东西方向为红灯，此道车辆和行人禁止通行；南北道为绿灯，此道车辆和行人通过。时间为60秒。（2）黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过。时间为80秒。东西方向车流大通行时间长。（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。 键盘控制方案键盘分为独立式键盘和行列式键盘3。本次设计考虑了这两种键盘方案：方案一：采用行列式键盘。行列式键盘每条行线与列线在交叉处不直接相通，而是通过一个按键加以连接，当按键

14、较多时可采用行列式键盘以节省I/O接口。方案二：采用独立式键盘。独立式键盘接口电路配置灵活，硬件结构简单，工作可靠但每个按键必须占用一跟I/O接口线，I/O接口线浪费较大，在单片机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息，可将按键直接在一根I/O接口线上，故只在按键数量不多时采用。本设计应用的接口数量不多，故选择此方案。 看门狗保护方案在单片机系统中，看门狗的设计一般采用硬件和软件两种方式。本次设计考虑了这两种方案：方案一：采用软件看门狗。软件看门狗是利用单片机片闲置的定时器/计数器单元作为看门狗，在单片机程序中适当的插入监控指令，当程序出现异常或进入死循环时，利用软件将程序计数器P

15、C赋予初始值，强制性的使程序重新开始运行。软件看门狗的最大特点是无须外加硬件电路，经济性好，但可靠性差，需要占用系统存。当然，如果片的定时器/计数器被占用，就需要寻求其它的设计方式了。方案二：采用硬件看门狗。硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机的专用看门狗电路，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到时，发出溢出脉冲4。从实现角度上看，该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件电路连接好后，在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令，保证程序正常运行时看门狗不溢出。而当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，通过单片机的RESET引脚使单片机复位。该方案可靠性高，不需要占用系统存。但需要

16、外加硬件电路，经济性较差。由于本设计中的安全性要求较高，所以采用硬件看门狗方案。 显示控制方案这里同样讨论了两种方案：方案一：采用静态显示。静态显示由于占用较多的接口，在单片机设计中常采用串行扩展来完成。该方案占用接口资源多，显示亮度由保证，但硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，实用于并行接口资源较少以与对显示没有要求的场合。方案二：采用动态显示。LED动态显示硬件连接简单，比较节省I/O接口，但其亮度不如静态显示方式，且动态扫描的显示方式在显示位数较多时，CPU要依次扫描，需占用CPU较多的时间。在该系统中由于单片机除了扫描89C51芯片外没有太多的实时测控任务，故本设计中采用动态扫描方式

17、。2.2 交通灯控制的功能要求本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，车流量检测与调整，交通违规处理等功能。（1）倒计时显示倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。（2）车流量检测与调整随着我国经济建设的蓬勃发展，城市人口和机动车拥有量在急剧

18、增长，交通流量日益加大，交通拥挤堵塞现象日趋严重，交通事故时有发生。车辆检测器作为智能交通系统的基本组成部分，在智能交通系统中占有重要的地位。现阶段，车辆检测器检测方式有很多，各有其优缺点，如红外线检测器、地磁检测器、机械压电检测器，磁频检测器、波频检测器、视频检测器等。一般车流量检测器采用传感器+单片机+外围器件来实现6。而且，目前国使用的红绿灯都是固定的红绿灯时间，并自动切换。红灯时间和绿灯时间，是根据道口东西向和南北向的车流量，利用统计方法确定的。交通警察不断观察十字路口的两个方向，根据车辆密度和流速决定是否切换红绿灯，以保证最佳的道路交通控制状态。（3）时间手动设置除系统根据车流量自动

19、控制调整，也可以通过键盘进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生。键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费I/O口资源，一般用于按键数量少的系统7。后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I/O口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。本系统要求的按键控制不多，且I/O口足够，可直接采用独立式。（4）违规检测交通规则必须人人遵守，但是违反规则，如闯红灯等，也时有发生，交警等交通管理人员虽然可以进行实时监管，但是耗费精力，在路口设置检测传感器就可以进行自动的警报提示。2.3 系统总框图本设计

20、以单片机为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块：单片机控制系统、键盘与状态显示、倒计时模块、看门狗电路模块、红外对管检测模块等。单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。本系统在此基础上，加入了违规检测电路和车流量检测电路为单片机采集数据，单片机对此进行具体处理，与时调整控制指挥，为了超越视觉指挥的局限性，同时接上蜂鸣器，在听觉上加强了指挥提醒作用。键盘设置模块对系统输入模式选择与具体通行时间设置的信号，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输

21、入到LED数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号，以达到对异常状态进行实时控制的目的。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构是本设计的亮点。图2.1总体框图据此，本设计系统以单片机为控制核心，由车流量检测模块，违规检测模块，和按键设置模块等产生输入，信号灯状态模块，8段LED数码管倒计时模块和蜂鸣器状态模块接受输出。系统的总体框图如图2.1所示。2.4 系统工作原理（1）开关键盘输入交通灯初始时间，通过8051单片机P1口输入到系统（2）由8051单片机的定时器每秒钟通过P0口向8255的数据口送信息，由8255

22、的PA口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由8255的PC口显示每个灯的燃亮时间。（3）通过8051的P1口设置各个信号灯的燃亮时间，设置绿、红时间分别为60秒、80秒循环由8051的P0口向8255的数据口输出。（4）通过8051单片机的P3.1位来控制系统是继续工作或设置初值，当P3.1位为0，就对系统进行初始化，为1系统就继续工作。（5）红灯倒计时时间，交通指示灯红灯亮，当有车辆闯红灯时，单片机中断，进入中断服务子程序，启动蜂鸣器进行报警，3S后然后恢复正常。（6）红灯时间倒计时完毕，黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。（6）绿灯倒计时时间，增加每次绿灯时间车流量检测的功能，若

23、检测到车辆经过，进入相应的中断子程序，将存储车流量的计数器加1，并且通过查询P2.4和P2.5端口的电平是否为低，当开关按下为低电平，双位数码管显示车流量，直到下一次绿灯时间重新记入。（7）绿灯时间倒计时完毕，黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。重新循环。3 系统硬件设计硬件有单片机、存储器、若干I/O（扩展）接口、驱动器件、保护器件、检测器件与外围设备等组成。其中单片机是整个系统的核心部件，能运行程序和处理数据。存储器用于存储单片机程序和数据。I/O接口是单片机与外部被控制对象交换的信息通道，包括以下与部分数字量I/O接口（频率、脉冲等）、开关量I/O接口（继电器开关、五触电

24、开关、电磁阀等）、模拟量I/O接口（A/D或D/A转换电路）。有时需要扩展I/O接口来满足单片机接口数量上的不足，通常采用8255芯片。通用外部设备室进行人机对话的纽带，包括键盘、显示器等。3.1 AT89C51单片机简介3.1.1 AT89C51单片机部结构AT89C51是8051系列单片机的典型产品，AT89C51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元与数据总线、地址总线和控制总线等三大总线8，如图3.1所示。图3.1总线结构现在说明如下：（1）中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽

25、度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。（2）数据存储器(RAM)AT89C51部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。（3）存储器(ROM)AT89C51共有4KB个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。（4）定时/计数器(ROM)AT89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中

26、断用于控制程序转向。（5）并行输入输出(I/O)口AT89C51共有4组8位I/O口（P0、P1、P2和P3），用于对外部数据的传输。（6）全双工串行口AT89C51置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。（7）中断系统AT89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。（8）时钟电路AT89C51置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但AT89C51单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储

27、器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的AT89C51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构9。3.1.2 89C51单片机的引脚89C51单片机部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的。89C51有40条引脚,与其他51系列单片机引脚是兼容的10。这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分.，89C51单片机为双列直插式封装结构,引脚如图3.2所示。图3.289C51引脚分配

28、图89C51单机的电源线有以下两种：（1）VCC：+5V电源线。电源线。（2）GND：接地线。89C51单片机的外接晶体引脚有以下两种：（1）XTAL1：片振荡器反相放大器的输入端和部时钟工作的输入端。采用部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。（2）XTAL2：片振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。外接晶体引脚。控制线89C51单片机的控制线有以下几种：（1）RST：复位输入端，高电平有效。（2）：地址锁存允许/编程线。（3）：外部程序存储器的读选通线。（4）：片外ROM允许访问端/编程电源端。3.2 89C51单片机复位电路单

29、片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器CPU以与其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作。89C51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位.复位后,PC程序计数器的容为0000H,片RAM中容不变.复位电路一般有上电复位和上电按键手动复位2种,如图3.3所示。本设计中复位方式采用上电按键手动复位方式。 上电复位 上电按键手动复位图3.3单片机复位电路3.3 时钟电路单片机的晶振电路，即

30、所谓的时钟电路。单片机的工作流程，就是在系统时钟的作用下，一条一条地执行存储器中的程序。单片机的时钟方式分为部时钟方式和外部时钟方式，如图3.4所示。单片机的外部时钟方式由外接时钟源提供，频率围较广。单片机的部时钟方式由外接的一只晶振和两只起振电容，以与单片机部的时钟电路组成，频率围有限，晶振的频率越高，单片机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。单片机系统常用的晶振频率有6MHz、11.0592MHz、12MHz。本系统采用11.0592MHz晶振，电容选22pF或30pF均可。本系统采用部时钟方式电路。图3.4时钟电路3.4 键盘接口电路在单片机应用系统中，常用键盘作为

31、输入设备，通过它将数据、存地址、命令与指令等输入到系统中，来实现简单的人机通信。本设计中采用独立式键盘。独立式键盘的接口电路：在单片机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息。这时，可将每个按键直接接在一根I/O接口线上，这种连接方式的键盘称为独立式键盘。如图3.5所示，每个独立按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响到其他I/O接口线。这种按键接口电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O线，I/O接口线浪费较大。故只在按键数量不多时采用这种按键电路。在此电路中，按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O接口线有确定的高电平。当

32、I/O接口部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。图3.5键盘接口电路单片机接口与对应的数值功能见表3.1。表3.1接口与对应的数值功能表P3.1P1.7P1.6P1.0设置红灯初值设置绿灯初值1*否否0000H01H.63H否01.99100H01H.63H01.99否当S9按下时P3.1为低电平，设置初值（当S8按下时设置设置绿灯初值，当S8断开时设置红灯初值）；当S9断开时，不重新设置红绿灯初值。3.5 8255A与74LS373简介3.5.18255A简介（1）8255A可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即A口、B口和C口，对应于引脚PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。其部

33、还有一个控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作为输入输出的数据端口。C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每个端口包含一个4位锁存器。它们分别与端口A/B配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入12。引脚图如图3.6所示。图3.68255A引脚图8255A可编程并行接口芯片方式控制字格式说明：8255A有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是C口按位置位复位控制字。其中C口按位置位/复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故在此不作叙述。方式控制字格式说明见表3.2。表3.2方式控制字格式D7D6D5D4D3D2D1D0D7：设定工作方式标志，

34、1有效。D6、D5：A口方式选择。00方式001方式11方式2D4：A口功能（1=输入，0=输出）。D3：C口高4位功能（1=输入，0=输出）。D2：B口方式选择（0=方式0，1=方式1）。D1：B口功能（1=输入，0=输出）。D0：C口低4位功能（1=输入，0=输出）。8255A可编程并行接口芯片工作方式说明：方式0：基本输入输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端口都可以用作输入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。方式1：选通输入输出方式。这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出，C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。方式2：双向总线方式。只有A口具备双向总线方式，

35、8位外设线用作输入或输出，此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。（2）8255A常用于8051并行口的扩展。8051虽然有4个8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因为P2和P0口通常用于传送外部传送地址和数据,P3口也有它的第二功能。因此，8051通常需要扩展。由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个I/O端口，显然8051的端口是不够，需要扩展。扩展的方法有两种：1）借用外部RAM地址来扩展I/O端口；2）采用I/O接口芯片来扩充。我们用8255A并行接口芯片来扩展I/O端口。（3）8255A与AT89C51的连接：用AT8

36、9C51的P0口的p0.7连接8255的片选信号CS我们用89C51的地址采用全译码方式，当P0.7=0时片选有效,其他无效,P0.1,P0.0用于选择8255端口。P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A00 X X X X X 0 0 00H为8255 的PA口0 X X X X X 0 1 01H 为8255的PB口0 X X X X X 1 0 02H 为8255的PC口0 X X X X X 1 1 03H 为8255的控制口由于89C51是分时对8255和储存器进行访问,所以与89C51的P0口不会发

37、生冲突。3.5.274LS373简介74LS373是一种带三态门的8D锁存器，本设计应用74LS373作为89C51的P0口地址锁存器，其管脚示意图如图3.7所示。图3.774LS373引脚其中：1D-8D为8个输入端。1Q-8Q为8个输出端。C为数据打入端：当C为“1”时，锁存器输出状态同输入状态；当C由“1”变“0”时，数据打入锁存器。为输出允许端：当=0时，三态门打开；当=1时，三态门关闭，输出高阻。3.6 八段LED数码管显示电路LED数码管显示器是由发光二极管显示字段的MCS-51单片机输出设备。LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。以八段共阴管为例，它

38、有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管，用来显示dp，即点)。单片机应用系统常采用八段LED数码管作为显示器，这种显示器具有耗电低、配置灵活、线路简单、安装方便、耐转动、价格低廉且寿命长等优点16。因此应用比较广泛。LED数码管显示器可以分为共阴极和共阳极两种结构。（1）共阴极结构：如果所有的发光二极管的阴极接在一起，称为共阴极结构，则数码显示段输入高电平有效，当某段输入高电平该段便发光，如图3.8所示。本设计中采用这种结构。（2）共阳极结构：如果所有的发光二极管的阳极接在一起，称为共阳极结构，则数码显示段输入低平有效，当某段输入低电平该段便发光，如图3.8所示。图3.8八段LED显示器LE

39、D灯的显示原理：通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形。以共阴极结构为例，如dp，g,f,e,d,c,b,a管角上加上7FH，因此dp上为0v，则二极管全亮显示为8。采用共阴极连接驱动代码，代码见表3.3。表3.3驱动代码表显示数值 dp g f e d c b a 驱动代码（16进制）0 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH1 0 0 0 0 0 1 1 006H2 0 1 0 1 1 0 1 15BH3 0 1 0 0 1 1 1 14FH4 0 1 1 0 0 1 1 066H5 0 1 1 0 1 1 0 06DH6 0 1 1 1 1 1 0 07DH

40、7 0 0 0 0 0 1 1 107H8 0 1 1 1 1 1 1 17FHLED8段数码管的设置为每个方位上的一对双位数码管。四个方位上总共用8个LED数码管接在单片机的I/O扩展口8255上。虽然东、西或南、北道路口不一样，但是显示的时间在数字上是一样的，所以两边连接的数码管是对称的。如图3.9所示。图3.9LED双位数码管显示电路其中PC0PC7作为段选码，PB0PB3作为位选码。3.7 看门狗硬件电路由于单片机自身的抗干扰能力比较差，尤其在一些条件比较恶劣、噪声大的场合，常会出现单片机因为受外界干扰而导致死机的现象，造成系统不能正常工作。设置看门狗是为了防止单片机死机、提高单片机系

41、统抗干扰性的一种重要途径17。在一个单片机应用系统中，所谓的“看门狗”是指在系统设计过软件或硬件方式在一定的周期监控单片机或其它CPU的运行情况。如果在规定的时间没有收到来自单片机或其它CPU的触发信号，则系统会强制复位，以保证系统在受到干扰时仍能够维持正常的工作状态。在单片机系统中，看门狗的设计一般采用硬件和软件两种方式。这里采用硬件看门狗方式18。硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机的专用看门狗电路，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到时，发出溢出脉冲。从实现角度上看，该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件电路连接好后，在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令，保证程序正常

42、运行时看门狗不溢出。而当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，通过单片机的RESET引脚使单片机复位。这种方式中，看门狗能否可靠有效地工作，与硬件组成与软件的控制策略都有密切的关系。目前常用的集成看门狗电路很多，如MAX705708、MAX813L、X5043/5045等20。这里，以专用芯片MAX692作为外部看门狗的电路。MAX692是微系统监控电路芯片，具有后备电池切换、掉电判别、看门狗监控等功能。其引脚说明如图3.10所示。图3.10MAX692引脚VOUT：电源输出引脚。VCC：接电源引脚，电源供电3.05.5V。GND：接地。PFI：电池故障输入。：电池故障输出。WDI：监视器输

43、入引脚。：复位输出引脚，低电平有效。VBATT：后备电池输入端。MAX692在本设计中的使用：WDI是看门狗监测输入脚，接到CPU的一个专用I/O口或一个总线上，这里接到P0.7口上。是复位信号输出脚，接到CPU的复位输入脚。MAX692的WDI定时周期是1.6s，复位脉冲宽度是200ms。如果WDI保持高电平超过看门狗定时周期（1.6s），端将发生200ms的负脉冲使CPU复位。3.8 红外对管检测电路车辆检测传感器的类型主要有压力检测器、磁感应式检测器、超声波检测器、红外对管检测器、雷达检测器等。每种传感器都各有优缺点，本设计中采用红外对管检测器作为检测车流量和闯红灯车辆的检测器件22。红

44、外对管检测电路由红外发射电路和红外接收管电路组成。（1）红外发射管就是发射红外线的二极管，波长主要有940nm和850nm两种，材料一般都是GaAlAs，其工作电流一般在50mA，主要用于红外控制系统的发射源。发射信号经频率调制后一般接收距离可超过10米，无干扰时可超过30米。常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通5mm发光二极管相同，只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。单只红外发光二极管的发射功率约100mW。（2）红外接收管是接收电路的一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而

45、获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现在不论是业余制作或正式的产品，大都采用成品的一体化接收头。红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定、可靠。本设计中的红外对管检测电路如图3.11所示。D1、D2分别作为东西路口红外发射和接受管；D3、D4分别作为南北路口红外发射和接受管。其中P3.2口接东西路口红外对管，用来检测东西方向车辆情况；P3.3口接南北路口红外对管，用来检测南北方向车辆情况。当东西方向有车辆经过或闯红灯时，单片机外部中断0中断，进入

46、相应的中断服务子程序；当南北方向有车辆经过或闯红灯时，单片机外部中断1中断，进入相应的中断服务子程序执行，记录车流量或报警。图3.11红外对管检测电路3.9 驱动和放大电路为了提高数码管的亮度，和使单片机正常工作，以使蜂鸣器正常报警，常使用驱动电路。常用的驱动芯片有同相驱动芯片和反相驱动芯片。本设计采用74LS244作为同相驱动芯片，驱动交通信号灯和段选码；采用74HC240作为反相驱动芯片，驱动数码管位选码；采用74LS04作为反相驱动芯片和放大芯片，驱动蜂鸣器报警。74LS244为3态8位同相缓冲器，一般用作总线驱动器。地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。它主要用于三态输出，作为地址驱动器，时钟驱动器和总线驱动器，定向发送器等23。当片选信号为低电平时，输入和对应的输出同相；当片选信号为高电平时，其对应的输出截止，为高阻态。74LS244真值表见表3.4。表3.474LS244真值表输入(,=0时)输出 (Y)AB1Y2Y0000010