PIC单片机实现交通灯控制系统

1　引　言

　　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、阻塞现象及交通事故常有发生。如何利用当今计算机与自动控制技术，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。而目前国内利用单片机实行交通管制这方面应用较少。下面分析用PIC实现交通灯控制设计方法。

2　硬件设计

　　本系统选用美国Microchip公司的PIC16F873单片机。配合一些外围电路完成交通灯自动转换系统。PIC单片机有以下优点：

    ①采用哈佛结构（数据总线和指令总线分离）。
    ②指令的“单字节化”。
    ③精简指令集（RISC）技术。
    ④寻址方式简单。
    ⑤代码压缩率的提高。
    ⑥运行速度高。
    ⑦功耗低、驱动能力强。
    ⑧具备I2C和SPI串行总线端口。
    ⑨寻址空间简洁。
    ⑩外围电路简洁。
    ⑪开发方便。
    ⑫ C语言编程。
    ⑬品种丰富［1］。
    ⑬程序保密性强。

　　其指令系统除了程序分支指令是单字节双周期指令外，其他指令都是单周期、单字节指令。在这些指令中，没有功能相交叉的指令，使所有的指令具有简洁性，从而执行速度非常快。PIC单片机硬件特点：PIC16F873型单片机是PIC中级单片机中很有特色的一款，其指令字节为14 b［2］。他具有PIC单片机的全部优点，而且片内还带有128×8的E2PROM数据存储器，其程序存储器（4 k×14 b）也与众不同，采用快闪存储器。快闪存储器可以实现在电路板上快速擦除和写入，最适合制作仿真板。借助于PIC16F873制作的仿真板，我们在程序编写和调试过程中，可以方便的烧写程序和修改程序。

　　电路完成功能是：车辆放行方向上（A线）绿灯亮25 s，黄灯警告5 s，车辆禁止方向上（B线）红灯亮30 s，然后绿灯开始放行。各方向上计数器从30开个电路由PIC16873所控制，译码电路由CD4056和7段数码管构成，CD4056的功能是将BCD 码转换成十进制数，然后送7段数码管显示输出。6个发光二极管用来模拟双向十字路口的红、黄、绿灯。

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3　软件设计

　　Microchip公司为PIC系列单片机配备了功能强大的软件集成开发环境MPLAB，应用MPLAB就能在微机上对PIC系列单片机进行程序的创建、录入、编辑以及汇编，甚至还能实现程序的模拟运行动态调试（Debug）之类的虚拟演练，而且调试可以采用连续运行、单步运行、自动单步运行、设置断点运行等多种运行方式［1］。

3．1　主程序方框图

　　主程序框图如图2所示。

　　控制过程可分为4个过程：

　　①给PORTA送控制码“0CH”，就是给A口的数据寄存器送“00001100”这样就使A线的绿灯亮，B线的红灯亮。
　　②同样的给PORTA送“0AH”，A线黄灯亮，B线红灯亮。
　　③给PORTA送“21H”，A线红灯亮，B线绿灯亮。
　　④给PORTA送“11H”，A线红灯亮，B线黄灯亮。

　　这样就完成了红绿灯的转换。用A口来控制双向路口的红黄绿灯的闪亮，将控制码送入A口的数据寄存器PORTA，送1表示输出高电平、0表示输出为低电平，PORTA内容输出就可控制红黄绿灯的亮暗［3］。

3．2　8位二进制转化成2位BCD码流程图

　　二进制到BCD码转变流程图如图3所示。

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　　如果直接接7段显示器，就需要2个输出端口（PORTC和PORTB），而接上CD4056后只需要1个输出端口（PORTC），这样就可以省出一个输出端口（PORTB）用于其功能扩展。二进制到BCD码转变子程序就是为了利用CD4056能完成功能而编写的。

3．3　延时子程序流程图

　　延时序中，整个指令执行的时间和延时时间。使用4 MHz时钟，每个指令周期需要4个震荡周期，则每条指令周期为1μs所以单指令周期执行时间为1μs，双周期指令为2μs。在这种情况下，秒级的延时需要三重循环。

　　延时时间＝［（3×255＋5）×255＋7］×5＋6＝991 785μs＝0．991 785 s
　　所以延时子程序整个指令执行时间（延时子程序）约1 s。

4 MPLAB-ICD在线调试

　　MPLAB-ICD是Microchip公司为其PIC单片机中具有片内Flash程序存储器的PIC16F87X研制的一套廉价的学习和开发工具套件。MPLAB-ICD可以用作实验阶段的评估和辅助调试。他既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时仿真和程序烧写器。

　　用MPLAB-ICD工具套件可以实现以下工作：

　　①电路中实时运行和调试自己的源程序；
　　②硬件调试。用自己编制的程序来调试和检测自制目标板上的电路；
　　③程序固化。利用“在线串行编程技术”将自己设计的目标程序烧写到插在目标板上的PIC16F87X单片机中。

4．1　软件调试

　　在应用MPLAB-ICD实现在线调试时首先应用MPLAB-ICD提供的一个范例程序tut877．asm［2］，他能完成使PORTC口8个输出口依次高点平，而MPLAB-ICD在PORTC的8个口上都接了发光二极管，那么将程序烧写进去后就能完成8个发光二极管的依次闪动。则程序烧写正确了。

　　接下来依次调试子程序。例如在程序调试的后期，程序已经基本能完成任务。因为单部执行时，寄存器内容正确，所以程序正确，只是烧写器有问题。所以在程序调试过程中要细心、耐心，调试时最好能够及时地记录程序调试的进程和已解决的问题，这样有利于调试工作的连续性，调试工作不会有重复。而且及时的记录调试进程有利于错误的缩小，可以更好地完成调试。

4．2　程序烧写

    程序烧写的步骤如下：
    ①建立一个十六进制调试文件；
    ②新“项目”；
    ③项目会话窗口；
    ④设置节点属性；
    ⑤增加节点；
    ⑥完成对“项目”的设置；
    ⑦建立“项目”（Make Project）；
    ⑧对PIC16F873进行编程；
    ⑨运行pro．asm软件。
　　程序烧写完毕后，就可以将单片机插入实验板中运行了。

4．3　整体电路设计和安装调试

    原理图设计出后，就是进行原理图打印和印刷电路板的设计了。这通常是有Protel完成［3］。成形的电路这里不再赘述。

5　结　语

    实验测试结果证明用本系统PIC单片机能完成交通灯一般控制过程，但功能还不够完善，比如交通灯红、黄、绿时间还不能按交通紧松完成手控调整，软件编写实现功能还不能很好控制硬件人工操作。本系统今后还有待以进一步完善，增加更强大功能，比如手控时间的调节、摄像机交通监控的控制、盲人通过的交通灯的控制等。