毕业设计--- 单片机交通控制灯的设计与实现.doc

安徽工程大学本科毕业设计（论文）专 业： 自动化 题 目： 单片机交通控制灯的设计与实现 作 者 姓 名： 袁建明 导师及职称： 陆华才 副教授 导师所在单位： 电气工程学院 2013年 月 日安徽工程大学本科毕业设计（论文）任务书 2013 届 电气工程 学院 自动化 专业学生姓名： 袁建明 毕业设计（论文）题目中文：单片机交通控制灯的设计与实现英文：Design and implementation of SCM traffic control lamp 原始资料1 周力，陈跃东，江明城市智能交通信号控制系统设计J自动化与仪器仪表，2006，（6）：37-402 杨汉祥，刘良福，邬喜辉利用单片机改进交通灯控制系统J北京电子科技学院学报，2005，13（4）：68-713 李忠国单片机应用技能实训M北京：人民邮电出版社，20064 先锋工作室单片机程序设计实例M北京：清华大学出版社，20035 楼然苗单片机课程设计指导M北京：北京航空航天大学出版社，20076 王幸之AT89系列单片机原理与接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，20047 李学海标准80C51单片机基础教程M北京：北京航空航天大学出版社，20068 刘乐善微型计算机接口技术及应用M北京：华中科技大学出版社，20049 李伯成基于MCS-51单片机的嵌入式系统的设计M北京：电子工业出版社，200410 CaiMeiqinetc.MSC-51 series single-chip microcomputer system and its applicationMBEIJING Higher Education Press，200411 Muhammad Ali MazidiThe 80x86 IBM PC and Compatible ComputersMBEIJING Higher Education Press，2003 毕业设计（论文）任务内容1.课题研究的意义城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能的把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移也十分必要。2.本课题研究的主要内容：本课题属实践性研究课题。利用单片机AT89S52来设计交通灯控制系统。系统包括LCD显示电路、单片机系统、按键、继电器控制电路等。系统根据设定功能决定继电器开启或闭合，需要设计相关电路原理图及PCB图，要求设计程序流程图和相应程序3.提交的成果：（1）毕业设计（论文）正文；（2）一篇引用的外文文献及其译文；（3）附不少于10篇主要参考文献的题录及摘要；（4）其他和课题相关的附件指导教师（签字）教研室主任（签字）批 准 日 期2012年 月 日接受任务书日期2012年 月 日完 成 日 期2013年 月 日接受任务书学生（签字）安徽工程大学毕业设计（论文）摘 要当今时代是一个自动化时代,交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此一个好的交通灯控制系统将在道路拥挤等交通状况方面给予技术革新。本文主要介绍了一个基于AT89C61单片机的交通灯控制系统,详细介绍了利用AT89C61设计并仿真实现交通灯控制系统的过程重点对硬件设计、软件编程、调试分析以及各模块系统流程进行了详细分析对各部分的电路也一一进行了介绍。本电路由AT89C51单片机、按键、数码管和LED灯组成并在Proteus软件上实现仿真。关键词 ：交通控制；单片机；AT89C51；仿真Abstract The age is an automation ages nowadays and traffic light controls waiting a lot of equipments of professions is closely related with calculator. Therefore, a good traffic light control system will hustle for road, give technique innovation. This paper describes a 80C52 microcontroller-based traffic light control system, detailed description of the use 89C52 development process of the traffic light control system. Focus on a detailed analysis of the hardware designing， software programming, analysis and debugging process of the modular system, on the part of the circuit are introduced one by one. The circuit is composed of AT89C51 SCM, keyboard, digital tube and LED lamp and the realization of software simulation in Proteus. Keywords: Traffic Control；SCM；AT89C51；Simulation目录摘 要IAbstractII目录III插图清单V引言VI第1章 绪 论11.1 基于单片机的交通灯控制系统设计的目的及意义11.2 单片机的发展趋势21.3 论文的主要内容5第2章 系统的方案设计62.1 系统的正常模式62.2 系统的紧急模式7第3章 系统硬件设计103.1 单片机模块103.2 显示模块153.3 按键模块15第4章 系统软件设计174.1 正常工作模式子程序194.2 延时子程序214.3 显示倒计时子程序224.4 夜间模式子程序244.5 绿灯闪烁子程序26第5章 系统测试与实现275.1 汇编源程序275.2 Proteus仿真28结论与展望31致谢32参考文献33附录A 英文文献翻译346.1 英文原文346.2 中文译文41附录B 交通灯控制系统源程序45附录C 系统总电路图51插图清单图2-1 系统的正常模式7图2-2 系统的紧急模式8图2-3 系统的夜间模式9图3-1 单片机与其它模块的连接14图3-2 显示模块15图3-3 按键模块16图4-1 主程序流程图17图4-2 正常工作模式流程图20图4-3 秒延时子程序流程图21图4-4 显示倒计时子程序流程图23图4-5 夜间工作模式25图4-6 绿灯闪烁子程序流程图26图5-1 源程序编译图27图5-2 正常工作模式模拟结果28图5-3 夜间工作模式模拟结果29图5-4 紧急工作模式模拟结果29图5-5 强制东西通行模式模拟结果30引言今天红绿灯安装在各个道口上已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段，但这一技术在19世纪就已出现了。1858年在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红蓝两色的机械扳手式信号灯用以指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。1868年英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上安装了世界上最早的煤气红绿灯，它由红绿两块以旋转式方形玻璃提灯组成红色表示“停止”绿色表示“注意”，1869年1月2日煤气灯爆炸使警察受伤遂被取消。1914年电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成安装在纽约市5号大街的一座高塔上，红灯亮表示“停止”绿灯亮表示“通行”。1918年又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯，带控制的红绿灯一种是把压力探测器安在地下当车辆接近时,红灯便变为绿灯另一种是用扩音器来启动红绿灯司机遇红灯时按一下喇叭就使红灯变为绿灯，红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时它就能察觉到有人要过马路，红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间推迟汽车放行以免发生交通事故，信号灯的出现使交通得以有效管制对于疏导交通流量、提高道路通行能力减少交通事故有明显效果。1968年联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定，绿灯是通行信号面对绿灯的车辆可以直行左转弯和右转弯除非另一种标志禁止某一种转向，左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行，红灯是禁行信号面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车，黄灯是警告信号面对黄灯的车辆不能越过停车线但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。随着经济的发展交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题，道路拥挤现象日趋严重造成的经济损失越来越大并一直保持大比例的增长，现在交通系统已不能满足经济发展的需求。由于生活水平的提高人们对交通运输的安全性及服务水平提出了更高的要求，在交通中管理引入单片机交通灯控制代替交管人员在交叉路口服务有助于提高交通运输的安全性、提高交通管理的服务质量，并在一定程度上尽可能的降低由道路拥挤造成的经济损失同时也减小了工作人员的劳动强度。中国车辆数量不断增加交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用，智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很好的效益、更加节约资源。使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通控制带来更大的经济和社会效益,为创造美好的城市交通形象发挥更的作用。50第1章 绪 论1.1 基于单片机的交通灯控制系统设计的目的及意义城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早期交通流量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式已不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器。20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，更是实现了以一个城市或者更大地域，而非简单的一个路口的交通总体控制系统。1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动，从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制，从单点控制到干线控制，从区域控制到网络控制的长远过程。交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产，安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。1.2 单片机的发展趋势现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：(1) 低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。(2) 微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。(3) 主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、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。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：(1) 在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。(2) 在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。(3) 在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。(4) 在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。(5) 单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.3 论文的主要内容基于整个交通控制系统的发展情况，本设计主要进行如下方面的研究：用智能，集成，且功能强大的单片机芯片为控制中心，设计出一套十字路口的交通控制系统，以指挥该路口的实时通行状态。本设计主要做了如下几方面的工作：(1) 是确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示 ，详细功能为：在白天正常东西方向和南北方向通车，通车时间均为45秒。正常通车情况下，可以对通车的时间进行倒计时计数，并通过显示器显示出来。如果遇到特殊情况，在处理特殊事件时，可使整个十字路口禁止通车。强制东西通行，适用某些需要只进行东西通车的情况。强制南北通行，适用某些需要只进行南北通车的情况。在夜间车流量较少的情况下，正常东西方向和南北方向通车，通车时间均为10秒，相对与白天通行模式，车辆等待时间减少，提高了通行效率。(2) 是进行智能传感器的硬件电路，显示电路等的设计对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。(3) 是进行软件系统设计，对本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。第2章 系统的方案设计本系统是一个针对十字路口设计的交通信号灯控制。通过利用单片机AT89C51控制LED灯和数码管的显示，模拟现实生活中的交通灯工作情景。用数码管来显示倒计时时间，每个方向都有红灯、黄灯、绿灯各一组，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮时禁止行人和车辆通行，当绿灯亮才允许行人和车辆通行。当倒计时完成时，此时绿灯开始闪烁用来提示行人和车辆红绿灯的状态即将切换，注意通行。交通灯的控制可以分为自动控制和人工控制两种方式：正常启动的情况下，交通灯处于自动控制方式，此时东西方向和南北方向的交通灯轮流导通；遇到特殊情况，可以通过人工控制来启动紧急按钮，然后通过按键强制南北方向或强制东西方向交通导通的来改变交通，在夜间，车流量相对减小，这时候我们可以启动夜间模式，把时间红绿灯转换的时间缩短，这样就可以减小车辆夜间在路口等候的时间，最大程度的利用路口的资源。2.1 系统的正常模式在正常通电后，系统处于正常模式，此时南北方向交通灯首先导通，东西方向禁止通行，情况如下所示:(1) 首先是南北方向交通导通，东西方向交通停止，此时南面LED1为绿灯、东面LED2为红灯、北面LED3为绿灯、西面LED4为红灯，四个方向的数码管都从45秒开始倒计时，每隔1秒减1；(2) 当倒计时完成时，南北方向的绿灯(LED1和LED3)开始闪烁，闪烁时间为1S，闪烁间隔设置为0.5秒；(3) 当闪烁结束之后，东西方向交通导通，南北方向的交通停止，此时南面LED1为红灯、东面LED2为绿灯、北面LED3为红灯、西面LED4为绿灯，各个方向的数码管重新开始从45秒倒计时，每隔1秒减1；(4) 当倒计时完成后，东西方向绿灯(LED2和LED4)开始闪烁，闪烁时间为1S，闪烁间隔设置为0.5秒；(5) 当闪烁结束后，再次执行步骤1的操作。其控制流程如下：图2-1 系统的正常模式2.2 系统的紧急模式由于十字路口的车流量、人流量往往较大，在这样的情况下，往往会发生一些突发事件，此时我们就需要通过一些特殊手段，来强制控制路口的导通情况，使路口在一定的时间段中只有南北方向导通、或者是东西方向导通，因此我们设置了紧急模式按钮。在紧急模式启动时，数码管显示的时间为59秒，在没有任何动作的情况下，每隔10秒红灯就会闪烁几次，此时系统会判断有没有按键被按下，如果有按键被按下如：(1) 当强制东西导通按键被按下时，东西方向的交通灯变为绿色，南北方向的交通灯任然为红色，数码管显示的时间为59秒，此时系统会判断正常模式有没有启动，如果正常模式没有启动，系统将自动返回，继续执行这个动作。(2) 当强制南北导通按键被按下时，南北方向的交通灯变为绿色，东西方向的交通灯变为红色，数码管显示的时间为59秒，此时系统会判断正常模式有没有启动，如果正常模式没有启动，系统将自动返回，继续执行这个动作。其流程控制图如下所示：图2-2 系统的紧急模式2.3 系统的夜间模式在夜间十字路口的车流量相对与白天有所减缓，此时我们可以缩短其导通时间来节省车辆与行人在夜间的等候时间，最大的方便行人与车辆通行。其控制流程如下所示：图2-3 系统的夜间模式第3章 系统硬件设计根据上面的功能要求,硬件系统主要模块有单片机模块显示模块按键模块，其硬件总电路图如附录二所示。3.1 单片机模块MCS-51单片机是Intel公司在1980年继MCS-48系列8位单片机之后推出的高档8位单片机。MCS-51单片机在性能和片内功能方面大大优于MCS-48系列单片机。MCS-51的典型产品有：8051、8031、8751、80C51、80C31、87C51等，8051内部有4kB ROM，8751内部有4kB EPROM，8031片内无ROM。除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。单片机的主要特点有：（1）具有优异的性能价格比。（2）集成度高、体积小、可靠性高。（3）控制功能强。（4）低电压，低功耗。单片机是应工业测控需要而产生的，最能反映其功能及形态的名称是在一个应用系统中，Single-chip Micro-controller。按照测控系统的特点和要求，单片机的应用可分为单机应用和多机应用两大类。我们这次要完成的单片机课程设计就是它的单机应用，下面在介绍一下单片机在单机应用领域内的主要内容。（1）智能产品单片机与传统机械产品相结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，购成新一代机电一体化产品。目前，利用单片机构成的智能产品已广泛应用于家用电器、办公设备、数控机床、纺织机械、工业设备等行业。（2）智能仪表目前，各种传感器、变送器、控制仪表已普遍采用单片机应用系统。它集测量、处理、控制功能于一体，具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音等功能。单片机构成的智能仪表，能使仪表具有数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化等优点，赋予测量仪表以崭新的面貌，使传统的仪器、仪表发生根本性的变革，它代表了仪器仪表的发展趋势。（3）测控技术用单片机构成的各种工业控制系统中的数据采集系统具有工作稳定可靠、抗干扰能力强的优点，如炉温恒温控制系统、电镀生产自动控制系统等。（4）智能接口在计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中，除通用外部设备外，还由许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。这些外部设备与接口如果完全由主机进行管理，势必会造成主机负担过重，运行速度降低，接口的管理水平也不可能提高。如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行加工处理，可以大量降低接口的通信密度，极大的提高了接口控制管理水平。在一些通用计算机外部设备上，已实现了单片机的键盘管理、打印机控制、绘图仪控制、硬盘驱动控制等。单片机的部分功能介绍AT89C51单片机把作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。它包含有8位微处理器（CPU）、128B RAM数据存储器、4KB Flash ROM程序存储器、4个8位可编程并行I/O口、一个全双工异步串行口、2个可编程16位定时器/计数器和看门狗定时器等等。(1) 中央处理器（CPU）CPU是单片机的核心部件，根据CPU字长可分为1位机、4位机、8位机、16位机以及32位机，CPU的运算速度、处理数据能力、实施控制功能等性能都与CPU的字长有关，因此，字长是衡量CPU功能的主要指标。AT89C51单片机的CPU是由运算器和控制器构成的。运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑和位操作运算。主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器A、程序状态寄存器PSW、位处理器及两个暂存器。控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动协调地工作。控制器主要包括程序存储器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等。其功能是控制指令的读入、译码和执行，从而对单片机的各功能部件进行定时和逻辑控制。(2) 数据存储器（RAM）单片机内部的数据存储量片内为128B，片外最多可外扩64KB。片内128B的RAM以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快单片机的运行速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗。还有少数单片机内采用EEPROM作为数据存储器。数据存储器可分为工作寄存器、堆栈，位标志和数据缓冲器使用。(3) 程序存储器(Flash ROM)单片机内部程序存储器容量一般为1KB64KB,通常采用只读存储器（ROM）。采用只读存储器作为程序存储器，不仅提高了可靠性，而且由于只读存储器的集成度较高、价格较低，降低了成本。(4) 定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，增强型的52子系列有3个16位的定时器/计数器，它具有4中工作方式。(5) I/O接口及特殊功能部件单片机内部有数量不等的并行接口，可以作为外界无输入/输出设备，通常也包含12个串行口，用于实现异步串行通信。特殊功能部件通常包括定时/计数器，其他例如A/D、PWM、DMA等根据不同类型的单片机，其配置不同。单片机的引脚功能目前AT89C51单片机多采用40引脚的双列直插封装方式其引脚按其功能可以分为3类:(1) 电源及时钟引脚电源引脚为接入单片机的工作电源，其中Vcc（40脚）接+5V电源、Vss（20脚）接数字地。时钟引脚中XTAL1（19脚）为片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外接时钟源时，该引脚接外部时钟振荡器的信号。另一个XTAL2（18脚）为片内振荡器的反相放大器的输入端，当使用片内振荡器时，引脚接石英晶体和微调电容；当采用外部时钟源时，引脚悬空。（2）控制引脚此类引脚提供复位信号，有的还具有复用功能。它包括RST（9脚）、VPP（31脚）、ALE（30脚）和（29脚）。RST：复位信号输入端，高电平有效，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平，就可以使单片机复位。正常工作时此引脚应为=0.5V的低电平。VPP：其中为该引脚的第一功能，即外部程序存储器访问允许控制端。接高电平时，当PC值不超过0FFFH时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序；当PC值超出时，将自动转向读取片外60KB程序存储器中的程序。接低电平时，只读取外部程序存储器0000HFFFFH中的内容。Vpp为该引脚的第二功能，即在对片内Flash进行编程时，Vpp引脚接入编程电压。ALE：ALE为CPU访问外部程序存储器或者是外部数据存储器提供一个地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。为该引脚的第二功能，即在对片内Flash存储器编程时，此引脚作为编程脉冲输入端。:片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的信号。(3) 并行I/O口引脚P0口：8位，漏极开路的双向I/O口。当单片机扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口作为地址总线及数据总线的分时复用端口。P0口作通用I/O口时，需加上拉电阻，这时为准双向口。作通用I/O口的输入时，应先向端口输出锁存器写入1.可驱动8个LS型TTL负载。P1口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。是专为用户使用的准双向I/O口，作为通用的I/O口输入时，应先向端口锁存器写入1。P可驱动4个LS型TTL负载。P2口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。当单片机扩展外部存储器及I/O口时，P2口作为高8位地址总线用，输出高8位地址。可作为普通的I/O口使用，作为通用的I/O口输入时，应先向端口输出锁存器写入1.可驱动4个LS型TTL负载。P3口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。可作为通用I/O口使用，作通用I/O口输入时，应先向端口输出锁存器写入1.可驱动4个LS型TTL负载单片机与其他模块的单片机与其他模块的连接如下图1所示图3-1 单片机与其它模块的连接3.2 显示模块传统的共阳极或共阴极的数码管其显示输入需要为段码，这样就使得电路相对复杂和繁琐。对于相同的功能在成本相差不大的情况下，此处运用了带BCD译码电路的LED显示器。这样既可使线路简化，又可使可靠性提高。本设计中使用的自带BCD译码电路的LED显示器，其主要特点是采用四线BCD码输入，可显示0-F十六进制数。使用时直接输入BCD码 即可显示相应的数字，使得电路大大简化。设计时，把P1.0P1.7当做BCD码输出端口，连接到LED显示器上，这样可把BCD码直接转换成可显示的数字，显示模块的连接如图2所示：图3-2 显示模块3.3 按键模块在此系统中，按键模块是实现各项功能的关键，按键通过电阻与单片机相连接，可以对单片机进行控制，低电平信号对相应的单片机引脚有效，可使按键的另一端接地。本设计中有强制东西通行按键强制南北通行按键夜间模式按键正常模式按键紧急模式按键五个按键，分别对应着相应的子模式。如图3所示：图3-3 按键模块各按键与单片机相对应的接口见上面的单片机模块。第4章 系统软件设计根据前面的要求以及硬件的设置情况，本系统的软件部分需要进行中断设置。为了实现上述要求，软件部分应包括正常模式夜间模式紧急模式强制序。主程序流图如图4所示：图4-1 主程序流程图开机上电处于正常模式下，交通灯每45秒改变一次通行方向，使得南北和东西交替通行。而显示系统则显示到下一次改变所剩的时间，利于司机调整车辆状况。每到同行方向转换时，绿灯闪烁，变为黄灯。提醒司机注意通行方向的改变，避免不必要的危险。在设计运用了单片机的外部中断，系统的紧急和夜间模式的切换采用中断系统完成。这样在任何通行情况下都可进入以上两种模式。在设计中，设置外部中断0为夜间模式触发按钮，由电平触发完成，设置为低优先级，设置外部中断1为紧急模式触发按钮，由电平触发完成，设置为高优先级。此时无论紧急状况（如车祸等）发生在何时都可以直接进入紧急模式以便于交通管理人员处理问题。同时，通过在紧急模式下软件检测p3.7和p3.6是否不为1来触发东西及南北强制通行模式，以弥补外部中断的不足，实现更多的功能。总程序见附录一。4.1 正常工作模式子程序正常模式下，交通灯每45秒改变一次通行方向，使得南北和东西交替通行，其流程图如图5所示。其主要程序为：MOVR6,#03H；绿灯闪烁次数MOVR0,#00H；MOVP2,R0；灯全灭SETBP2.7；南北绿灯亮SETBP2.1；东西红灯亮ACALLDISPLAY；显示倒计时ACALLFLASHN；南北方向绿灯闪烁CLRP2.7；南北绿灯灭SETBp2.6；南北黄灯亮ACALLDELAY2；短延时2CLRP2.6；南北黄灯灭CLRP2.1；东西红灯灭SETBP2.3；东西绿灯亮SETBP2.5；南北红灯亮ACALLDISPLAY；显示倒计时ACALLFLASHS；东西方向绿灯闪烁CLRP2.3；东西绿灯灭SETBP2.2；东西黄灯亮ACALLDELAY2；短延时2CLR P2.2；东西黄灯灭图4-2 正常工作模式流程图4.2 延时子程序设计中通过对指令运行的次数进行循环来实现软件延时。当晶振频率为12MHz时每个机器周期是1微秒，一条NOP指令是一个机器周期，一条DJNZ指令是两个机器周期，所以可写出如下的1秒延时子程序：DELAY:MOV R2, #33DEL3:MOV R3, #100DEL2:MOV R4, #75DEL1:NOP NOP DJNZ R4, DEL1 DJNZ R3, DEL2 DJNZ R2, DEL3图4-3 秒延时子程序流程图4.3 显示倒计时子程序通过LED显示器显示距离换向时间还剩多少，利于司机调整车辆状况，其程序为：其主要程序为：DISPLAY:MOVR0,#44；显示子程序MOVR7,#45；循环次数L1:MOVDPTR,#TABLE；表地址送DPTRMOVA,R0；秒数送AMOVCA,A+DPTR；查表MOVP1,A；查表得BCD送P1DECR0；秒数减一ACALLDELAY；延时一秒DJNZR7,L1；循环RET；返回此程序是通过循环查表来实现倒计时显示的，其流程图如图所示图4-4 显示倒计时子程序流程图4.4 夜间模式子程序系统在主程序中已经完成中断初始化，在正常模式下，其随时可通过中断0进入夜间模式，不受当时通行方向的影响。夜间模式中，交通灯每45秒改变一次通行方向，使得南北和东西交替通行。其流程图如图7。其程序为： YEJIAN: MOV R0,#00H ；夜间模式 MOV P2,R0 ；灯全灭 SETB P2.7 ； 南北绿灯亮 SETB P2.1 ；东西红灯亮 ACALL DISPLAY1 ；显示倒计时 ACALL FLASHN ；南北方向绿灯闪烁 CLR P2.7 ；南北绿灯灭 SETB P2.6 ；南北黄灯亮 ACALL DELAY2 ；短延时2 CLR P2.6 ；南北黄灯灭 CLR P2.1 ；东西红灯灭 SETB P2.3 ；东西绿灯亮 SETB P2.5 ；南北红灯亮 ACALL DISPLAY1 ；显示倒计时 ACALL FLASHS ；东西方向绿灯闪烁 CLR P2.3 ；东西绿灯灭 SETB P2.2 ；东西黄灯亮 ACALL DELAY2 ；短延时2 CLR P2.2 ；东西黄灯灭 LJMP YEJIAN 图4-5 夜间工作模式4.5 绿灯闪烁子程序每到同行方向转换时，绿灯闪烁，提醒司机注意通行方向的改变，避免不必要的危险。绿灯闪烁的程序分南北方向和东西方向，以南北方向为例，流程图如图8所示，其程序为： SETBP2.7；南北方向绿灯闪烁子程序ACALLDELAY1；短延时1CLRP2.7；灭南北方向绿灯ACALLDELAY1；短延时1DJNZR6,FLASHN；循环3次MOVR6,#3；重装循环次数RET图4-6 绿灯闪烁子程序流程图第5章 系统测试与实现根据上面的设计，此次课程设计使用KeiluVision3和Proteus软件仿真，其中使用软件汇编源程序，使用Proteus软件对硬件电路进行模拟。5.1 汇编源程序KeiluVision3中，输入源程序后，对源程序进行编译，经调试源程序可以运行。汇编结果如图所示：图5-1 源程序编译图5.2 Proteus仿真在此次设计中，用Proteus对硬件部分进行模式。在Proteus中输入原理图后，在单片机中载入上面汇编的hex文件，运行仿真，结果如下：按下正常模式按键后，系统开始工作，南北方向和东西方向交替通行45秒。仿真结果如图所示：图5-2 正常工作模式模拟结果按下夜间模式按键后，系统进入夜间工作模式，南北先通行10秒，然后东西通行10秒，如此交替运行，模拟结果如图所示：图5-3 夜间工作模式模拟结果无论系统处于那种工作模式，按下紧急模式键后，系统便进入紧急工作状态，在紧急状态下，各方向禁止通行，模拟结果如图所示：图5-4 紧急工作模式模拟结果在紧急工作模式下，可以实现强制东西通行或强制南北通行，例如按下强制东西通行后，只可以东西通行，显示器显示在45秒，如图所示：图5-5 强制东西通行模式模拟结果结论与展望随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在，因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。单片机作为我们的主要专业课之一，虽然在开始学习时我对这门课并没有什么兴趣，觉得那些程序指令枯燥乏味，但在这次课程设计后我发现自己在一点一滴的努力中对单片机的兴趣也在逐渐增加。通过这次的单片机课程设计，我更进一步了解到单片机的优点和强大功能,在查找资料的过程中,认识到单片机应用的广泛性。在设计中，我并没有局限于普通十字路口交通灯方案，而是根据实际情况加入了夜间模式等其他功能。在实现这些功能的同时，对单片机系统有了一个更深刻的认识。同时通过此次课程设计，熟练掌握了汇编语言的编程方法，进一步熟悉了外部中断的使用方法，学习了中断优先级的设置方法。通过使用仿真软件Proteus，深化了对软硬件联合调试的意义的理解，在仿真的过程中，但由于我的知识水平有限，设计程中陆老师指点了许多存在的问题，使我大大提高了联调的效率。单片机交通灯系统还是存在一些的缺点和不足，如没能实现左右转向信号灯的设计，不能根据车流量的大小来控制各方向的通车时间，希望在以后的学习过程中，能够尽快的解决这些问题。最后，我觉得作为一名自动化专业的学生，单片机的课程设计是很有意义的，在这个过程中可以学会如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然我对这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得有点难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着不断的“学习”，在同学的帮助和讲解下，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它