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基于51单片机的简易交通灯的proteus仿真 李强 基于 51 单片机 简易 交通灯 proteus 仿真

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华北电力大学科技学院毕业设计(论文)任务书所在系别 电力 专业班号 电气07k7 学生姓名 李强 指导教师签名 审批人签字 毕业设计(论文)题目 基于51单片机的简易交通灯的proteus仿真 2010年 3 月 1 日一、毕业设计(论文)主要内容1、了解单片机的基础知识；2、掌握proteus的基本原理和使用方法；3、掌握数码管和LED的显示的方法；4、掌握单片机定时器的基本原理；5、掌握绘图软件Proell99se的使用方法；6、绘制程序流程图和编写出程序；7、画出电路原理图并仿真运行二、基本要求1、进行充分的文献阅读，了解变单片机的基础知识、硬件、外围器件；2、通过本设计，能够综合运用微机原理和接口技术、数字电路等专业课程的相关知识；3、通过对单片机电路的设计，加深对单片机设计方法和原则的理解和认识；4、有一定的专业外文文献阅读能力。三、设计(论文)进度序号设计项目名称完成时间备注1阅读文献，了解变单片机的设计的流程和相关技术问题，完成开题报告2011.3.62深入学习单片机C语言编程的基本知识2011.4.103学习Proteus软件的安装、使用和仿真，并仿真出结果2011.5.10含毕业实习4学习protell绘图软件，画出电路图2011.5.255撰写毕业论文2011.6.15设计(论文)预计完成时间： 2011年 6月 15 日四、参考资料及文献1 郭慧，吴迅单片机C语言程序设计完全自学手册M北京：电子工业出版社，20082 汪贵平，李登峰，龚贤武，雷旭新编单片机原理及应用M.北京：机械工业出版社，20093 何宏，龚威，田志宏单片机原理与接口技术M北京：国防工业出版社，2006 4 郭天祥新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略M北京：电子工业出版社，20085 蒋辉平，周国雄。基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例。北京：机械工业出版社6 彭伟。单片机C语言程序设计实训100例基于8051+proteus仿真。北京：电子工业出版社毕 业 设 计(论文) 题 目 基于51单片机简易交通灯的Proteus仿真系 别电力工程系专业班级电气07K7学生姓名李强指导教师张凯 二一一年六月华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）I基于51单片机的简易交通灯的proteus仿真摘要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时也带动着传统控制的日新月异更新。在自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多,本设计的目的在于设计出一个具有实用价值的、性价比较高的智能交通灯的控制系统。此设计采用MSC-51系列单片机AT89S52为中心器件来设计交通灯控制器，通过单片机芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；显示时间直接通过单片机的P0、P2口输出，采用Proteus软件对交通灯控制系统进行仿真，仿真结果表明，系统性能较好，稳定性高，可实现十字路口城乡交通自动控制。关键词：单片机；交通灯；智能交通灯控制系统；PROTEUS仿真THE SIMULATION OF THE TRAFFIC LIGHT BY THE PROTEUS BASED ON 51 MCUAbstractIn recent years along with science and technology develop fast, the application of single flat machine is moving towards thorough continuously, at the same time drive traditional control detection day the benefit of new moon update. In the only flat machine application system of the automatic control and detection of real time, only flat machine is often to use as a key parts, only single flat machine aspect knowledge is insufficient , return should basis specificly hardware structure, as well as aim at the software that applies object characteristic specificly combination, perfect. Crossroads vehicle wear comb, pedestrian Xi Rang, turn to be all right lane, person pedestrian says , methodically. Do you lean what to realize this orderly order? What lean is that the automatic command system of traffic signal lamp. Traffic signal lamp control way is many.be purpose of the design is to design which is practical and high performance.Better performance of the system, This design uses the MSC-51 Series MCU AT89S52-centric devices to design traffic signal controller,through the port P1 microcontroller chip set of red, green kindle function of time. Show time directly through the MCU P0, P2 port output, Proteus of traffic control system software simulation, the simulation results show that the system performance is good, high stability, may realize the intersection traffic automatic control .Keywords: Only flat machine；Traffic lights；Intelligent traffic light control system；proteus simulatio II目 录摘要IAbstractII1 前言11.1 本课题的意义11.2 研究现状11.3 本设计的任务11.4系统主要功能22 仿真电路的搭建32.1 protues介绍32.1.1 Proteus软件功能介绍32.1.2 protues可提供的资源42.1.3电路功能仿真42.2 AT89C51单片机简介52.2.1 AT89C51单片机的主要性能参数52.2.2 AT89C51芯片内部结构简介52.2.3 主要引脚功能62.3 控制器的原理框图92.4时间显示电路92.4.1单位八段式数码管介绍102.4.2两位七段式数码管介绍122.4.3 信号灯部分122.5设计基本框架图132.5.1电路的工作原理132.5.2各端口控制作用142.5.3复位和时钟电路142.5.4整体设计思想152.5.5 主程序流程图：162.6系统仿真原理图的搭建163 系统仿真与调试203.1 keil软件简介203.2 keil软件使用与调试203.3 在仿真电路中把HEX文件植入单片机253.4 运行仿真及最后效果图264 Protel原理图的制作和PCB板的设计294.1 PROTEL 99SE 介绍294.2 原理图的设计和网络表的生成304.3 交通灯PCB的设计和制作32结论34参考文献35致谢361 前言1.1 本课题的意义在目前国内的城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮,表示该条道路禁止通行; 黄灯亮,表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行; 绿灯亮,表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。而有时间显示的系统，在它的时间显示屏幕上用倒计时方式表示红绿灯的切换时间，时间显示器的作用是协助红绿灯工作，跟随红、绿灯反复地进行切换。目的是为了使驾驶员和行人能够看见红绿等亮的时间还剩几秒以便停车线以内的驾驶员和行人能够更清楚地知道此时该继续通行还是减速，才不会使驾驶员盲目地加速或减速停车而阻碍另一干道车辆或行人的通行，从而可以提高叉口车辆及行人的流通率，当然也可以减少事故的发生，为交通安全提供保障。1.2 研究现状在今天，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。当前的交通灯控制系统, 采用的基本上是2种控制方式。手按:交警在岗亭值守,通过手势指挥交通运行; 程控: 红灯亮表示车辆、行人禁止通行，绿灯亮表示车辆、行人可以通行，绿灯转换成红灯前几秒，可用黄灯亮来暗示驾驶员或行人即将禁止通行。以60s作为一个时间单位。某一方面(例南北方向) 红黄绿三灯的工作程序分别是: 红灯先亮30s, 然后绿灯亮28s,再绿灯闪亮3s(每秒1次),最后黄灯亮2s。此时,另一方向(东西方向)红黄绿三灯的工作顺序相应为:绿灯亮25s,绿灯闪亮3s(每秒1次),黄灯亮2s, 最后红灯亮30s。此后以60s作为时间单位进行上述的反复循环。夜间无人值守时, 用每秒1次的黄灯闪亮,提醒司机安全驾驶。这样较为合理地解决了十字路口的交通调度问题，但红绿灯的工作顺序及时间都是固定的,缺乏灵活性。从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。但是，随着社会的不断进步，传统的交通灯的缺陷也日益出现，其中设计过于死板，达不到道路的最大通行效率是最明显的问题。随着我国经济的高速发展，人们对各种交通车辆的需求量不断增大，城市的交通拥护问题日益严重，目前，大部分城市的十字路口的交通控制灯，通常红绿灯的延时已事先设计好，然而，这样的方法已不能适应迅速发展的交通现状。1.3 本设计的任务本文为了实现交通道路的管理,力求交通管理先进性、科学化，分析应用了单片机实现智能交通灯管制的控制系统,以及该系统软、硬件设计方法,实验证明该系统实现简单、经济,能够有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力。(1) 采用LED数码管显示红绿交通信号灯亮的剩余时间；(2)能使东西方向和南北方向的红、黄、绿交通灯交替的亮和灭；(3)了解单片机的基础知识；(4)掌握protues的基本原理和使用方法；(5)掌握数码管和LED的显示的方法；(6)掌握单片机定时器的基本原理；(7)掌握绘图软件Proell99se的使用方法；(8)绘制程序流程图和编写出程序；(9)画出电路原理图并仿真运行。1.4系统主要功能智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题。在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮,表示该条道路禁止通行；黄灯亮,表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮,表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。382 仿真电路的搭建2.1 protues介绍protues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。它是目前最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、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。它是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。2.1.1 Proteus软件功能介绍这些功能是：（1）布原理图。（2）PCB自动或人工布线。（3）SPICE电路仿真革命性的特点。（4）互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。（5）仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。(6)还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。(7)配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，protues建立了完备的电子设计开发环境。它具有4大功能模块，分别是：（1）智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。（2）它具有完善的电路仿真功能可进行Prospice混合仿真：基于工业SPICE3F5标准，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。（3）独特的单片机协同仿真功能（VSM）支持主流的CPU类型：如8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、ARM7、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；实时仿真（UART/USART/EUSARTS仿真）、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真； 编译及调试：支持单片机C语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。（4）实用的PCB设计平台，包括原理图到PCB的快速通道：原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计；先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D可视化预览；多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转（如protel）和PCB板的设计和加工。2.1.2 protues可提供的资源（1）protues可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。（2）protues可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。（3）除了现实存在的仪器外，protues还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。（4）protues可提供的调试手段protues提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。2.1.3电路功能仿真在protues绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件*.HEX，可以在protues的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。protues是单片机课堂教学的先进助手。protues不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。2.2 AT89C51单片机简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含有4Kbytes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AT89C51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1。2.2.1 AT89C51单片机的主要性能参数与单片机产品兼容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2。2.2.2 AT89C51芯片内部结构简介（1）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。（2）数据存储器(内部RAM)数据存储器用于存放变化的数据。AT89C51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。（3）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，且其有多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。AT89C51内部配置了4KB闪存。（4）定时/计数器(ROM)定时/计数器用于实现定时和计数功能。AT89C51共有2个16位定时/计数器。（5）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。（6）全双工串行口AT89C51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。（7）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。（8）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。AT89C51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源3。 图 2-1 AT89C51结构框图2.2.3 主要引脚功能（1）VCC：接电源电压。（2）GND：接地。（3）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4。 图2-2 AT89C51引脚图（4）P1口：P1口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。表2-1 具有第二功能的P1口引脚端口引脚第二功能：P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MOSI（用于ISP编程）P1.7MOSI（用于ISP编程）（5）P2口：P2口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时，P2口的内容（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。（6）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，如表2-2所示。表2-2 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。（7）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。（8）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。（9）程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51 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。（10）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。（11）XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。2.3 控制器的原理框图按任务书的要求,可画出该控制器的原理框图,为确保十字路口的交通安全，往往都采用交通灯自动控制系统来控制交通信号。其中红灯（R）亮，表示禁止通行；黄灯（Y）亮表示暂停；绿灯（G）亮表示允许通行。控制器的系统框图如图2-3所示。图2-3 控制器的系统框图2.4时间显示电路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2-4所示。图2-4 数码管连接方法LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封在在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等.，LED数码管根据LED的接法不同可分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。下图是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。2.4.1单位八段式数码管介绍LED数码有共阳极和共阴极两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。在单片机应用系统中，数码管显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小，可以提供单独锁存的I/O接口电路很多。所以用的是静态显示。另外本设计中采用的是共阳极LED数码管，其字形码如表2-3所示。表2-3 共阳极LED数码管的字形码表数据位D7D6D5D4D3D2D1D0笔段位dpgfedcba字形码0110000000C0H1111110010F9H2101001000A4H3101100000B0H41001100199H51001101092H61000001082H7111110000F8H81000000080H91001000090H全灭111111110FFH图2-5 单位八段式数码管图2-6 共阴极二极管图2-7 共阳极二极管判断数码管是共阴还是共阳，首先，找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个）发光，那它就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个）发光，那它就是共阳的了,相应的图形如图2-6，2-7所示。2.4.2两位七段式数码管介绍两位八段式数码管其实就是将两个一位八段式数码接相应的电路组合在一起。并引出两控制端 1和2，同过其电平的高低来控制两个数码管的高低位工作。其中两个数码管的八个端子A，B，C，D，E，F，G，DP为公共所用,其图形如图2-8所示。图2-8 两位八段式数码管2.4.3 信号灯部分本设计利用单片机的p2口来驱动和控制各种信号灯的燃亮和燃亮时间，在实际中，交通灯的信号灯需要用高电压控制，在这里我们只是模拟一下它的控制信号，所以我们就只用单片机的信号引脚直接来控制发光二极管，电路图见图2-9。图2-9信号灯部分电路图十字路口交通灯状态的分析如2-10图所示，将12个交通灯进行编号。图2-10 十字路口交通灯这12个交通灯共有四个状态：状态1：东西红灯（4、10）亮，南北绿灯（3、9）亮。状态2：南北绿灯（3、9）灭，黄灯（2、8）闪烁，东西仍为红灯（4、10）亮。状态3：南北红灯（1、7）亮，东西绿灯（6、12）亮。状态4：东西绿灯（6、12）灭，黄灯（5、11）闪烁，南北仍为红灯（1、7）亮。2.5设计基本框架图图2-11 电路框架图2.5.1电路的工作原理南北路处于禁止通行的状态，东西路处于允许通行的状态。南北路亮红灯时，东西路亮绿灯；南北路亮绿灯时，东西路亮红灯。南北路亮红灯时，东西路亮绿灯；当绿灯时间减完之后，东西路换为黄灯，南北路仍为红灯。这样东西路与南北路的时间同时减完。减完之后，东西路换为红灯，南北路换为绿灯，再经过一个绿灯时间，南北路换为黄灯，东西路仍为红灯。这时东西路与南北路时间相同，同时减完。减完后，南北路为红灯，东西路为绿灯。如此循环下去。利用89c51单片机控制交通灯系统工作。其中P0口接数据输出口，与外部数码管连接，P2口与数码管的COM口连接，用于选择数据输出的地址，这样就可以实现时间的动态显示，并且节省了端口数。P1口作为红黄绿灯的控制口，通过上拉电阻将红黄绿灯的正极接高电平，负极接在P1口上，我们可以利用控制单片机的P1口的输出数据控制红黄绿灯的亮灭。调时可以利用外部中断INT0申请中断。当INT0为低电平时，单片机的PC指向INT0的中断入口地址，从而转向中断服务程序。此时我们可以通过判断外部开关量的状态来对红黄绿灯的显示时间进行修改。同时当INT0为低电平时，东西南北方向的都送红灯亮，实现紧急情况下禁止通行。然后通过判断INT0的状态来决定中断是否返回，当INT0为低电平时，说明开关又一次按下，这是退出中断服务程序，继续执行主程序。2.5.2各端口控制作用P1口作为红黄绿灯信号的控制口，即P1.0，P1.2，P1.1分别控制南北方向的红黄绿灯信号，P1.4,P1.6，P1.5分别控制东西方向的红黄绿灯信号。P0口作为驱动电路的输入，P2.0，P2.1，P2.2，P2.3作为数码管控选端1,2的输入。P3口中的P3.2，P3.3即外部中断0和外部中断1作为紧急情况和调时开关的信号控制。P3.5，P3.6,P3.7是紧急情况下的信号控制口。红灯亮35秒，黄灯亮5秒，绿灯亮30秒。初始状态为东西红灯，南北绿灯。35S后转状态1东西红灯，南北黄灯。35S后转状态2东西绿灯通车，南北红灯。经过30S绿灯和5S黄灯后转状态3东西绿灯灭，亮黄灯，南北仍然红灯。整个程序在晶振工作、单片机正常运行的情况下做循环。当系统上电时，实验电路开始工作。七段数码管开始从红灯和绿灯时间倒计时，计时起始信号由主控电路给出，定时结束信号也输入到主控芯片，由主控芯片启、闭三色信号灯或启动另一计时电路。在这里正确的程序是核心，应该完成一个时序电路的工作。其状态见表2-4。表2-4 各情况状态表东西方向南北方向红35秒绿30秒黄5秒绿30秒红35秒黄5秒红绿红黄绿红黄红2.5.3复位和时钟电路复位电路：复位电路如图2-12所示。我们采用上电+按钮复位的方式。当开关打开时，RST通过电阻接地，当有开关闭合时由于电容的作用使电源VCC通过电阻施加在单片机复位端RST上，实现单片机复位。电容为47uF,电阻为4.7kR。时钟电路：时钟电路如图2-13所示。我们采用外接时钟源，由两个电容串联之后并联一晶振组成，接入单片机的XTAL1和XTAL2端。晶振振荡频率为12MHZ，两电容约为20pF,注意电容接地处。图2-12 复位电路图2-13 时钟电路2.5.4整体设计思想由表2-4，可以看出一个大周期的时间为两个红灯的时间，在程序中设一个计数器，当从0计至两个红灯时间时，为一个周期，对其清零，从新下一个周期。从图上也可以看出，在一个周期内，有四个特殊时间点，这四个特殊时间点是需要换向的，当计数器里的数和四个特殊点相同时，说明至少有一路信号被减到0，需要重新对数据区送数，而且还要把红绿灯的状态换一下。正常工作时（既没有键按下时），整个主程序只有显示子程序。其它全放在中断中做。用T0作为秒信号发生器，当一秒时，计数器加一，然后比较计数器是否和四个特殊点的时间值相同，不相同各数据区的数减一，相同进行相应处理。2.5.5 主程序流程图：图2-14 主程序流程图2.6系统仿真原理图的搭建具体步骤如下（1）新建工程文件夹和仿真设计原理图5。图2-15 新建工程文件夹图2-16 新建仿真原理图（2）查找所需的仿真元件图2-17 在库里查找所需元器件（3）按照原理图连接导线图2-18 安放元器件后的原理图图2-19连线后的原理图（4）原理图的检测与调试a）硬件调试：硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。第二步：用万用表测试。先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值。第四步：是联机检查。因为只有用单片机开发系统才能完成对用户系统的调试。动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试，由分到合的调试既告完成。由近及远是将信号流经的各器件按照距离单片机的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。b）软件调试：软件调试是通过对拥护程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。程序后，编辑，查看程序是否有逻辑的错误。3 系统仿真与调试3.1 keil软件简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果使用C语言编程，那么Keil就是不二之选，即使不使用C语言而仅用C语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会事半功倍。要使用Keil软件，首先要正确安装Keil软件，该软件的Eval 版本可以在下载，安装时选择Eval Vision，其它步骤与一般Windows 程序安装类似，这里就不再赘述了。安装完成后，将Ledkey.dll 文件复制到Keil 安装目录下的C51BIN 文件夹下，这是键盘与LED 实验仿真板，可与Keil 软件配合，在计算机上模拟LED和按键的功能。3.2 keil软件使用与调试 具体使用步骤如下：（1）启动Vison，点击“FileNew”在工程管理器的右侧打开一个新的文件输入窗口，在这个窗口里输入源程序，注意大小写及每行后的分号。图3-1 新建编辑窗口（2）输入完毕之后，选择“File后点Save”，给这个文件取名保存，取名字的时候必须要加上扩展名，一般C 语言程序均以“.C”为扩展名，保存完毕后可以将该文件关闭6。图3-2 输入程序图3-3 保存为trafficlight.c文件（3）Keil不能直接对单个的 C语言源程序进行处理，还必须选择单片机型号；确定编译、汇编、连接的参数；指定调试的方式；而且一些项目中往往有多个文件，为管理和使用方便，Keil使用工程（Project）这一概念，将这些参数设置和所需的所有文件都加在一个工程中，只能对工程而不能对单一的源程序进行编译和连接等操作7。图3-4 保存为trafficlight.C的文件（4）点击“Project-New Project”菜单，出现对话框，要求给将要建立的工程起一个名字，不需要输入扩展名。点击“保存”按钮，出现第二个对话框，如图3-5所示。图3-5 新建工程文件命名为“TrafficLight”（5）这个对话框要求选择目标CPU（即所用芯片的型号），Keil 支持的CPU 很多，这里选择Atmel 公司的89C52 芯片。点击ATMEL 前面的“+”号，展开该层，点击其中的AT89C51，然后再点击“确定”按钮。图3-6选择单片机AT89C51（6）回到主窗口，此时，在工程窗口的文件页中，出现了“Target 1”，前面有“+”号，点击“+”号展开，可以看到下一层的“Source Group1”，这时的工程还是一个空的工程，里面什么文件也没有，需要手动把刚才编写好的源程序加入，然后，点击鼠标右键，出现一个下拉菜单，如图 3-7所示，选中其中的“Add file to Group”Source Group1”，出现一个对话框，要求寻找源文件。图3-7 Add Files To Group ”source group 1”（7）然后点工程窗口的文件页中的Options for target，进行选项设置并创建HEX文件。图3-8 Options for target图3-9 设置生成HEX文件（8）点工具栏里的“rebuid”按钮，经过计算机运行，成功生成相关的HEX文件，如图3-10所示。这样，TrafficLight.hex文件就会在TrafficLight文件夹里生成了8。图3-10 编译后的报告显示3.3 在仿真电路中把HEX文件植入单片机打开之前创建好的原理图（trafficlight.dsn），双击单片机，载入trafficlight.hex文件，如图3-11。点确定就可以看到仿真效果图了9。图3-11 原理图中载入HEX文件3.4 运行仿真及最后效果图（1）南北红，东西绿图3-12 南北红灯，东西绿灯时的仿真图（2）南北红，东西黄图3-13南北红灯，东西黄灯时的仿真图(3)南北绿，东西红图3-14 南北绿灯，东西红灯时的仿真图（4）南北黄，东西红图3-15 南北黄灯，东西红灯时的仿真图（5）南北红，东西绿图3-16 南北红灯，东西绿灯时的仿真图4 Protel原理图的制作和PCB板的设计4.1 PROTEL 99SE 介绍Protel 99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。 Protel 99SE 由两大部分组成：电路原理图设计（Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（Schematic Library）。Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计10。以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：(1)可生成30多种格式的电气连接网络表；(2)强大的全局编辑功能；(3)在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；(4)同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络，既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；(5)满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；(6)方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；(7)支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；(8)PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；(9)强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；(10)智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；(11提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；(12)放置汉字功能；(13)可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；(14)智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；(15)方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；(16)独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；(17)强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；(18)经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；(19)反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合11。4.2 原理图的设计和网络表的生成原理图的设计是基于Protel99se软件之上的，此软件的主要功能模块包括电原理路图设计，印制板电路的设计，可编程逻辑器件设计，电路的模拟仿真等。其主要有两部分组成；原理图设计系统和印制板设计系统（PCB）。运行Protel99se应用程序，进入Protel99se系统，执行FileNew命令建立新的文件，打开Schematic Document可以进行重命名，重命名为交通灯电路，如图4-1所示。图4-1 新建交通灯数据库（1）放置元件，并编辑属性填写封装，利用原理图设计工具绘制原理图，并做电器规则检查，改错误的地方直到没有错误如图4-2所示。图4-2 电气规则检查图（2）通过电子表格填写参数封装。Editexport to spread 导出电子表格，选择元件为电子表格的内容并设定项目为参数、名称、封装、编号。统一填写后保存。并在FILE菜单下点击UPDATE全部元件参数封装设置完成，如图4-3所示。图4-3 生成元器件电子表格图（3）在原理图界面网络表生成选择Design Create Netlist如图4-4所示。图4-4 生成网络表（4）最终制作的系统原理图，如图4-5所示。图4-5 最终系统原理图4.3 交通灯PCB的设计和制作交通灯的P