第1章緒論

1.1引言

伴隨社會的發展和進步，路上的車輛越來越多，而地鐵建設往往跟不上都市發展的

速度，因此都市交通問題日益突出，常常在十字路口等交通繁忙的地方發生堵塞狀況，

出現交通混亂。為了處理車和路的矛盾，常用的有兩種措施：一是控制需求，最直接的

措施就是限制車輛的增長；二是增長供應，也就是修路。不過這兩個措施均有其局限性。

我國汽車工業正處在起步階段，限制車輛的增長不是處理問題的好措施。而采用增長供

應，即大量修路，在資源、環境矛盾越來越突出的今天，有限的源和財力以及環境的壓

力，也將受到限制。

由于我國經濟的迅速發展從而導致了汽車數量的猛增，大中型都市的都市交通，正

面臨著嚴峻的考驗，從而導致交通問題日益嚴重，其重要體現如下：交通事故頻發，對

人類生命安全導致極大威脅；交通擁堵嚴重，導致出行時間增長，能源消耗加大；空氣

污染和噪聲污染程度日益加深等。平常的交通堵塞成為人們司空見慣而又不得不忍受的

問題，在這種背景下，結合我國都市道路交通的實際狀況，開發出真正適合我們自身特

點的智能信號燈控制系統已經成為目前的重要任務。伴隨電子技術的發展，運用單片機

技術對交通燈進行智能化管理，已成為目前廣泛采用的措施。

這就需要依托除限制需求和提供道路設施之外的其他措施來滿足日益增長的交通

需求。交通系統正是處理這一矛盾的途徑之一。

1.2選題背景及研究的目的與意義

1.2.1選題背景

近年來伴隨科技的飛速發展，單片機的應用正在不停地走向深入，同步也帶動著老

式控制的日新月異更新。在自動控制的單片機應用系統中，單片機往往是作為一種關鍵

部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據詳細硬件構造，以及針對詳細應用

對象特點的軟件結合，加以完善。

十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實

現這井然秩序呢？靠的是交通信號燈的自動指揮系統。交通信號燈控制方式諸多。本系

統采用MSC-51系列單片機AT89c51為中心器件來設計交通燈控制器，實現了通過單

片機芯片的P0口設置紅、綠燈燃亮時間的功能；顯示時間直接通過單片機的P1口輸出，

系統實用性強、操作簡樸、擴展性強。

伴隨電子技術的發展，電子設計的方式也不停增多，proteus嵌入式虛擬開發系統與

仿真平臺是一款可以實現數字電路，模擬電路，微控制系統仿真以及pcb設計等功能的

eda軟件。電路的軟，硬的設計與調試都是在計算機模擬的環境下進行的。

基于這一設計思想開發的proteus軟件，可以在原理設計圖設計階段對設計的電路

進行驗證，并可以通過變化原件參數使整個電路優化。

當今，紅綠燈安裝在各個道口上，己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，在英國倫敦重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

由紅綠兩以旋轉式方形玻璃提燈構成，紅色表達“停止”，綠色表達"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目前美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器構成，19

始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表達“停止”，綠燈亮表達“通行

19,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，車輛一靠近紅燈便變為綠燈；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》對多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，除非另一種標志嚴禁某

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，但車輛已十分靠近停車線而不能安全停車時

可以進入交叉路口。

1.2.2研究的目的與意義

研究目的：交通是都市經濟活動的命脈，對都市經濟發展、人民生活水平的提高起

著十分重要的作用。汽車現已成為人們平常生活必不可少的交通工具。汽車給人們帶來

便利的同步，也帶來了一系列令人困惑的問題，如環境污染、交通擁擠、交通事故頻繁

發生、給人們的生命財產帶來了很大的損失。都市交通問題困擾都市的發展、制約都市

經濟建設的重要原因、人們對于交通有效控制的意識越來越強烈。

都市交通信號控制是通過對交通的調整、警告和誘導以到達改善人和貨品的運送安

全，提高運送效率。其目的在于改善交通的流量，更好地運用既有運送能力，提高交通

流的安全性、快捷性和舒適性。

交叉口時構成都市道路網的基本單元，都市交通控制分為單交叉口控制和多交叉口

協調控制，并非前者比后者控制效果好，他們各自有自己的合用范圍。單交叉口承擔著

線控、面控制方案的貫徹C

我國都市建設資金短缺，而協調控制一般投資較大，這就限制了其使用。因此我國

目前各都市的絕大多數交叉口都在使用單交叉口控制方式。怎樣賦予單路口控制方式某

些新的方略，使之對于大量交叉口進行行之有效的控制，最大程度的提高其通行能力及

安全對于我國目前都市交通有著非常現實的意義，也可為協調控制的研究提供協助。

研究意義：在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為交通參與者的安

全提供了強有力的保障。不過伴隨社會、經濟的迅速發展，原先的交通燈控制系統已經不

能適應目前日益繁忙的交通狀況。怎樣改善交通燈控制系統，使其適應目前的交通狀況，

成為研究的課題。

老式的十字路口交通控制燈，一般的做法是:事先通過車輛流量的調查,運用記錄的措

施將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而,實際上車輛流量的變化往往是不確定的，

有的路口在不一樣的時段甚至也許產生很大的差異。

雖然是通過長期運行、較合用的方案，仍然會發生這樣的現象:綠燈方向幾乎沒有什

么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等待通過。這種流量變化的偶爾性是無法建立精確模型的,

記錄的措施已不能適應迅猛發展的交通現實狀況。更為現實的需要是能有一種可以根據

流量變化狀況自適應控制的交通燈。

大部分都市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉換時間間隔的控制法C由于十

字路口不一樣步刻車輛的流量是復雜的、隨機的和不確定的,采用固定期間的控制措施，

常常導致道路有效運用時間的揮霍，出現空等現象，影響了道路的暢通，還行成擁堵現象。

采用不依賴數學模型的模糊控制措施設計交通燈控制器，能很好地處理這個問題。為保證

交通控制的可靠、穩定,選擇了可以在惡劣的電磁干擾環境下正常工作的單片機是必要

的。

8051單片機交通燈控制系統集成自動控制技術、計量技術、新傳感器技術、計算機

管理技術于一體的機電一體化產品;充足運用計算機技術對生產過程進行集中監視、控制

管理和分散控制;充足吸取了分散式控制系統和集中控制系統的長處,采用原則化、模塊

化、系統化設計，配置靈活、組態以便。

1.3研究內容

本設計需研究的內容為：單片機交通燈機系統的發展狀況；單片機交通燈機控制系

統的構造及構成，即選擇系統設計的基本方案與硬件及軟件等方面的設計。在硬件方面,

需研究整體硬件框圖以及多種器件的選型及連接措施；在軟件方面，要明確主程序及各

個重要部分的流程以及對應的程序控制清單。

1.4單片機交通燈的國內外的研究現實狀況及存在問題

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。

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》對多種信號

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

非另一種標志嚴禁某一種轉向。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，但車輛已十分靠近停車

線而不能安全停車時可以進入交叉路口。

在國內，受客觀條件的制約，ITS起步比較晚，在20世紀90年代初，我國的有關學

者開始意識到研究和開發ITS的重要性。到90年代中期，由于受到國外ITS研發的影響，

政府部門也開始重視對ITS的研究，隨即，又得到中央部門和部分地方政府的支持。

1999年，我國成立了全國智能交通系統(ITS)協調指導小組及辦公室，同年，又成立

了全國智能交通運送系統(ITS)專家征詢委員會，其中，同濟大學、清華大學、北方交通

大學、北京航空航天大學、吉林工業大學、東南大學等高校的布?關專家為征詢委員，并

啟動了國家“九五”科技攻關課題和國家“十五''科技攻關課題。目前在對某些大中型都市

引入的國外ITS進行研究的基礎上已經逐漸開始探索開發設計適合自己國情的ITS系統。

電氣啟動的紅綠燈出目前美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器構成，19

始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表達“停止'綠燈亮表達“通行”。

19,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，車輛一靠近紅燈便變為綠燈；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。

從1868年英國倫敦初次使用燃汽色燈信號以來，都市交通信號機由手動到自動，交

通信號由固定周期到可變周期，系統控制方式由點控到面控，從無車輛檢測器到有車輛

檢測器，經歷了近百年的歷史。到1963年加拿大多倫多市建立了一套使用IBM650型計

算的集中協調感應控制信號系統。之后，美國、英國、德國、日本、澳大利亞等多家相

繼建成數字電子計算機區域交通控制系統，這種系統一般還配置交通監視系統構成交通

管制中心。到8()年代初，全世界建有交通管制中心的都市有30()多種，代表了未來交通

控制的發展方向。

表1.1交通信號系統發展狀況

簡稱時間國別都市名稱控制路信號周檢測器控制方式

口數期

點控1868英國倫敦燃氣色燈單無無無

1914美國克利夫蘭電力色燈單無無無

1926英國各都市單點定周期單定無自動

自動信號機

1928美國各都市感應式自動單定氣壓式自動

信號機

線控1917美國鹽湖城手控干道協6個定無人工

調系統

線控1922美國休斯頓電子計時干12個定無電動

道協調系統

1928美國各都市步進式定期多種變無電動

干道協調系(線)

統

面控1952美國丹佛市模擬計算機多種變氣壓式計算機

交通信號控(網)

制系統

在西方發達國家，交通控制系統基本上完畢了由老式的交通控制系統向智能交通控

制系統ITS的轉變，而在我國，智能交通系統則剛剛處在起步階段。對于老式的交通控

制系統而言，對紅綠燈一般采用定期控制，無法對實際的交通流進行識別優化，以至于

不能適應交通量的不確定性和隨機性的原因，往往導致交通資源的揮霍和道路的梗阻。

而智能交通控制系統則在不產生大的硬件改動的狀況下有效的提高效率。

智能交通系統強調的是系統性、信息交流的交互性以及服務的廣泛性，其關鍵技術

是電子技術、信息技術、通信技術、交通工程和系統工程。智能交通系統ITS是在較完

善的道路設施基礎上，將先進的電子技術、信息技術、傳感器技術和系統工程技術集成

運用于地面交通管理所建立的一種實時、精確、高效、大范圍、全方位發揮作用的交通

運送管理系統。

第2章地鐵綜合監控系統總體設計方案

2.1計算機控制系統的基本形式

計算機控制系統

的種類繁多，但歸納起來，目前實現計算機控制的方式基本上屬于下面五種形式：

1、成套的計算機控制系統產品：

目前世界上已出現了許多與硬件產品配套的，具有不一樣特點、合用于不一樣控制

對象的軟件產品，像HONEYWELL、WDPF等DCS（集散系統）系統。

2、以實時操作系統為基礎，由控制系統設計人員設計在操作系統上運行的實時應

用軟件：

目前通用有一大批IRMXRTOX,PSOS的實時操作系統。此類系統規定顧客自己編

寫應用程序，設計程序的流向，面由操作系統對應用程序進行實時調度和占先，循環處

理，因此減少了應用軟件開發的難度。但規定程序員熟悉實時多任務編程技術，并且圖

形界面不太好。

3、集成的實時系統開發軟件：

例如：Citect,Intouch,由軟件制造商提供，是專門為實時服務的開發環境和運行

環境。系統自身已經構建了實現不一樣功能的軟件包、程序模塊和控鍵。顧客只需要按

照規定方式，根據實際對象規定，調用對應模塊，即可構成應用程序。

4、在通用操作系統例了如DOS,WINDOWS環境下：

采用實時核算現程序的實時多任務特性。RTX,RTKERNEL,RTOS等都是應用廣

泛的實時核。

5、直接從系統的最底層采用高級語言或匯編語言編制實時應用程序：

這種措施先把系統劃分層次，明確目的，任務，對各個任務的子過程進行構造化編

程，然后還要此外編寫計E寸、中斷、調度等控制程序。程序設計的難度和工作量很大，

但整個程序對于設計人員來說是完全透明的，適應性強。

2.2本設計的單片機的基本狀況

8位AT89c51CHMOS工藝單片機被設計用于處理高速計算和迅速輸入/輸出。

MCS51單片機經典的應用是高速事件控制系統。商業應用包括調制解調器，電動機控

制系統，打印機,影印機,空調控制系統，磁盤驅動器和醫療設備。汽車工業把MCS51

單片機用于發動機控制系統，懸掛系統和反鎖制動系統。AT89C51尤其很好合用于得

益于它的處理速度和增強型片上外圍功能集，諸如：汽車動力控制，車輛動態懸掛，反

鎖制動和穩定性控制應用v由于這些決定性應用，市場需要一種可靠的具有低干擾潛伏

響應的費用.效能控制器，服務大量時間和事件驅動的在實時應用需要的集成外圍的能

力，具有在單一程序包中高出平均處理功率的中央處理器。擁有操作不可預測的設備的

經濟和法律風險是很高的,一旦進入市場，尤其任務決定性應用諸如自動駕駛儀或反鎖

制動系統，錯誤將是財力上所嚴禁的。重新設計的費用可以高達500K美元，假如產品

族享有同樣內核或外圍設計缺陷的話，費用會更高。

此外，部件的替代品領域是極其昂貴的，由于設備要用來把模塊經典地焊接成一種

總體的價值比各個部件高幾倍。為了緩和這些問題，在最壞的環境和電壓條件下對這些

單片機進行無論在部件級別還是系統級別上的綜合測試是必需的。IntelChandler平臺工

程組提供了多種單片機和處理器的系統驗證。這種系統的驗證處理可以被分解為三個重

要部分。系統的類型和應用需求決定了可以在設備上執行的測試類型。

2.3系統總體方案

根據實際狀況及系統技術規定，擬采用AT89c51微控器作為控制與數據處理的關鍵

以構成交通燈控制系統。

系統采用了AT89c51微控器構成最小系統，整個控制系統的系統框圖如圖2.1所示。

下面是其重要構成部分的實行方案。

圖2.1系統框圖

2.3.1AT89c51微控器構成的最小系統

根據本設計的技術規定來判斷與否需要對此微控器進行片外程序存儲器及數據存

儲器的擴展。若需要，則對AT89c51微控器進行片外存儲器擴展，以構成控制系統的最

基本部分。若不需要，則單片機及其時鐘電路與復位電路等構成最小系統。

1顯示部分

顯示部分采用LED作為模擬的交通燈，采用七段數碼管來作為倒計時顯示。顯示

部分可模擬顯示交通等的顏色變化于倒計時。

2控制與執行部分

開關控制交通燈的通行方式、時間的設定、模擬高峰和違章等狀況。采用LED變

色、七段數碼管顯示和蜂鳴器來執行。

3供電電源單元

供電電源一般由變壓器、整流濾波及穩壓等電路構成，分別給以上各部分提供所需

要的電壓，可以提供+5V,+12V,+40V的穩定電壓。但由于木設計電壓源是現成的設備,

可以在市場上訂制，因此不在波及范圍內，不再予以講述。

2.4本章小結

本章首先簡介了計算機控制系統的五種基本形式，經查閱有關資料確定了本文所需

要設計的單片機的類型——AT89c51。根據實際狀況與技術規定，畫出了系統構造框圖,

并確定了系統總體設計方案，包括顯示單元、控制與執行單元、系統各部分所需電源等

輸入與輸出通道，并對每一部分都進行了較詳細的論述.

第3章系統硬件設計

3.1本系統的硬件設計概述

從總體上講，本系統硬件電路根據技術需求為了減小制作成本，本設計選用了價格

低廉的AT89c51,性價比高，同步減少了外圍電路;如看門狗芯片、8255A等），僅用

了晶體振蕩電路和復位電路。當然這樣做增長了軟件代碼量。顯示方面使用了12發光

二級管來模擬紅黃綠三色交通燈，選用了8個BCD數碼管來進行倒計時顯示。這樣使

得硬件電路界面也變得十分整潔。

3.2單片機的選擇及分析

本設計選擇了性價比較高的AT89c51單片機及其構成的最下系統，在能滿足技術規

定的前提下最大程度的減少了成本。并且該單片機的指令簡樸，易學易懂，同步外圍電

路也簡樸，硬件設計以便i。口操作簡樸，無方向寄存器，資源豐富，對應一般的設計已

經足夠使用了，更重要的是價格廉價、輕易購置.，資料豐富輕易查到，程序燒寫簡樸。

3.2.1單片機的定義和特點

所謂單片機就是把CPU、寄存器、RAM/ROM、I/O接口電路集成在一塊集成電路

芯片上，構成一種完整的微型計算機。單片機的重要特點有：

1、集成度高、功能強

微型計算機一般由中央處理器(CPU)、存儲器(RAM,ROM)以及I/O接口構成，其各

部分分別集成在不一樣的芯片上。例如，大家熟悉的Z80微型計算機就是由Z80-CPU、

存儲器(RAM,ROM),PIO等芯片構成的，單片機則不一-樣，它把CPU,RAM,ROM,I/O

接口，以及定期器/計數器都集成在一種芯片上。目前應用得最多的是MCS-51系列單片

機。

和微型計算機進行比較，單片機不僅體積大大減小，并且功能大為增強。MCS-51

系列單片機內的定期/計數器為16位，而Z80微型計算機只有8位，MCS-51系列單片

機中不僅有4個并行I/O接口，并且尚有串行接口，且時鐘頻率可達12MHz。

2、構造合理

目前單片機大多采用Harvard構造。這是數據存儲器與程序存儲器互相獨立的一種

構造。而在許多微型計算機(如Z80,Intcl8085,M6800等)中，大都采用兩類存儲器合二

為一(即統一編址)的方式。單片機采用上述構造重要有四點好處——存儲量大、速度快、

抗干擾性、強指令豐富。

3.2.2單片機的發展概況

自從1974年12月美國仙童(Fairchild)企業第一種推出8位單片機FS以來，單片機

以驚人的速度發展，從4位機、8位機發展到16位機、32位機，集成度越來越高，功

能越來越強，應用范圍越*越廣。到目前為止，單片機的發展重要可分為如下匹個階段:

第一階段：4位單片機，這種單片機的特點是價格廉價，控制功能強，片內具有多種

I/O接口，如并行I/O接口、串行I/O接口、定沖計數器接口、中斷功能接口等。根據不

一樣用途，還配有許多專用接口，如打印機接口、鍵盤及顯示屏接口，PLA(可編程邏輯

陣列)譯碼輸出接口，有些甚至還包括A/D,D/A轉換，PLL(鎖相環)，聲音合成等電路。

豐富的I/O功能大大地增強了4位單片機的控制功能，從而使外部接口電路極為簡樸。

第二階段:低、中等8位機(1974-1978年)。這種8位機一般不帶有I/O接口,尋址

范圍一般為4KBo它是8位機的初期產品，如Mostek企業的3870,Intel企業的8048等

單片機即屬此類。

第三階段:高檔8位機階段(1978-1982年)。這一類單片機常有串行I/O接口，有多級

中斷處理，定期/計數器為16位，片內的RAM和ROM的容量相對增大，且尋址范圍

可達64KB,有的片內還帶有A/D轉換接口。此類單片機有Intel企業的MCS-51,Motorola

企業的6801和Ziiog企業的Z8等。由于此類單片機應用領域較廣，其構造和性能還在

不停地改善和發展。

第四階段：16位單片機和超8位單片機(1982年至今)。此階段的重要特性是，首先不

停完善高檔8位機，改善其構造，以滿足不一樣顧客的需要；另首先發展16位單片機

及專用單片機。16位單片機除了CPU為16位外，片內RAM和ROM的容量也深入增

大,片內RAM為232字節，ROM為8KB,片內帶有高速輸入輸出部件，多通道10位

A/D轉換部件，中斷處理為8級，其實時處理能力更強。近來，32位單片機己進入實用

階段，但尚未引入國內市場。

在此后單片機的發展趨勢將是:向著大容量、高性能化，小容量、低價格化和外圍電

路內裝化等幾種方面發展V

3.2.3本系統單片機的選擇

AT89c51是美國ATMEL企業生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片-內含4k

bytes的反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數據存儲器(RAM),落

件采用ATMEL企業的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容原則MCS-51指令系統，片

內置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元可靈活應用于多種控制領域。圖3.1為

其引腳圖。

1、重要特性：

?與MCS-51完全兼容

-4K字節可編程FLASH存儲潛

?壽命：1000寫/擦循環

?數據保留時間：

?全靜態工作：0Hz-24MHz

?三級程序存儲器鎖定

?128x8位內部RAM

?32可編程I/O線

?兩個16位定期器/計數器

?5個中斷源

?可編程串行通道

?低功耗的闈置和掉電模式

,片內振蕩器和時鐘電路

2、功能性概述：

AT89C51提供如下原則功能：4k字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM,32

個I/O口線，兩個16位定期/計數器，一種5向量兩級中斷構造，一種全雙工串行通信

口，片內振蕩器及時鐘電路。

3、AT89c51的內部構造簡介

單片機電路是系統控制的關鍵。單片機選用從ATMEL企業的低功耗、高性能的8

位CMOS芯片AT89C51,其片內帶有4K字節的閃速可編程及可擦除只讀存儲器

（EPROM）o引腳功能闡明如下:

UIT

XTAL1POO/ADO3

P01/AD1

P02/AD2

XTAL2P0.3/AD3V

P0.4/AD4

P05/AD5

P0.6/AD6S

RSTP0.7/AD7

P20/A8

P2.1/A9

P2.2JA10zt

P^FTP2.3/A11V

ALEP24412

EA-P2.S413T

P2.6A14

P27A15

1

2

-P10P3.0/RXD

3

-P1.1P3.1rxpzl

43

P12P32毋ITO

5P13P3

6P3.4/T0

-P14

7P3.5/T1

-P1.5

8P16P3.6WR--#

PI7P3.7/RD-「

AT89C51

圖3.1AT89c51引腳圖

*vcc：電源電壓

-GND：地

.P（）口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為

輸出口用時，每位能吸取電流的力式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高

阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8

位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。

在Flash編程時，P0口接受指令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，校驗時，

規定外接上拉電阻。

?P1口：P1口是一種帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級叫可驅動

（吸取或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口

拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，由于內部存在上拉電阻，某個引腳被

外部信號拉低時會輸出一，種電流（1比）。

Flash編程和程序校驗期間，P1接受低8位地址。

?P2口：P2口是一種帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動

（吸取或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫力”，通過內部的上拉電阻把端口

拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，由于內部存在上拉電阻，某個引腳被

外部信號拉低時會輸出一種電流（In,）。

在訪問外部序程存儲器或16位地址的外部數據存儲器（例如執行MOVX@DPTR

指令）時,P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器（如執行MOVX

@RI指令）時，P2口線上的內容（也即特殊功能寄存器區BR2寄存器的內容），在整

個訪問期間不變化。

Flash編程或校驗時，P2亦接受高位地址和其他控制信號。

?P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動

（吸取或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入力”時，它們被內部上拉電阻拉

高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（皿）。

P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.1所示。

P3口還接受某些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。

-RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單

片機復位。

-ALE：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存容許）輸出脈沖用

于鎖存地址的低X位字節°雖然不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出

固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定期目的。要注意的是：每當訪問外

部數據存儲器時將跳過一種ALE脈沖。

表3.1P3口第二功能

端口引腳第二功能

P3.0RXD（串行輸入口）

P3.1TXD（串行輸出口）

P3.2INTO（外中斷0）

P3.3INT1（外中斷1）

P3.4TO（定期/計數器0）

P3.5T1（定期/計數器1）

P3.6WR（外部數據存儲器寫選通）

P3.7由5（外部數據存儲去讀選通）

對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（CS）。

PSEN：程序儲存容許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89c51

由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈

沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現。

EA/VPP：外部訪問容許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為OOOOH-FFFFH）,

EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：假如加密位LB1被編程，復位時內部會

鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接V”端），CPU則執行內部程序存儲器中的指

令。

Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程容許電源Vpp,當然這必須是該器件是

使用12V編程電壓Vpp。

XTAL1：振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

時鐘振蕩器：

圖3.2外部振蕩電路

AT89C51中有一種用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和

XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶

體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖3.2。

外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容Cl、C2接在放大器的反饋回路中構成并聯

振蕩電路。對外接電容Cl、C2雖然沒有十分嚴格的規定，但電容容量的大小會輕微影

響振蕩頻率的高下、振蕩器工作的穩定性、起振的難易程序及溫度穩定性。采用外部時

鐘的電路如圖3.2所示，這種狀況下，外部時鐘脈沖接至I]XTAL1端，即內部時鐘發生

器的輸入端，XTAL2則懸空。

3.3系統硬件總電路構成及原理

實現本設計規定的詳細功能，可以選用AT89S51單片機及外圍器件構成最小控制系

統，12個發光二極管提成4組紅綠黃三色燈構成信號燈指示模塊，8個LED東西南北

各兩個構成倒計時顯示模塊，若干按鍵構成時間設置和模式選擇按鈕和緊急按鈕等，以

及用1個蜂鳴器進行報警,

3.3.1系統硬件電路構成

本系統以單片機為關鍵，構成一種閉環控制系統。系統硬件電路由單片?機，狀態燈,

LED顯示，按鍵，蜂鳴器構成。其詳細的硬件電路總圖如圖3.3所示。

3.3.2系統工作原理

系統上電或手動復位之后，初始時東西方向亮紅燈，南北方向亮綠燈。然后南北向

路口綠燈亮38*后轉黃燈亮2s,再轉紅燈亮20so對應地東西向紅綠燈工作次序為紅燈亮

40s后轉綠燈亮18s,再轉黃燈亮2s,以此進行循環。

假如發生緊急事件，則按下按鈕，此時東西、南北向都亮紅燈。還可以各個方向單

獨通行。時鐘采用倒計時方式顯示，即各燈亮時，時鐘為點亮的最大時間，后來每1s顯

示數據減1,直到減為0后來指示燈再進行變換。

高峰時，各方向通行時間縮短，南北方向30s,東西方向10so所有的時間設置都可

以根據車流量實際狀況進行調整。可以自動檢測違章闖紅燈。

總之，本設計所實現的功能除了經典的交通燈功能之外，只要功能尚有：所有禁行、

所有通行、南北方向通行、東西方向通行、高峰控制、警報提醒、各方向各時段通行時

間自定義、手動復位等。

注：“警報提醒''是以一種開關模擬傳感器發現闖紅燈時所傳播的信號。當開關按下

之后，可視為傳感器發現了闖紅燈的車輛，于是蜂鳴器發警示音。

i^52-］模擬違章設定時間

高峰控制時間加一

選擇方向

4^二一南北通行

確定設時

a^2一全部禁行

設定結束

殳部通行

MU3?。Trartc"hlQraph.DSti

(o>?acF：4MN^biyMh?i^AT

圖3.3硬件電路連接

3.4其他硬件簡介及連接

3.4.1其他硬件簡介

LED（LightEmittingDiode）,發光二極管,它是一種固態的半導體器件,可以直接

把電轉化為光。LED的心臟是一種半導體的晶片，晶片的一端附在一種支架上，一端是

負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由三部分

構成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊

重要是電子，中間一般是I至5個周期的量子阱。當電流通過導線作用于這個晶片的時

候，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內電子跟空穴復合，然后就會以光子的形

式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結

的材料決定的。

LED顯示屏作為大型顯示設備的一種，具有亮度高、價格低、壽命長、維護簡便等

長處。LED數碼管的構造簡樸，分為七段和八段兩種形式，也有共陽和共陰之分。以八

段共陰管為例，它有8個發光二極管（比七段多一種發光二極管，用來顯示sP,即點），每

個發光二極管的陰極連在一起。這樣，一種LED數瑪管就有1根位選線和8根段選線，

要想顯示一種數值，就要分別對它們的高下電平來加以控制。為以便起見，本文重要討

論共陰八段LED數碼顯示管，其他類形的顯示管與其類似。

圖3.4LED數碼管

LED燈的顯示原理:通過同名管腳上所加電平的高下來控制發光二極管與否點亮而

顯示不一樣的字形，如dp,g,f,e,d,c,b,a全亮顯示為8。

采用共陰極連接：

表3.1驅動代碼表

顯示數值abcdefgdop驅動代碼（16進制）

011111111OFCH

10000011060H

211011010ODAH

3111100100F2H

40110011066H

5101101100B6H

610111110OBEH

7111000000E0H

8111111100FEH

9111101100F6H

對應在程序軟件上，可以通過調用程序給定的秒值通過特定計算算出需要顯示的個

位和十位，然后用DPTR調取LEDMAP的代碼。

3.4.2其他器件

(1)發光二極管

根據本設計的特點，紅綠燈的顯示不可少，紅綠燈的顯示采用一般的發光二極管。

每個方向上設置紅綠黃燈，總共4組。假如東西紅燈亮，那南北方向就是綠燈亮，反之

亦然，因此在硬件上連接圖上也是對稱分布的，如下圖3.5所示。在本設計中，實際控

制的燈只有6個，即：東西紅燈，東西綠燈，東西黃燈，南北紅燈，南北綠燈，南北黃

燈,其中均是低電平有效.

共有4鐘狀態：東西紅燈亮，南北綠燈亮(11011101/DDH)；東西紅燈亮，南北黃

燈亮(1011U01/BDH)；東西綠燈亮，南北紅燈亮(1110U01/EDH)；東西黃燈亮，南

北紅燈亮(111001ll/E7H)o

圖3.5信號燈的連接

括號中是P1端口8個引腳值P1.7,PL6,PL5,P1.4,PL3,P1.2,PL1,P1.O以及對應的十六

進制碼。

在用于顯示發光二極管時，直接由MOV指令將十六進制碼送入P1口。剛剛的4

個狀態是依次變換的，這就要波及到狀態的判斷和銜接了。先把P1端口的值與所有的

4個狀態碼比較，若相似則判斷成功目前狀態，再把下一狀態的狀態碼送顯P1即可。

(2)蜂鳴器

本設計采用一般蜂鳴器，蜂鳴器使用PNP三極管進行驅動控制，當連接到單片機

上的引腳輸出為低電平，PNP導通，蜂鳴器蜂鳴；當連接到單片機上的引腳輸出高電平

時，PNP截止，蜂鳴器停止蜂鳴。如下圖3.6所示

圖3.6蜂鳴器連接

緊停按鍵和違規信號傳感器連接到外部中斷引腳INTI,P3.6捕捉到一種低電平，

則進入該中斷，中斷程序中先把蜂鳴器P3.7端口置0,啟動蜂鳴。并且等待恢復鍵F鍵

按下，然后關閉蜂鳴返回,

(3)電源電路設計

由于單片機匚作時需要的+5V電壓，因此在設計電源電路時，需要一種電子元件能提

供+5V電壓，由于7805可以提供5V電壓的三端穩壓電源，在實際的電路控制中應用其作為

電源電路較為廣泛，在一般的電子元器件商場均有銷售易于購置，并且技術相對成熟.7805

一腳為電源輸入端，二腳為公共接地端，三腳即為我們所需要的+5V電壓輸出端.本文采用

最經典的7805提供電壓的電路，即在7805的1腳和公共接地端(即2腳)之間接入0.3"的電

容,在公共接地端和三腳+5V電壓輸出端之間接入0.1葉的電容.

圖3.7+5V電源電路

3.5本章小結

本章重要論述了控制系統的硬件電路的設計過程。首先，對本系統硬件部分先進行

了總體概述并選擇出單片機型號，除單片機的最小系統外，將其他需設計的電路歸為輸

入與輸出通道的設計。在其他硬件方面也做了有關論述。

第4章系統軟件設計

4.1系統功能規定

交通管理方案：南北、東西兩干道交于一種十字路口，各干道有一組紅、黃、綠三色

的指示燈,指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮嚴禁通行，綠燈亮容許通行。黃燈亮提醒人

們注意紅、綠燈的狀態即將切換，且黃燈燃亮時間為南北、東西兩干道的公共停車時間。

設南北道比東西道的車流量大。

十字路口的東西向、南北向各有一組紅綠燈和一種時鐘系統，時鐘系統由兩個LED

構成，用于顯示紅綠燈的時間，詳細規定如下：

1初始時東西方向亮紅燈，南北方向亮綠燈。

2然后南北向路口綠燈亮38s后轉黃燈亮2s,再轉紅燈亮20so

3對應地東西向紅綠燈工作次序為紅燈亮40s后轉綠燈亮18s,再轉黃燈亮2s,以此

進行循環。

4假如發生緊急事件，則按下按鈕，此時東西、南北向都亮紅燈。還可以各個方向單

獨通行。

5時鐘采用倒計時方式顯示，即各燈亮時，時鐘為點亮的最大時間，后來每1$顯示

數據減1,直到減為0后來指示燈再進行變換。

6高峰時，各方向通行時間縮短，南北方向30s,東西方向10s。

7所有的時間設置都可以根據車流量實際狀況進行調整。

8可以自動檢測違章闖紅燈。

總之，本設計所實現的功能除了經典的交通燈功能之外，只要功能尚有：

所有禁行、所有通行、南北方向通行、東西方向通行、高峰控制、警報提醒、各方

向各時段通行時間自定義、手動復位等。

注：“警報提醒”是以一種開關模擬傳感器發現闖紅燈時所傳播的信號。

首先是按鍵處理程序，AT89c51通過對10掃描，確定與否有鍵按下，再判斷詳細

是那個鍵按下，根據鍵值跳轉到按鍵處理程序。

4.1.1定期器原理

定期器工作的基本原理其實就是給初值，讓它不停加1直至減完為模值，這個初值

是送至IJTH和TL中的。它是以加法記數的，并能從全1到全0時自動產生溢出中斷祈求。

4.1.2程序流程圖

圖4.1程序流程圖

因此，我們可以把計數器記滿為零所需的計數值，即所規定的計數值設定為C,把

計數初值設定為TC可得到如下計算通式：

TC=M-C(4.1)

式中，M為計數器模值°計數值并不是目的,目的是時間值，設計1次的時間，即

定期器計數脈沖的周期為TO,它是單片機系統主頻周期的12倍，設規定的時間值為T,

則有C=T/T0。計算通式變為：

T=(M-TC)TO(4.2)

模值和計數器工作方式有關。在方式0時M為8192；在方式1時M的值為65536；

在方式2和3為256o就此可以算出多種方式的最大延時。如單片機的主脈沖頻率為

12MHZ,通過12分頻后，若采用方式0最大延時只有8.129毫秒，采用方式1最大延

時也只有65.536毫秒。這就是為何掃描周期為50ms的原因，

若使用軟件則會耽誤程序流程，顯然不可行。相反，時間計時方面卻不也許只用計

數器，由于顯然1秒鐘已經超過了計數器的最大定期間，因此我們還必須采用定期器和

軟件相結合的措施才能處理這個問題。

圖4.6加入文獻

設置對話框中的Target頁面，如圖4.7所示，Xtal背面的數值是晶振頻率值，默

認值是所選目的CPU的最高可用頻率值對于我們所選的AT89c51而言是24M,該數

值與最終產生的目的代碼無關，僅用于軟件模擬調試時顯示程序執行時間。

圖4.7對目的進行設置

對的設置該數值可使顯示時間與實際所用時間一致，一般將其設置成與你的硬件所

用品振頻率相似，假如沒必要理解程序執行的時間，也可以不設，這里設置為24cMemory

Model用于設置RAM使用狀況有三個選擇項，Small是所有變量都在單片機的內部

RAM中；Compact是可以使用一頁外部擴展RAM,而Larget則是可以使用所有外

部的擴展RAMoCodeModel用于設置ROM空間的使用，同樣也有三個選擇項，即

Small模式，只用低于2K的程序空間；Compacl模式，單個函數的代碼量不能超過

2K,整個程序可以使用64K程序空間；Larget模式，可用所有64K空間。Useon-chip

ROM選擇項，確認與否僅使用片內ROM（注意：選中該項并不會影響最終身成的目

的代碼量）；Operating項是操作系統選擇，Keil提供了兩種操作系統：Rtxtiny和Rtx

full,有關操作系統是此外一種很大的話題了，一般我們不使用任何操作系統，雖然用

該項的默認值：None（不使用任何操作系統）；OffChipCodememory用以確定系

統擴展ROM的地址范圍，OffChipxDatamemory組用于確定系統擴展RAM的

地址范圍，這些選擇項必須根據所用硬件來決定，由于該例是單片應用，未進行任何擴

展，因此均不重新選擇，按默認值設置。設置對話框中的OutPut頁面，如圖4.8所示。

圖4.8對輸出進行控制

這里面也有多種選擇項，其中CreatHexfile用于生成可執行代碼文獻（可以用編

程器寫入單片機芯片的HEX格式文獻，文獻的擴展名為.HEX）,默認狀況下該項未

被選中，假如要寫片做硬件試驗，就必須選中該項，選中Debuginfonnation將會產

生調試信息，這些信息用于調試，假如需要對程序進行調試，應當選中該項。Browse

information是產生瀏覽信息，該信息可以用菜單vie\v->Browse來查看，這里取默認值。

按鈕“SelectFolderforobjects"是用來選擇最終的目的文獻所在的文獻夾，默認是與工

程文獻在同一個文獻夾中。NameofExecutable用于指定最終身成的目的文獻的名字，

默認與工程的名字相似，這兩項一般不需要更改。工程設置對話框中的其他各頁面與

C51編譯選項、A51的匯編選項、BL51連接器的連接選項等使用方法有關，這里均取

默認值，不作任何修改設置完畢后按確認返回主界面，工程文獻建立、設置完畢。

圖4.7對目的進行設置

在設置好工程后，即可進行編譯、連接。選擇菜單Project->Buildtarget,對目前工

程進行連接，假如目前文獻已修改，軟件會先對該文獻進行編譯，然后再連接以產生目

的代碼；假如選擇RebuildAlltargetfiles將會對目前工程中的所有文獻重新進行編譯

然后再連接，保證最終身產的目的代碼是最新的，