毕业设计（论文）-基于单片机的交通灯模拟控制系统.doc

太原理工大学阳泉学院毕 业 设 计毕业生姓名：专业：电气工程及其自动化学号：指导教师所属系（部）：信息系2016年6月太原理工大学阳泉学院毕业设计评阅书题目： 基于89S51的交通灯模拟控制系统设计 信息系电气工程及其自动化 专业 姓名 设计时间： 2016年3月28日 2016年6月3日 评阅意见：成绩： 指导教师：（签字） 职务： 年 月 日太原理工大学阳泉学院毕业设计评阅书题目： 基于89S51的交通灯模拟控制系统设计 信息 系电气工程及其自动化专业 姓名 设计时间： 2016年3月28日 2016年6月3日 评阅意见：成绩： 评阅教师：（签字） 职务： 年 月 日太原理工大学阳泉学院毕业设计答辩记录卡 信息 系电气工程及其自动化专业 姓名答 辩 内 容问 题 摘 要评 议 情 况 记录员： （签名）成 绩 评 定指导教师成绩评阅教师成绩答辩组评定成绩综合成绩注：评定成绩为100分制，指导教师为20%，评阅教师为30%，答辩组为50%。 专业答辩组组长：（签名） 年月基于AT89S51的交通灯模拟控制系统设计摘 要随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通灯成为了人们生活中不可或缺的一部分。传统的交通灯控制系统虽然在一定程度上可以满足指挥路口交通的需要，但随着城市规模的不断扩大，原有的交通灯控制系统已经表现出明显的缺点：红绿灯时间相对固定，不能伴随车流量的改变而调整红绿灯的显示时间。本设计以AT89S51单片机为核心，外接外围电路构成基本电路，使硬件电路能适应所完成的控制功能。本文课题主要介绍了一个基于AT89S51单片机的交通灯模拟控制系统，该系统由时间调整电路、信号灯电路、时间显示电路和紧急转换电路四部分组成。详细介绍了利用AT89S51设计实现交通灯模拟控制系统的过程，重点对硬件设计、软件编程以及各模块系统流程进行了详细分析，对各部分的电路也分别进行了介绍，在Keil软件中编写汇编语言程序，最后用Proteus软件进行仿真，基本实现了智能交通灯的模拟。该系统可控制红、绿、黄灯按时间依次变换，并有倒读秒功能。在此基础上，通过对车流量的情况进行数据采集。将采集的数据进行分析比较，根据比较的结果，使交通信号灯时间可根据车流量改变，提高了交叉口的通行效率。 关键词：单片机；交通灯；模拟控制IAbstractAs modern society increasingly rely on for transportation, traffic lights has become the indispensable part of peoples life. Although to some extent, the traditional traffic light control system can meet the needs of command intersection traffic, but with the enlargement of city scale, the original traffic light control systems have shown obvious disadvantages: traffic light time is relatively fixed, not along with the change of the flow adjustment of traffic lights show time.This design uses AT89S51 microcontroller as the core, constitute the basic circuit, external peripheral circuit that can be adapted to control the functions performed by hardware circuit. This paper describes a AT89S51 microcontroller-based traffic light control system, This system consists of adjusting time circuit, signal circuit, time display circuit, emergency circuit four parts. Combining the fuzzy control in mathematics. Detailed description of the use AT89S51 development process of the traffic light control system. Focus on a detailed analysis of the hardware design; software programming and debugging process of the modular system, on the part of the circuit are introduced one by one.In Keil software written in assembler language program, and finally with the Proteus software simulation, the basic realization of the intelligent simulation of traffic lights. The system can control red, green, yellow light according to time, in turn, transform, and has function of seconds. On this basis, through the situation of traffic data collection. Will collect the data transmitted to the control center, carries on the analysis comparison. According to the result of comparison, making the traffic lights time may be changed according to the number of cars, improving the efficiency of the intersection traffic . Key words: single chip microcomputer; The traffic light; analog control目 录摘 要IAbstractII1. 绪论1 1.1 选题背景1 1.1.1 交通灯的发展历史1 1.1.2 国内外研究动态2 1.1.3 我国交通灯现状2 1.2 基于单片机的交通灯控制系统的设计意义3 1.3 设计主要研究内容42. 交通灯模拟控制系统总体设计5 2.1 交通灯模拟控制系统通行方案设计5 2.2 交通灯模拟控制系统的功能要求6 2.2.1 红绿灯显示7 2.2.2 倒计时显示7 2.2.3 车流量检测及时间调整7 2.2.4 紧急处理7 2.3 交通灯模拟控制系统的基本构成及原理83. 系统硬件电路设计9 3.1 硬件系统总电路构成及工作原理9 3.1.1 系统硬件电路构成9 3.1.2 系统工作原理9 3.2 主控制模块10 3.2.1 主控制器10 3.2.2 最小系统模块15 3.2.3 按键模块16 3.3 信号灯控制模块17 3.3.1 发光二极管18 3.3.2 信号灯驱动电路18 3.4 时间显示模块19 3.4.1 LED显示结构与原理20 3.4.2 LED显示接口及显示方式20 3.4.3 LED显示驱动方式21 3.4.4 LED驱动器件选择22 3.5 车流量检测模块23 3.5.1 车流量检测传感器的选型23 3.5.2 车流量检测器工作过程24 3.6 电源电路设计254. 系统软件程序设计27 4.1 主程序设计27 4.2 倒计时程序28 4.3 外部中断程序31 4.4 其他程序设计32 4.4.1 时间中断程序32 4.4.2 数码管显示程序32 4.4.3 延时程序33 4.5 理论基础知识33 4.5.1 定时器原理33 4.5.2 软件延时原理34 4.5.3 中断原理 345. 软件仿真35 5.1 Proteus软件介绍35 5.2仿真过程介绍35 5.3仿真结果与分析37 5.3.1.仿真图37 5.3.2 仿真结果分析376. 抗干扰措施38 6.1 硬件抗干扰38 6.2 软件抗干扰38 6.3 看门狗复位38结束语39附 录40 附录I 源程序41 附录II 硬件电路图48 附录III 程序流程图49致 谢50参考文献51V太原理工大学阳泉学院-毕业设计1. 绪 论1.1 选题背景1.1.1 交通灯的发展历史当今，交通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交通灯，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。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1969年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。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，1914年始安装于纽约市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，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，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。交通灯的出现，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。进入20世纪80年代后期，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题，随着汽车的数量的不断增加和城市化进程的不断加快，城市交通现象逐渐变得拥挤和阻塞，由此引起的交通事故、噪声和大气污染等社会问题己经日益严重。于是，智能交通控制系统应运而生，并得到迅猛发展。除在功能和技术上得到改进和完善的SCOOT和SCATS以外，UTOPIA、PRODYN、ITACA、RT-TRACS、MOTION和SURFZ000等一系列交通灯控制系统相继推出并投入应用。1.1.2 国内外研究动态目前国内外较为完善的交通信号控制系统主要有英国的TRANSYT（Traffic Net work Study Tool）和SCOOT（Split,Cycle and Of set Optimization Technique,绿信比、周期和相位差优化技术）系统和澳大利亚的SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）,悉尼协调自适应交通系统，以及美国、日本等国家开发的一些系统，其中以英国的SCOOT系统和澳大利亚的SCATS系统相较为著名。它们在中国的城市（如：上海、杭州、宁波等用的是SCATS系统；成都、大连、北京等用的是SCOOT系统）也得到了较好的应用。但由于这些系统多为交通信号控制专用系统，因此开放性较差，难于同其它系统连接和协调控制，系统带有一定的局限性，并且价格比较昂贵，没有充分考虑我国现有的国情（如自行车交通流和行人的交通流等）。我国近几年经过深入研究，也开发出了一些适用于我国交通状况的交通控制系统，主要有上海交通大学的SUATS系统和南京、深圳等地研制的系统。这些系统在深入研究国外先进系统的基础上，融合了大量交警实际控制经验，以开放性为前提，增加了符合国情的特殊功能。但还不成熟，控制效果也不是非常好，没有得到广泛应用。因此，结合我国国民经济，建立一个相对廉价、获取信息多且准确、工作可靠、具有智能交通控制系统势在必行。1.1.3 我国交通灯现状随着城市机动车增长速度的加快，1994年我国城市机动车保有量已接近500万辆。20世纪90年代以来，经济的发展加快，从1985年到1995年，机动车增长率达13%左右，近几年更是增多。然而，在此同时，城市道路建设规模也在加大。我国城市普遍存在道路密度、道路面积率偏低的问题。我国城市道路的密度只有6.8km每平方千米，而在20世纪80年代，世界发达国家就已到达20km每平方千米。20世纪90年代，我国部分城市道路面积率，北京为5.9%，上海为6.4%，而国外东京为13.8%，巴黎为25%，普遍高于我国。近几年，国家虽不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与世界其他国家相比，差距仍很大。目前我国城市街道交叉路口的交通信号灯虽然是自动的，但是仔细观察就会发现红绿灯的交替转换是定时式的，即转换的间隔时间是固定不变的。定时式并不符合实际要求。因为，如果东西和南北两方向车流量相差很大，而信号灯还是平均分配导通时间，就会出现这样的问题：车多的方向导通时间不足，而车少的方向导通时间剩余，造成一方向车挤另一方向车松的不合理的局面，这就是机器自动控制不如人工现场指挥的差别。然而人工指挥劳动强度大，我们应充分发挥计算机的作用，用计算机模拟人的智能来控制交通灯，从而提高经济和社会效益。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 基于单片机的交通灯控制系统的设计意义交通对于社会的工业经济和人们的生活生产中有着十分重要的意义。交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，智能交通灯控制系统方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性价比，逐步取代传统的交通灯控制措施。红、绿、黄三色交通信号灯一般安装在城市交叉路口的醒目位置，并加上一个具有时间倒计时的显示器来控制车辆的通行的时间。对于城市道路状况较好的地方并且通行车辆较少的路段，传统交通控制系统尚能起到车辆正常通行的作用，但根据实际车辆通行情况，还存在两方面的不足：1两车道的车辆通行时间固定不变且相同；在城市的交叉路口处，通常在一个干道上通行车辆相对较多称为主干道，通行时间应该设计长些；另一个通行车辆相对较少为副干道，通行时间应该设计短些；并能根据实际情况进行变换时间。2没有设计紧急车辆通行时，交通灯应该进行怎样的变换；比如，紧急救护车在经过交叉路口时，两车道的交通灯都应该变成红色，两车道的车辆全部停止，让救护车通过。由于传统交通灯控制系统存在的不足：系统设计过于死板、红绿灯交替过于程式化。因此智能交通灯控制系统的设计就突出了它的研究意义，它能根据道路上车辆的数量以及一些突发情况，来控制车辆通行的时间。利用单片机的特点和功能，提出硬件的选择以及软件设计方案，从而来实现两车道的最大通行效率。 1.3 设计主要研究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模拟控制系统，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：一是确定系统交通模拟控制的总体设计，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，基于实际情况，又要求紧急状况处理和根据车流量调整通行时间的功能。 二是进行硬件电路设计，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。三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。2. 交通灯模拟控制系统总体设计2.1 交通灯模拟控制系统通行方案设计设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。其具体状态如下图所示。说明：黑色表示亮，白色表示灭。交通状态从状态1开始变换，直至状态4然后循环至状态1，周而复始，即如图2.1所示： 状态1 状态2 状态3 状态4图2.1 交通状态通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：南北方向红灯灭，同时绿灯亮，绿灯倒计时开始；东西方向黄灯灭，同时红灯亮，红灯倒计时开始。此状态下，南北向允许通行，东西向禁止通行。南北方向绿灯灭，同时黄灯闪烁3秒；东西方向红灯亮，倒计时3秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。东西方向红灯灭，同时绿灯亮，绿灯倒计时开始；南北方向黄灯灭，同时红灯亮，红灯倒计时开始。此状态下，南北向禁止通行，东西向允许通行。东西方向绿灯灭，同时黄灯闪烁3秒；南北方向红灯亮，倒计时3秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下：表2-1 交通状态及红绿灯状态状态1状态2状态3状态4南北方向通行等待变换禁行等待变换东西方向禁行等待变换通行等待变换南北红灯0011南北绿灯1000南北黄灯0100东西红灯1100东西绿灯0010东西黄灯0001 东西南北四个路口均有红、绿、黄3灯和2位数码显示管1个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯闪烁警示行止状态将变换。状态及红绿灯状态如表2-1所示。说明：0表示灭，1表示亮（黄灯为闪烁）。2.2 交通灯模拟控制系统的功能要求本设计除了有传统的交通灯控制系统的功能，用红、绿、黄三种颜色的交通信号灯表示禁止、通行、等待三种信号发生来控制车辆的通行；还能进行倒计时显示，根据车流量调整通行时间和紧急情况处理等功能。2.2.1 红绿灯显示 红绿灯显示可以直观的告诉驾驶员禁行，通行和等待的信号。本设计红绿灯有四种状态：首先南北绿灯亮，东西红灯亮。一定时间后，南北黄灯开始闪烁，持续3s，东西向保持红灯亮。接着南北向红灯亮，东西绿灯亮。一定时间后，东西黄灯闪烁，持续3s，南北向保持红灯亮。2.2.2 倒计时显示倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。2.2.3 车流量检测及时间调整随着我国经济建设的蓬勃发展，城市人口和机动车拥有量在急剧增长，交通流量日益加大，交通拥挤堵塞现象日趋严重，交通事故时有发生。车辆检测器作为智能交通系统的基本组成部分，在智能交通系统中占有重要的地位。现阶段，车辆检测器检测方式有很多，各有其优缺点，如遥感微波检测器、磁感应车辆检测器、红外线车辆检测器等。通过比较车流量检测传感器的数据，以此判断南北向、东西向的交通状况，从而调节交通灯的通行时间。2.2.4 紧急处理出现救护车、消防车等紧急车辆通行以及特大事件发生时，我们应该允许紧急车辆通行畅通无阻，因为在这种紧急状况下时间就是生命，此刻的时间与人民和社会的公共财产、安全以及个人生死攸关息息相关。由此在交通灯控制系统中增设紧急情况按键，使所有交通信号灯都变成红灯，使紧急车辆畅通无阻。2.3 交通灯模拟控制系统的基本构成及原理单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。本系统在此基础上，根据检测到的车流量情况，能够及时的调整交通灯时间，单片机对此进行具体处理，及时调整控制指挥，将通行效率最大化。据此，本设计系统以AT89S51单片机为控制核心，连接成最小系统，由紧急按键和车流量检测器产生输入，交通信号灯状态模块，LED倒计时模块接受输出。系统的总体框图如图2.2所示。 7段LED数码管显示AT89S51单片机红黄绿信号灯车流量检测传感器按键控制最小系统外围接口 单片机图2.2 系统的总体框图 系统进入正常工作状态，根据对车流量信息的分析判断来选择具体通行时间，并执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉紧急按键信号，以达到对异常状态进行实时控制的目的。急停按键随时调用中断。3. 系统硬件电路设计3.1 系统硬件总电路构成及工作原理实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89S51单片机及外围器件构成最小控制系统，12个发光二极管分成4组红、绿、黄三色灯构成信号灯指示模块，2个两位数码管东西向、南北向各一个构成倒计时显示模块，急停按钮作为按键模块，2个红外线光电开关作为车流量检测模块。3.1.1 系统硬件电路构成本系统实现的是对十字路口交通的控制，它由以下几个部分组成：信息的采集部分；单片机自动控制部分；按键输入部分； 显示部分。系统以单片机为核心形成一个闭环系统。系统硬件电路由单片机、状态灯及驱动器件、数码管显示及其驱动元件、按键、电阻和电容等组成。具体的硬件电路图见附录。其中P0、P2部分引脚用于接LED数码管驱动，P1口用于控制红、绿、黄发光二极管，XTAL1和XTAL2接入晶振时钟电路，RESET引脚接上复位电路，P3.3即INT1接急停按键，P3.0、P3.1分别接南北向、东西向车辆检测传感器。3.1.2 系统工作原理分别在南北向、东西向距离交叉路口100米处设置车流量传感器，通过车流量传感器对两条通道的车流量测量，将车流量信息以脉冲电平的方式传给单片机，单片机通过程序判断来控制路口各方向的红绿灯时长，并由LED显示，以一个周期向传感器取一次数据。 本系统先根据对车流量情况的判断分析显示状态灯及LED数码管，将信号灯状态码值送显P1口，将要显示的时间值通过P0、P2口向74LS47的数据口送信息来选通LED数码管的显示导通，在此同时用软件方法计时1秒，到达1s就要将时间值减1，刷新LED数码管。时间到达一个状态所要全部时间，则要进行下一状态判断及衔接，并装入次状态的相应状态码值以及时间值。当然，还要开启一个外部中断，紧急信号输入，一旦信号有效，中断开始，进入中断服务程序，各个方向均为红灯，数码显示为“00”，禁止全部通行，中断结束后返回。该交通灯控制系统以四个状态为一个循环周期：当南北方向绿灯倒计时完了，进入下一阶段，南北方向黄灯3秒，且黄灯以40ms的速度闪烁;东西方向红灯3秒。当南北方向黄灯3秒倒计时完，进入第三阶段，南北方向红灯倒计时;东西方向绿灯倒计时。当东西方向绿灯倒计时完，进入第四阶段，东西方向黄灯3秒，且黄灯以40ms的速度闪烁;南北方向红灯3秒倒计时完毕，返回第一阶段（南北方向绿灯倒计时，东西方向红灯倒计时）重新循环。3.2 主控制模块本设计的控制系统是基于标准AT89S51单片机作为主控器的，主要包括主控制器模块、最小系统模块和按键模块。3.2.1 主控制器采用AT89S51单片机作为主控制器。AT89S51具有两个16位定时器/计数器，5个中断源，便于对车流量进行定时中断检测。32根I/O线，使其具有足够的I/O口驱动数码管及交通灯。外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K，便于系统扩展。其T0，T1口可以对外部脉冲进行实时计数操作，故可以方便实现车流量检测信号的输入。选用AT89S51单片机跟其他单片机相比，经济实惠，满足设计要求，故选用AT89S51单片机作为主控制器。 AT89S51单片机简介 单片机概述 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。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器 既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 AT89S51单片机的主要性能参数和主要引脚与单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。 AT89S51芯片内部结构简介 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(内部RAM)：数据存储器用于存放变化的数据。AT89S51中数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。 程序存储器(内部ROM)：程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。AT89S51内部配置了4KB闪存。 定时/计数器(ROM)：定时/计数器用于实现定时和计数功能。AT89S51共有2个16位定时/计数器。 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。每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。 全双工串行口：AT89S51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。 时钟电路：时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。 中断系统：中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。AT89S51共有5个中断源，其中有2个外部中断源和3个内部中断源。图3.2是AT89S51系列单片机的内部结构示意图。图3.1 AT89S51系列单片机的内部结构示意图 主要引脚功能 VCC：电源电压 GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口：Pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。 AT89S51 引脚图如图3.3所示：图3.2 AT89S51系列单片机的引脚图 P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向IO 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRi 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I0 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表3-1 具有第二功能的P3口引脚端口引脚第二功能：P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外中断0）P3.3/ INT1（外中断1）P3.4T0（定时计数器0外部输入）P3.5T1（定时计数器1外部输入）P3.6/ WR（外部数据存储器写选通）P3.7/ RD外部数据存储器读选通） *P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRT0 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的16 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。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。VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。3.2.2 最小系统模块一个最简单的单片机系统包括晶振、复位、电源、系统的输入控制、输出显示，以及其他外围模块(如通信、数据采集等)。 时钟电路首先介绍一下单片机的晶振电路，即时钟电路。单片机的工作流程，就是在系统时钟的作用下，一条一条地执行存储器中的程序。单片机的时钟电路由外接的一只晶振和两只起振电容，以及单片机内部的时钟电路组成，晶振的频率越高，单片机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。单片机系统常用的晶振频率有6MHz、110592MHz、12MHz、本系统采用12MHz晶振，电容选30pF。 图3.3 晶振电路图 复位电路系统刚上电时，单片机内部的程序还没有开始执行，需要一段准备时间，也就是复位时间。一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。当程序跑飞或死机时，也需要进行系统复位。复位电路有很多种，有上电复位，手动复位等。复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2个机器周期以上的高电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2个机器周期，即可实现复位。在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。 图3.4 复位电路图 EA引脚的功能及接法单片机的EA脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。由于现在单片机内部的flash容量都很大，因此基本都是从内部的存储器读取程序，即不需要外接ROM来存储程序。此外，EA脚是中断允许的总控制位，EA=0时，中断总禁止相当于关中断，即禁止所有中断；EA=1时，中断总允许，相当于开中断，因此，EA脚必须接高电平（如上图3.4）。3.2.3 按键模块按键的方式：有独立式和行列式两种。由于本设计按键较少，所以我们采用的是独立式。独立式按键的结构：指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。我们采用查询方式电路，通常按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。键盘的工作方式：有编程扫描方式、定时扫描方式、中断扫描方式。独立式按键有查询和中断方式两种。 按键的物理特性：我们用到的按键都是利用机械触点的合、断作用。一个电压信号通过机械触点的闭合、断开作用，在闭合及断开瞬间会有抖动过程，会出现一系列负脉冲。抖动时间的长短，与开关的机械特性有关，大约为10ms左右，因此为了保证CPU对按键的判断，就需要去除抖动影响。本设计设置了1个按键，急停按键。按键一端接地，另一端接上拉电阻，阻值为10K，低电平有效。为了实现急停功能，利用单片机外部中断1达到目的，当手动按钮按下时，单片机捕获到低电平，四方全变为红灯，数码管显示为“00”，当再按下按键，将回到原来的位置继续执行。按键示意如图3.5所示。 图3.5 按键示意3.3 信号灯控制模块3.3.1 发光二极管根据本设计的特点，红绿灯的显示不可或缺，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红、绿、黄灯，总共4组。如果东西红灯亮，那南北方向就是绿灯亮，反之亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的，如图3.6所示。四个路口信号灯的转换以及转换时间是利用单片机的P1口来控制的，通过信号灯的转换和转换时间来控制车辆的通行以及通行时间。LED显示模块由4组LED组成，每组有3个LED。AT89S51单片机的P1口的P1.2，P1.3，P1.4，P1.5，P1.6，P1.7经过驱动电路与发光二极管连接。 图3.6 信号灯的连接3.3.2 信号灯驱动电路驱动部分采用74LS05非门来对LED发光二极管进行驱动，当输入为高点平时，输出为低电平。确保LED发光二极管的稳定性，能更有效地工作。74LS05为六组反向器，共有54/7405、54/74H05、54/74S05、54/74LS05 四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如表3-2所示。表3-2 74LS05的型号型 号tPLHtPHLPD5405/740512ns8ns60mW54H05/74H056ns6.5ns140mW54S05/74S053ns3ns113mW54LS05/74LS059ns10ns12mW引出端符号 1A6A 输入端 1Y6Y 输出端。电源电压7V；输入电压 54/7405、54/74H05、54/74S055.5V；工作环境温度 -55125；存储温度 .-65150。动态特性(TA=25)如表3-3所示:表3-374LS05各型号的动态特性参 数测 试 条 件05最大H05 最大S05 最大LS05最大单位tPLH输出由低到高传输延迟时间Vcc=5V,CL=50Pf(H05 为 25Pf) RL=400(H05 和S05 为 280， LS05 为 2K)22104.515nstPHL输出由高到低传输延迟时间1510515ns3.4 时间显示模块在交通信号灯的正上方安装一个可以显示绿灯通行时间，红灯等待时间以及黄灯缓冲时间的显示电路，采用数码管显示电路是一种很好的方法。由于东往西方向和西往东方向显示的时间相同，南往北方向和北往南方向显示的时间也相同，所以只需要考虑四位数码管显示电路，其中东西方向两位，南北方向两位，两位数码管可以时间的时间为0-99秒完全可以满足系统的要求，数码管连接方法如图3.7所示。 图3.7 数码管连接方法3.4.1 LED显示结构与原理由设计任务书可知时间显示模块中显示器采用LED（Light Emitting Diode），发光二极管，它是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。