1、 PAGE28 / NUMPAGES32 編號本科畢業(yè)論文基于單片機的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計Based on SCM traffic control system design學(xué) 生 姓 名專 業(yè)學(xué) 號指 導(dǎo) 教 師小三號黑體字分 院2011年 6 月摘 要伴隨著面對有限的資源和越來越擁擠的交通，為了滿足日益增長的交通需求。除了制定一系列的交通規(guī)則，還應(yīng)有效的使用現(xiàn)有的交通控制手段，還必須通過一定的科技手段加以實現(xiàn)。此設(shè)計方案在對目前交通控制進行深入分析的基礎(chǔ)上，運用檢測傳感、實時調(diào)整智能化控制的實現(xiàn)技術(shù)，將傳感器監(jiān)測、實時調(diào)整車輛通行時間的算法與單片機控制作用相結(jié)合，提出了基于單片機的交通控制

2、系統(tǒng)設(shè)計方案。單片機的交通燈控制系統(tǒng)由8051單片機、交通燈顯示、LED倒計時、車流量檢測與調(diào)整、違規(guī)檢測、緊急處理、時間模式手動設(shè)置等模塊組成。用理論證明該系統(tǒng)能夠簡單、經(jīng)濟、有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。關(guān)鍵詞：單片機 智能控制系統(tǒng) 定時/計數(shù)器ABSTRACTWith limited resources and increasingly faced heavy traffic, in order to meet the increasing traffic demand. Besides setting a series of traffic rules, should als

3、o be effective use existing traffic control measures, still must pass a certain scientific means to realization. This design scheme for the current traffic control on the basis of analyzing, using detection sensor, real-time adjustment of intellectualized control technology, sensor monitoring, real-

4、time adjustment of traffic time with single-chip microcomputer control algorithm combining forward role, the traffic control system based on single chip design scheme. Single-chip microcomputer control system consists of traffic light 8051 monolithic integrated circuits, light display, LED the count

5、down, inspection and adjustment, traffic violation detection, emergency handling, time mode manual Settings etc module. In theory, it is proved that the system can simple, economic and effective relieves traffic, improve traffic capacity of traffic intersection. Keywords: Microcontroller Intelligent

6、 control system Timing/Counters目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295460837緒論 PAGEREF _Toc295460837 h 1HYPERLINK l _Toc295460838第一章單片機交通控制系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc295460838 h 2HYPERLINK l _Toc2954608391.1 單片機交通控制系統(tǒng)的背景 PAGEREF _Toc295460839 h 2HYPERLINK l _Toc2954608401.2 單片機交通控制系統(tǒng)選題的意義 PAGEREF _Toc295460840

7、 h 2HYPERLINK l _Toc2954608411.3 國外研究現(xiàn)狀與其發(fā)展 PAGEREF _Toc295460841 h 3HYPERLINK l _Toc2954608421.3.1 國外交通控制技術(shù) PAGEREF _Toc295460842 h 3HYPERLINK l _Toc2954608431.3.2 交通控制存在的問題 PAGEREF _Toc295460843 h 5HYPERLINK l _Toc2954608441.4 單片機交通控制系統(tǒng)主要研究的容 PAGEREF _Toc295460844 h 5HYPERLINK l _Toc295460845第二章單片

8、機概述 PAGEREF _Toc295460845 h 7HYPERLINK l _Toc2954608462.1 芯片簡介 PAGEREF _Toc295460846 h 7HYPERLINK l _Toc2954608472.1.1 MSC-51芯片簡介 PAGEREF _Toc295460847 h 7HYPERLINK l _Toc2954608482.1.2 8255芯片簡介8HYPERLINK l _Toc2954608492.1.3 74LS373簡介 PAGEREF _Toc295460849 h 9HYPERLINK l _Toc295460850第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGE

9、REF _Toc295460850 h 11HYPERLINK l _Toc2954608513.1 交通管理的方案論證 PAGEREF _Toc295460851 h 11HYPERLINK l _Toc2954608523.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc295460852 h 11HYPERLINK l _Toc2954608533.2.1 系統(tǒng)總框圖如下： PAGEREF _Toc295460853 h 11HYPERLINK l _Toc2954608543.2.2 交通燈硬件線路圖 PAGEREF _Toc295460854 h 12HYPERLINK l _Toc295

10、4608553.2.3系統(tǒng)工作原理 PAGEREF _Toc295460855 h 13HYPERLINK l _Toc295460856第四章控制器的軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc295460856 h 14HYPERLINK l _Toc2954608574.1 每秒鐘的設(shè)定 PAGEREF _Toc295460857 h 14HYPERLINK l _Toc2954608584.2 計數(shù)器硬件延時 PAGEREF _Toc295460858 h 14HYPERLINK l _Toc2954608594.2.1 計數(shù)器初值計算 PAGEREF _Toc295460859 h 14HYP

11、ERLINK l _Toc2954608604.2.2 計算公式 PAGEREF _Toc295460860 h 14HYPERLINK l _Toc2954608614.2.3 秒的方法 PAGEREF _Toc295460861 h 14HYPERLINK l _Toc2954608624.2.4 相應(yīng)程序代碼14HYPERLINK l _Toc2954608634.3 軟件延時 PAGEREF _Toc295460863 h 15HYPERLINK l _Toc2954608644.4 時間與信號燈的顯示 PAGEREF _Toc295460864 h 16HYPERLINK l _To

12、c2954608654.4.1 8051并行口的擴展 PAGEREF _Toc295460865 h 16HYPERLINK l _Toc2954608664.4.2 顯示原理： PAGEREF _Toc295460866 h 16HYPERLINK l _Toc2954608674.4.3 8255PA口輸出信號接信號燈 PAGEREF _Toc295460867 h 16HYPERLINK l _Toc2954608684.4.4 8255與8051的連接 PAGEREF _Toc295460868 h 17HYPERLINK l _Toc2954608694.5 程序設(shè)計17HYPERL

13、INK l _Toc2954608704.5.1 流程圖如圖所示17HYPERLINK l _Toc295460872結(jié)論19HYPERLINK l _Toc295460873致20參考文獻21緒 論交通的發(fā)達，標志著城市的發(fā)達，相對交通的管理則顯得越來越重要。對于復(fù)雜的城市交通系統(tǒng)，為了確保安全，保證正常的交通秩序，十字路口的信號控制必需按照一定的規(guī)律變化，以便于車輛行人能順利地通過十字路口。當前，交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，交通流量年年增長，大、中、小城市的汽車、摩托車等各種車輛與日俱增，道路交通繁忙，經(jīng)常有嚴重堵車現(xiàn)象，特別是在交叉口，機動車、非機動車、行人來往非常混亂，為了在叉口的各條干道實現(xiàn)合

14、理的科學(xué)分流。根據(jù)單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，提出了一種用MCS-51單片機自動控制交通信號燈與時間顯示的方法，同時給出了軟硬件的實現(xiàn)方法，為交通指揮自動化提供了一種新的廉價手段，具有一定的推廣意義當今，綠燈安裝各道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。第一章 單片機交通控制系統(tǒng)概述1.1 單片機交通控制系統(tǒng)的背景隨著人口快速的增多，交通工具的爆炸性的發(fā)展，以與道路資源的有限性，交通控制就應(yīng)運而生，在人類的生活、工作環(huán)境中，交通扮演著極其重要的角色，人們的出行都

15、無時不刻與交通打著交道。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展帶動整個交通運輸?shù)陌l(fā)展，從而催生了單獨的交通控制學(xué)問與管理機構(gòu)。交通控制系統(tǒng)是近現(xiàn)代社會隨著物流、出行等交通發(fā)展產(chǎn)生的一套獨特的公共管理系統(tǒng)。要保證高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通規(guī)則，還必須通過一定的技術(shù)手段加以實現(xiàn)?，F(xiàn)代人類科學(xué)技術(shù)，特別是電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和成熟能比較好的解決系統(tǒng)建立中硬軟件方面要求的技術(shù)難題。目前，交通控制方面的研究能完全實現(xiàn)自動智能化，甚至將整個區(qū)域整合成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)圍，還能根據(jù)正常時段以與特定突發(fā)時段的情況進行科學(xué)的自動調(diào)整參考文獻1 吳黎明，王桂堂，洪添勝等.單片機原理與應(yīng)用技術(shù)M.科學(xué)，2005。

16、交通對于社會的工業(yè)經(jīng)濟和人們的生活生產(chǎn)中有著十分重要的意義。隨著單片機和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，自動檢測領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，交通自動監(jiān)測控制方面的研究有了明顯的進展，并且必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的交通控制措施。1.2 單片機交通控制系統(tǒng)選題的意義城市道路交通自動控制系統(tǒng)的發(fā)展是以城市交通信號控制技術(shù)為前導(dǎo)，與汽車工業(yè)并行發(fā)展的。在其各個發(fā)展階段，由于交通的各種矛盾不斷出現(xiàn)，人們總是盡可能地把各個歷史階段當時的最新科技成果應(yīng)用到交通自動控制中來，從而促進了交通自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展。早在1850年，城市交叉口處不斷增長的交通就引發(fā)了人們對安全和擁堵的關(guān)注。世界上第一臺交通自動信號燈的誕

17、生，拉開了城市交通控制的序幕，1868年，英國工程師納伊特在倫敦威斯特敏斯特街口安裝了一臺紅綠兩色的煤氣照明燈，用來控制交叉路口馬車的通行，但一次煤氣爆炸事故致使這種交通信號燈幾乎銷聲匿跡了近半個世紀。1914年與稍晚一些時候，美國的克利夫蘭、紐約和芝加哥才重新出現(xiàn)了交通信號燈，它們采用電力驅(qū)動，與現(xiàn)在意義上的信號燈已經(jīng)相差無幾。1926年英國人第一次安裝和使用自動化的控制器來控制交通信號燈，這是城市交通自動控制的起點。早期的交通信號燈使用“固定配時”方式實行自動控制，這種方式對于早期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、隨機變化增強，采用以往那種單一模式的“

18、固定配時”方式已不能滿足客觀需要，于是一種多時段多方案的信號控制器開始出現(xiàn)并逐步取代了傳統(tǒng)的只有一種控制方案的控制器。 20世紀30年代初，美國最早開始用車輛感應(yīng)式信號控制器，之后是英國，當時使用的車輛檢測器是氣動橡皮管檢測器。車輛感應(yīng)控制器的特點是它能根據(jù)檢測器測量的交通流量來調(diào)整綠燈時間的長短，使綠燈時間更有效地被利用，減少車輛在交叉口的時間延誤，比定時控制方式有更大的靈活性。車輛感應(yīng)控制的這一特點刺激了車輛檢測器技術(shù)的發(fā)展。繼氣動橡皮管式檢測器之后，雷達、超聲波、光電、地磁、電磁、微波、紅外以與環(huán)形線圈等檢測器相繼問世。當今在城市道路交通自動控制、交通監(jiān)測和交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣的

19、是環(huán)形線圈車輛檢測器。超聲波檢測器主要在日本等少數(shù)國家得到廣泛應(yīng)用。計算機技術(shù)的出現(xiàn)為交通控制技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，更是實現(xiàn)了以一個城市或者更域，而非簡單的一個路口的交通總體控制系統(tǒng)。1952年，美國科羅拉多州丹佛市首次利用模擬計算機和交通檢測器實現(xiàn)了對交通信號機網(wǎng)的配時方案自動選擇式信號燈控制，而加拿大多倫多市于1964年完成了計算機控制信號燈的實用化，建立了一套由IBM650型計算機控制的交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，成為世界上第一個具有電子數(shù)字計算機城市交通控制系統(tǒng)的城市。這是道路交通控制技術(shù)發(fā)展的里程碑?？梢哉f，在近百年的發(fā)展中，道路交通信號控制系統(tǒng)經(jīng)歷了手動到自動，從固定配時到靈活配時，

20、從無感應(yīng)控制到有感應(yīng)控制，從單點控制到干線控制，從區(qū)域控制到網(wǎng)絡(luò)控制的長遠過程。交通控制研究的發(fā)展，旨在解決人類交通因需求的增多而日益繁重帶來的問題，局限于道路建設(shè)的暫時不足和交通工具的快速增長，就要使更多的車輛安全高效的利用有限的道路資源，避免因無序和搶行等無控制原因造成的不必要阻塞甚至癱瘓，另外，針對整個交通線路車輛的多少實時調(diào)整和轉(zhuǎn)移多條線路的分流也十分必要。交通網(wǎng)絡(luò)是城市的動脈，象征著一個城市的工業(yè)文明水平。交通關(guān)系著人們對于財產(chǎn)，安全和時間相關(guān)的利益。具有優(yōu)良科學(xué)的交通控制技術(shù)對資源物流和人們出行都是十分有價值的，保證交通線路的暢通安全，才能保證出行舒暢，物流準時到位，甚至是生命通道

21、的延伸2 張莉娜.淺談解決城市交通擁堵問題的思路J.現(xiàn)代企業(yè)文化，2009，(5):119。1.3 國外研究現(xiàn)狀與其發(fā)展1.3.1 國外交通控制技術(shù)當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀就已出現(xiàn)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(qū)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(zhuǎn)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

22、被取消。電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市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(xiàn)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?yōu)榫G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?yōu)榫G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(fā)生交通事故。從1868年英國倫敦首次使用燃汽色燈信號以來，城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(tǒng)

23、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(jīng)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(xié)調(diào)感應(yīng)控制信號系統(tǒng)，從而標志著城市道路交通信號系統(tǒng)的發(fā)展進入了一個新的階段。各個時期典型交通信號系統(tǒng)得特征如附表所示。之后，美國、英國、德國、日本、澳大利亞等多家相繼建成數(shù)字電子計算機區(qū)域交通控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般還配備交通監(jiān)視系統(tǒng)組成交通管制中心。到80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有300多個，代表了未來交通控制的發(fā)展方向。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)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(lián)合國道路交通和道路

24、標志信號協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)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。在西方發(fā)達國家，交通控制系統(tǒng)基本上完成了由傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)向智能交通控制系統(tǒng)ITS的轉(zhuǎn)變，而在我國，智能交通系統(tǒng)則剛剛處于起步階段。對于傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)而言，對紅綠燈一般采用定時控制，無法對實際的交通流進行識別優(yōu)化，以至于不能適應(yīng)交通量

25、的不確定性和隨機性的原因，往往造成交通資源的浪費和道路的梗阻。而智能交通控制系統(tǒng)則在不產(chǎn)生大的硬件改動的情況下有效的提高效率。ITS：Intelligent Transport systems。這一國際性術(shù)語于1994年被正式認定。在此之前，美國稱這類技術(shù)或相關(guān)研究項目為“智能車輛道路系統(tǒng)(IVHS)”(IntelligentVelIiele Highway System)。日本將這類技術(shù)稱為UTMS、VICS等：歐盟則稱之為“道路交通信息技術(shù)(RTI)”。國際標準化組織(ISO)為ITS設(shè)立的專項叫ISOTC204，使用的術(shù)語是“1rICS(交通運輸信息與控制系統(tǒng))”。智能交通系統(tǒng)強調(diào)的是系

26、統(tǒng)性、信息交流的交互性以與服務(wù)的廣泛性，其核心技術(shù)是電子技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、交通工程和系統(tǒng)工程。智能交通系統(tǒng)ITS是在較完善的道路設(shè)施基礎(chǔ)上，將先進的電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)集成運用于地面交通管理所建立的一種實時、準確、高效、大圍、全方位發(fā)揮作用的交通運輸管理系統(tǒng)。在國，受客觀條件的制約，ITS起步比較晚，在20世紀90年代初，我國的相關(guān)學(xué)者開始意識到研究和開發(fā)ITS的重要性。到90年代中期，由于受到國外ITS研發(fā)的影響，政府部門也開始重視對ITS的研究，隨后，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(tǒng)(ITS)協(xié)調(diào)指導(dǎo)小組與辦公室，同

27、年，又成立了全國智能交通運輸系統(tǒng)(ITS)專家咨詢委員會，其中，同濟大學(xué)、清華大學(xué)、北方交通大學(xué)、航空航天大學(xué)、工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)等高校的有關(guān)專家為咨詢委員，并啟動了國家“九五”科技攻關(guān)課題和國家“十五”科技攻關(guān)課題。目前，在對一些大中型城市引入的國外ITS進行研究的基礎(chǔ)上已經(jīng)逐漸開始摸索開發(fā)設(shè)計適合自己國情的ITS系統(tǒng)。1.3.2 交通控制存在的問題我國城市交通運輸?shù)默F(xiàn)狀和存在的問題，借鑒國外城市交通管理的先進經(jīng)驗，強調(diào)建立城市交通管理體制的重要性，提出加強城市交通研究的交通規(guī)劃，建立穩(wěn)定的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的資金出道，實行公交優(yōu)先政策，建立先進的交通信息系統(tǒng)等對策。隨著城市機動車增長速度的加

28、快。1994年臥軌城市機動車保有量已接近500完輛。20世紀90年代以來，經(jīng)濟的發(fā)展加快，從1985年到1995年，機動車增長率達13%左右，近幾年更是增多。然而，在此同時，城市道路建設(shè)規(guī)模也在加大，我國城市普遍存在道路密度，道路面積率偏低的問題，這是我國城市尤其是大城市有機的一個重要原因。我國城市道路的密度只有6.8km每平方千米，而在20世紀80年代，世界發(fā)達國家就已到達20km每平方千米。20世紀90年代，我國部分城市道路面積率，為5.9%，為6.4%，而國外東京為13.8%，巴黎為25%，普遍高于我國。近幾年，國家雖不斷加大城市道路建設(shè)的力度，但仍趕不上車輛的增長速度，且與世界其他國家

29、相比，差距仍很大。出租車以與公交的發(fā)展運營情況并不盡如人意，雖然車輛和線路長度增長，但運營速度成了瓶頸，新增的運力被運輸效率低下所抵消。交通管理方面水平還欠發(fā)展，隨著交通需求越來越旺盛，而我國城市中小交通管理和交通安全的現(xiàn)代化設(shè)施卻做得不足。在車輛，道路和交通管理系統(tǒng)，城市交通信號控制系統(tǒng)，城市交通管制中應(yīng)用人工智能技術(shù)，信息 采集和信息提供技術(shù)等方面都與發(fā)達國家有很大差距。近幾年，雖然有部分城市研究和引進一些國外先進的交通信號管理系統(tǒng)，但是由于交通管理設(shè)施不足等原因，我國交通事故率居高不下。城市車流行駛速度逐年下降，目前不少城市交通運量年年增長，但運輸速度普遍下降，這都源于交通通行不佳3 徐

30、東云,張雷,蘭榮娟.城市交通擁堵的背景變換分析J.城市問題,2009,(3):49。1.4 單片機交通控制系統(tǒng)主要研究的容基于整個交通控制系統(tǒng)的發(fā)展情況，本設(shè)計主要進行如下方面的研究：用智能，集成，且功能強大的單片機芯片為控制中心，設(shè)計出一套十字路口的交通控制系統(tǒng)，以指揮該路口的實時通行狀態(tài)。本設(shè)計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統(tǒng)交通控制的總體設(shè)計，包括，十字路口具體的通行禁行方案設(shè)計以與系統(tǒng)應(yīng)擁有的各項功能，在這里，本設(shè)計除了有信號燈狀態(tài)控制能實現(xiàn)基本的交通功能，還增加了倒計時顯示提示，基于實際情況，又要求了對車流量檢測與自調(diào)整模擬功能，違規(guī)檢測與處理，緊急狀況處理和鍵盤可設(shè)置等強大功

31、能。 二是進行智能傳感器的硬件電路，顯示電路等的設(shè)計對各器件的選擇與連接，大體分配各個器件與模塊的基本功能要求。三是進行軟件系統(tǒng)的設(shè)計，對于本系統(tǒng)，本人采用單片機匯編語言編寫，對單片機部結(jié)構(gòu)和工作情況做了充足的研究，了解定時器，中斷以與延時原理，總體上完成了軟件的編寫4 Herbst, L. J. Monolithic integrated circuits : techniques and capabilitiesM. Oxford : Oxford ; New York 1985。第二章 單片機概述2.1 芯片簡介單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型

32、計算機簡稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。 通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖c外部設(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機經(jīng)過1、2、3、3代的發(fā)展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的CPU功能在增強，部資源在增多，引角的多功能化，以與低電壓底功耗。2.1.1 MSC-51芯片簡介8051是MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行

33、接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元與數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線5 李全利 ，遲榮強.單片機原理與接口技術(shù)M.：高等教育，2004.01。現(xiàn)在我們分別加以說明：（1） 中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。（2） 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)8051部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)

34、，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。圖2-1 8051部結(jié)構(gòu)（3） 程序存儲器(ROM)8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時/計數(shù)器(ROM)8051有兩個16位的可編程定時計數(shù)器，以實現(xiàn)定時產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(I/O)口8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸6 張毅坤.單片微型計算機原理與應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué) ，1998。（4） 全雙工串行口8051置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。（5） 中斷系統(tǒng)8051具備

35、較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。（6） 時鐘電路單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。下圖是MCS-51系列單片機的部結(jié)構(gòu)示意圖2-2：圖2-2：MCS-S1系列的部結(jié)構(gòu)2.1.2 8255芯片簡介（1）8255可編程并行接口芯片簡介

36、8255可編程并行接口芯片有三個輸入輸出端口，即A口、B口和C口，對應(yīng)于引腳PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。其部還有一個控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作為輸入輸出的數(shù)據(jù)端口。C口作為控制或狀態(tài)信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每個端口包含一個4位鎖存器。它們分別與端口A配合使用，可以用作控制信號輸出或作為狀態(tài)信號輸入。（2）8255可編程并行接口芯片方式控制字格式說明8255有兩種控制命令字；一個是方式選擇控制字；另一個是C口按位置位復(fù)位控制字。其中C口按位置位復(fù)位控制字方式使用較為繁難，說明也較冗長，故在此不作敘述。方式控制字格式說明如表2-1：表2-1 方

37、式控制字格式D7：設(shè)定工作方式標志1有效。 D6、D5：A 口方式選擇 0 0 方式0 0 1 方式1 1 方式2 D4：A口功能 （1=輸入，0=輸出） D3：C口高4位功能 （1=輸入，0=輸出） D2：B口方式選擇 （0=方式0，1=方式1）D1：B口功能 （1=輸入，0=輸出）D0：C口低4位功能 （1=輸入，0=輸出）8255可編程并行接口芯片工作方式說明：方式0：基本輸入輸出方式。適用于三個端口中的任何一個。每一個端口都可以用作輸入或輸出。輸出可被鎖存，輸入不能鎖存。 方式1：選通輸入輸出方式。這時A口或B口的8位外設(shè)線用作輸入或輸出，C口的4條線中三條用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆?lián)絡(luò)信號和中斷

38、請求信號。 方式2：雙向總線方式。只有A口具備雙向總線方式，8位外設(shè)線用作輸入或輸出，此時C口的5條線用作通訊聯(lián)絡(luò)信號和中斷請求信號7 張德江.計算機控制系統(tǒng)M.：機械工業(yè)，2007.08。2.1.3 74LS373簡介74LS373 是一種帶三態(tài)門的8D鎖存器，其管腳示意圖如圖2-3所示其中：1D-8D為8個輸入端。 1Q-8Q為8個輸出端。LE為數(shù)據(jù)打入端：當LE為“1”時，鎖存器輸出狀態(tài)同輸入狀態(tài)；當LE由“1”變“0”時，數(shù)據(jù)打入鎖存器。OE為輸出允許端：當OE=0時，三態(tài)門打開； 當OE=1時，三態(tài)門關(guān)閉，輸出高阻。圖2-3 74LS373管腳示意圖第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 交通管

39、理的方案論證東西、南北兩干道交于一個十字路口，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間。設(shè)東西道比南北道的車流量大，指示燈燃亮的方案如表3-1：表3-1 指示燈燃亮方案60S5S80S5S東西道紅燈亮黃燈亮綠燈亮黃燈亮南北道綠燈亮黃燈亮紅燈亮黃燈亮表3-1說明：（1）當東西方向為紅燈，此道車輛禁止通行，東西道行人可通過；南北道為綠燈，此道車輛通過，行人禁止通行。時間為60秒。（2）黃燈閃爍5秒，警示車輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。（3）當東西方向為綠燈，

40、此道車輛通行；南北方向為紅燈，南北道車輛禁止通過，行人通行。時間為80秒。 東西方向車流大 通行時間長。（4）這樣如上表的時間和紅、綠、黃出現(xiàn)的順序依次出現(xiàn)這樣行人和車輛就能安全暢通的通行。3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計選用設(shè)備8031（AT89S52）單片機一片選用設(shè)備：8031單片機一片，8255并行通用接口芯片一片，74LS07兩片，MAX692看門狗一片，共陰極的七段數(shù)碼管兩個雙向晶閘管若干，7805三端穩(wěn)壓電源一個，紅、黃、綠交通燈各兩個，開關(guān)鍵盤、連線若干8 Proceedings of the IEEE Fall Electronics Conference, October 18, 19

41、, 20. Chicago, Illininois, 1971。321 系統(tǒng)總框圖如下：圖3-1 系統(tǒng)總框圖322 交通燈硬件線路圖圖3-2 交通燈硬件線路圖323 系統(tǒng)工作原理（1）開關(guān)鍵盤輸入交通燈初始時間，通過8051單片機P1輸入到系統(tǒng)。 （2）由8051單片機的定時器每秒鐘通過P0口向8255的數(shù)據(jù)口送信息，由8255的PA 口顯示紅、綠、黃燈的燃亮情況；由8255的PC口顯示每個燈的燃亮?xí)r間。（3）8051通過設(shè)置各個信號等的燃亮?xí)r間、通過8031設(shè)置，綠、紅時間分別為60秒、80秒循環(huán)由8051的 P0口向8255的數(shù)據(jù)口輸出。（4）通過8051單片機的P3.0位來控制系統(tǒng)是工作

42、或設(shè)置初值，當P3.0位0就對系統(tǒng)進行初始化，當為1系統(tǒng)就開始工作。（5）紅燈倒計時時間，當有車輛闖紅燈時，啟動蜂鳴器進行報警，3S后然后恢復(fù)正常。（6）增加每次綠燈時間車流量檢測的功能，并且通過查詢P2.0端口的電平是否為低，開關(guān)按下為低電平，雙位數(shù)碼管顯示車流量，直到下一次綠燈時間重新記入。（7）綠燈時間倒計時完畢，重新循環(huán)9 胡宴如.模擬電子技術(shù)M.高等教育，2004。第四章 控制器的軟件設(shè)計4.1 每秒鐘的設(shè)定延時方法可以有兩種一中是利用MCS-51部定時器才生溢出中斷來確定1秒的時間，另一種是采用軟延時的方法10 張毅坤.單片微型計算機原理與應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué) ，1998。4.

43、2 計數(shù)器硬件延時4.2.1 計數(shù)器初值計算定時器工作時必須給計數(shù)器送計數(shù)器初值，這個值是送到TH和TL中的。他是以加法記數(shù)的，并能從全1到全0時自動產(chǎn)生溢出中斷請求。因此，我們可以把計數(shù)器記滿為零所需的計數(shù)值設(shè)定為C和計數(shù)初值設(shè)定為TC可得到如下計算通式：TC = M C(4-1)式中，M為計數(shù)器摸值，該值和計數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式0時M為213 ；在方式1時M的值為216；在方式2和3為28。4.2.2 計算公式T = (M - TC)T計數(shù)(4-2)或T計數(shù)是單片機時鐘周期TCLK的12倍；TC為定時初值如單片機的主脈沖頻率TCLK為12MHZ，經(jīng)過12分頻。方式0：Tmax213 1

44、微秒8.192毫秒方式1：Tmax216 1微秒65.536毫秒顯然1秒鐘已經(jīng)超過了計數(shù)器的最大定時間，所以我們只有采用定時器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個問題11 韓克，柳秀山等.電子技能與EDA技術(shù)M.暨南大學(xué)，2004。4.2.3 秒的方法 我們采用在主程序中設(shè)定一個初值為20的軟件計數(shù)器和使T0定時50毫秒這樣每當T0到50毫秒時CPU就響應(yīng)它的溢出中斷請求，進入他的中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中，CPU先使軟件計數(shù)器減1，然后判斷它是否為零。為零表示1秒已到可以返回到輸出時間顯示程序12 胡宴如.模擬電子技術(shù)M.高等教育，2004。4.2.4 相應(yīng)程序代碼（1）主程序定時器需定時

45、50毫秒，故T0工作于方式。初值：50ms/1us=15536=3CBOH （4-3）ORG 1000H START：MOV TMOD， #01H ； 令T0為定時器方式MOV TH0， #3CH ；裝入定時器初值MOV TL0， #BOH MOV IE，#82H ；開T0中斷SEBT TR0 ；啟動T0計數(shù)器MOV RO，#14H；軟件計數(shù)器賦初值LOOP：SJMP $；等待中斷（2）中斷服務(wù)子程序 ORG 000BH AJMP BRTO ORG 00BH BRTO：DJNZ R0，NEXTAJMP TIME ；跳轉(zhuǎn)到時間與信號燈顯示子程序 DJNZ：MOVR0，#14H ；恢復(fù)R0值MOV

46、 TH0， #3CH ；重裝入定時器初值MOV TL0， #BOHMOV IE， #82H RET1END4.3 軟件延時 MCS-51的工作頻率為2-12MHZ，我們選用的8031單片機的工作頻率為6MHZ。機器周期與主頻有關(guān)，機器周期是主頻的12倍，所以一個機器周期的時間為12*（1/6M）=2us。我們可以知道具體每條指令的周期數(shù)，這樣我們就可以通過指令的執(zhí)行條數(shù)來確定1秒的時間。 具體的延時程序分析：DELAY：MOV R4，#08H ；延時1秒子程序DE2： LCALL DELAY1 DJNZ R4，DE2RETDELAY1：MOV R6，#0 ；延時125ms 子程序MOV R5，

47、#0DE1：DJNZ R5，$DJNZ R6，DE1RETMOV RN，#DATA ；字節(jié)數(shù)數(shù)為2 機器周期數(shù)為1所以此指令的執(zhí)行時間為2ms，DELAY1 為一個雙重循壞 循環(huán)次數(shù)為256256=65536 所以延時時間655362=131072約為125us；DELAY R4設(shè)置的初值為8 主延時程序循環(huán)8次，所以1258=1秒。由于單片機的運行速度很快其他的指令執(zhí)行時間可以忽略不計13 李鴻恩，熊國奎.數(shù)字電子技術(shù)M.重慶大學(xué)，1991。4.4 時間與信號燈的顯示4.4.1 8051并行口的擴展 雖然有4個8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因為P2和P0口通常用于傳送外部傳送

48、地址和數(shù)據(jù),P3口也有它的第二功能。因此，8031通常需要擴展。由于我們用外部輸入設(shè)定紅綠燈倒計時初值、數(shù)碼管的輸出顯示、紅綠黃信號燈的顯示都要用到一個I/O端口，顯然8031的端口是不夠，需要擴展。 擴展的方法有兩種：（1）借用外部RAM地址來擴展I/O端口；（2）采用I/O接口新片來擴充。我們用8255并行接口信片來擴展I/O端口14 吳黎明，王桂堂，洪添勝等.單片機原理與應(yīng)用技術(shù)M.科學(xué)，2005。4.4.2 顯示原理：同時一直顯示信號燈的顏色，這時在返回定時子程序定時一秒，在顯示黃燈的下一個時間，這樣依次把所有的燈色的時間顯示完后在重新給時間計數(shù)器賦初值 ，重新進入循環(huán)。 4.4.3

49、8255PA口輸出信號接信號燈由于二極管的陽極接法端口為低電平，對應(yīng)的二極管發(fā)光，所以可以用置位方法點亮紅，綠，黃發(fā)光二極管。5.4.4 8255輸出信號與數(shù)碼管的連接： LED 燈的顯示原理:通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二極管是否點量而顯示不同的字形如 SP，g,f,e,d,c,b,a 管角上加上7FH所以SP上為0伏，不亮其余為高電平，全亮則顯示為8采用共陰級連接:其中 PC0PB0-a,PC1PB1-b, PC2PB2-c,PC3PB3-d,PC4PB4-e, PC5PB5-f,PC6PB6-gPC7PB7 -SP接地表4-1 驅(qū)動代碼表顯示數(shù)值dop g f e d c b

50、a驅(qū)動代碼（16進制）00 0 1 1 1 1 1 13FH10 0 0 0 0 1 1 006H20 1 0 1 1 0 1 15BH30 1 0 0 1 1 1 14FH40 1 1 0 0 1 1 066H50 1 1 0 1 1 0 06DH60 1 1 1 1 1 0 07DH70 0 0 0 0 1 1 107H80 1 1 1 1 1 1 17FH4.4.4 8255與8051的連接用8051的P0 口的 P0.7 連接8255的片選信號cs 我們用8031的地址采用全譯碼方式，當P0.7 =0時片選有效， 其他無效，P0.1 P0.1 用于選擇8255端口P0.7 P0.6 P

51、0.5 P0.4 P0.3 P0.2P0.1P0.0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A01 X X X X X 0 0 00H為8255 的PA口1 X X X X X 0 1 01H 為8255的PB口1 X X X X X 1 0 02H 為8255的PC口1 X X X X X 1 1 03H 為8255的控制口由于8051是分時對8255和儲存器進行訪問所以8051的P0口不會發(fā)生沖突15 Rigby, William H. Monolithic integrated circuitsimplications for industrial educationM. Ann Ar

52、bor, Mich.1973附 錄 ORG 0000H ；主程序的入口地址 LJMP MAIN ；轉(zhuǎn)到主程序的開始處 ORG 0003H ；外部中斷0的中斷程序入口地址 ORG 000BH ；定時器0的中斷程序入口地址 LJMP T0_INT ；到中斷服務(wù)程序處 ORG 0013H ；部中斷1的中斷程序入口地址 MAIN：MOV SP，#50H MOV IE，#8EH ；CPU開中斷，允許T0中斷，T1中斷和外部中斷1中斷 MOV TMOD，#51H ；設(shè)置T1為計數(shù)方式,T0為定時方式，工作于模式1 MOV TH1，#00H ；T1計數(shù)器清零 MOV TL1，#00H SETB TR1 ；啟

53、動T1計時器 SETB EX1 ；允許INT1中斷 SETB IT1 ；選擇邊沿觸發(fā)方式 MOV DPTR，#0003H MOV A， #80H ；給8255賦初值，8255工作于方式0 MOVX DPTR,， A /ST0：MOV P3，#0F0HAGAIN： P31，N0 ；判斷是否要設(shè)定東西方向紅綠燈時間的初值，若P3.1為1 則跳轉(zhuǎn) MOV A，P1 P1.7 MOV R0，#00H ；R0清零 MOV R0，A ；存入東西方向綠燈初始時間 MOV R3，A LCALL DISP1 LCALL DELAY AJMP AGAINRED: MOV A，P1 ANL A，#7FH ；P1.7

54、置0 MOV R7，#00H ；R7清零 MOV R7，A ；存入東西方向紅燈初始時間 MOV R3，A LCALL DISP1 LCALL DELAY AJMP AGAINN0： SETB TR0 ；啟動T0計時器 MOV 76H，R7 ；紅燈時間存入76HN00： MOV A，76H ；東西方向禁止，南北方向通行 MOV R3，A MOV DPTR，#0000H ；置8255A口，東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮 MOV A，#0DDH MOVX DPTR， AN01： P2.0，B0N02： SETB P3.0 CJNE R3，#00H，N01 ；比較R3中的值是否為0，不為0轉(zhuǎn)到當前指令

55、處執(zhí)行;黃燈閃爍5秒程序N1: SETB P3.0 MOV R3，#05H MOV DPTR，#0000H ；置8255A口，東西，南北方向黃燈亮 MOV A，#0D4H MOVX DPTR，AN11： MOV R4，#00HN12： CJNE R4，#7DH，$ ；黃燈持續(xù)亮0.5秒N13： MOV DPTR，#0000H ；置8255A口，南北方向黃燈滅 MOV A，#0DDH MOVX DPTR，AN14： MOV R4，#00H CJNE R4，#7DH,$ ；黃燈持續(xù)滅0.5秒 CJNE R3，#00H,N1 ；閃爍時間達5秒則退出;N2： MOV R7，#00H MOV A，R0

56、；東西通行，南北禁止 MOV R3，A MOV DPTR，#0000H ；置8255A口，東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮 MOV A，#0EBH MOVX DPTR，AN21： P2.0，T03N22： CJNE R3，#00H，N21;黃燈閃爍5秒程序N3： MOV R3，#05H MOV DPTR，#0000H ；置8255A口，東西，南北方向黃燈亮 MOV A，#0E2H MOVX DPTR,AN31： MOV R4，#00H CJNE R4，#7DH，$ ；黃燈持續(xù)亮0.5秒N32： MOV DPTR，#0000H ； 置8255A口，南北方向黃燈滅 MOV A，#0EBH MOVX DPTR，AN33： MOV R4，#00H CJNE R4，#7DH，$ ；黃燈持續(xù)滅0.5秒 CJNE R3，#00H，N3 ；閃爍時間達5秒則退出 SJMP N00闖紅燈報警程序B0： MOV R2，#03H ；報警持