微控制器课程设计
话题
交通信号灯控制设计
课程设计目标与任务、计划与时间安排：实践教学要求与任务：
1、了解交通信号灯的基本工作原理；
2、利用Proteus仿真实现交通灯控制；
3.使用Keil C51编程实现以上功能；
4.使用Keil与Proteus进行联合调试。
工作计划及时间安排：
17周查找相关资料。
18 周的详细设计。
19 周的程序测试、撰写论文和答辩。
1 简介
交通运输业蓬勃发展，交通量逐年增加，大、中、小城市汽车、摩托车等车辆日益增多，道路交通繁忙，经常出现严重的交通堵塞，尤其是在路口，机动车、非机动车、行人交通十分混乱。为了在岔路口实现主干道的合理、科学分流。基于单片机物美价廉、功能强大、使用方便灵活、可靠性高等特点，提出了一种利用STC89c51单片机实现交通信号灯和时间显示的自动控制方法。同时给出了软件和硬件的实现方法，为交通控制自动化提供了一种新型、廉价的手段，具有一定的推广意义。本文介绍了控制的基本原理、控制的性能，介绍了城市交通信息系统的设计目标、开发方法、系统结构与功能、数据地理编码和数据库建设等。 同时探讨了系统中交通状况、交通管理、交通规划及后台信息查询等模块的构建及应用，介绍了一种城市路口三色可编程交通信号时间显示器的开发方案，其电源、发光二极管构成的负载结构、光色时间检测等都给出了巧妙合理的优化结构，大大提高了产品的可靠性，降低了制造成本。
2 应用软件介绍2.1 C语言简介
C语言是1972年贝尔实验室的Dennis Ritchie基于B语言开发出来的。最初的C语言被称为UNIX操作系统的开发语言。之后，贝尔实验室对C语言进行了很多改进并发布了多个版本，C语言的优点引起了人们的广泛关注。随着UNIX操作系统在各种机器上的广泛使用，C语言得到了迅速的推广。1978年，Brian W. Kernighan和Dennis M. Ritchit合著了《C程序设计语言》一书，对C语言进行了详细的描述。这本书对C语言的发展产生了深远的影响，并成为后来C语言版本的基础，被称为标准C。随后，C语言在各种计算机上迅速推广，并出现了许多版本的C语言。
2.2 Keil C51
Keil C51是美国Keil Software公司出品的一套51系列兼容单片机C语言软件开发系统。C语言与汇编语言相比，在功能、结构、可读性和可维护性等方面具有明显的优势，因此易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编器、链接器、库管理和功能强大的仿真调试器在内的一套完整的开发解决方案，它们通过集成开发环境（μVision）结合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
2.3 普罗透斯
Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司发布的一款EDA工具软件，它不仅具备其他EDA工具软件的仿真功能，还可以对单片机及外围器件进行仿真，是目前比较优秀的单片机及外围器件仿真工具，虽然在国内才刚刚开始推广，但已经受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是英国著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布局、代码调试到单片机及外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，是目前全球唯一集电路仿真软件、PCB设计软件、虚拟模型仿真软件于一体的设计平台。 其处理器型号支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430等，2010年新增Cortex、DSP系列处理器，其他系列处理器型号持续增加中，编译方面也支持IAR、Keil、MATLAB等多种编译器。
3 硬件资源介绍 3.1 单片机介绍
单片机（MCU）又称单片微控制器，并不是一块完成某项逻辑功能的芯片，而是集成在一块芯片上的计算机系统。通俗地说，一块芯片就成了一台计算机。它体积小，重量轻，价格便宜，为学习、应用、开发提供了便利的条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理和结构的最佳选择。
目前，单片机已经渗透到我们生活的每个领域，几乎很难找到一个没有单片机的领域。导弹的导航装置、飞机上各种仪器的控制、计算机网络通讯与数据传输、工业自动化过程的实时控制与数据处理、广泛使用的各种智能IC卡、民用豪华轿车的安全系统、录像机、照相机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不要说自动控制领域的机器人、智能仪器、医疗器械了。因此，单片机的研究、开发和应用，将造就一批计算机应用、智能控制方面的科学家和工程师。
3.2 89C51简介
89C51是一种低压、高性能CMOS 8位微处理器，内有4K字节的闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM），俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可反复擦写100次。该器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出引脚兼容。由于在单个芯片内结合了多功能8位CPU和闪存，ATMEL公司的89C51是一种高效的微控制器，89C2051是它的精简版。
3.3 89C51单片机内部逻辑结构
3.4 89C51硬件资源
（1）微处理器（CPU）：8位CPU。
（2）数据存储器（RAM）：片上128字节，最多可添加64KB外部存储器。
（3）程序存储器（4KB Flash ROM）：片内4KB，最大可以外部扩展程序存储器至64KB。
（4）四个8位可编程并行I/O端口（P0、P1、P2、P3），一个全双工串行口。
（5）定时器/计数器：芯片上有两个16位定时器/计数器，有四种工作模式。
（6）中断系统：具有5个中断源，2级中断优先级。
（7）特殊功能寄存器（SFR）：特殊功能寄存器共有21个，由CPU用来管理、控制和监视芯片上的各个功能部件。
（8）1个看门狗定时器（WDT）。
3.5 89C51 引脚图
（1）P0口：8位、漏极开路双向I/O口。
（2）P1口：8位、准双向I/O口，带有内部上拉电阻。
（3）P2口：8位、准双向I/O口，供用户使用，内部带有上拉电阻。
（4）P3口：8位准双向I/O口，内置上拉电阻，也可作为普通I/O口使用。另外，P3口还有第二种功能定义。
4 设计问题
交通灯控制设计：
1.了解路口红绿灯基本工作原理，划分主路、次路，并增加倒计时功能
2.使用Keil C51编程实现上述功能
3、利用Proteus模拟路口红绿灯控制电路。
4.使用Keil和Proteus进行调试
5. 设计 5.1 交通信号灯的四种交通模式及行车方向指示
根据简单的交通路口规则，有四种模式
南北绿灯亮，东西红灯亮，南北黄灯闪烁，东西红灯亮，南北红灯亮，东西绿灯亮，南北红灯亮，东西黄灯闪烁
5.2 交通信号灯控制系统
实用的交通灯控制系统主要由CPU控制模块、信号灯显示模块、倒计时显示模块等组成，如下图所示：
控制模块是最核心的部分，控制核心采用AT89C51单片机，利用AT89C51单片机内部的定时器实现交通信号灯控制的定时功能，正常情况下产生相应的控制信息，控制倒计时显示电路和信号灯显示电路的正常工作。
信号灯显示模块采用四个集成交通信号灯模拟红、黄、绿交通信号灯，利用单片机的P1口控制发光二极管的亮、灭状态。
倒计时显示模块接口电路有静态显示和动态显示两种显示方式，由于动态显示方式在仿真软件中不方便查看，因此本次采用静态显示方式，该方式的优点是操作方便，缺点是浪费单片机的接口资源。
为了使倒计时更加准确，采用外部晶振电路来实现其功能。
6 硬件系统设计 6.1 交通灯显示模块
由于南北方向的红绿灯始终处于相同状态，因此将南北方向的红绿灯归为一组。只需将相应的红绿灯并联即可。东西方向也是如此。
6.2 倒计时显示模块
选用8个7段数码管，分别模拟四个方向的倒计时显示，数码管采用共阴极接法。
为了提高P0、P2口的电流输出能力，保证数码管的亮度，保护端口引脚，在P0口与数码管之间增加了一个74LS245芯片。
6.3 复位模块
本系统可以通过按复位键重新启动，电路图如图所示：
7 软件系统设计 7.1 中断服务程序框图
7.2 主程序流程图
7.3 程序代码
#include
sbit g1=P1^0; //位定义
sbit r1=P1^1;
sbit y1=P1^2;
sbit g2=P1^3;
sbit r2=P1^4;
sbit y2=P1^5;
unsigned char f=0;
unsigned char nanbei_time=15; //定义南北的时间长度
unsigned char dongxi_time=11; //定义东西的时间长度
unsigned char m;
unsigned char code t[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x27,0x7F,0x6F};
void init_timer0(void) //中断初始化函数
{
TMOD=0x01;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
ET0=1;
EA=1;
TR0=1;
}
void display(unsigned char x)
{
unsigned char m,n;
m=x/10;
n=x;
P0=t[m];
P2=t[n];
}
void timer(void) interrupt 1 using 1 //中断服务函数
{
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
f++;
if(f==20)
{
f=0;
m--;
}
}
void main()
{
m=nanbei_time;
P1=0x00;
init_timer0();
while(1) {
do {
display(m);
g1=1;
r1=0;
g2=0;
r2=1;
}
while(m!=3);
do
{
if(m<=3)
{
y1=~y1;
r1=0;
g1=0;
r2=1;
g2=0;
}
display(m);
r1=0;
g2=0;
r2=1;
}
while(m!=3);
do
{
if(m<=3)
{
y1=~y1;r1=0;g1=0;
r2=1;g2=0;
}
display(m);
}
while(m!=0);
if(m==0)
{ m = dongxi_time;
y1 = 0;
y2 = 0;
}
do{
display(m);
g1 = 0;
r1 = 1;
g2 = 1;
r2 = 0;
}
while(m!=3);
do{
if(m<=3)
{
r1=1,g1=0;
y2=~y2,r2=0,g2=0;
}
display(m);
}while(m!=0);
if(m==0)
{
m=nanbei_time;
y1=0;
y2=0;
}
}
}
8 电路仿真
开始模拟：
9 设计摘要
通过这次单片机课程设计，我不仅学到了很多新知识，还加深了对以前学到的理论知识的掌握。以前我们学到的东西仅限于课本，实际应用还比较模糊。这次课程设计有利于学生学习目标的明确性和主动性。通过这次课程设计，我们知道自己真正应该掌握什么，在实践中填补自己理论知识的空白，能够很好地把理论运用到实践中。
10 参考文献
1.《单片机原理与接口技术》张毅刚著人民邮电出版社
2.单片机课程设计指南，皮大能，北京理工大学出版社
