1、基于 AT89C51 的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要交通燈控制系統(tǒng)是近現(xiàn)代社會(huì)隨著物流、 出行等交通發(fā)展產(chǎn)生的一套獨(dú)特的公共管理系統(tǒng)。隨著我國城市現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)， 交通是影響我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)重問題，而城市交通問題的核心就是對(duì)十字路口交通信號(hào)的控制。 因此，我國的城市交通問題的研究重點(diǎn)是交通燈控制系統(tǒng)的研究。本課題是根據(jù)單片機(jī)相關(guān)知識(shí)對(duì)簡(jiǎn)單交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 本文首先介紹了交通燈的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀， 闡述了本課題的任務(wù)要求， 并在交通管理系統(tǒng)知識(shí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用情況，進(jìn)行總體方案論述。接著，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后通過對(duì)交通燈控制系統(tǒng)需完成的功能確定了控制系統(tǒng)中需

2、要設(shè)計(jì)的模塊，最后對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行硬件的選擇與設(shè)計(jì)，完成了對(duì)交通燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)部分，運(yùn)用 Proteus和 Keil 軟件對(duì)交通控制系統(tǒng)編程與仿真，使交通燈控制系統(tǒng)功能達(dá)到任務(wù)要求。關(guān)鍵詞：信號(hào)燈AT89C51倒計(jì)時(shí)控制引言：在今天，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。這一技術(shù)在19 世紀(jì)就已出現(xiàn)了。早期的交通信號(hào)燈使用 “固定配時(shí)” 方式實(shí)行自動(dòng)控制， 這種方式對(duì)于早起交通流量不大的情況曾起過一定的作用。 但隨著汽車工業(yè)的發(fā)展 , 交通流量增加 , 隨機(jī)變化增強(qiáng)，采用以往那種單一模式的“固定配時(shí)”方式已不能滿足客觀需要，于是一種多時(shí)段多方案的信號(hào)

3、控制器開始出現(xiàn)并逐步取代了傳統(tǒng)的只有一種控制方案的控制器。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為交通控制技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。加拿大多倫多市于1964年完成了計(jì)算機(jī)控制信號(hào)燈的實(shí)用化，建立了一套由 IBM650 型計(jì)算機(jī)控制的交通信號(hào)協(xié)調(diào)系統(tǒng)，成為世界上第一個(gè)具有電子數(shù)字計(jì)算機(jī)城市交通控制系統(tǒng)的城市。這是道路交通控制技術(shù)發(fā)展的里程碑。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)于交通燈控制系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為核心，功耗小可以方便以后研究。1. 設(shè)計(jì)的要求與方案1.1根據(jù)上述交通燈控制系統(tǒng)的研究意義， 本課題設(shè)計(jì)了適應(yīng)當(dāng)前交通管理的交通燈控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)中除了具有基本的交通燈功能之外，還具有倒計(jì)時(shí)、時(shí)間設(shè)置、根據(jù)情況手動(dòng)控制

4、等功能。(1) 在一般情況下，交通燈控制系統(tǒng)要求正常顯示信號(hào)燈以及倒計(jì)時(shí)的時(shí)間變化：當(dāng)東西方向?yàn)榫G燈時(shí)， 南北方向?yàn)榧t燈； 當(dāng)東西方向綠燈變?yōu)辄S燈， 提示此方向即將禁止通行；當(dāng)東西方向變?yōu)榧t燈，南北方向變?yōu)榫G燈；當(dāng)南北方向變?yōu)辄S燈時(shí)，提示此方向即將禁止通行。 在每個(gè)方向都要求有倒計(jì)時(shí)顯示， 提示通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間。(2) 在特殊情況下， 某一方向的車流量過多， 按鍵設(shè)置通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間。綜上所述，交通燈的發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。 本章主要介紹了交通燈的發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義，提出了本課題的任務(wù)要求。1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案1.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)隨著人們?nèi)粘Ｉ钏降奶岣撸?機(jī)動(dòng)車

5、輛不斷增加， 簡(jiǎn)單的交通控制系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前交通道路管理的需要。 為了最大程度的滿足交通管理的需要， 為車輛提供準(zhǔn)確的通行時(shí)間， 本課題應(yīng)結(jié)合先進(jìn)的研究技術(shù)設(shè)計(jì)出功能完善的交通燈控制系統(tǒng)。 此外，還需要充分考慮系統(tǒng)的可操作性， 使控制系統(tǒng)具備與突發(fā)狀況相適應(yīng)的可調(diào)節(jié)能力。1.2.2 交通道路管理方案在設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)之前， 應(yīng)明確交通道路中交通燈的管理方案。 東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口，各干道有一組紅、黃、綠三色的指示燈，以指揮車輛的安全通行。紅燈亮禁止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換，且黃燈燃亮?xí)r間為東西、 南北兩干道的公共停車時(shí)間。 信號(hào)燈指示方案如

6、表 1.2.1 所示。表 1.2.1 信號(hào)燈指示方案狀態(tài)信號(hào)燈顯示S1東西方向綠燈南北方向紅燈S2東西方向黃燈南北方向紅燈S3東西方向紅燈南北方向綠燈S4東西方向紅燈南北方向黃燈1.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案根據(jù)交通系統(tǒng)管理方案和本課題任務(wù)的要求，該系統(tǒng)應(yīng)具有交通燈的顯示功能、倒計(jì)時(shí)功能和通行時(shí)間設(shè)置功能，所以把系統(tǒng)分為四個(gè)模塊， 包括單片機(jī)控制、 信號(hào)燈顯示、倒計(jì)時(shí)顯示和鍵盤設(shè)置，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2.1 所示。初 始 參AT8974LS2數(shù) 設(shè) 置C51 單45倒計(jì)時(shí)顯示模塊片機(jī)驅(qū)動(dòng)鍵盤設(shè)置控制模塊信號(hào)燈顯示模塊圖 1.2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下面分別簡(jiǎn)單介紹這四個(gè)模塊：(1) 單片機(jī)控制模

7、塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上，具有優(yōu)異的性能價(jià)格比， 控制功能強(qiáng)， 這將使各模塊功能的實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單方便。 本系統(tǒng)中， 8051 單片機(jī)的 P0 口控制南北方向的時(shí)間顯示； P1 口控制信號(hào)燈的點(diǎn)亮； P2口控制東西方向的時(shí)間顯示；P3 口接入鍵盤開關(guān)，可設(shè)置適應(yīng)當(dāng)前狀況的通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間。(2) 信號(hào)燈顯示模塊：利用發(fā)光二極管代替交通信號(hào)燈，通過單片機(jī)控制使其按要求點(diǎn)亮。(3) 倒計(jì)時(shí)顯示模塊：此模塊有兩種方案。第一種是采用數(shù)碼管顯示。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但只能顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符。第二種是采用點(diǎn)陣式LED 顯示。該方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，須完成大量的軟件工作，但功能強(qiáng)大，

8、可方便的顯示各種英文字符、漢字和圖形。由于本控制系統(tǒng)只需顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間， 利用數(shù)碼管即可完成此功能， 因此本控制系統(tǒng)中利用 2 位一體的共陰數(shù)碼管顯示道路兩個(gè)方向的通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間，通過單片機(jī)控制進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示。(4) 鍵盤設(shè)置模塊：在交通道路突發(fā)情況時(shí)，可通過按鍵手動(dòng)設(shè)置通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間，通過單片機(jī)控制進(jìn)行時(shí)間設(shè)置。 此模塊有兩種方案： 第一種是采用 8255擴(kuò)展 I/O 口及鍵盤、信號(hào)燈顯示等。該方案使用靈活，可提供較多I/O 口，但操作復(fù)雜。另一種是直接在 I/O 口線上接上按鍵開關(guān)。 該方案設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)， 但提供的 I/O 口數(shù)量有限。由于本控制系統(tǒng)對(duì)于交通燈及數(shù)碼管的控制只用

9、單片機(jī)本身的I/O 口就可實(shí)現(xiàn)，故選擇第二種方案。綜上所述，交通燈控制系統(tǒng)的總體方案已經(jīng)確定，下面進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。2 交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介8051 系列單片機(jī)是在美國 Intel 公司于 20 世紀(jì) 80 年代推出的 MCS-51系列高性能 8 位單片機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的， 它在單一芯片內(nèi)集成了并行 I/O 口、異步串行口、 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、片內(nèi) RAM和片內(nèi) ROM，以及其他一些功能部件 5 。單片機(jī)主要有如下特點(diǎn)：(1)(2)有優(yōu)異的性能價(jià)格比。集成度高、 體積小、有很高的可靠性。 單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之

10、間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣的環(huán)境下工作。(3) 控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、 I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。 單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。(4) 低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。(5) 外部總線增加了IC(Inter-IntegratedCircuit)及 SPI(SerialPeripheralInterface)等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。(6) 單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模應(yīng)用系

11、統(tǒng)6 。2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路晶振采用了內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)源的方式，如圖 3.1 所示。8051 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器， 用于構(gòu)成振蕩器， 反向放大器的輸入端為XTAL1 ，輸出端為 XTAL2 ，分別是8051 的第19 和18 腳。在XTAL1和XTAL2之間接1 個(gè)石英晶體及2 個(gè)電容，就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，當(dāng)震蕩在6MHz12 MHz 時(shí)通常取30pF 左右的電容進(jìn)行微調(diào) 7 。圖 3.1 系統(tǒng)時(shí)鐘電路2.3 信號(hào)燈顯示電路在信號(hào)燈顯示電路中， 本控制系統(tǒng)選用了發(fā)光二極管代替信號(hào)燈。其中：紅色發(fā)光二極管、黃色發(fā)光二極管和綠色發(fā)光二極管分別代替紅燈、黃燈、綠燈。發(fā)光二極管是一種

12、特殊的二極管，導(dǎo)通時(shí)會(huì)發(fā)光（發(fā)光二極管導(dǎo)通壓降一般為1.5V 左右）8 。此外， 工作電流要滿足該二極管的工作電流。一般發(fā)光二極管與I/O端口之間都會(huì)再連接一個(gè)電阻，其作用在于限制通過二極管的電流，從而達(dá)到減少功耗或者滿足端口對(duì)最大電流的限制9 。一般發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流為515mA。控制系統(tǒng)中，信號(hào)燈指示電路如圖3.2 所示。圖 3.2信號(hào)燈顯示電路在此信號(hào)燈顯示電路中，每個(gè)發(fā)光二極管都與1 個(gè) 220 的電阻相連接，起到限流作用。因?yàn)槎O管的導(dǎo)通電壓為1.5V，電阻分得的電壓為5V 1.5V=3.5V , 當(dāng)選擇220的電阻時(shí)發(fā)光二極管的電流為3.5V/220 ，約為 15mA, 此時(shí)發(fā)光

13、二極管正常點(diǎn)亮。2.4 倒計(jì)時(shí)顯示電路該交通燈控制系統(tǒng)的倒計(jì)時(shí)功能可以采用數(shù)碼管顯示，也可以采用點(diǎn)陣式LED顯示。點(diǎn)陣式LED 雖然功能強(qiáng)大，但是需要完成大量的軟件工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度會(huì)增加，因此本控制系統(tǒng)選擇采用數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)交通燈倒計(jì)時(shí)功能的顯示。8段數(shù)碼管又稱為 8字型數(shù)碼管，分為 8段： A、B、C、D、E、F、G、 DP。其中，DP為小數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管常用的有 10根管腳，每一段有一根管腳，另外兩根管腳為一個(gè)數(shù)碼管的公共段，兩根之間相互連通 10-13 。 8段 LED 數(shù)碼管，就是在一定形狀的絕緣材料上，利用不同形狀點(diǎn)劃的發(fā)光二極管組合，排列成 “8字”型的數(shù)碼管，分別引出它們的電極，

14、點(diǎn)亮相應(yīng)的點(diǎn)劃來顯示 09的數(shù)字 14 。數(shù)字顯示代碼如表 3.1所示。表 3.1數(shù)字顯示驅(qū)動(dòng)代碼表顯示數(shù)值dop g f e d c b a驅(qū)動(dòng)代碼（ 16 進(jìn)制）0001111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011006DH6011111007DH70000011107H8011111117FH本控制系統(tǒng)倒計(jì)時(shí)電路采用了4 個(gè) 2 位一體的共陰數(shù)碼管， 此數(shù)碼管在交通燈控制系統(tǒng)中便于觀察倒計(jì)時(shí)顯示，如圖3.3 所示。圖 2.2 位一體的共陰數(shù)碼管這 4 個(gè)數(shù)碼管分別與控制兩干道倒計(jì)時(shí)顯示的端口相連接，即可顯示

15、出信號(hào)燈的倒計(jì)時(shí)功能。以南北方向的數(shù)碼管為例，如圖3.4 所示。此數(shù)碼管顯示的數(shù)值從綠燈的設(shè)置時(shí)間最大值一直減，每秒鐘減1，然后又從黃燈的設(shè)置時(shí)間一直減，再從紅燈的設(shè)置時(shí)間一直減，接下來又顯示綠燈時(shí)間，如此循環(huán)。圖 3.4 南北方向倒計(jì)時(shí)顯示2.5 鍵盤設(shè)置電路鍵盤設(shè)置電路中，采用獨(dú)立式按鍵進(jìn)行控制。獨(dú)立式按鍵是直接用I/O 口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O 口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它 I/O 口線的狀態(tài) 14 。獨(dú)立式按鍵的典型應(yīng)用如圖3.5 所示：圖 3.5 獨(dú)立式按鍵電路獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O 口線，因此，在按鍵

16、較多時(shí)， I/O 口線浪費(fèi)較大，不宜采用。根據(jù)以上特點(diǎn)，本控制系統(tǒng)單片機(jī)的I/O 口數(shù)可以滿足該鍵盤，并且可以完成課題中所要求的手動(dòng)設(shè)定時(shí)間的控制功能，所以本控制系統(tǒng)中應(yīng)采用獨(dú)立式鍵盤，鍵盤設(shè)置電路如圖 2.6 所示。圖 2.6 鍵盤設(shè)置電路2.6 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)中，單片機(jī)控制模塊是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的主要部分。8051 單片機(jī)有 4 個(gè)并行 I/O 口 P0、P1、P2 和 P3，每個(gè)口都有 8 個(gè)引腳，共有 32 根 I/O 引腳，它們都是雙向通道，每一條 I/O 引腳都能獨(dú)立地用做輸入和輸出。本系統(tǒng)中， 8051單片機(jī)的 P0 口控制南北方向的時(shí)間顯示； P1 口控制信號(hào)燈的

17、點(diǎn)亮； P2 口控制東西方向的時(shí)間顯示； P3 口接入鍵盤開關(guān)，可設(shè)置適應(yīng)當(dāng)前交通狀況的通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間。另外，在 P0 口控制南北方向的時(shí)間顯示中，利用74LS245 芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。74LS245 管腳結(jié)構(gòu)如圖 3.7 所示，它是常用的芯片，用來驅(qū)動(dòng)LED 或者其他的設(shè)備 ,是 8 路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)15。8051 單片機(jī) P0 口內(nèi)部不帶上拉電阻，輸出只有電壓沒電流，接負(fù)載時(shí)要外接上拉電阻，即當(dāng)8051 單片機(jī)的 P0口總線負(fù)載達(dá)到或超過 P0 最大負(fù)載能力時(shí)，必須接入74LS245 等總線驅(qū)動(dòng)器。圖 3.7 74LS245 管腳結(jié)構(gòu)74LS245 芯片具有雙

18、向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)，74LS245 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.8 所示。圖 3.8 74LS245 內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)片選端 CE 低電平有效時(shí)， DIR= “0”，信號(hào)由B 向 A 傳輸，即接收數(shù)據(jù)；DIR= “1”，信號(hào)由A 向 B 傳輸，即發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)CE 為高電平時(shí)， A 、B 均為高阻態(tài)。所以，在本控制系統(tǒng)中需要用74LS245 芯片對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本章對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，設(shè)計(jì)了交通燈控制系統(tǒng)硬件電路。接下來，還需要對(duì)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。3 交通燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)一旦確定， 功能框架就已經(jīng)形成。 軟件在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上構(gòu)筑， 完成

19、各部分硬件的控制和協(xié)調(diào)。 系統(tǒng)是由軟硬件共同實(shí)現(xiàn)的， 由于軟件的可伸縮性， 最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強(qiáng)可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法， 不僅易于編程和調(diào)試， 也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。 同時(shí)，對(duì)軟件進(jìn)行全面測(cè)試也是檢驗(yàn)錯(cuò)誤排除故障的重要手段。3.1 軟件設(shè)計(jì)環(huán)境簡(jiǎn)介3.1.1 Proteus仿真軟件簡(jiǎn)介Proteus ISIS 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析( SPICE) 各種模擬器件和集成電路16 。該軟件的特點(diǎn)是：(1) 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真

20、相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232 動(dòng)態(tài)仿真、 I2C 調(diào)試器、 SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。(2) 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000 系列、 8051系列、 AVR 系列、 PIC12 系列、 PIC16 系列、 PIC18 系列、 Z80 系列、 HC11 系列以及各種外圍芯片。(3) 提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能； 同

21、時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2 等軟件。(4) 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能 17 ?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。3.1.2 KeilC51 編譯軟件簡(jiǎn)介目前流行的一個(gè)基于 32 位51 系列單片機(jī)開發(fā)軟件是德國 Windows 環(huán)境的應(yīng)用程序，支持Keil 公司推出的 Keil C51 軟件，它是C 語言和匯編語言編程，其6.0 以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為 uVision（通常稱為 uV2）18 。 Keil 提供包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，

22、由以下幾部分組成： uVision IDE 集成開發(fā)環(huán)境（包括工程管理器、源程序編輯器、程序調(diào)試器）、C51 編譯器、A51 匯編器、 LIB51 庫管理器、 BL51 連接 / 定位器、 OH51 目標(biāo)文件生成器以及 Monitor-51 、 RTX51 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 19-21 。3.2 交通燈系統(tǒng)主程序在交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， 首先對(duì)交通燈進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置， 然后根據(jù)是否出現(xiàn)鍵盤事件，如出現(xiàn)鍵盤事件就啟動(dòng)鍵盤程序，進(jìn)行鍵盤時(shí)間處理；若沒有出現(xiàn)，繼續(xù)進(jìn)行由初始參數(shù)進(jìn)行的控制程序。交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖4.1 所示：開始初始化等待鍵盤事件鍵盤事件處理顯示程序處理圖 4.1 交通燈控制

23、系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程3.3 交通燈延時(shí)程序延時(shí)方法可以有兩種， 一種是利用 MCS-51 內(nèi)部定時(shí)器才生溢出中斷來確定1 秒的延時(shí)時(shí)間，另一種是采用軟件延時(shí)的方法。3.3.1 計(jì)數(shù)器硬件延時(shí)(1) 計(jì)數(shù)器初值計(jì)算定時(shí)器工作時(shí)必須給計(jì)數(shù)器初值，這個(gè)值是送到TH 和 TL 中的。它是以加法計(jì)數(shù)的，并能從全 1 到全 0 時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生溢出中斷請(qǐng)求 22-26 。因此，我們可以把計(jì)數(shù)器記滿為零所需的計(jì)數(shù)值設(shè)定為 C 和計(jì)數(shù)初值設(shè)定為 TC 可得到如下計(jì)算通式：TC=MC式中， M 為計(jì)數(shù)器模值，該值和計(jì)數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式0 時(shí) M 為 213；在方式 1時(shí) M 的值為 216；在方式 2和 3為 28。(

24、2) 計(jì)算公式TC=M T/ T 計(jì)數(shù)T 計(jì)數(shù) 是單片機(jī)時(shí)鐘周期 TCLK 的 12 倍； TC 為定時(shí)初值，如單片機(jī)的主脈沖頻率 TCLK 為 12MHZ ，經(jīng)過 12 分頻：方式 0:TMAX=2 131us =8.192ms方式 1:TMAX=2 161us=65.536ms方式 2 和 3:TMAX=2 8 1us=0.256ms顯然 1 秒鐘已經(jīng)超過了計(jì)數(shù)器的最大定時(shí)時(shí)間，所以只有采用定時(shí)器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個(gè)問題。(3) 延時(shí) 1 秒的方法系統(tǒng)中采用在主程序中設(shè)定一個(gè)初值為4000 的軟件計(jì)數(shù)器和使定時(shí)器定時(shí)250us。這樣每當(dāng) T0 到 250us 時(shí) CPU 就響應(yīng)它

25、的溢出中斷請(qǐng)求，進(jìn)入它的中斷服務(wù)子程序。在中斷子程序中，CPU 先使軟件計(jì)數(shù)器減1，然后判斷它是否為0。為 0 表示 1 秒已到可以返回到輸出時(shí)間顯示程序。(4) 相應(yīng)程序代碼主程序中：定時(shí)器需要定時(shí)250 us，故 T0 工作于方式 2。初值：TC=M T/ T計(jì)數(shù) =28 250us/1us=06HTMOD = 0x02;/ 設(shè)置定時(shí)器0 為工作方式2TH0 = 0x06;TL0 = 0x06;EA=1;ET0 = 1;TR0 = 1;/ 初始化 8 位定時(shí)器/ 總中斷允許/ T0 中斷允許/ 打開 T0 中斷(2566)*4000 = 1s3.3.2 軟件延時(shí)軟件延時(shí)需要通過編寫延時(shí)程序

26、進(jìn)行延時(shí)。計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令需要一定的時(shí)間，由一些指令組成一段程序， 并反復(fù)循環(huán)執(zhí)行， 利用計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所用的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)延時(shí)，這種程序稱為延時(shí)程序27-28。如當(dāng)系統(tǒng)使用 12MHz晶振時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期為 1us，執(zhí)行一條雙字雙周期 DJNZ指令的時(shí)間為 2us, 因此執(zhí)行該指令 50 萬次，就可以實(shí)現(xiàn)延時(shí) 1s 的目的，對(duì)于 50 萬次循環(huán)可采用外循環(huán)、 中循環(huán)、內(nèi)循環(huán)嵌套的多重循環(huán)結(jié)構(gòu)。3.4 交通燈顯示程序交通燈顯示程序設(shè)計(jì)流程如圖4.2 所示。交通燈顯示程序總共有4 個(gè)狀態(tài) S1、S2、S3 和 S4，每個(gè)狀態(tài)中發(fā)光二極管顯示信號(hào)燈點(diǎn)亮情況，數(shù)碼管來進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示，完成這 4 個(gè)狀態(tài)

27、后再進(jìn)入初始狀態(tài)S1，進(jìn)行循環(huán)。開始初始化， 狀態(tài) S1延時(shí)，并顯示時(shí)間延時(shí)，并顯示時(shí)間狀態(tài) S2狀態(tài) S4延時(shí)，并顯示時(shí)間延時(shí)，并顯示時(shí)間狀態(tài) S3圖 4.2 交通燈顯示設(shè)計(jì)流程3.5 按鍵處理程序鍵盤是人機(jī)進(jìn)行交互的重要接口之一。用戶通過對(duì)儀器下達(dá)命令， 儀器獲得相應(yīng)的鍵值，并執(zhí)行相應(yīng)的命令程序 29 。鍵盤部分的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)鍵盤管理芯片8051進(jìn)行編程，從而成功地讀取鍵盤值，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。按鍵模塊設(shè)計(jì)流程如圖4.3 所示。在系統(tǒng)中有3 個(gè)按鍵設(shè)置，分別為“設(shè)置鍵” 、“增加鍵”、“減少鍵”。若“設(shè)置鍵”沒有按下，不進(jìn)行按鍵處理。若“設(shè)置鍵”按下，則按照到“設(shè)置鍵”程序處理，看是否有“

28、增加鍵”和“減少鍵”被按下，若沒有，不進(jìn)行處理；若有，進(jìn)行相應(yīng)按鍵處理。等待按鍵按設(shè)置鍵是否按Y設(shè)置鍵處理程序N增加鍵處Y增加鍵是否按理程序N減少鍵處Y減少鍵是否按理程序圖 4.3 按鍵模塊設(shè)計(jì)流程3.5.1 設(shè)置鍵處理(1) 設(shè)置鍵的功能設(shè)置鍵的功能是根據(jù)按鍵次數(shù)決定的，如表4.1 所示。按下“設(shè)置鍵” 1 次，則設(shè)置東西方向的綠燈點(diǎn)亮?xí)r間；按下“設(shè)置鍵” 2 次，則設(shè)置東西方向黃燈點(diǎn)亮?xí)r間；按下“設(shè)置鍵” 3 次，則設(shè)置南北方向的綠燈點(diǎn)亮?xí)r間；按下“設(shè)置鍵”4 次，則設(shè)置南北方向黃燈點(diǎn)亮?xí)r間；按下“設(shè)置鍵”5 次，則恢復(fù)交通燈工作狀態(tài)，時(shí)間顯示設(shè)置后的通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間。表 4.1 設(shè)

29、置鍵功能按“設(shè)置鍵”次數(shù)第 1 次第 2 次第 3 次第 4 次第 5 次東西方向東西方向南北方向南北方向恢復(fù)交通燈調(diào)整內(nèi)容綠燈點(diǎn)亮黃燈點(diǎn)亮綠燈點(diǎn)亮黃燈點(diǎn)亮工作狀態(tài)時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間(2) 設(shè)置鍵設(shè)計(jì)流程等待按鍵釋放第1次按下NY東西向綠燈點(diǎn)亮，數(shù)碼管閃爍，設(shè)置通行時(shí)間第2次按下N第3次按下N第4次按下NYYY東西向黃燈點(diǎn)亮，數(shù)碼管閃爍，設(shè)置暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間南北向綠燈點(diǎn)亮，數(shù)碼管閃爍，設(shè)置通行時(shí)間南北向黃燈點(diǎn)亮，數(shù)碼管閃爍，設(shè)置暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間第5次按下返回等待Y交通燈正常顯示，數(shù)碼管顯示設(shè)置好的時(shí)間圖 4.4設(shè)置鍵設(shè)計(jì)流程(3) 設(shè)置鍵相關(guān)程序void setSecond(void)while(P3_

30、4 = 0);cntP3_4+; /標(biāo)志設(shè)置鍵被按下的次數(shù)switch(cntP3_4)case 1:cntEW = 5;/cntEW 為東西向標(biāo)志位P1 = 0xf7;/ 東西向綠燈點(diǎn)亮break;case 2:cntEW = 1;P1 = 0xef;/ 東西向黃燈點(diǎn)亮break;case 3:cntSN = 1;/cntSN 為南北向標(biāo)志位P1 = 0xfe;/ 南北向綠燈點(diǎn)亮break;case 4:cntSN = 3;P1 = 0xfd;/ 南北向黃燈點(diǎn)亮break;case 5:cntEW = 5;/ 東西方向和南北方向標(biāo)志位都回到初始狀態(tài) cntSN = 5;cnt_num = 0

31、;cntP3_4 = 0;break;增加鍵處理(1) 增加鍵的功能當(dāng)系統(tǒng)系統(tǒng)需要進(jìn)行按鍵設(shè)置時(shí)，通過“增加鍵” 可以改變東西方向和南北方向的通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間。此按鍵分為兩個(gè)功能， 一個(gè)是“加 1”功能，一個(gè)是“加10”功能。(2) 增加鍵處理流程延時(shí)Y按鍵是否還在按下N延時(shí)等待按鍵釋放按鍵是否釋放Y數(shù)碼管值加10數(shù)碼管值加1N按鍵是否還在按下N返回Y數(shù)碼管加 10Y延時(shí)圖 4.5 增加鍵設(shè)計(jì)流程(3) “增加鍵”相關(guān)程序秒數(shù)加 1 程序：void addSecond(void) while(P3_5 = 0);cnt_key = 0; / 記錄長按鍵的參數(shù)清零switch(cntP3_

32、4) case 1:if(keyMemory != greenEW + 10) / 判斷按鍵是否已經(jīng)加 10, 如果沒有加 10 則秒數(shù)加 1, 如果已經(jīng)加 10 則不加 1 greenEW+;if(greenEW = 90) greenEW = 0;/ 90 為秒數(shù)增加后的最大值，當(dāng)超過90s 后自動(dòng)為 0scdEW = greenEW;scdSN = greenEW + yellowEW + 1;break; / 東西向綠燈顯示時(shí)間設(shè)置 case 2:if(yellowEW+ = 9) yellowEW = 0;scdEW = yellowEW;break;/東西向黃燈顯示時(shí)間設(shè)置case

33、 3:if(keyMemory != greenSN + 10) greenSN+;if( greenSN = 90) greenSN = 0;scdEW = greenSN + yellowSN + 1;scdSN = greenSN;break;/南北向綠燈顯示時(shí)間設(shè)置case 4:if(yellowSN+ = 9) yellowSN = 0;scdSN = yellowSN;break;/南北向黃燈顯示時(shí)間設(shè)置長按加 10s 程序：當(dāng)長時(shí)間按下按鍵后，增加的時(shí)間為10svoid add_10s(void)cnt_key = 0;switch(cntP3_4)case 1:/ 設(shè)置鍵按1

34、次，設(shè)置東西方向綠燈顯示時(shí)間greenEW = greenEW + 10;/ 長按秒數(shù)加10if(greenEW = 90) greenEW = 0;keyMemory = greenEW + 10; /keyMemory 用來標(biāo)記秒數(shù)已經(jīng)加 10 scdEW = greenEW;scdSN = greenEW + yellowEW + 1;break;case 3:/設(shè)置鍵按 3 次，設(shè)置東西方向綠燈顯示時(shí)間greenSN = greenSN + 10;if(greenSN =90)greenSN = 0;keyMemory = greenSN + 10;scdEW = greenSN +

35、yellowSN + 1;scdSN = greenSN;break; 減少鍵處理“減少鍵”與“增加鍵”設(shè)計(jì)的流程基本相同，如圖4.6 所示。延時(shí)Y按鍵是否還在按下N延時(shí)等待按鍵釋放按鍵是否釋放Y數(shù)碼管值減10數(shù)碼管值減1N按鍵是否還在按下N返回Y數(shù)碼管減10Y延時(shí)圖 “減少鍵”設(shè)計(jì)流程交通燈控制系統(tǒng)仿真仿真開始時(shí)，東西方向?yàn)榫G燈，數(shù)碼管從20s 開始倒計(jì)時(shí)；南北方向?yàn)榧t燈，數(shù)碼管從 24s 開始倒計(jì)時(shí)。接著，東西方向?yàn)辄S燈，數(shù)碼管從 3s 開始倒計(jì)時(shí)；南北方向還是紅燈。 過后，東西方向?yàn)榧t燈， 數(shù)碼管從 30s 開始倒計(jì)時(shí)；南北方向?yàn)榫G燈，數(shù)碼管從 24s 開始倒計(jì)時(shí)。再接著，東西方向繼續(xù)為

36、紅燈；南北方向?yàn)辄S燈，數(shù)碼管從 5s 開始倒計(jì)時(shí)。最后，回到初始狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)。當(dāng)?shù)缆飞铣霈F(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)，按鍵設(shè)置通行時(shí)間后， 交通燈信號(hào)燈顯示狀態(tài)不變， 通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間變?yōu)榘存I設(shè)置后的時(shí)間。交通燈初始狀態(tài)時(shí)的仿真初始狀態(tài)下，東西方向顯示綠燈， 數(shù)碼管從 20s 開始倒計(jì)時(shí)；南北方向顯示紅燈，禁止通行，數(shù)碼管從 24s 開始倒計(jì)時(shí)。圖 4.7 交通燈初始狀態(tài)的仿真東西向信號(hào)燈切換時(shí)仿真東西向綠燈變?yōu)辄S燈，時(shí)間為3s，南北方向?yàn)榧t燈。圖 4.8 東西向信號(hào)燈切換時(shí)的仿真鍵盤控制重設(shè)時(shí)間的仿真通過設(shè)置鍵、 增加鍵、減少鍵對(duì)交通燈控制系統(tǒng)的通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間進(jìn)行設(shè)置，東西方向的通行時(shí)間為36

37、s，南北方向等待通行時(shí)間為40s。圖 4.9 鍵盤控制重設(shè)時(shí)間的仿真綜上所述，該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)極其重要。本章主要闡述了每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)流程，簡(jiǎn)單介紹了控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，列出了本控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果。4 交通燈控制系統(tǒng)調(diào)試因本設(shè)計(jì)本身要求有穩(wěn)定性高、 免維護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)等功能， 系統(tǒng)調(diào)試除了驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理的精度， 確保判斷的準(zhǔn)確性外， 同時(shí)必須確認(rèn)各項(xiàng)的功能的正常運(yùn)行。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分： 硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)， 所以方便了對(duì)各電路功能模塊的逐級(jí)測(cè)試， 包括對(duì)：交通燈點(diǎn)亮功能調(diào)試，倒計(jì)時(shí)功能調(diào)試，鍵盤設(shè)置功能調(diào)試。單片機(jī)軟

38、件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試， 確保工作正常之后， 再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。 最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測(cè)試，使系統(tǒng)的所有功能得以實(shí)現(xiàn)。4.1 硬件調(diào)試交通燈控制系統(tǒng)電路板焊接工作量非常大，電路焊接完成后，首先要進(jìn)行檢查，即確認(rèn)電路無虛焊，無短路，無斷路，集成元件安裝是否正確，之后進(jìn)行電路功能模塊的分級(jí)調(diào)試，根據(jù)電路功能逐級(jí)進(jìn)行：(1) 信號(hào)燈點(diǎn)亮功能調(diào)試：四種狀態(tài)下的信號(hào)燈點(diǎn)亮情況和亮度的調(diào)試；(2) 倒計(jì)時(shí)功能調(diào)試：包括數(shù)碼管亮度調(diào)試和延時(shí)功能的調(diào)試；(3) 鍵盤設(shè)置功能調(diào)試：包括按鍵功能調(diào)試及延時(shí)功能的調(diào)試；4.2 軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)全部用 C 語言來編寫，選用 Keil 對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。首先，

39、對(duì)程序的語法進(jìn)行檢查。 當(dāng)確認(rèn)程序沒問題時(shí)， 通過直接下載到單片機(jī)來調(diào)試。 采取的是自下到上的調(diào)試方法， 即單獨(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊， 然后再連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)， 最后完成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試。4.3 軟硬件聯(lián)調(diào)系統(tǒng)做好后， 進(jìn)行系統(tǒng)的完整調(diào)試。 主要任務(wù)是檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的功能及其效果。 調(diào)試時(shí)，單片機(jī)軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。信號(hào)燈指示電路模塊由 12 個(gè)發(fā)光二極管和 12 個(gè) 220 電阻組成。該模塊接線繁瑣，極易出錯(cuò)。當(dāng)檢查發(fā)光二極管無故障、導(dǎo)線無斷線、連線接頭無互相搭聯(lián)后可先寫一個(gè)軟件調(diào)試程序，依次檢查東南西北方向的信號(hào)燈（發(fā)光二極管）是否點(diǎn)亮；若未點(diǎn)亮， 則

40、可能是連線接錯(cuò)。 根據(jù)燈的亮滅情況依次查找錯(cuò)誤， 直到電路正常工作為止。倒計(jì)時(shí)顯示電路模塊由 4 個(gè)數(shù)碼管組成。 調(diào)試時(shí)，先檢查數(shù)碼管管腳是否與相應(yīng)引腳相連，確認(rèn)無誤后，再將數(shù)碼管與仿真器相連，編制一個(gè)簡(jiǎn)單的程序進(jìn)行調(diào)試，直到數(shù)碼管正常顯示時(shí)間為止。鍵盤設(shè)置電路模塊由 3 個(gè)按鍵和 3 個(gè) 1K 電阻組成。當(dāng)檢查按鍵無故障、導(dǎo)線連接無誤后，用一個(gè)軟件調(diào)試程序進(jìn)一步檢查按鍵設(shè)置電路。當(dāng)各模塊均調(diào)試好后，進(jìn)行整機(jī)聯(lián)調(diào)：將各模塊連接起來，逐個(gè)進(jìn)行檢測(cè)。調(diào)試成功后再將程序?qū)懙絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行調(diào)試，直至整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作。此外，在電路抗干擾設(shè)計(jì)方面， 硬件電路中采取了引線盡量短， 減少交叉等措施。實(shí)踐證明

41、，這些措施對(duì)消除某些引腳引起的直流分量干擾起到了很好的效果。 抗干擾設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分， 沒有良好的抗干擾措施， 系統(tǒng)就無法安全可靠的工作。 當(dāng)然，本系統(tǒng)只能通過系統(tǒng)軟件、 硬件設(shè)計(jì)盡可能的減少干擾帶來的影響，而不可能完全消除干擾。5 結(jié)論本系統(tǒng)采用了 8051 芯片和 74LS245芯片為中心器件來設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過 P1 口對(duì)交通燈燃亮情況進(jìn)行了控制，而南北方向和東西方向的顯示時(shí)間分別是通過 P0、P2 口進(jìn)行了控制，鍵盤設(shè)置時(shí)間模塊是由 P3.4 、P3.5、P3.6 控制，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便， 實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單。 但是本文所設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)還存在一些未

42、盡人意的地方，還有很多不足之處：(1) 該交通燈控制系統(tǒng)沒有考慮到夜晚車輛極少情況下的交通燈顯示情況。(2) 該交通燈控制系統(tǒng)不能控制車的左、右轉(zhuǎn)，以及自動(dòng)根據(jù)車流改變紅綠燈時(shí)間等。(3) 該交通燈控制系統(tǒng)只考慮交通道路中的車輛，未考慮到行人的通行問題。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)， 使我得到了一次運(yùn)用專業(yè)知識(shí)、 專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉， 使我在單片機(jī)的基本原理、 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程以及在常用編程設(shè)計(jì)思路技巧的掌握方面都能向前邁了一大步， 為日后成為合格的應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 余發(fā)山 . 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù) M . 中國礦業(yè)大學(xué) , 2002.2 李朝青 . 單片機(jī)原

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