基于stc89c52的交通信号灯设计毕业论文.doc

基于stc89c52的交通信号灯设计毕业论文目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.1.1 单片机的应用与发展11.1.2 LED技术的应用21.2 课题研究的目的及意义31.3 国内外现状51.4 本文研究的主要内容71.5 本章小结7第二章 总体设计方案82.1 设计思路82.2 总体设计框图92.3 本章小结10第三章 系统硬件设计113.1 STC89C52芯片介绍113.2 Altium Designer的介绍123.3 STC89C52最小系统的设计123.4 系统电源电路设计133.5 时钟电路设计143.6 复位电路设计153.7 LED循环显示设计163.8 数码管倒计时设计183.9 本章小结21第四章 系统软件设计224.1 Keil C51 Vision4的介绍224.2 软件流程图244.3 程序设计254.4 本章小结25第五章 仿真结果及分析265.1 Proteus的介绍265.2 仿真结果29第六章 实物的制作31第七章 总结与展望327.1 总结327.2 展望32致 谢34参考文献35附 录A36附 录B37附 录C63附 录D64III第1章 绪论1.1 课题研究的背景1.1.1 单片机的应用与发展单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有三十多年了，由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。120世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。目前单片机应用于各个领域，其应用于仪器仪表中显得更为优越。以单片机制成的电子时钟具有计时准确，功耗低的优点。从而得到了各界领域的广泛应用。单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速，强运算能力，寻址范围大以及小型廉价方面发展。单片机的发展推动了应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而促进单片机的发展。单片机正向着功能更强，速度更快，功耗更低，辐射更小的方向发展。随着集成度的不断提高，把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条件。这也是单片机以后发展的重要趋势。除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的器件通常还有电源监控与复位电路、WDT、A/D转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。从单片机近年的发展趋势来看，单片机正朝着多层次用户、多品种、多规格、高性能方向发展，现在许多公司根据市场的要求不失时机的研制并推出各种优秀的单片机。在实时控制系统、军工产品和一些高级家用电器等领域，需要高性能单片机，以满足其功能、速度、可靠性方面的特殊要求。这些单片机的高性能主要体现在CPU功能加强，内部资源增加，寻址范围增大。而简单的家用电器、智能玩具、仪表仪器、智能IC卡等对单片机功能要求不高。那些小型、低耗能、廉价的单片机就具有明显的优势和市场需求，它们也将是未来市场的重要角色，有着广阔的应用前景。1.1.2 LED技术的应用道路交通信号灯（以下简称信号灯）的光源几经变迁，从最初易发生爆炸的煤气灯发展到稳定、安全的白炽灯、卤钨灯，如今发光二极管（LED）得到了广泛应用。白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定、均匀，但是存在能耗高、寿命低、易产生幻像信号显示、色片易褪色等缺陷。而高亮度、低能耗LED在信号灯上的应用，给信号灯产品带来革命性的变化。LED之所以能够在信号灯中得到广泛应用，是因为LED具有如下优点：1、单色光，具有发散角。LED发出的光是单色光，因而不需要用色片来产生红、黄、绿的信号颜色；LED发出的光具有方向性，并有一定的发散角，由此可以屏弃传统信号灯中使用的非球面反光镜。LED的这个特点解决了传统信号灯存在的幻像（俗称假显示）和色片褪色问题，提高了光效。2、冷光源，能耗低。LED是一种冷光源，其显著的特点之一就是能耗低，这对灯具的应用而言是很有意义的。LED光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在12W25W之间，白炽灯泡光源的信号灯单个发光单元的功率一般在80W100W之间，低压卤钨灯泡光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在40W60W之间。由此可见LED光源在节能方面的优势是非常明显的。3、可靠性好，寿命长。信号灯的工作环境相对比较恶劣，严寒酷暑、日晒雨淋，因而对灯具的可靠性要求较高。一般信号灯用白炽灯泡的平均寿命是1000h，低压卤钨灯泡的平均寿命是2 000h，由此而产生的维护费用很高。目前，我国LED信号灯使用时间最长的已超过5年，LED未有损坏。单管LED的理论寿命为100000h，由此推断LED信号灯的实际使用寿命大于50000h。4、存在的一些问题。国家标准GB148872003道路交通信号灯实施以来，在产品的应用和测试中发现，LED信号灯存在如下问题： （1）大多数LED生产企业缺乏降低或消除幻像信号的技术手段。（2）许多小企业没有光学设计能力，LED信号灯的光强发布不均匀。（3）LED驱动电路设计粗糙，功率因数偏低。（4）常年使用后，LED输出光强急剧下降。（5）部分企业使用低档的LED，使得信号灯的品质下降。（6）长时间使用后，信号灯的塑料壳体和塑料透光面老化，使得信号模糊、外壳防护等级下降。这几年LED的技术发展非常快，为LED信号灯技术的提高提供了很好的基础。以目前的状况看，LED信号灯的发展有以下几方面的趋势：1、大功率LED的应用，优点是大幅减少LED的数量，需要解决的问题是散热和成本。2、LED信号灯的光强指标、电学指标和电磁兼容要求将逐步提高，LED信号灯的光学设计、电路设计将进一步优化，并成为信号灯设计的主流。3、随着节能、环保要求的提高，LED与太阳能结合的信号灯将普及，但需解决与交通信号控制机的配合问题。1.2 课题研究的目的及意义随着科学技术发展的日新月异、不断发展，自动化、智能化、功能多样化越来越成为电气控制的主流。尤其是计算机技术的迅猛发展，单片机系统逐渐应用在更加广泛的领域，交通信号灯控制系统就是在单片机的基础上开发出来的。我国经济的快速发展，车辆的增多，交通拥挤问题日益严重。在不断拓宽交通道路以及修建新的交通要道的同时，交通信号灯的用途变得更加明显。我们也应当适当地改善信号灯的功能，使其日益完善，满足现在交通的要求。信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。交通信号灯的种类有：机动车道信号灯、人行横道信号灯、非机动车道信号灯、方向指示信号灯、移动式交通信号灯、太阳能闪光警告信号灯、收费站天棚信号灯。城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型：定周期的信号机、多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。道路交通信号灯（以下简称信号灯）的光源几经变迁，从最初易发生爆炸的煤气灯发展到稳定、安全的白炽灯、卤钨灯，如今发光二极管（LED）得到了广泛应用。白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定、均匀，但是存在能耗高、寿命低、易产生幻像信号显示、色片易褪色等缺陷。而高亮度、低能耗LED在信号灯上的应用，给信号灯产品带来革命性的变化。 随着道路交通信号灯在我国应用了几十年，作为重要的道路交通安全产品，道路交通信号灯为保障道路交通安全畅通、有序发挥了重要作用。近年来，新材料、新技术在道路交通领域不断得到应用， 发光二极管（LED）在道路交通领域的广泛应用更是有目共睹。LED主要应用在道路交通信号灯、交通诱导信息显示屏、可变交通标志、倒计时显示器和各种警告、警示灯具等交通安全产品上。1999年我国部分城市开始试用LED光源的道路交通信号灯，目前，国内许多大、中城市已大规模应用LED光源的道路交通信号灯。在当今先进的世界，交通以及旅客和物质的运输是非常重要的。在过去的十年里，随着车辆和远距离往返上下班人数的增加，以及道路连通性的限制，在交通智能管理这一领域已经强制性低地实施新技术了。尽管人们采取了很多办法来处理交通拥堵问题，它仍然成为许多大城市的最基本问题之一。由于车辆的不断增多，以及城市地区运输需求的不断扩大，交通对于所有的城市来说都是一个大麻烦。重交通有许多棘手的副作用，例如旅途时间的增加，运送货物的延迟。这导致他们成本的增加，还带来了大量的燃料消耗和空气污染。创造更多的道路和通道的目的并不仅仅是为了较少车流量，因此，大多数国家目前都把精力放在现有道路的优化使用上面。交通信号灯，自从它被发明的那天起，就成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是现在这个讲究效率的年代，交通信号灯更是在人类交通、生活、生产、工作等多个领域得到广泛的应用。然而随着时间的推移，人们不仅对交通信号灯精度的要求越来越高，而且对交通信号灯功能的要求也越来越多，交通信号灯已不仅仅是一种用来指挥交通的工具，在很多实际应用中它还要能够实现更多其它的功能。怎样让交通信号灯更好的为我们服务？怎样让交通信号灯更符合实际应用的需求？这就要求人们不断设计出新型交通信号灯，不断设计出适合实际应用的多功能交通信号灯。本毕业设计方案正是根据以上所述并结合日常生活中对交通信号灯功能需求的分析，运用单片机技术，结合LED显示和数码管倒计时的相关原理，实现对交通信号灯控制系统的模拟。其研究的意义在于：1、为设计小型的单片机十字路口交通信号灯提供了有用的参考，为进一步的研究提供了有效的途径。2、拓展了单片机的应用范围，为单片机的应用提供了新的思路。3、对于研究单片机十字路口交通信号灯及扩大其应用，有着非常现实的意义。4、通过本次毕业设计，能更进一步熟悉单片机编程和控制电路的设计原理，对提高大学生的科研能力、实践动手能力及丰富大学生课外生活具有重要意义。1.3 国内外现状随着现代社会活动的日益丰富，交通信号灯系统的控制愈发地成为人们热切关注的话题。近年来，许多西方欧洲国家都在城乡中建设了合理优越的红绿灯控制系统。大部分的十字路口都装有车辆检测器，并通过控制设备将交通控制参数传输到微处理器，实现对交通系统的控制。交通灯在人类道路交通发展过程中扮演着非常重要的角色，而我国是一个人口超级大国，汽车工业的发展正在快速增长的阶段，因此限制车辆的增加不是解决问题的好方法。而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的方法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的源和财力以及环境的压力，也将受到限制。这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。交通问题已经日益成为世界性的难题，城市交通事故、交通阻塞和交通污染问题愈加突出。为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。但是这两个办法都有其局限性。智能交通灯系统正是解决这一矛盾的途径之一。智能交通灯系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通灯管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。对城市交通流进行智能控制，可以使道路畅通，提高交通效率。合理进行交通灯控制可以对交通流进行有效的引导和调度，使交通保持在一个平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥挤状况，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，节省能源消耗，本文就是通过对交叉路口交通灯的智能控制，达到优化路口交通流的目的。由于交通领域是一个典型的交叉学科。所以其他各相关领域的研究成果都可能会给交通研究带来突飞猛进的发展。举例来说，交通预测领域中各国科学家尝试运用最新的科研手段与交通领域，比如遗传算法、支持向量机模型等等最新的数学、统计学、计算机科学成果。在交通控制领域中，感应控制、模糊控制、以自适应控制方法是最新的研究方向。在交通控制系统这个范畴内，国外发达国家几乎都有自己的关于交通控制系统的研究，其中不乏很多享誉世界的产品。比如TRANSYT系统，SCOOT系统，SCATS系统等等。这些比较老资格的控制系统通通依赖于传统的交通流参数:周期、步长、绿信比。但是，在最新被研制出来的交通控制产品中，己经转而使用相位的长度和相序来代替传统的交通流参数。比如在前文介绍过的 SPoTPUTOPIA系统、PRODYN系统、OPAC系统、RHODES系统等等。而且，在物检测介质方面，如前文所说，加州大学伯克利分校率先把无线传感器网络用于交通车辆检测使得交通预测的精确度得到了前所未有的提高。交通控制和交通诱导是分不开的两个主题。在城市交通规划不可能无限制的增加道路宽度和其它辅助设施的前提下，如何在空间意义上调度交通成为了一个具有重要现实意义的研究课题。如何把交通协同和交通控制有效的结合。也成为了交通领域内一个重要的研究方向。较之海外国家，我国现阶段智能交通信号灯系统的发展水平可谓是对其望尘莫及。国内交通问题主要包括：1.秩序混乱，缺乏先进化、人性化的科学管理使行人出行难。2.燃料消耗增加，汽车尾气排放所导致的空气污染严重，很多城市中都出现了持续的雾霾天气，也就是众所周知的PM2.5。3.缺乏对城市动态交通的全面理解，地铁和公交车等公交系统的设计存在缺陷。4.机动车辆增加过快，道路负荷能力不够。近十余年来，我国经济的飞速发展和城镇化水平的提高导致各类机动车年均增幅率达到了百分之十五以上，这是人均面积的增长率无论如何也追赶不上的。5.对酒驾和疲劳驾驶的监管力度不够，导致交通事故的频频发生，这极大威胁了行人的出行安全。这些问题导致实际的道路通行能力达不到理论设计的要求，也往往是道路拥挤和交通事故频频发生的重要原因。但是，这些城市交通的实际问题是社会经济发展的必然产物，是不可避免的，我国正在采取积极有效的措施，来建设合理高效的社会主义现代化城市交通。1.4 本文研究的主要内容本文第一章首先对课题相关的背景目的及意义进行了介绍，然后介绍了交通信号灯发展的国内外的现状。第二章阐述了总体的设计思想，对总体设计进行分块，以便于下一章逐一地研究每一个小模块的内容。第三章为硬件设计部分，首先，对本设计的主控芯片STC89C52和原理图绘制软件Altium Designer进行了详细介绍，然后，对每个模块的原理进行了详细的论述，最后，绘制了总体的硬件电路图。第四章为软件设计部分，该部分首先介绍了编程部分所使用的Keil软件，接着绘制了软件流程图，最后，按照本设计的要求用C语言进行了程序的编写。第五章为仿真部分，在硬件部分和软件部分都已经完成后，制作实物之前需要进行仿真，本章首先对Proteus软件进行一下介绍，然后运用它进行了仿真，达到了预期的结果。第六章为实物的制作，在仿真完成以后，开始了实物的制作，本章记录了实物制作过程中的一些问题，以及实物完成后的图片展示。第七章为总体与展望，对整篇论文进行总结，然后对未来的发展前景进行展望。第七章之后的主要内容为致谢词，参考文献和附录说明。1.5 本章小结本章对课题相关的背景目的及意义进行了介绍，然后介绍了交通信号灯发展的国内外的现状。第二章 总体设计方案2.1 设计思路本文以STC89C52芯片为中心器件来控制十字路口的交通灯,设计思想与网上现有的论文有很大区别，其他论文只是通过交通灯之间的并联简单的控制南北方向的红绿灯和东西方向的红绿灯同时点亮（南北方向绿灯亮的同时东西方向红灯亮；南北方向红灯亮的同时东西方向绿灯亮），这导致车辆只能走直线不能转弯，而且，红绿灯时间的设定也存在一些问题，要么就是东西、南北两方向各50秒；要么就是东西方向60秒，南北方向40秒，时间控制都是固定的，没有根据实际情况下车道车辆的多少来具体的设定红绿灯时间（某车道车辆多，那么绿灯时间就设置的长一点；某车道的车辆少，那么绿灯时间就设置的短一些）。除此之外，他们的设计中还没有加入人行横道红绿灯，对行人交通的控制也不足。在设计我的交通信号灯控制系统之前，我曾在我们小区附近的十字路口交通灯下观察了许久许久，觉得该设计方案确实是非常合理且优越的，最终决定制作一个和它基本相似的交通信号灯控制系统来。本文的主要设计思想如下：1. 实现红、黄、绿灯的循环点亮。使用红、黄、绿三种不同颜色的LED灯实现此功能，四组红绿灯一次只能有一组点亮绿灯，其他三组都是红灯，这表示绿灯亮的那条道路上可以向前通行或者左转，其他三条道路都禁止通行，而每条道路在右转弯方向上都设置有绿灯，这表示四条道路在任何情况下都可以右转。 2. 用4个两位数码管显示倒计时，以便于行人和车辆知道他们需要等待的时间。由于数码管有多位，故采用动态扫描显示，显示的时间初步设定为15s,15s,33s,51s(某组交通灯亮绿灯时间为15s，那么它的下一组交通灯的红灯等待时间也为15s，另外两组交通灯的红灯等待时间分别为33s和51s，当最后一组交通灯亮完绿灯以后，又轮到第一组亮绿灯，依此循环)。 3. 当某条道路绿灯亮时，那么它右侧的人行横道绿灯也同时点亮，除此之外的其他时刻人行横道都是红灯，这表示只有当其他车道的车辆完全停下来的时候，该斑马线才允许行人通行，这种设计较好地避免了交通事故的发生，保证了行人的安全，而且人行横道的两端都要设置一组红绿灯，以便于斑马线两边的行人都可以看到。十字路口的交通示意图如图2.1所示：图2.1 十字路口交通示意图2.2 总体设计框图本设计以8051系列芯片中的STC89C52为系统的主控芯片，加上必要的电源电路、时钟电路和复位电路构成STC89C52最小系统，来控制四组交通信号灯的红绿灯循环点亮并用四个两位数码管分别显示每组交通灯的亮灯时间（采用倒计时显示）。与此同时，还控制四个斑马线两端的人行横道红绿灯分别与它们对应的车道交通灯显示符合逻辑的色灯。至于四个右转常亮绿灯，控制起来则相当简单，可以将它们并联起来，然后公共的阳极接Vcc，公共的阴极用单片机给持续的低电平即可。根据以上分析，交通灯控制系统总共需要5个模块，即：STC89C52最小系统模块，车道红绿灯模块，数码管倒计时模块，人行横道红绿灯模块，右转常亮绿灯模块。系统的总体框图如图2.2所示：图2.2 系统总体框图2.3 本章小结本章主要阐述了总体的设计思想，对总体设计进行分块，以便于下一章逐一地研究每一个小模块的内容。第三章 系统硬件设计在上一章的总体设计思想之下，我对每个模块的相应基础知识进行了回顾，并根据设计要求选择了合适的电子元件，然后运用Altium Designer软件和Proteus软件分别画出了每个模块的原理图，硬件电路总图见附录A。3.1 STC89C52芯片介绍STC89C52是宏晶科技公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 其主要特点如下：1. 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.2. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）3.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可达48MHz4. 用户应用程序空间为8K字节5. 片上集成512 字节RAM6. 通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片8. 具有EEPROM 功能9. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T210.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART12. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）3.2 Altium Designer的介绍Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。目前最高版本为：Altium Designer 15.0.7 Build 36915电路设计自动化 EDA（Electronic Design Automation）指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。如电路原理图（Schematic）的绘制、印刷电路板（PCB）文件的制作、执行电路仿真（Simulation）等设计工作。随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的CAD设计软件来进行辅助电路原理图、印制电路板图的设计，打印各种报表。Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。 由于Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer 对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。 3.3 STC89C52最小系统的设计通常，将能够完成单片机最基本功能，没有外围器件及外设接口拓展的系统称为单片机最小系统。它除了STC89C52芯片以外，还需要电源电路，时钟电路和复位电路。STC89C52最小系统的原理图如图3.1所示,由于Proteus的元件库里面没有STC89C52，故用AT89C52代替。图3.1 STC89C52最小系统原理图3.4 系统电源电路设计直流稳压电源是电子设备的能源供给中心，是单片机设计中一个不可缺少的重要成分。本设计的电源电路主要由以下器件组成：220V转15V的变压器，整流桥，滤波电容，三端稳压器LM7805。首先，变压器把220V的交流电转换为15V的交流电，实现了降压；然后，单相桥式整流电路将工频交流电转化为具有直流电成分的脉动直流电，通俗地来讲，就是15V的交流电通过全波整流桥得到有效值为15V的馒头波；接着，滤波电路将脉动直流电中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分，从图形上来看，就好像波形被拉伸了一样；最后，稳压电路对整流滤波后的直流电压采取负反馈技术进一步稳定直流电压，这样，就可以在LM7805的输出端得到稳定的+5V直流电。电源电路的原理图如图3.2所示：图3.2 电源电路原理图 3.5 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本设计采用的方式为内部时钟方式。MCS-51的内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该放大器输入端为芯片引脚XTAL1，输入端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中的电容C1和C2选择了典型的30PF瓷片电容。至于晶振，其振荡频率的范围通常是1.2MHZ12MHZ，且振荡频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也就越快。因此，本设计采用了12MHZ的晶振来使单片机达到最高的运行速度。 时钟电路的原理图如图3.3所示：图3.3 时钟电路原理图3.6 复位电路设计复位电路的功能是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并且从这一状态开始，除了进入系统时的正常初始化以外，当任何由于程序出错或者操作错误所导致的系统锁死状态发生时，都可以利用复位电路重启来摆脱困境。复位电路通常采用上电自动复位和按键手动复位这两种方式。而按键手动复位又分为电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是单片机的RST端经电容与Vcc相连，经电阻与GND相连，并且在电容的两端并联上一个复位开关。而脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现，此处不再作详细解释。本设计采用的复位方式是按键电平复位，每当复位按键按下，电路则立即进入初始化。这样，电路就可以在我们想要它复位的任意时刻进行复位。复位电路的原理图如图3.4所示:图3.4 复位电路原理图 3.7 LED循环显示设计单片机的各个引脚可以用程序来控制它们输出高、低电平，这些可以算是单片机的输出电压。但是，程序控制不了单片机的输出电流。单片机的输出电流，很大程度上是取决于引脚上的外接器件。单片机输出低电平时，将允许外部器件，向单片机引脚内灌入电流，这个电流，称为“灌电流”，外部电路称为“灌电流负载”；单片机输出高电平时，则允许外部器件，从单片机的引脚，拉出电流，这个电流，称为“拉电流”，外部电路称为“拉电流负载”。早期的 51 系列单片机的带负载能力，是很小的，仅仅用“能带动多少个 TTL 输入端”来说明。P1、P2 和 P3口，每个引脚可以都带动 3 个 TTL 输入端，只有 P0 口的能力强，它可以带动 8 个。分析一下 TTL 的输入特性，就可以发现，51 单片机基本上就没有什么驱动能力。它的引脚，甚至不能带动当时的 LED 进行正常发光。在 AT89C51 单片机流行起来之后，单片机引脚的能力大为增强，可以直接带动 LED 发光了。虽然引脚已经可以直接驱动 LED 发光，但是从 AT89C51 单片机的 PDF 手册文件中可以看到，稳态输出时，“灌电流”的上限为：Maximum IOL per port pin: 10 mA; Maximum IOL per 8-bit port:Port 0: 26 mA,Ports 1, 2, 3: 15 mA; Maximum total I for all output pins: 71 mA.这里是说： 每个单个的引脚，输出低电平的时候，允许外部电路，向引脚灌入的最大电流为 10 mA； 每个 8 位的接口（P1、P2 以及 P3），允许向引脚灌入的总电流最大为 15 mA，而 P0 的能力强一些，允许向引脚灌入的最大总电流为 26 mA； 全部的四个接口所允许的灌电流之和，最大为 71 mA。而当这些引脚“输出高电平”的时候，单片机的“拉电流”能力可以说是太差了，竟然不到 1 mA。结论就是：单片机输出低电平的时候，驱动能力尚可，而输出高电平的时候，就几乎没有输出电流的能力。有些人对上拉电阻情有独钟，不管电路是否需要上拉电阻，他们都想在所有的管脚上全部安装上拉电阻，甚至有些单片机的开发板上确实是所有的IO口都装上了排阻。他们给出的理由是：系统的稳定性高，运行速度快等等。 其实，“上拉电阻”和“拉电流负载”电路，是会对单片机系统造成不良后果的。很多关于单片机引脚以及上拉电阻方面的书籍、参考资料，基本上它们对于使用上拉电阻的弊病都没有进行仔细的讨论。综上所述，灌电流负载，是合理的；而“拉电流负载”和“上拉电阻”会产生很大的无效电流，这种电路不合理。因此，在设计单片机的负载电路时，应该采用“灌电流负载”的电路形式，以避免无谓的电流消耗。本设计的四组车道红绿灯(共12盏)由P1口的P1.0P1.7和P3口的P3.0P3.3控制，由于单片机正常通电时所有管脚都为高电平，而proteus仿真软件的元件库里找到的红绿灯为红，黄，绿三色共阴极二极管，高电平驱动，与本文设计的低电平驱动方式相反，所以需要给每个控制管脚都加上反相器。单片机正常上单后输出的高电平通过非门以后得到的低电平是不能点亮红绿灯的，而控制某些管脚输出低电平通过非门得到的高电平则可以使某些LED发光。在实际焊接电路的过程中，加十二个非门过于麻烦，仅仅需要将每组共阴极的LED改成共阳极，然后将IO口直接接到驱动端即可。至于四个右转方向上的常亮绿灯，则将它们的阳极接Vcc，阴极接在P3口的P3.7上并控制它输出低电平，一直亮绿灯。向北方向上的红绿灯所对应的人行横道红绿灯由P1.0P1.2控制，其中，当车道的红灯或者黄灯亮时，人行横道的红灯亮，禁止行人通行；当车道绿灯亮时（其他车道的车辆完全停下来时），人行横道绿灯亮，行人可以通行。但是，在制作实物的时候，却并没有加上或门，因为当车道的黄灯亮时，人行横道应该亮稳定的红灯，而它却跟着黄灯闪烁，这达不到设计的要求，与其这样，还不如去掉或门，将人行横道红灯的驱动端直接与车道红灯的驱动端相连，以较少焊接的复杂程度。两个红灯并联和两个绿灯并联是为了让斑马线两边的行人都可以看到。另外三个方向上的交通灯所对应的人行横道红绿灯同理，此处不再一一赘述。LED循环显示的原理图如图3.5所示：图3.5 LED循环显示原理图 3.8 数码管倒计时设计LED数码管实际上是由七段发光二级管组成8字形构成的，再加上小数点就是8段。这些段分别用字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管某些段加上电压后，这些特定的段就会发出亮光，形成了我们眼睛所看到的数字。LED数码管中的发光二极管共有两种连法，如图3.6所示：共阴极接法共阳极接法图3.6 本设计采用的是两位共阳极数码管，如图3.7所示：图3.7A,B,C,D,E,F,G,DP分别为它们的公共段码端，低电平有效；1,2为它们的片选端，高电平有效。实际的两位共阳极数码管的引脚排布可以轻易的在网上查找到，将数码管正对着自己，dp放在右下角，上边的管脚从左往右依次是：a,b,1位片选,2位片选,f；下边的管脚从左往右依次是：c,dp,e,d,g。 要想控制数码管显示我们想要它显示的任意字型，我们必须知道它的所有十六进制代码，其编码表如表3.1所示： 字型 h g f e d c b a 编码 0 1 1 0 0 0 0 0 0 C0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 2 1 0 1 0 0 1 0 0 A4 3 1 0 1 1 0 0 0 0 B0 4 1 0 0 1 1 0 0 1 99 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82 7 1 0 0 1 1 0 0 0 98 8 1 0 0 0 0 0 0 0 80 9 1 0 0 1 0 0 0 0 90表3.1 十六进制数字型编码表由于交通灯倒计时显示的数码管上只显示09的数字，不显示AF,故只需要0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90这些编码就足够了。LED数码管显示采用P0口控制，P0口内部没有上拉电阻，所以一般情况下，在使用P0口时需要外接上拉电阻,但是在实际焊接的硬件电路中，我使用的数码管为共阳极数码管，所采用的驱动方式是低电平驱动,故无需加上拉电阻。数码管的片选采用P2口控制。P2口作为八个数码管的片选信号，由于数码管片选端是高电平有效，所以需要加上反相器。八个数码管同时显示各自的倒计时需要采用动态扫描。单片机将所有数码管的8个段线相应地并接在一起，并接到 STC89C52的P0口，由P0口控制字段输出。而各位数码管的共阳极由STC89C52的P2口控制,来实现8位数码管的位输出控制。这样，对于一组数码管动态扫描显示需要由两组信号来控制：一组是字段输出口输出的字形代码，用来控制显示的字形，称为段码；另一组是位输出口输出的控制信号，用来选择第几位数码管工作，称为位码。 由于各位数码管的段线并联，段码的输出对各位数码管来说都是相同的。因此，在同一时刻如果各位数码管的位选线都处于选通状态的话，8位数码管将显示相同的字符。若要各位数码管能够显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式。即在某一时刻，只让某一位的位选线处于导通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态。同时，段线上输出相应位要显示字符的字型码。这样在同一时刻，只有选通的那一位显示出字符，而其它各位则是熄灭的，如此循环下去，就可以使各位数码管显示出将要显示的字符。 虽然这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其它各位熄灭，但由于数码管具有余辉特性和人眼有视觉暂留现象，只要每位数码管显示间隔足够短，给人眼的视觉印象就会是连续稳定地显示。3.9 本章小结本章为硬件设计部分，首先，对本设计的主控芯片STC89C52和原理图绘制软件Altium Designer进行了详细介绍，然后，对每个模块的原理进行了详细的论述，最后，绘制了总体的硬件电路图。 第四章 系统软件设计本设计软件部分的编程采用的是Keil C51 Vision4软件，它操作简单，功能强大，利用它写好程序编译后生成hex文件，然后下载到单片机中就可以使单片机实现我们想要的功能。4.1 Keil C51 Vision4的介绍Keil C51 Vision4是美国KeilSoftware公司出品的51系兼容单芯片C语言整合发展环境(IntegratedDevelopmentEnvironment,IDE)，与汇编语言相比，C语言在功能上、架构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而学用。用过汇编语言后再使用C语言来开发，会加体会深刻。目前最新的版本是C51Version9.00Release，也就是所谓的 Vision4。KeilC51软件提供丰富的函数库和功能强大的除错工具，及全窗口界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编语言代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效非常之高，多数语生成的汇编语言代码很紧凑，容解。在开发大型软件时能体现高级语言的与优势。KeilC51Vision4较之前的版本，新增下面几个功能：1.多重的监控和弹性的窗口管系统。2.系统查看器(SystemViewer)-显示设备周边缓存器的信息。3.除错恢复检视(DebugRestoreViews)-建和储存多重除错窗口设计。4.多项目工作区(Multi-ProjectWorkspace)-与许多项目简化工作。5.源码和解组译连结(SourceandDisassemblyLinking)-解组译窗口和源码窗口完全同步使程序除错和光标导航较容。6.内存窗口固定(MemoryWindowFreeze)-储存目前内存窗口检视允许容在同的点及时比较。7.设备模拟-新支持很多新设备(例如Infineon XC88x，SiLABSC8051，Luminary,NXP,andToshiba CortexM3MCUs)。8.支持硬件除错转接器(SupportforHardwaredebugadapters)-包括ADI。miDAS-Link，AtmelSAM-ICE，Infineon DAS和ST-Link。9.新资料和指令追踪(NewDataandinstructiontrace)-对ARM和CortexMCUs。10.基于XML的项目文件(XMLbasedProjectfiles)-建，检视和修改项目如同容易可读的XML本文档案一样。的窗口-扩充到提供一个基本的100-VT终端机，ASCII模式，混合模式，和十六进制模式检视。11.拖放档案开启(Drag&DropFileOpening)-档案拖进Vision4项目空间自动会被开启。监控点和逻辑分析仪(WatchpointsandLogicAnalyzer)-现在容设定变数。本设计所使用的Keil C51 Vision4的实际操作图如图4.1所示：图4.1 Keil的实际操作图4.2 软件流程图4.3 程序设计本设计软件编程部分采用的语言是C语言，它是一门通用的计算机编程语言，应用广泛，具有方便灵活，移植性强，数据类型丰富等优点。具体程序清单见附录B。编译后提示如下：Rebuild target Target 1compiling 改进2.c.linking.Program Size: data=11.0 xdata=0 code=3763creating hex file from 改进2.改进2 - 0 Error(s), 0 Warning(s).编译后的结果没有错误和警告，且成功地生成了hex文件，可下载到单片机里进行仿真。4.4 本章小结本章为软件设计部分，该部分首先介绍了编程部分所使用的Keil软件，接着绘制了软件流程图，最后，按照本设计的要求用C语言进行了程序的编写。第五章 仿真结果及分析5.1 Proteus的介绍Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、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是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机