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基于STC89C51单片机的交通灯设计V摘 要 一个完整的交通灯相当于一个简单的单片机系统，该系统有交通灯设置电路、单片机、显示电路等构成。信号灯控制的实现是通过电路与汇编程序的结合来完成，其中信号灯的模拟采用了发光二极管，发光二极管有熄灭、点亮和闪烁三种信号，其中闪烁信号的产生运用了延时程序来实现，而时间倒数方面引进了LED数字显示，克服了人们在等待时的心急的心情，减少了红灯未灭，闯红灯的现象。电路部分原理图是通过用PROTEL软件绘制设计，汇编程序的设计与调试都在KEIL上完成。最后使用PROTEUS软件上的虚拟元件来代替所有的电路元件完成整个系统的调试和仿真，这样就大大保证了焊制硬件实物能正常运行。 本系统功能设计完善，采用AT89C51单片机为核心，具有实用，方便，灵活的特点。随着电子技术的广泛应用，车辆日益增多将成为一种发展趋势，所以要有一套安全可靠的交通指示灯。 关键字：AT89C51；LED显示；交通灯 目 录 第一部分 设计任务 . 3 1.1 设计题目及要求 . 3 1.2 备选方案设计与比较 . 3 1.2.1方案一 . 3 1.2.2方案二 . 3 1.2.3方案三 . 3 1.2.4各方案分析比较 . 3 第二部分 系统硬件平台的设计 . 4 2.1 总体设计方案说明 . 4 2.1.1 设计原理分析 . 4 2.2 单片机概述 . 5 2.2.1 单片机处理器 . 5 2.3 硬件电路的设计 . 9 2.4 时钟电路设计 . 9 2.4.1 时钟电路及参数计算 . 9 2.4.2 工作原理和功能说明 . 9 2.5 复位电路设计 . 10 2.5.1 复位电路及参数计算 . 10 2.5.2 工作原理和功能说明 . 10 第三部分 系统软件的设计与实现 . 10 3.1 程序框图及主程序流程图 . 10 3.1.1 软件设计思路 . 10 3.1.2 程序框图如图5所示 . 11 3.1.3 主程序设计 . 11 3.1.4 定时中断子程序 . 11 3.2 十字路口交通灯仿真 . 12 3.2.1 仿真软件简介 . 12 3.2.2 仿真电路图 . 13 3.2.3 仿真结果 . 13 第四部分 安装调试与性能测量 . 14 4.1 电路安装 . 14 4.2 系统软件、硬件调试 . 15 4.2.1 调试步骤及测量数据 . 15 4.2.2 故障分析及处理 . 16 参考文献： . 17 课程设计总结 . 17 注：报告正文的排版： . 18 第一部分 设计任务 1.1 设计题目及要求 1、通过单片机课程设计，熟练掌握单片机C语言的编程方法，将理论联系到实践中去，提高我们的动脑和动手的能力。 2、通过交通信号灯控制系统的设计，掌握定时/计数哭的使用方法，和简单程序的编写，最终提高我们的逻辑抽象能力。 3、在十字路口的东西和南北两个方向都各有红、黄、绿三个信号灯。红、黄、绿交通灯的变化规律为： 1）南北方向的绿灯、东西方向的红灯同时亮40秒； 2）南北方向的绿灯灭、黄灯亮5秒，同时东西方向的红灯继续亮； 3）南北方向的黄灯灭、红灯亮，同时东西方向的红灯灭、绿灯亮，持续40秒； 4）南北方向的红灯继续亮，同时东西方向的绿灯灭、黄灯亮5秒； 5）转1）重复。 1.2 备选方案设计与比较 1.2.1方案一 采用独立的稳压电源供电，完全采用数码管显示，采用 8155 扩展I/O口及键盘，显示等。 1.2.2方案二 采用单片机控制模块提供电源，完全采用点阵式 LED 显示，直接在 IO口线上接上按键开关。 1.2.3方案三 采用单片机控制模块提供电源，采用数码管与LED 相结合的方法显示，直接在 IO口线上接上按键开关。 1.2.4各方案分析比较 方案一的优点是电源稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。只采用数码管显示，这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任题目要求。8155扩展I/O口及键盘具有使用灵活可编程，并且有RAM，及计数器。若用该方案，可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。 方案二的优点是电源系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。完全采用点阵式LED显示实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。直接在I/O口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用四个按键，分别是K1、K2、K3、K4。 方案三的优点是电源采用单片机控制模块提供电源，具有使用方便，节约成本。采用数码管与点阵LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。直接在I/O口线上接上按键开关，设计时精简和优化了电路。 综合以上所述，权衡利弊，第三种方案可互补一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故可以直接在I/O口线上接上按键开关，故选择方案三。 第二部分 系统硬件平台的设计 2.1 总体设计方案说明 2.1.1 设计原理分析 北人行道人行道人行道人行道西东南图1 十字路口交通图 首先了解实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口如上图所以，为东南西北走向。初始状态0为东西南北都红灯亮。然后转状态1东西绿灯通车，南北红灯亮。过一段时间后，转状态2，东西绿灯灭，黄灯闪几下，南北还是红灯。再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯亮。过一段时间后转状态4，南北绿灯灭，闪几个黄灯，东西还是为红灯亮，一段时间后，又循环至状态1。 1、列出交通信号灯的状态表如下： 北 状态 绿黄红 000100000111100 0 1 0 0 0西 绿黄红 0010010011 0 0 0 1 000001南 绿黄红 11100 0 1 0 0 000100东 绿黄红 100110 1 2 3 4 2、对于交通信号灯来说，应该有东西南北共四组灯，但由于同一道上的两组的信号灯的显示情况是相同的，所以只要用两组就行了，因此，采用单片机内部的I/O口上的P1口中的6个引脚即可来控制6个信号灯。 3、通过编写程序，实现对发光二极管的控制，来模拟交通信号灯的管理。每延时一段时间，灯的显示情况都会按交通灯的显示规律进行状态转换。 4、通过延时时间送显，可以在原有的交通信号灯系统的基础上，增添其倒计时间的显示功能，实现其功能的扩展。 2.2 单片机概述 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 2.2.1 单片机处理器 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。 2.2.2 MSC-51芯片简介 MCS-51单片机内部结构 8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051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及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明： ·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。 ·数据存储器(RAM) 8051内部有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。 图2 8051内部结构 ·程序存储器(ROM)： 8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 ·定时/计数器(ROM)： 8051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断用于控制程序转向。 ·并行输入输出(I/O)口： 8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。 ·全双工串行口： 8051内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。 ·中断系统 8051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。 ·时钟电路 8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051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MCS-51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。 下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2。 图3 MCS-51 结构框图 MCS-51的引脚说明： MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图4： ·Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM的状态，8051的初始态。 ·Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。 如果单片机是EPROM，在编程其间，·Pin29:行。 ·Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。 在编程时，EA/Vpp脚还需加上12V的编程电压。 1234567891011121314151617181920P1.089C51VccP1.1P0.0(AD0)P1.2P0.1(AD1)P1.3P0.2(AD2)P1.4P0.3(AD3)P1.5P0.4(AD4)P1.6P0.5(AD5)P1.7P0.6(AD6)RST/VpdP0.7(AD7)RXD/P3.0EA/VppTXD/P3.1ALEINT0/P3.2PSENINT1/P3.3P2.7(A15)T0/P3.4P2.6(A14)T1/P3.5P2.5(A13)WR/P3.6P2.4(A12)RD/P3.7P2.3(A11)XTAL2P2.2(A10)XTAL1P2.1(A9)VssP2.0(A8)4039383736353433323130292827262524232221将用于输入编程脉冲。 当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执图4 8051的引脚图 2.3 硬件电路的设计 本课题的设计可通过单片机基础实验板上的一些功能模块电路组成，由于各模块电路内部已经连接，用户在使用时只需要用排线连接模块之间的电路，因此，硬件电路的设计及实现相对简单。完整系统的硬件连接如图1所示。硬件电路由定时模块、发光二极管模块、数码管显示模块和紧急中断模块组成。 2.4 时钟电路设计 2.4.1 时钟电路及参数计算 8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。 8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。 图 4 时钟电路图 2.4.2 工作原理和功能说明 在单片机引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图所示。 在图4中，电容器C1，C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MHz，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。 外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如下图所示。外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1接地。为了提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2。 2.5 复位电路设计 2.5.1 复位电路及参数计算 8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图5所示。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。 图 5 复位电路 2.5.2 工作原理和功能说明 当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如上图5中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。 上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如上图5中右图所示。上电后，由于电容的充电作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。根据实际经验选用22uF的电容和1K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。 根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。 上图5中左图：Cl10-30uF，R11k 上图5中右图：C22uF，Rllk，R210k 第三部分 系统软件的设计与实现 3.1 程序框图及主程序流程图 3.1.1 软件设计思路 本程序由主程序、定时中断子程序和外部中断子程序组成。主程序主要负责系统初始化和等待中断。定时中断子程序主要负责数码管显示刷新和红绿黄灯各种状态切换。外部中断子程序负责紧急情况处理及按键设置和处理完恢复。 3.1.2 程序框图如图5所示 程序框图描述了十字路口交通灯的工作流程。 3.1.3 主程序设计 主程序负责系统的初始化，然后数码管数据输出显示，同时检测PC键盘按键，有按键就进入按键中断程序。主程序的流程图如图6所示。 开始开始初始化路口状态单片机初始化延时，将时间送显示东西红灯亮，南北绿灯亮定时计数器50ms延时，将时间送显示Count=20？N东西红灯亮，南北黄灯闪YLED数码管显示SN绿灯EW红灯直行40sN延时，将时间送显示东西绿灯亮，南北红灯亮40s是否结束Y延时，将时间送显示东西黄灯闪，南北红灯闪LED数码管显示SN绿灯EW红灯左转弯20s延时，将时间送显示60s是否结束NY图5 程序框图 图6 主程序流程图 3.1.4 定时中断子程序 定时中断子程序是本设计的重点，负责完成数码管输出数据刷新和各个状态的处理切换。中断子程序包括数码管输出数据刷新程序和各状态处理程序。 3.2 十字路口交通灯仿真 3.2.1 仿真软件简介 Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！尤其重要的是Proteus Lite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果;功能最强的Proteus专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。 Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于XX年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。 其功能模块：个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARES PCB设计。 PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUS VSM：便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型。 Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。该软件具有如下的特点： 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势； 具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、1 C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等； 目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片； 支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。 Proteus 软件所提供了30多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等，不存在同类仪表使用数量的问题。Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。 3.2.2 仿真电路图 单片机模拟的十字路口交通灯仿真图如下： 图7 十字路口交通灯仿真图 3.2.3 仿真结果 仿真结果如下图所示，南北方向亮绿灯，东西方向亮红灯，西方向人行道禁止，南北方向人行道通行；40秒后，南北方向亮红灯，东西方向亮绿灯，西方向人行道通行，南北方向人行道禁止；周而复始。 图8 十字路口交通灯仿真图 第四部分 安装调试与性能测量 4.1 电路安装 判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是用万用表测量单片机晶振引脚的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18脚对地约2.24V，19脚对地约2.09V。对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路有问题。把焊接好的数码管显示电路，用排线引出接口连接至单片机的I/O口。 图9 硬件连接实物 实物连接如上图所示。 4.2 系统软件、硬件调试 4.2.1 调试步骤及测量数据 调试步骤： 1、按图连接好线路，为了确保东西南北红黄绿灯能够对应显示，实验时，对P1口的接线做了调整。P1口接交通的红绿黄指示灯，P2口接数码管的位选端，所有的断码都是由P0口送出。 2、从000EH单元开始连续运行，观察8个LED灯是否与交通显示情况对应，如果有偏差，则单步运行或断点运行，进行调试，直至满足设计要求。 3、调试完灯的显示后，从000EH开始连续运行，观察数码管显示的是否正常，如果不正常，则运用单步运行或断点运行进行分析和调试，直至满足要求。 4、整体运行，观察灯显示和时间显示是否都符合要求，如果不符合，则再调试。直至满足要求。 测量数据： 按键至正常模式，观测到南北方向的绿灯、东西方向的红灯同时亮60秒，南北方向的绿灯灭、黄灯亮5秒，同时东西方向的红灯继续亮，南北方向的黄灯灭、红灯亮，同时东西方向的红灯灭、绿灯亮，持续60秒。，南北方向的红灯继续亮，同时东西方向的绿灯灭、黄灯亮5秒。 按键至繁忙模式，红绿灯亮灯时间变为45秒，黄灯亮灯时间为5秒，其余情况和正常模式相同。 按键至特殊模式，红绿灯亮灯时间变为75秒，黄灯亮灯时间为5秒，其余情况和正常模式相同。 4.2.2 故障分析及处理 1）起初通电后，按下模式键后，出现亮灯混乱。断电后，对程序进行检查，发现选错了T0的工作方式，程序也有错误。修改后，亮灯正常。 2）实际电路运行一段时间，出现不稳定，数码管出现闪烁的情况。对程序检查后，没有发现问题；检查硬件，发现有些焊锡处有杂物，可能是杂物导致局部短路。清除杂物，并把实际电路放到干净的环境，运行正常。 参考文献： 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