基于51单片机的数字时钟设计（版本2）

1目录目录.2189C51单片机的介绍.12方案设计与论证.42.1电源提供方案.42.2显示界面方案.42.3输入方案.43系统硬件设计.43.1总体设计.43.2各功能模块硬件设计及实现.53.2.1交通灯四种通行模式及行车方向指示.53.2.2键盘与状态显示及其实现.63.2.3数码管显示电路.74系统软件设计.84.1软件总体流程图.84.2软件主要程序流程.84.2.1每秒钟的设定.84.2.2按键中断程序.94.2.3数码管显示程序.105系统调试与测试结果.145.1软件调试.145.2硬件调试.145.3软硬联调.146参考文献.142智能交通灯控制系统189C51单片机的介绍1.1MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚图1MCS-51单片机的结构框图1.2MCS-51单片机的逻辑结构(1)中央处理器（CPU)中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。按其功能，中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。(2)运算器电路功能：单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。(3)控制器电路功能：单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动而协调地工作。(4)内部数据存储器组成：RAM（1288）和RAM地址寄存器等。功能：用于存放可读写的数据。(5)内部程序存储器组成：ROM（4K8）)和程序地址寄存器等。功能：用于存放程序和原始数据。(6)定时器计数器380C51共有两个16位的定时器计数器。功能：实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制，以满足控制应用的需要。(7)并行I/O口MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）功能：实现数据的并行输入输出。(8)串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口。功能；以实现单片机和其它数据设备之间的串行数据传送。(9)中断控制系统80C51共有5个中断源，即外中断2个，定时计数中断2个，串行中断1个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。(10)时钟电路MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。功能：时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。典型的晶振频率：6MHz、11.0592MHz、12MHz。(11)位处理器位处理器称为布尔处理器。功能：以状态寄存器中的进位标志位C为累加位，可进行各种位操作。(12)总线总线：连接计算机各部件的一组公共信号线。分类：地址总线、数据总线和控制总线。作用：减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。1.3MCS-51的信号引脚80C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列如图所示。（1）信号引脚介绍4图280C51芯片引脚排列图输入输出口线P0.0P0.7P0口8位双向口线P1.0P1.7P1口8位双向口线P2.0P2.7P2口8位双向口线P3.0P3.7P3口8位双向口线ALE地址锁存控制信号功能：a）在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。如图所示。5图3单片机程序存储器扩展连接图b）ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。/PSEN外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时/PSEN有效（低电平），以实观外部ROM单元的读操作。/EA访问程序存储器控制信号当/EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当/EA信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。RST复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。XTAL1和XTAL2外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VSS地线Vcc5V电源(2)信号引脚的第二功能“复用”即给一些信号引脚赋予双重功能。第二功能信号定义主要集中在P3口线中，另外再加上几个其它信号线。常见的第二功能信号P3口线的第二功能P3口8条口线都定义有第二功能，如表所示。图4P3口的第二功能EPROM存储器程序固化所需要的信号编程脉冲：30脚（ALE/PROG）编程电压（25V）：31脚（/EA/Vpp)备用电源引入6备用电源是通过9脚（RST/VPD）引入的。当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。说明：a）第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。b）P3口线先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的才作为I/O口线使用。(3)89C51的复位电路8051的复位方式可以是上电复位，也可以是上电按键复位，见下图。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。图5复位电路1.48255芯片简介8255可编程并行接口芯片简介:8255可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即A口、B口和C口，对应于引脚PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。其内部还有一个控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作为输入输出的数据端口。C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每个端口包含一个4位锁存器。它们分别与端口A配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。8255可编程并行接口芯片方式控制字格式说明:8255有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是C口按位置位复位控制字。其中C口按位置位复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故在此不作叙述，需要时用户可自行查找有关资料方式控制字格式说明如表1：DDDDDDDD7图6D7：设定工作方式标志，1有效。D6、D5：A口方式选择00方式001方式11方式2D4：A口功能（1=输入，0=输出）D3：C口高4位功能（1=输入，0=输出）D2：B口方式选择（0=方式0，1=方式1）D1：B口功能（1=输入，0=输出）D0：C口低4位功能（1=输入，0=输出）8255可编程并行接口芯片工作方式说明:方式0：基本输入输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端口都可以用作输入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。方式1：选通输入输出方式。这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出，C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。方式2：双向总线方式。只有A口具备双向总线方式，8位外设线用作输入或输出，此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。1.5串口电平转换芯片MAX232MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC（+5v）。765432108图7MAX232芯片各管脚解法图2方案设计与论证此交通灯方案实现了基本的交通工作原理，并且加入了禁左行车时间，有两种工作模式，白天的时候车流量比较大启动模式1，当到了晚上车流量相对少了启动模式2，这样就避免了晚上没车时候等候时间过长的因素。2.1电源提供方案为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。综上所述，我们选择第二种方案。2.2显示界面方案该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，我们考虑了三种方案：方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字苻，无法胜任题目要求。方案二：完全采用点阵式LED显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。方案三：采用数码管与点阵LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系9统实现的复杂度。权衡利弊，第三种方案可互补一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。2.3输入方案题目要求系统能手动设灯亮时间、夜间模式处理，我们讨论了两种方案：方案一：采用8155扩展I/O口及键盘，显示等。该方案的优点是：使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。若用该方案，可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。方案二：直接在IO口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用两个按键，分别是K1、K2由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。3系统硬件设计硬件设计是整个设计的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯的基本功能外，主要还要考虑如下几个因素：系统稳定度；器件的通用性或易选购性；软件编程的易实现性；系统其他功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。先从各功能模块的实现之歌进行分析探讨。3.1总体设计本设计一单片机为控制核心，采用单MCU结构，模块化设计，共分为以下几个功能模块：单片机控制系统、键盘及状态显示、行车方向显示、和倒计时模块等。单片机作为整个硬件系统的核心，他既是谐调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。行车方向指示灯采用三种颜色的LED发光管，分别为红、黄、绿，红和绿指示禁止与放行，形象直观。键盘采用按键。分别控制模式1和模式2。系统采用单数码管倒计时功能，最大显示数字为99。有好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。主单片基行车方向指示键盘与状态显示倒计时图8系统总体设计框图103.2各功能模块硬件设计及实现3.2.1交通灯四种通行模式及行车方向指示按交通灯控制规则，每个街口有左拐、直行、等待、三种指示灯。交道口模型图：图9交道口模型图4个LED灯按照设置的通行时间变化，LED显示南北、和东西方向的等待时间开始南北方向为60秒，而东西方向为40秒就行倒计时，共有四种通行方式，分别为11图10a通行方式一图10b通行方式二图10c通行方式三图10d通行方式四图11a模式一下的通行方式一图11b模式一下的通行方式二12图11c模式一下的通行方式三图11d模式一下的通行方式四当处于模式1时：通行方式一：倒计时时间为60秒（等待时间），红绿灯状态：只限东西方向左拐，所以南北方向为红，东西方向左拐LED灯亮，持续10秒钟。如图9b和图10b。通行方式二：倒计时时间为50秒（等待时间），红绿灯状态：东西方向直行，南北方向禁行，所以南北方向为红灯，东西方向直行LED灯亮，持续50秒。如图9a和10a。通行方式三：倒计时时间为40秒（等待时间），红绿灯状态：只限南北方向左拐，所以东西方向为红灯，南北方向左拐LED灯亮，持续10秒钟。如图9d和图10d。通行方式四：倒计时时间为30秒（等待时间），红绿灯状态：南北方限制性，东西方向禁行，所以东西方向为红灯，南北方向直行LED灯亮，持续30秒。如图9c和10c。通行方式二和四，在通行还剩五秒的时候，这是黄灯开始工作，绿灯在倒计时还剩5秒的时候灭，然后黄灯开始闪烁，提醒司机快红灯了。当处于模式2时：通行方式五：倒计时时间为40秒（等待时间），红绿灯状态：只限东西方向左拐，所以南北方向为红，东西方向左拐LED灯亮，持续10秒钟。如图9b。通行方式六：倒计时时间为30秒（等待时间），红绿灯状态：东西方向直行，南北方向禁行，所以南北方向为红灯，东西方向直行LED灯亮，持续50秒。如图9a。通行方式七：倒计时时间为20秒（等待时间），红绿灯状态：只限南北方向左拐，所以东西方向为红灯，南北方向左拐LED灯亮，持续10秒钟。如图9d。通行方式八：倒计时时间为10秒（等待时间），红绿灯状态：南北方限制性，东西方向禁行，所以东西方向为红灯，南北方向直行LED灯亮，持续30秒。如图9c。13通行方式六和八，在通行还剩五秒的时候，这是黄灯开始工作，绿灯在倒计时还剩5秒的时候灭，然后黄灯开始闪烁，提醒司机快红灯了。3.2.2键盘与状态显示及其实现键盘在本设计中用于更换红绿灯工作模式的手动控制装置，以及复位时间，起到了不可或缺的重要作用。我们选用两个按钮来作为控制装置，分别为K1，K2，当按下K1启动模式1，当按下K2启动模式2。独立式是一组相互独立的按健，这些按健可直接与单片机的1/O口连接，即每个按健独占一条口线，接口简单。独立式键盘因占用单片机的硬件资源较多，只适合按键较少的场合。图12键盘3.2.3数码管显示电路数码管在其中要加相应大小的上拉电阻，上拉电阻的作用就是增大电流，是数码管更亮，在此设计中，由于I/O接口数量足够，所以采用数码管静态显示方法，这样虽然浪费I/O接口，但是本设计条件允许，并且使软件设计更简单，更容易。采用的数码管为共阴极，所用公共端接地。数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。14图13数码管显示电路图中的电阻为上拉电阻。LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法：共阳极接法把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接5V。阴极端输入低电平的段发光二极管导通点亮，输入高电平的则不点亮。共阴极接法把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时会共阴极接地，阳极端输入高电平的段发光二极管导通点亮，输入低电平的则不点亮。15图14LED显示器用LED显示器显示十六进制数的字型代码如下表所示：显示数值dopgfedcba驱动代码（16进制）0001111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011006DH6011111007DH70000011107H8011111117FH图15数码管驱动代码表4系统软件设计硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，如那件事本系统的灵魂。软件采用C语言，不仅易于编程和调试，也可减少软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。由于变成多涉及到数值运算，比较复杂，这里我们选择移植性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现编程。4.1软件总体流程图软件总体设计及流程图见图16，主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，包括发送显示数据，LED的初始值设定，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图15所示。开始16初始化取键值判断当前状态倒计时LED颜色工作模式图16系统流程图主程序比较简单，初始化完成后，调用按键子程序，取得键值，并根据当前系统状态调用相应的子程序。4.2软件主要程序流程4.2.1每秒钟的设定延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8031单片机的工作频率为6MHZ。机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/6M）=2us。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。我们采用的是软延迟的方法。voiddelay(uintz)uintx,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);其中给定z=1000为时间1秒。流程图如下17图17延时函数流程图4.2.2按键中断程序它包含倒计时调整和模式切换两个状态。主程序中放了一个按键的判断指令，当有按键按下的时候，程序就自动的跳转到按键子程序处理。当检测到K1键按下的时候就自动返回到主程序，运行K1模式1，当检测刀K2按下时自动返回主程序，运行K2模式。K1模式子程序：if(h=1|aa=1)i=9;j=4;P2=table3;g1=0;r2=0;g2=1;r1=1;y1=1;18y2=1;h=1;if(h=1)i=9;j=6;P2=table5;g2=0;r1=0;r2=1;g1=1;y1=1;y2=1;h=1;K2模式子程序：if(h=0|aa=0)i=9;j=6;P2=table5;g1=0;r2=0;g2=1;r1=1;y1=1;y2=1;h=0;if(h=0)i=9;j=8;P2=table7;g2=0;r1=0;r2=1;g1=1;y1=1;y2=1;h=0;4.2.3数码管显示程序参照表2，数码管显示与16位进制时之间的关系建立数组19table=0x6f,0x7f,0x07,0x7d,0x6d,0x66,0x4f,0x5b,0x06,0x3f;采用循环，将数组中的值按每秒键1的方法显示在数码管上，这就是冲9-0的倒计时。循环显示程序：for(;j11;j+)for(;i10;i+)P3=tablei;delay(500);z+;P2=tablej;i=0;NYNY图18显示流程图其中P3位十位数码显示管显示数字，P2为个位数码管显示数字。j11i10P3=tablei延时50秒z=z+1P2=tableji=0i=i+1j=j+1结束循环204.3程序源代码/-定义使用的IO口-/#defineGPIO_DIGP0#defineGPIO_PLACEP1#defineGPIO_TRAFFICP2sbitRED10=P20;/上人行道红灯sbitGREEN10=P21;/上人行道绿灯sbitRED11=P22;sbitYELLOW11=P23;sbitGREEN11=P24;sbitRED00=P30;/右人行道红灯sbitGREEN00=P31;/右人行道绿灯sbitRED01=P25;sbitYELLOW01=P26;sbitGREEN01=P27;/-定义全局变量-/unsignedcharcodeDIG_PLACE8=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;/位选控制查表的方法控制unsignedcharcodeDIG_CODE17=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、b、C、d、E、F的显示码unsignedcharDisplayData8;/用来存放要显示的8位数的值unsignedcharTime,Second;/用来存放定时时间/-声明全局函数-/voidDigDisplay();/动态显示函数voidTimer0Cofig(void);/*函数名:main*函数功能:主函数*输入:无*输出:无*/21voidmain(void)Second=1;Timer0Cofig();while(1)if(Second=70)Second=1;/-宝田路通行，30秒-/if(Second31)DisplayData0=0x00;DisplayData1=0x00;DisplayData2=DIG_CODE(30-Second)%100/10;DisplayData3=DIG_CODE(30-Second)%10;DisplayData4=0x00;DisplayData5=0x00;DisplayData6=DisplayData2;DisplayData7=DisplayData3;DigDisplay();/-宝田路通行-/GPIO_TRAFFIC=0xFF;/将所有的灯熄灭RED00=1;GREEN00=1;GREEN11=0;/宝田路绿灯亮GREEN10=0;/宝田路人行道绿灯亮RED01=0;/前进路红灯亮RED00=0;/前进路人行道红灯亮/-黄灯等待切换状态，5秒-/elseif(Second36)DisplayData0=0x00;DisplayData1=0x00;22DisplayData2=DIG_CODE(35-Second)%100/10;DisplayData3=DIG_CODE(35-Second)%10;DisplayData4=0x00;DisplayData5=0x00;DisplayData6=DisplayData2;DisplayData7=DisplayData3;DigDisplay();/-黄灯阶段-/GPIO_TRAFFIC=0xFF;/将所有的灯熄灭RED00=1;GREEN00=1;YELLOW11=0;/宝田路黄灯亮RED10=0;/宝田路人行道红灯亮YELLOW01=0;/前进路红灯亮RED00=0;/前进路人行道红灯亮/-前进路通行-/elseif(Second66)DisplayData0=0x00;DisplayData1=0x00;DisplayData2=DIG_CODE(65-Second)%100/10;DisplayData3=DIG_CODE(65-Second)%10;DisplayData4=0x00;DisplayData5=0x00;DisplayData6=DisplayData2;DisplayData7=DisplayData3;DigDisplay();/-黄灯阶段-/GPIO_TRAFFIC=0xFF;/将所有的灯熄灭RED00=1;GREEN00=1;RED11=0;/宝田路红灯亮RED10=0;/宝田路人行道红灯亮GREEN01=0;/前进路绿灯亮23GREEN00=0;/前进路人行道绿灯亮/-黄灯等待切换状态，5秒-/elseDisplayData0=0x00;DisplayData1=0x00;DisplayData2=DIG_CODE(70-Second)%100/10;DisplayData3=DIG_CODE(70-Second)%10;DisplayData4=0x00;DisplayData5=0x00;DisplayData6=DisplayData2;DisplayData7=DisplayData3;DigDisplay();/-黄灯阶段-/GPIO_TRAFFIC=0xFF;/将所有的灯熄灭RED00=1;GREEN00=1;YELLOW11=0;/宝田路黄灯亮RED10=0;/宝田路人行道红灯亮YELLOW01=0;/前进路红灯亮RED00=0;/前进路人行道红灯亮/*函数名:DigDisplay*函数功能:使用数码管显示*输入:无*输出:无*/voidDigDisplay()unsignedchari;unsignedintj;24for(i=0;i8;i+)GPIO_PLACE=DIG_PLACEi;/发送位选GPIO_DIG=DisplayDatai;/发送段码j=10;/扫描间隔时间设定while(j-);GPIO_DIG=0x00;/消隐/*函数名:Timer0Cofig*函数功能:配置定时器*输入:无*输出:无*/voidTimer0Cofig(void)TMOD=0x01;/定时器0选择工作方式1TH0=0x3C;/设置初始值,定时50MSTL0=0xB0;EA=1;/打开总中断ET0=1;/打开定时器0中断TR0=1;/启动定时器0/*函数名:Timer0*函数功能:定时器0中断函数*输入:无*输出:无*/voidTimer0()inte