王曉萍,陳嫄嫄

(1.十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系;2.十堰市第十三中學(xué)數(shù)學(xué)組,湖北十堰442000)

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,微型計算機的性價比大為提高,因而應(yīng)用也越來越廣泛。單片機是微型計算機的一個重要分支,主要用在各種自動控制系統(tǒng)中。在自動控制系統(tǒng)中,單片機從外電路采集信息,再對采集到的信息進行分析、處理,然后輸出相應(yīng)的控制信號對外部電路進行控制。

本文就十字路口的交通燈控制系統(tǒng)為例,介紹單片機在開環(huán)控制系統(tǒng)中的控制方法。十字路口交通燈設(shè)計方案如圖1所示。

1 十字路口的交通燈控制要求

圖1 十字路口的交通燈控制

(1)縱向(A向)與橫向(B向)的交通燈定時為60秒交換紅綠色一次;

(2)燈光有紅、黃、綠三種顏色(圖1中的R,O, G),每次紅綠燈交換時要求在黃燈停留3秒鐘;

(3)一路在60秒內(nèi)過車完后超過6秒,無車?yán)^續(xù)過時,如另外一路有車在等待,則自動提前交換燈色,交換過程也得在黃燈處停留3秒;

(4)在緊急車輛(如消防車、救護車、警車等)通過時,四周街口都顯示紅燈,其他車輛不得通行,只允許緊急車輛通過,緊急車輛通過后,交通燈自動恢復(fù)原來的狀態(tài)。

雖然還可以對控制系統(tǒng)提出更多的要求,但是我這里提出的四點基本要求已經(jīng)足夠能反映出交通燈控制問題對單片機提出的方式是什么。這種控制方式具有以下幾個特點:

(1)這是沒有反饋的開環(huán)控制系統(tǒng)[1]。

(2)輸入和輸出都是開關(guān)量。圖1中的車輛檢測傳感器(A1,A2以及B1,B2)是光電開關(guān)式的,因此送入單片機的信息是開關(guān)量;單片機對交通燈的控制是通過繼電器的,所以也是開關(guān)量輸出。

(3)程序執(zhí)行中有中斷響應(yīng)功能。就是說一個方向的車輛能夠申請另一個方向中斷其綠燈而讓自己方向的車輛通行。中斷程序的響應(yīng)條件是,被請求的這一方向已經(jīng)在6秒鐘內(nèi)沒有車輛通過。

(4)有非屏蔽中斷響應(yīng)功能。圖1中J為緊急測量檢測傳感器,當(dāng)檢測到有緊急車輛要通過的信號時,立即發(fā)出開關(guān)量形式的緊急中斷信號。這是最優(yōu)先級的中斷形式,即非屏蔽中斷。

2 交通燈控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖2為系統(tǒng)的計算機控制硬件結(jié)構(gòu)示意圖,下面簡單介紹各部分的功能:

圖2 交通燈控制系統(tǒng)硬件圖

(1)CPU為控制系統(tǒng)的核心部件,它負(fù)責(zé)執(zhí)行程序,接受輸入信號和發(fā)出控制信號;

(2)ROM為只讀存儲器。它內(nèi)部存放已經(jīng)由廠家編制好的用來協(xié)調(diào)單片機內(nèi)部各個組件之間的運行的監(jiān)控程序;

(3)RAM是隨機讀寫存儲器。用來存放用戶編制的控制交通燈的程序;

(4)LED為發(fā)光二極管顯示器。在編制程序時,它可以幫助用戶觀察存儲器中所顯示的內(nèi)容是否符合要求;

(5)8255A芯片是并行輸入/輸出接口,使用其中的PA口和PB口,它們都有8個并行引出線作為輸入和輸出的端線[2];

(6)REL為繼電器板。其中有6個繼電器接PA口的6條輸出線,用于控制A向和B向的交通燈;

(7)GB或門板是一個門電路組件,其中裝有兩個或門,分別檢測A向和B向的狀態(tài),輸入與輸出的關(guān)系是:

A1+A2=A

B1+B2=B

A1和A2分別存放A向兩個街口的檢測器,只要其中一個為1(有車要通過),則A為1,即通知計算機A向有車要求通過。

B1和B2存放B向兩個街口的檢測器,作用與上面相同。

(8)J為4個街口有緊急車輛通過的公共輸入端口。

3 系統(tǒng)的工作過程

開始時設(shè)A向的綠燈亮,A向通行,B向不通, B向紅燈亮。60秒后自動轉(zhuǎn)為B向綠燈亮(B向通行),A向紅燈亮(A向不通行)。這是在A、B兩個方向都很頻繁通車的正常運行情況。

如果在A向綠燈亮而B向紅燈亮?xí)r,A向在6秒鐘內(nèi)沒有檢測到車輛通行,如果同時檢測到B向有在等待通過的車輛,則使程序跳轉(zhuǎn),燈光自動按次序改變:

A向綠燈滅而B向紅燈滅;

A向黃燈和B向黃燈亮3秒;

A向紅燈亮而B向綠燈亮,同時A、B向黃燈滅。

此時,B向車輛通行,程序正常循環(huán),即60秒后再自動轉(zhuǎn)為A向車輛通行。在程序正常循環(huán)的過程中,如果突然來了緊急車輛,不論其方向是否與正在運行的方向相同,則都使程序跳轉(zhuǎn)至讓緊急車輛通行的子程序中去。這時沒有黃燈轉(zhuǎn)換,A、B方向直接亮起紅燈,禁止一般車輛繼續(xù)通行。

根據(jù)控制過程的燈色配置,可以將燈色狀態(tài)歸納成4個模式(PAD),見表1

表1 紅燈配置模式

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)上面設(shè)計的交通規(guī)則,可以設(shè)計出下面的流程圖:

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

程序開始后,就對A向進行測試,如果A=1,表示A向有車要求通過,則程序轉(zhuǎn)至CH K1端并且輸出燈色模式ZA;否則轉(zhuǎn)至CHK3并且輸出燈色模式ZB。

如果A、B向都沒有車輛通過時,則對CH K0和CH K2進行循環(huán)測試,同時維持原來的輸出狀態(tài)不變。在循環(huán)測試的過程中,如果檢測到某一方向有車通過,則A(或者B)=1,其控制流程為圖中的左半部分(或者右半部分)。當(dāng)有緊急車輛通過時, CPU的非屏蔽引腳NMI為低電平,則進入緊急車輛程序。緊急車輛通過以后,程序再從“開始”方框進入控制流程。

5 結(jié)束語

以上討論對于不同的單片機系列都具有一定的參考價值,具體選用某一系列型號的單片機時,只要根據(jù)軟件系統(tǒng)的設(shè)計編寫出相應(yīng)的匯編語言程序就可以實現(xiàn)對交通燈的控制,對于單片機應(yīng)用方面的學(xué)習(xí)也具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]俞國亮.MC51單片機原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:424-428.

[2]李繼燦.新編16/32位微型計算機原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006:262-269.