單片機(jī)心形流水燈與交通燈代碼+Proteus仿真實驗

共分為兩部分，一份是交通燈，一份是心形流水燈。

現(xiàn)在交通燈已經(jīng)在我們社會上普遍使用，它在當(dāng)今社會發(fā)揮著很大的作用。交通燈的出現(xiàn)直接或者間接挽救了無數(shù)人的生命，并且使得社會更加有秩序。并且我國是一個人口大國，汽車工業(yè)的發(fā)展處于快速增長的階段，城市現(xiàn)代化程度不斷提升，汽車需求與交通量也迅速增長，但交通運(yùn)輸帶來的交通擁堵、交通事故和環(huán)境污染等負(fù)面影響也日益突出，交通問題已經(jīng)成為全球性的難題。為了解決汽車和道路的矛盾，又不影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，最有力的方法便是健全道路交通，采用交通燈控制系統(tǒng)。

交通燈控制系統(tǒng)最早可以追溯到19世紀(jì)，1895年以燃?xì)鉃楣庠从靡灾笓]車馬流通的交通燈就已經(jīng)出現(xiàn)在倫敦的主要街頭了，它是紅藍(lán)兩色機(jī)械扳手式交通燈，這是世界上最早出現(xiàn)的交通信號燈。隨后又在英國出現(xiàn)了以煤氣為光源的紅綠燈，但不久后由于煤氣爆炸的緣故，這種紅綠燈便被取消了，但它以紅綠為交通燈的顏色，并規(guī)定紅色代表“停止”，綠色代表“注意”，所以這能夠算上世界上最早出現(xiàn)的紅綠燈。而最早出現(xiàn)的電氣啟動交通燈是在美國，這種紅綠燈有紅黃綠三色圓形投光器組成，這個時候才有了現(xiàn)在所熟知的紅燈亮代表停止，綠燈亮代表通行。

交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計中，在仿真方面我主要用到Keil uVision4和Proteus兩個仿真軟件，先采用Keil 對C語言進(jìn)行編譯調(diào)試，調(diào)試成功之后生成HEX文件，再在Proteus中繪制出交通燈仿真實驗圖，將生成的HEX文件燒寫進(jìn)實驗圖的單片機(jī)中，之后進(jìn)行仿真測試，在此之前我們先了解一下Keil uVision4和Proteus這兩個仿真軟件。

隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用也越來越多，相對應(yīng)的出現(xiàn)了很多單片機(jī)語言的開發(fā)軟件，KEIL軟件是目前最通用的MCS-51系列單片機(jī)的編程開發(fā)軟件，KEIL是一個集C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和仿真調(diào)試器在內(nèi)的系統(tǒng)開發(fā)軟件。本次設(shè)計使用的是Keil uVision4，其操作界面如圖4-1所示。它具有靈活的窗口管理系統(tǒng)，方便了開發(fā)人員的使用。能夠完全控制窗口位置的任何地方。有效地利用屏幕空間組織多個窗口，提供一個高效的開發(fā)環(huán)境

Proteus是目前較好用的仿真單片機(jī)和外圍器件的工具軟件，受到大多數(shù)單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的愛好者的青睞，它能將電路仿真、PCB設(shè)計及虛擬模型仿真軟件三合一的仿真平臺。Proteus的功能非常強(qiáng)大，它支持各種系列的處理器模型，這對于硬件設(shè)計者來說是一個福音，若是直接做成硬件不提前進(jìn)行仿真的話，非常浪費(fèi)材料，而且浪費(fèi)時間，但有了仿真，就可以提高制作硬件的效率，不需要在硬件做出之后才來驗證正誤。Proteus的操作方式相對來說沒有那么的難，其操作界面如圖

設(shè)計選擇在keil中進(jìn)行軟件編程，在Proteus中繪制電路圖，現(xiàn)在簡單的介紹keil和Proteus相結(jié)合的仿真步驟：

(1) 安裝好Keil和Proteus軟件。

(2) 進(jìn)入keil的開發(fā)界面，創(chuàng)建一個新工程Project，并為該項目選擇合適的單片機(jī)元件，本次設(shè)計選擇的是AT89C51，新建文件，將程序編寫進(jìn)此文件，并將文件加入工程中。

(3) 程序編寫成功之后，進(jìn)行工程編譯，檢查的結(jié)果會出現(xiàn)在操作界面的Build Output窗口中，根據(jù)提示的錯誤修改程序，直至程序無錯誤，單擊Options for Target選項，在彈出的窗口選項欄中選擇Output這一欄，在create HEX file前打上勾表示創(chuàng)建，創(chuàng)建成功后結(jié)果會在Build Output窗口中顯示。

(4) 進(jìn)入Proteus的ISIS操作界面。

(5) 在Pick devices中選擇電路所需的元件，將其端口連接起來，組成完整的仿真電路圖。

(6) 確保電路圖無誤之后，將HEX文件燒寫進(jìn)單片機(jī)中。

(7) 運(yùn)行仿真圖，檢查是否達(dá)到要求。

要設(shè)計并制作一個交通燈控制系統(tǒng)，就必須了解到城市的交通規(guī)則以及道路口中交通燈是如何設(shè)計并運(yùn)作的。交通路口模型如圖1-1所示。

                 圖4-1交通路口模型

如圖1-1所示，一個十字路口分為東南西北四個方向，在任一時刻只有其中一個方向可以通行，如果南北方向紅燈亮即禁止通行時，東西方向上表示能夠通行的綠燈便亮了，為了給在紅燈滅、綠燈亮的那一瞬間還在道路中間行駛的汽車一個緩沖的時間，避免交通事故的發(fā)生，我國學(xué)者胡汝鼎提出在紅燈與綠燈之間加一個表警示作用的黃燈。于是，便出現(xiàn)了紅燈停，綠燈行，黃燈等一等這種說法。從一個方向通行至另一個方向通行，中間需要經(jīng)過短暫的緩沖時間，所以需要把交通狀態(tài)分為4種：

(1) 東西方向紅燈滅，同時綠燈亮；南北方向黃燈滅，同時紅燈亮，倒計時25秒。此時東西方向允許通行，南北方向禁止通行。

(2) 南北方向紅燈滅，同時綠燈亮；東西方向黃燈滅，同時紅燈亮，倒計時30秒。此時南北方向允許通信，東西方向禁止通行。

(3) 東西方向綠燈滅，同時黃燈亮，倒計時5秒；此時南北方向依舊是紅燈亮，倒計時5秒。此時東西方向除了駛出停車線的車輛均處于等待狀態(tài)。

(4) 南北方向綠燈滅，同時黃燈亮，倒計時5秒；東西方向依舊是紅燈亮，倒計時5秒。此時南北方向除了已經(jīng)駛出停車線的車輛均處于等待狀態(tài)。

表1-1表示燈狀態(tài)和行止?fàn)顟B(tài)的關(guān)系：

表4-1 交通狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài)

本設(shè)計是以AT89C51單片機(jī)為控制核心的交通燈控制系統(tǒng)，能夠模擬一般的交通道路口通行情況，分別用紅燈表示禁止，黃燈表示等待，綠燈表示通行，用數(shù)碼顯示管進(jìn)行倒計時顯示，同時還能模仿交通中的一些緊急情況，如：黃燈常亮的夜間模式，緊急車輛通行模式，當(dāng)有緊急的車輛需要通行時，交通員按下緊急通行的按鍵，東西南北方向上皆亮紅燈，讓緊急車輛先通過。東西南北方向上的顯示倒計時也是不一樣的，比如，東西方向上紅燈的倒計時要比南北方向上綠燈的倒計時多5秒，正好空出黃燈的計數(shù)時間。

本設(shè)計共有四個二位陰極數(shù)碼管，用來顯示東西南北四個方向上的時間，單片機(jī)P0口接上拉電阻，同時接74HC245以起到驅(qū)動放大的作用，四個共陰極數(shù)碼管的陽極接到74HC245的另一端，即單片機(jī)通過74HC245對數(shù)碼管進(jìn)行控制。數(shù)碼管的陰極接到51單片機(jī)的P1口上。一共有12個LED發(fā)光二極管，紅黃綠三種顏色各4個。每個路口分別接紅，黃，綠三種顏色的燈各一個，再將它們接到單片機(jī)的P2口上，表示控制的按鍵接在單片機(jī)的P3口。這樣就構(gòu)成了交通燈控制系統(tǒng)的基本構(gòu)架。

本設(shè)計的顯示模塊分為數(shù)碼管顯示和LED發(fā)光二極管顯示兩種，數(shù)碼顯示管主要用來顯示數(shù)字倒計時，因為若只有紅綠燈顯示，駕駛員沒有辦法知道此時還有多久交通燈的狀態(tài)會切換，結(jié)合數(shù)碼管倒計時顯示，方便駕駛員判斷是否通過馬路或者是等待直到下次可通行時。大量的數(shù)據(jù)顯示，數(shù)碼管和LED發(fā)光二極管相結(jié)合的方式更受駕駛員和行人的歡迎，所以現(xiàn)在普遍的交通燈控制系統(tǒng)都是采用兩者相結(jié)合的方式，這樣增加了道路的安全系數(shù)，便于駕駛員和行人面對的情況作出判斷，而僅僅通過LED顯示是沒辦法達(dá)到這種效果的，目前的交通燈控制系統(tǒng)采用兩種顯示結(jié)合的方式，使道路通行更安全可靠。

按鍵模塊是用來設(shè)置交通燈控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的，按鍵依次功能為：深夜模式的黃燈閃爍；禁行模式的紅燈常亮；東西通行；南北通行；確定按鍵是配合時間加減按鍵使用的，當(dāng)調(diào)到了所需要的時間按下確認(rèn)按鍵系統(tǒng)就可以運(yùn)行了；時間加鍵按鍵，默認(rèn)的狀態(tài)下時間加減都指的是東西方向上的時間加減，此時東西方向是綠燈亮，將時間調(diào)節(jié)好之后南北方向紅燈時間會比東西方向綠燈時間多出5秒的黃燈時間；切換調(diào)試方向，默認(rèn)狀態(tài)下時間加減按鍵指的是東西方向上時間加減，但若是想調(diào)節(jié)南北方向上時間加減，必須按下切換調(diào)試方向按鍵，這時候南北方向亮綠燈，東西方向上紅燈亮的時間比南北方向上綠燈亮的時間多5秒，作為黃燈閃爍的時間；復(fù)位鍵可以將整個系統(tǒng)復(fù)位到初始的默認(rèn)狀態(tài)。

單片機(jī)分為51和52兩個系列。它們的基本結(jié)構(gòu)大致相同，區(qū)別僅在存儲器、計數(shù)器、中斷源的配置方面。本次設(shè)計中，我采用的是AT89C51單片機(jī)，它的內(nèi)部資源主要包括：

一個8位的CPU。

一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。

4K字節(jié)的ROM程序存儲器。

128字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲器。

兩個16位定時/計數(shù)器。            

64K的可尋址外部數(shù)據(jù)存儲器和64K外部程序存儲器。

32個可編程的I/O端口。

一個可編程全雙工串行端口。

五個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。

AT89C51的單片機(jī)有40個引腳，電源和振蕩引腳占4位，表示控制的引腳占4個，剩下的便是輸入輸出接口引腳，4個并行I/O口，一共占用32個引腳。單片機(jī)的引腳圖如圖2-1所示。

單片機(jī)的最小系統(tǒng)是指讓單片機(jī)能夠正常運(yùn)行所需的最基本的硬件配置，包括電源，晶體振蕩電路和復(fù)位電路。如果單片機(jī)內(nèi)部程序的大小不超過4KB，那么單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲器足夠存儲，這個時候單片機(jī)不需要外擴(kuò)程序存儲器，單片機(jī)的最小系統(tǒng)就能夠使它運(yùn)行。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2-2所示。

        圖5-1AT89C51單片機(jī)引腳圖

單片機(jī)的內(nèi)部時鐘信號便是通過芯片的內(nèi)部振蕩電路來實現(xiàn)的。由于51單片機(jī)的晶體振蕩頻率大致在6MHz~40MHz之間，所以通常選用6MHz或12MHz的石英晶體。晶體振蕩頻率越高，單片機(jī)的時鐘頻率也越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。所以把振蕩電路比作單片機(jī)的心臟。

復(fù)位電路

在此次交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計中，專門有一個復(fù)位按鍵，用來將交通燈系統(tǒng)的顯示值復(fù)位到默認(rèn)狀態(tài)。通常的單片機(jī)的仿真中是不需要將復(fù)位電路畫出來的，但本此設(shè)計用到了復(fù)位按鍵，所以就將其表示出來了。在單片機(jī)通電之后，其內(nèi)部的各種寄存器都處在隨機(jī)狀態(tài)，只有當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位信號持續(xù)兩個以上的機(jī)器周期時，它才能夠完成復(fù)位的初始化操作。復(fù)位一邊有兩種形式，第一是上電復(fù)位；第二是上電與按鍵均有效的復(fù)位。本此設(shè)計選擇的是第二種復(fù)位方式，即上電與按鍵均有效的復(fù)位方式。

                                               圖5-2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)

5.3 顯示裝置

在此次交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了三種顏色的LED發(fā)光二極管模仿紅、黃、綠三種顏色的交通燈，用LED數(shù)碼顯示管模仿交通燈的倒計時裝置。發(fā)光二極管是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體元件，與普通的半導(dǎo)體二極管一樣它具有單向?qū)щ娦�，在發(fā)光二極管的負(fù)向加上電壓，它不會發(fā)光。同時它還具有環(huán)保節(jié)能，低耗壽命長等特點。

LED數(shù)碼顯示管是由發(fā)光二極管組成，常見的LED數(shù)碼管是“8”字形的，本此設(shè)計也是在各個方向上采用兩位8字形的二極管作為信號燈的倒計時顯示裝置，8字形的數(shù)碼管共分為8段，每一段都由一個發(fā)光二極管組成。數(shù)碼管有共陰極和共陽極之分，顧名思義共陰極就是把各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，當(dāng)數(shù)碼顯示管公共的陰極接地時，如果將發(fā)光二極管的陽極接在高電平上，那么發(fā)光二極管就會發(fā)光。共陽極就是把各段發(fā)光二極管的陽極連接起來接上高電平，此時若時二極管的陰極接上低電平，它便發(fā)光顯示相應(yīng)的段。數(shù)碼管就是通過發(fā)光二極管不同的暗亮組合來顯示不同的數(shù)字。八段發(fā)光二極管中有一個圓點型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點，用DP表示。8段LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及外形如圖2-3所示。

其中，共陰極和共陽極的段碼相加為FFH，所以我們只要記住共陰極的段碼，對其段碼進(jìn)行按位取反就能得到共陽極段碼。為了方便，本此設(shè)計我選擇的是共陰極的數(shù)碼管。

圖5-3 八段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)示意圖

交通燈控制系統(tǒng)除了硬件設(shè)計部分，還需要軟件編程來控制單片機(jī)運(yùn)行，目前最常用的單片機(jī)編程語言主要有匯編語言和C語言，本此設(shè)計采用了C語言來編寫程序，能夠直接訪問物理地址，可以進(jìn)行位操作。編寫程序時我把整個程序分為了幾個模塊，然后用主函數(shù)調(diào)用的形式將他們聯(lián)系成一個整體，這樣是程序?qū)懫饋砩晕⒑唵我稽c，全部控制程序?qū)嶋H上分這幾個模塊：消抖動延時程序，中斷服務(wù)子程序，狀態(tài)燈控制程序，LED顯示程序，鍵盤設(shè)置處理程序，緊停或違規(guī)判斷程序，紅綠燈時間調(diào)整程序等。整體程序的框圖如圖3-1所示：

圖6-1 整體程序框圖

6.2 子程序模塊設(shè)計

交通燈控制系統(tǒng)需要處理多變的狀況，這些都是操作者通過按鍵來實現(xiàn)的，那么交通等控制系統(tǒng)是如何判斷現(xiàn)在應(yīng)該運(yùn)行那種情況呢，這時候按鍵掃描子程序是非常重要的，首先判斷按鍵是否按下，此時我們調(diào)用顯示來消除抖動，確定按鍵按下才會進(jìn)行下一步程序，按鍵的一端接在單片機(jī)的P3口，另一端接地。初始狀態(tài)是單片機(jī)的P3端口是置1的，即為高電平，無按鍵按下時也是高電平，在這樣的情況下，它們其中一個按鍵被按下后，對應(yīng)的I/O接口就成了低電平。若按鍵釋放對應(yīng)的I/O口還是恢復(fù)成高電平，那么在程序編寫中，只需要查詢電平的狀態(tài)就可以知道是否有按鍵按下，是哪個按鍵按下，對應(yīng)的便知道需要執(zhí)行那個程序。程序框圖如圖3-2所示。

圖6-2 按鍵掃描子程序框圖

此次設(shè)計采用了共陰極數(shù)碼管，在開始編程時便對數(shù)碼管的字型碼進(jìn)行了賦值，兩位共陰極數(shù)碼管除了有段位碼之外還有兩位位選線，數(shù)碼管的共陰極連接在一起引出位選，為了使數(shù)碼管能夠正常工作，需要給選位線接低電平。初始的時候P1口置高電平，P0口為低電平，數(shù)碼管無顯示。將東西南北時間分別除以10取商，取模得到東西秒十位、東西秒個位、南北秒十位、南北秒個位，再將它們賦值給P0口的字型碼中，此時P1口賦不同的值來控制片選，便可以將東西南北個位和十位的時間送到數(shù)碼管中。

此次設(shè)計中，使用了外部中斷0與外部中斷1，外部中斷0只允許東西通行，外部中斷1只允許南北通行。其程序框圖如圖3-4所示：

此次設(shè)計采用了2個16位的定時器T0、T1，定時方式采用方式1。單片機(jī)定時器是通過對機(jī)器周期脈沖進(jìn)行計數(shù)，每個機(jī)器周期定時器加1，而一個機(jī)器周期等于12個振蕩脈沖周期，那么定時器的計算公式為：

定時時間=計數(shù)值*機(jī)器周期

計數(shù)值=216-初值

其中，時間單位為us，本次單片機(jī)選用的是12MHz的晶體振蕩頻率，所以機(jī)器周期為1us。

在初值為零的情況下，計數(shù)器的最大計數(shù)時間是65.536ms，而程序需要的定時時間為50ms，所以需要對計數(shù)器賦初值。初值為15.536ms，即令THn=0x3C；TRn=0xB0。此時定時器在此基礎(chǔ)上計數(shù)器再記50000個數(shù)后，脈沖計數(shù)器溢出，單片機(jī)向CPU申請中斷。我們只需要讓定時器中斷的次數(shù)為20次得到的時間就是1秒。這樣就可以精確的控制數(shù)碼管顯示時間，也可以切換處理各個狀態(tài)。中斷程序的流程圖如圖3-3所示。

圖3-3 中斷程序流程圖

此次設(shè)計采用了共陰極數(shù)碼管，在開始編程時便對數(shù)碼管的字型碼進(jìn)行了賦值，兩位共陰極數(shù)碼管除了有段位碼之外還有兩位位選線，數(shù)碼管的共陰極連接在一起引出位選，為了使數(shù)碼管能夠正常工作，需要給選位線接低電平。初始的時候P1口置高電平，P0口為低電平，數(shù)碼管無顯示。將東西南北時間分別除以10取商，取模得到東西秒十位、東西秒個位、南北秒十位、南北秒個位，再將它們賦值給P0口的字型碼中，此時P1口賦不同的值來控制片選，便可以將東西南北個位和十位的時間送到數(shù)碼管中。

此次設(shè)計中，使用了外部中斷0與外部中斷1，外部中斷0只允許東西通行，外部中斷1只允許南北通行。其程序框圖如圖3-4所示：

                   圖7-3夜間模式

              圖7-4禁止模式

大街上隨處可見的流水霓虹燈都是處于單片機(jī)的控制，這說明單片機(jī)在生活中的應(yīng)用也是隨處可見的。我所設(shè)計的這個心形流水燈閃爍起來先是如星星般閃爍，然后是按照紅綠交替流水。

                    圖8-1流水燈部分代碼展示1

                         圖8-2流水燈部分代碼展示2

通過這次設(shè)計，使得我更加了解了實驗所使用的兩個軟件，并且了解了仿真過程中的一些問題。

首先是軟件仿真時的一些馬虎問題，如引腳標(biāo)錯等等。

其次是對自己所學(xué)習(xí)過的內(nèi)容更加了解了。如中斷，包括那些中斷，在什么情況下會用到什么中斷。還學(xué)會了一些簡單的代碼。因為之前仿真過很多的實驗，所以兩個軟件用起來算是得心應(yīng)手。