1、第1章 概 述隨著我國社會經濟的發展，城市化、城鎮化進程的加快，道路交通堵塞問題日趨嚴重，如何對交通進行合理的管理和調度而盡可能減少堵車現象成為目前我國很多地方尤其是特大城市急需解決的問題，顯然交通燈在其中起著不可缺少的作用。      當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在19世紀就已出現了。 1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區的議會大

2、廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩種旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。 電氣啟動的紅綠燈出現在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年開始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。 1918年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變為綠燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變為綠燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人

3、要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發生交通事故。 信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯合國道路交通和道路標志信號協定對各種信號燈的含義作了規定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。 我國機動

4、車輛發展迅速，而城鎮道路建設由于歷史等各種原因相對滯后。道路擁擠、阻塞現象及交通事故常有發生。如何利用當今自動控制技術，有效地疏導交通，提高城鎮交通路口的通行能力，提高車輛速度，減少交通事故是值得我們研究的新課題。交通燈是城市交通中的重要指揮系統，它與人們日常生活密切相關。隨著人們生活水平的提高，對交通管制也提出了更高的要求，因此提供一個可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統有著現實的必要性，本文介紹的交通燈控制系統除具有一般的紅綠燈顯示功能外，還具有倒計時功能，以方便人們的生活需求。此系統的核心控制器是MCS-51系列單片機中的AT89C51。本次設計對紅綠燈顯示系統、按鍵系統都采用Kell

5、軟件調試程序，并給出了調試過程及程序代碼。 第2章 總體設計及核心器件介紹2.1 總體設計整個設計以AT89C51單片機為核心，由時鐘電路，振蕩電路，復位電路，LED數碼管顯示和交通燈組成。如圖2-1。時鐘電路 交通燈 AT89C51振蕩電路 LED 數 碼上電復位 管電路 圖2-1 硬件原理框圖2.2 AT89C51單片機AT89C51是美國ATMEL公司推出的系列單片機，將多種功能的8位CPU與FPEROM（快閃可編程/擦除只讀存儲器）結合在一個芯片上，是一種低功耗、高性能的CMOS控制器，為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又價格適宜的方案，其性價比遠高于同類型芯片。它與MCS

6、-51指令系統兼容，片內FPERON允許為程序存儲器在線重復編程，也可用常規的EPROM編程器編程，可循環寫入/擦除1000次。89C51內含4KB的FPEROM，一般的EEPROM的字節擦除時間和寫入時間基本上均為10ms，對于任一個實時控制系統來說，這樣長的時間是不可能在線修改程序的。2.3 晶振電路晶振電路原理圖如2-2。 圖2-2 晶振模塊原理圖選取原則：傳統做法，但能夠實現所需，即最簡單也最實用。電容選取22F，晶振為11.0592Hz。2.4 復位電路復位方式有多種，但本設計采用看門狗芯片X5045，接線圖如圖2-3所示。 圖2-3 復位電路原理圖在設定的定時時間內，89C51必須

7、在CS/WDI引腳上產生一個由高到低的電平變化，以清內部定時器，即“喂狗”，否則X5045將產生一個復位信號。2.5 LED數碼管顯示電路在單片機應用系統中，數碼管顯示常用兩種方法：靜態顯示和動態掃描顯示。所謂靜態顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只能把要顯示的字形代碼發送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數據時，再發送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中CPU的開銷小，可以提供單獨鎖存的I/O接口電路很多。所以本設計采用串行轉換電路74LS164的靜態顯示電路。其電路圖如圖2-4所示。 圖2-4 數碼管顯示靜態驅動電路第3章 硬

8、件設計3.1 引腳說明MCS-51系列單片機的外型封裝有兩種方式，雙列直插式封裝（PDID）和方型封裝（PLCC、MQFP）。8051、8031、8751的40條引腳均采用雙列直插式封裝。80C51BH、80C31BH也有采用方型封裝的。方型封裝有44條引腳，但其中4條引腳是空腳。在此我們只介紹雙列直插式封裝，如圖3-1所示。 圖3-1 MCS-51單片機引腳結構圖引腳功能說明如下： （1）主電源引腳VCC和VSS VCC（40腳）接+5V電壓； VSS（20腳）接地。 （2）時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2  XTAL1

9、（19腳）片內振蕩電路輸入端，是外接晶體的一個引腳。當采用外部振蕩器時，此引腳接地。 XTAL2（18腳）片內振蕩電路輸出端，是外接晶體的另一端。當采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。 （3）控制信號引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP  RST/VPD（9腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與VSS引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個約10F的電容，以保證可靠地復位。 VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內部RAM的數據不丟失。當VCC主電

10、源下掉到低于規定的電平，而VPD在其規定的電壓范圍（5±0.5V）內，VPD就向內部RAM提供備用電源。 ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存貯器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅動（吸收或輸出電流）8個LS型的TTL輸入電路。 對于EPROM單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（PROG功能

11、）。 PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數）期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在此期間，每當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現。PSEN同樣可以驅動（吸收或輸出）8個LS型的TTL輸入。 EA/VPP（31腳）：當EA端保持高電平時，訪問內部程序存儲器，但在PC（程序計數器）值超過0FFFH（對851/8751/80C51）或1FFFH（對8052）時，將  自動轉向執行外部程序存儲器內的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內部程序存儲器。對于常用的8

12、031來說，無內部程序存儲器，所以EA腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。 對于EPROM型的單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21V的編程電源（VPP）。 （4）輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3 P0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態I/O口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數據總線復用，能以吸收電流的方式驅動8個LS型的TTL負載。 P1口（1腳至8腳）：是準雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負

13、載。對8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時/計數器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發，即T2的外部控制端。對EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。  P2口（21腳至28腳）：是準雙向8位I/O口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。P2可以驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。  P3口（10腳至17腳）：是準雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復用雙功能口。P3能驅動（吸收或輸出電流）

14、4個LS型的TTL負載。作為第一功能使用時，就作為普通I/O口用，功能和操作方法與P1口相同。3.2 外部總線由于單片機本身硬件資源有限，在比較復雜的應用場合，其內部資源（如存儲器、I/O口或中斷源等）往往顯得不足，甚至相差很遠，這就需要進行外部擴展（尤其是低檔的8031，它片內沒有程序存儲器，且只有P1口可供用戶作I/O口，所以，一般情況下，也很難滿足要求）。為滿足系統擴展要求，MCS-51單片機系統采用三總線結構，通過三總線和外部擴充部件相連。三總線分別為地址總線、數據總線和控制總線。 （1） 地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節，16位地

15、址總線由P0口經地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。（2） 數據總線（DB）：數據總線寬度為8位，由P0提供。 （3）控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。3.3 交通燈電路設計中采用發光二極管作為交通燈來使用，單片機的I/O接口直接和交通燈（發光二極管）連接。在十字路口的四組紅、黃、綠三色交通燈中，東西方向道路上的兩組同色燈連接在一起，南北方向道路上的兩組同色的燈也彼此連接在，受單片機P1.0-P1.5控制。單片機的I/O接口與交通燈電路的具體連接方式為：P1.0-P1.2分別接東西

16、方向的紅、黃、綠共6個放光二極管，P1.3-P1.5分別接南北方向的紅、黃、綠共6個發光二極管。12個發光二極管采用了共陽極的連接方式，因此I/O口輸出低電平時，與之相連的發光二極管會亮，I/O口輸出高電平時，相應的發光二極管會滅，如圖3-2所示。 圖3-2 交通燈電路第4章 軟件設計4.1 軟件主程序流程圖設計 開始 初始化，全部為黃燈并按 照初始化運行 東西紅燈亮，南北綠燈亮 調用顯示程序，將時間送顯示 東西黃燈閃爍，南北黃燈閃爍 調用顯示程序，將時間送顯示 圖4-1 主流程流程圖4.2 軟件子程序流程圖設計 開始 提取倒計時數據的十位數 獲取十位數字型碼并送到P0口

17、提取倒計時數據的個位數 獲取個位數字碼并送到P2口 調用延時子程序 返回 圖4-2子程序流程圖第5章 系統仿真及調試5.1 Protues軟件介紹Proteus軟件是Labcenter Electronics公司的一款電路設計與仿真軟件，它包括ISIS、ARES等軟件模塊，ARES模塊主要用來完成PCB的設計，而ISIS模塊用來完成電路原理圖的布圖與仿真。Proteus的軟件仿真基于VSM技術，它與其他軟件最大的不同也是最大的優勢就在于它能仿真大量的單片機芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及單片機外圍電路，比如鍵盤、LED、LCD等等。通過Proteus軟件的使用我們能夠

18、輕易地獲得一個功能齊全、實用方便的單片機實驗室。5.2 交通燈系統Protues仿真 圖5-1 程序仿真圖5.3 硬件調試拿到電路板后，首先要檢查加工質量，并確保沒有任何方面的錯誤，如短路和斷路，尤其要避免電源短路；元器件在安裝前要逐一檢查，用萬用表測其數值，看是否與所用相同；完成焊接后，應先空載上電（芯片座上不插芯片），并檢查各引腳的電位是否正確。若一切正常，方可在斷電的情況下將芯片插入，再次檢查各引腳的電位及其邏輯關系。將萬用表的探針放到單片機接電源的引腳上檢測一下，看是否符合要求。5.4 軟件調試問題及解決軟件程序的調試一般可以將重點放在分模塊調試上，統調是最后一環。軟件調試可以采取離線

19、調試和在線調試兩種方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統的支持。本次課題，Keil軟件來調試程序，通過各個模塊程序的單步或跟蹤調試，使程序逐漸趨于正確，最后統調程序。 仿真部分采用Protus 6 professional軟件，此軟件功能強大且操作較為簡單，可以很容易的實現各種系統的仿真。 首先打開Protus 6 professional軟件，在元件庫中找到要選用的所有元件，然后進行原理圖的繪制；繪制好后再選擇wave6000已經編譯好的.hex文件，選擇運行，觀察顯示結果，根據顯示的結果和課題的要

20、求再修改程序，再運行查，直到滿足要求。 總 結作為一名應用物理專業的大二學生，我覺得做單片機課程設計是十分有意義的，而且是十分必要的在已度過的大學時間里，我們大多數接觸的是專業課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業課的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力？如何把我們所學的專業基礎課理論知識運用到實踐中去呢？我想做類似的課程設計就為我們提供了良好的實踐平臺。 這次單片機課程設計我們歷時五天，時間雖然不算長，但經過這五天的實踐和體驗下來，我們綜合那些理論知識來運用到設計和創新，那些原本感覺枯燥乏味的程序在這次課程設計后，我發現自己在一點一滴的努力中對單片機的興趣也在逐漸增加。 此次課程

21、設計軟件與硬件相結合，考察了我們的學習與實踐相結合的能力。本來還以為編程會很簡單的，等到實際操作起來才知道它的復雜性，沒有想象中的那么得心應手，理解流程是有思維的前提。其實本身程序的思維是正確的，只是步驟中有點小錯誤，所以導致整個程序的結果很亂，在仔細修改程序之后，終于一步步地達到效果了，這個過程讓我對單片機有了更深一步的了解。 踉踉蹌蹌的忙碌了五天，我的單片機課程設計也終將告一段落。設計仿真也基本達到預期的效果，但由于能力和時間的關系，總是覺得有很多不盡人意的地方。但是當我看著自己的程序，自己成天相伴的系統能夠健康的運行，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最終都會化為甜美的

22、甘泉。 總而言之，單片機課程設計對于我們有很大的幫助，我們從中受益匪淺。參考文獻1 錢建立，周曉軍.智能快速充電器設計與制作M.北京：科學出版社，2001.2 Niggemann E.High performance nickel-metal hydride battery for electric and hybrid vehiclesZ.EVS215，Bruxelles，1998.3 Feder D O.Characteristic of Nickel Metal Hydride battery J. Batteries Intentional，1994(18).4 劉美俊.基于

23、AT89C2051單片機的智能充電器設計J.電子質量，2004(7).5 Sato Noboru，Yagi Kazuhiko，Sakurai Takeshi. Control technology of Ni-MH batteries for electric vehiclesZ.EVS215，Bruxelles，1998.6 張毅剛，彭喜源.MCS-51單片機應用設計M.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.7 電子之城：TL431特性及應用EB/OL.8 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，2000.9 張國雄，金篆芷.測控電路M.北京：機械工業出版社,2000.

24、10 閻石.數字電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，1998.11 電源網：用普通單片機實現低成本A/D轉換（二）EB/OL.附錄1 主要源代碼主程序:   ORG 0000H        AJMP STAT              ORG 0100H STAT: SETB EA   

25、;    SETB EX0         SETB IT0           SETB EX1        SETB IT1        MOV SP, #60H  MOV

26、  R0,  #0EDH        初始化，東西南北均為黃燈    MOV  P1,  R0              顯示5秒        MOV R7, #05  ACALL

27、60; DISP             調顯示子程序 A1: MOV  R0, #0DEH          東西紅燈亮，南北綠燈亮        MOV  P1, R0     

28、0;        顯示25秒        MOV R7, #25  ACALL  DISP           調顯示子程序SHANHD: MOV R7, #5 HD:  MOV  R0, #0EDH &#

29、160;     點亮東西黃 燈，點亮南北黃燈        MOV P1 , R0            ACALL  DISP          調顯示子程序     

30、0;  MOV  P1, #0FFH       熄滅黃燈黃燈        ACALL DISP         DJNZ R7, HD A2:    MOV  R0,  #0F3H     東西綠

31、燈亮，南北紅燈亮       MOV P1, R0  MOV  R7, #25        顯示25秒    ACALL  DISP    調顯示子程序 SHANHD: MOV R7, #5 H:     MOV &#

32、160;R0, #0EDH      點亮東西黃燈，點亮南北黃燈         MOV  P1 , R0         調顯示子程序         ACALL  DISP MOV  P1, #0FFH&#

33、160;   熄滅黃燈所有黃燈 ACALL  DISP              DJNZ  R7, H        子程序，時間顯示程序  DISP:  MOV 40H, R7 NEXT: MOV A, 40H

34、60;               MOV B, #10         DIV AB  MOV DPTR,  #TABLE         MOVC A,  A+DPTR         MOV P0, A    &#