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2018-12-5 02:00 上傳

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用在一個(gè)車流量大的十字交叉路口，縱向南北方向作為主干道，橫向東西方向?yàn)橹Ц傻馈Ｖ�、支干道交替通行，兩個(gè)干道上的交通燈工作方式同時(shí)進(jìn)行，主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒；每次綠燈變紅之前，黃燈先亮3秒，此時(shí)另一干道上的紅燈并閃爍。

主干道和支干道各由一組三色交通燈來控制，分別是主干道方向的紅、黃、綠以及支干道方向的紅、黃、綠。邏輯分析可知，當(dāng)主干道為綠燈通行時(shí)，支干道必須為紅燈禁行；綠燈結(jié)束后，主干道進(jìn)入黃燈等待狀態(tài)，支干道紅燈閃爍；黃燈結(jié)束后，主干道變?yōu)榧t燈禁行，支干道變?yōu)榫G燈通行；支干道綠燈結(jié)束后，支干道進(jìn)入黃燈等待狀態(tài)，主干道紅燈閃爍，如此循環(huán)。從這個(gè)過程中可以看出，交通燈控制共分4個(gè)狀態(tài)，分別為：S1狀態(tài)，主干道方向?yàn)榫G燈，支干道方向?yàn)榧t燈；S2狀態(tài)，主干道方向?yàn)辄S燈，支干道紅燈閃爍；S3狀態(tài)，主干道方向?yàn)榧t燈，支干道方向?yàn)榫G燈；S4狀態(tài)，支干道方向?yàn)辄S燈，主干道紅燈閃爍，這四個(gè)狀態(tài)不斷循環(huán)。由此我們可以列出4個(gè)狀態(tài)的列表和做出4個(gè)狀態(tài)的流程圖。

圖2.1 交通燈流程圖

系統(tǒng)設(shè)置有4個(gè)按鍵，分別為Enter鍵，+鍵，-鍵和Shift鍵。Enter鍵是對設(shè)置的確認(rèn)，+和-是對設(shè)置參數(shù)做調(diào)整，Shift鍵是對程序運(yùn)行和參數(shù)設(shè)置兩種狀態(tài)的切換。當(dāng)系統(tǒng)上電或手動(dòng)復(fù)位之后，默認(rèn)模式下會(huì)按照斷電前程序里記錄的參數(shù)運(yùn)行。若此時(shí)Shift鍵按下，則設(shè)置為參數(shù)設(shè)置狀態(tài)，數(shù)碼管上顯示原本記錄的參數(shù)并閃爍，可通過+或-鍵對參數(shù)進(jìn)行修改，最后按下Enter鍵將新參數(shù)保存。

然后系統(tǒng)控制狀態(tài)燈和LED數(shù)碼管的顯示，將狀態(tài)碼值以及顯示的時(shí)間值的個(gè)位和十位送到相應(yīng)IO口，通過定時(shí)器設(shè)定1s定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間達(dá)到時(shí)產(chǎn)生定時(shí)器中斷，在中斷中將時(shí)間減一，然后刷新LED數(shù)碼管的顯示。直到時(shí)間值被減為0，判斷下一個(gè)指示燈狀態(tài)并裝入對應(yīng)的狀態(tài)代碼和時(shí)間值的狀態(tài)。

本課題的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)了一種基于AT89C51單片機(jī)的控制的交通燈設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)以單片機(jī)為主要控制器，可以方便的實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈的控制，實(shí)現(xiàn)行人與車流的分流，該系統(tǒng)控制期間各路轉(zhuǎn)彎不再進(jìn)行。擬解決的主要問題：

①模擬交通信號燈的交替變換。

②系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

③系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

④系統(tǒng)軟硬件綜合調(diào)試。

研究主要方法：

本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際交通法則模擬基本的交通控制系統(tǒng)，用紅色LED表示禁行，綠色LED表示通行，黃色LED表示等待的信號，每個(gè)方向有一組LED數(shù)碼管，可以倒計(jì)時(shí)顯示提醒行駛者。據(jù)此，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，連接成最小系統(tǒng)，和按鍵設(shè)置模塊等產(chǎn)生輸入，信號燈狀態(tài)模塊，LED倒計(jì)時(shí)模塊。

研究要求：

①單片機(jī)型號：AT89C51

②縱向?yàn)橹鞲傻溃瑱M向?yàn)橹Ц傻�。主、支干道交替通行，兩個(gè)干道上的交通燈工作方式同時(shí)進(jìn)行。

③主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒。

④每次綠燈變紅之前，黃燈先亮3秒，此時(shí)另一干道上的紅燈并閃爍。

⑤給出整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖、軟硬件流程

系統(tǒng)要想正常而穩(wěn)定的運(yùn)行，必須要有一套穩(wěn)定的電源電路。為了給單片機(jī)和各種芯片提供工作電壓，需要將交流220V轉(zhuǎn)換為直流5V。

根據(jù)模擬電路學(xué)到的知識，轉(zhuǎn)換過程如圖3.1所示：

變壓器經(jīng)過一個(gè)保險(xiǎn)絲連接電源,變壓器或后面的電路如果發(fā)生短路，保險(xiǎn)絲會(huì)因大電流引發(fā)的高溫溶化而斷開，從而保證后續(xù)電路不會(huì)受大電流的損壞。

變壓器后面是一個(gè)橋式整流電路，整流后會(huì)得到一個(gè)紋波很大的直流電源，還需要接一個(gè)1000uF/25V的電解電容濾除紋波。

變壓器輸出端的電壓經(jīng)過橋式整流并電容濾波，如果電容兩端直接接負(fù)載，當(dāng)負(fù)載變化或交流電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，電解電容C1兩端的電壓會(huì)發(fā)生較大幅度變化，要得到一個(gè)比較穩(wěn)定的電壓，需要在這里接一個(gè)三端穩(wěn)壓器。

當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻會(huì)變小，當(dāng)負(fù)載電流變小時(shí)三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻又會(huì)變大，使的穩(wěn)壓器的輸出電壓基本保持不變。

單片機(jī)和大多數(shù)功能芯片的輸入電壓都是直流5V，這里我們需要將交流220V經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換為9V的電壓，整流后經(jīng)7805穩(wěn)壓成直流5V。LM7805最大輸出電流為1A，內(nèi)部有限流式短路保護(hù)，短時(shí)間內(nèi)輸出端對地（2腳）短路不會(huì)燒壞7805。

三端穩(wěn)壓器后面接一個(gè)104的瓷片電容，起濾波和阻尼作用。

方案一：AVR單片機(jī)。AVR不是一個(gè)簡單的外設(shè)功能的疊加，但更多的模型以滿足不同設(shè)計(jì)開發(fā)者的實(shí)際需要，同時(shí)可以提供一個(gè)低成本的OTP芯片。此外，PIC是低功耗的睡眠功能、深度睡眠、上電、掉電復(fù)位電路、看門狗電路，外圍設(shè)備，占用空間��；成本低，安全技術(shù)也非�？煽�，能夠最大程度地滿足開發(fā)者的實(shí)際要求。因此，在工業(yè)控制，PIC單片機(jī)被廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)的控制中，其穩(wěn)定性、系統(tǒng)功耗等都為廣大開發(fā)者認(rèn)可。價(jià)格相比同性能產(chǎn)品在中上游水平。

方案二：PIC24H64GP506是16位RISC混合信號處理器，具有以下特點(diǎn)：

工作電壓低，最低工作電壓1.8V下正常工作。

功耗小，在運(yùn)行模式下，只有200mA的工作電流，在休眠和待機(jī)模式下只有3ma的電流，在power off狀態(tài)下只需要用0.1mA；運(yùn)行狀態(tài)中包含提供6種運(yùn)行模式，3個(gè)時(shí)鐘信號，包括1個(gè)高頻率的時(shí)鐘，1個(gè)低頻時(shí)鐘和1的DCO，靈活的時(shí)鐘選擇使系統(tǒng)能夠在最合理的時(shí)鐘工作，大大降低了系統(tǒng)功耗，便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

豐富的外設(shè)接口，包括標(biāo)準(zhǔn)的UART，SPI、I2C接口，可以和具有相同接口的設(shè)備連接進(jìn)行通訊采集相關(guān)外設(shè)的數(shù)據(jù)。該MCU,具有256位RAM和8 kbit Flash內(nèi)部；中斷喚醒功能，可以通過中斷使單片機(jī)從睡眠模式到主動(dòng)模式。

方案三：選擇價(jià)格低廉的51系列單片機(jī)，具有51內(nèi)核的低功耗、高性能的8位單片機(jī)，內(nèi)含4K字節(jié)Flash只讀程序存儲(chǔ)器，兼容MCS-51指令和80C5l引腳結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51為工業(yè)控制應(yīng)用系統(tǒng)提供低成本、高可靠性的解決方案。它具有如下特點(diǎn)：128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗，兩個(gè)16位定時(shí)和計(jì)數(shù)單元，一個(gè)5兩級中斷結(jié)構(gòu)的向量，一個(gè)UART通信口，內(nèi)部晶振和時(shí)鐘電路。

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，最終選擇成本低廉，便于操作的51系列單片機(jī)，型號為STC80C51。如圖3.2所示為51系列單片機(jī)內(nèi)核示意圖，圖3.3所示為AT80C51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖。

單片機(jī)最小系統(tǒng)是指一個(gè)微控制器系統(tǒng)可以正常工作需要具備的最少的元件構(gòu)成的系統(tǒng)。51系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)一般應(yīng)包括：單片機(jī)，晶振電路，復(fù)位電路。

復(fù)位電路由電阻電容和電阻串聯(lián)組成，根據(jù)電容電壓不能突然改變的性質(zhì)可以知道，一個(gè)系統(tǒng)上電，RST引腳默認(rèn)為低電平，RC電路來決定高電平的時(shí)間。一個(gè)典型的51單片機(jī)，當(dāng)RST引腳為高電平兩個(gè)機(jī)器周期以上的將被重置，所以RC值要選擇適當(dāng)，才能確保可靠的復(fù)位，根據(jù)t=R*C，t要大于兩個(gè)機(jī)器周期，選擇電阻阻值為10k，電容容值為10uF。當(dāng)然還有其他的參數(shù)組合，只要滿足原理使RC組合可以產(chǎn)生在RST引腳置高至少兩個(gè)機(jī)器周期。至于如何具體量化的計(jì)算，可以參考電路分析的書籍。

單片機(jī)復(fù)位電路就像電腦的重啟，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序?qū)�從頭開始運(yùn)行。單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，可能因?yàn)榄h(huán)境干擾等因素導(dǎo)致運(yùn)行失控，就可以通過復(fù)位按鍵實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)系統(tǒng)的重新啟動(dòng)。

在電路圖中，電容器的容值為10uF，電阻器阻值為10k。所以根據(jù)公式，充電電容器增大到0.7倍電源電壓，即設(shè)備電源是5V，充電電容器電壓增長到5*0.7=3.5V這一過程所需要的時(shí)間是10K * 10UF = 0.1S。

也就是說，在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)0.1S的過程中，電容兩端的電壓會(huì)從0增大到3.5V。這段時(shí)間內(nèi)在電阻10K兩端的電壓會(huì)降低到1.5V（串聯(lián)周圍電路中的電壓和總電壓）。所以在0.1S，RST引腳電壓為5V?1.5V。微控制器啟動(dòng)之后0.1S，電容C連續(xù)充電到5V，這是10K電阻兩端的電壓接近0V，RST在低電平，以使系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按下按鈕時(shí)，該開關(guān)被接通時(shí)，這時(shí)在電容器兩端形成環(huán)路，電容器被短路，電容器放電。隨著時(shí)間的推移，電容器兩端的電壓，從5V釋放成為1.5V，或甚至更小。這時(shí)10K電阻器兩端的電壓達(dá)到3.5V，或甚至更多，所以RST引腳變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

原則是微控制器復(fù)位電路RST引腳接收超過2US的高電平信號，只要電容器充電和放電時(shí)間大于2US，即可復(fù)位，該電路的電容值和電阻值可以根據(jù)實(shí)際電路做修改。按復(fù)位鍵，使電容短路，釋放之前儲(chǔ)存的能量，使電阻兩端電壓升高，從而給RST引腳一個(gè)高電平。

晶振電路是由振蕩晶體和兩個(gè)電容組成，為單片機(jī)提供指令時(shí)鐘。對于51系統(tǒng)，外部晶振通常選擇11.0592MHz，這樣可以產(chǎn)生精準(zhǔn)的微秒級別的機(jī)器時(shí)間，準(zhǔn)確地得到9600bps和19200bps，用于有串口通訊的場合，方便定時(shí)操作。晶振電路在PCB布線設(shè)計(jì)時(shí)一定要盡量靠近單片機(jī)，并且兩個(gè)引腳到單片機(jī)的走線盡量一樣長，如果偏差太大會(huì)導(dǎo)致起振不良，或者計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確。晶振電路的地一定要和單片機(jī)的地共地，51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越快。在晶振頻率的選擇上，在能夠滿足系統(tǒng)需要的前提下盡可能的選擇低頻率的晶振，晶振頻率越低其功耗的能量越低，所以并不是晶振頻率越高越好，要根據(jù)實(shí)際情況對頻率和功耗進(jìn)行取舍。

單片機(jī)的外部晶振如果單獨(dú)跟單片機(jī)連接，理論上也是可以起振使單片機(jī)工作的，只是這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)使電路中產(chǎn)生很多其他頻率的諧波，諧波會(huì)降低時(shí)鐘振蕩器的穩(wěn)定性。因此，在外部晶振的旁邊會(huì)通過加一對起振電容去過濾諧波。起振電容的容值沒有特別固定的值，根據(jù)不同的單片機(jī)會(huì)有不同的選擇范圍，51系列單片機(jī)的起振電容一般在15~30pF，在做PCB布線時(shí)起振電容離晶振越近越好，而晶振離單片機(jī)也是越近越好

LED數(shù)碼管是由多個(gè)發(fā)光二極管被封裝在一起，以形成“8”字形的裝置，引線被連接在內(nèi)部，每個(gè)二極管有自己的一個(gè)引腳，他們共同具有一個(gè)公共電極。數(shù)碼管里有顯示7段和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的8個(gè)發(fā)光二極管，就會(huì)看到相應(yīng)的數(shù)碼管段被點(diǎn)亮。

當(dāng)一個(gè)特定的段的LED被施加電壓時(shí)，這些特定的段將被點(diǎn)亮，以形成我們眼睛看到的圖像。8段LED數(shù)碼管只能顯示簡單的0~9的阿拉伯?dāng)?shù)字和A~F的英文字母，有一些段數(shù)比較多的LED可以顯示更多的內(nèi)容，總之，數(shù)碼管還是以顯示數(shù)字和字母為主，復(fù)雜的顯示信息還是需要考慮使用液晶之類的更為復(fù)雜的電子器件。如圖3.4所示為8段LED數(shù)碼管示意圖。

圖3.4 LED數(shù)碼管示意圖

LED數(shù)碼管主要是通過點(diǎn)亮相應(yīng)段的發(fā)光二極管，在視覺上給人們顯示出各個(gè)數(shù)字和字母的形狀，驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管的方式有兩種，一種是靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，另一種是動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，也被稱為直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的裝置，每個(gè)段需要由單片機(jī)的一個(gè)I / O口來驅(qū)動(dòng)，或者作為BCD碼兩用。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/ O端口多，加入需要驅(qū)動(dòng)4個(gè)8段的數(shù)碼管，則需要4*8=32個(gè)IO口，而51單片機(jī)可用的I/O端口一共只有32。我們在實(shí)際應(yīng)用中必須增加的編解碼驅(qū)動(dòng)器，來減少I/O口的浪費(fèi)，同時(shí)也增加了硬件電路的復(fù)雜性。第二種是動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式在微控制器中被廣泛使用。動(dòng)態(tài)顯示是利用了人眼具有視覺停留現(xiàn)象，即人眼在看到某一景物后，在很短的時(shí)間內(nèi)，即使該景物消失，在人眼中還會(huì)保留該景物的像。動(dòng)態(tài)顯示就是將數(shù)字按照個(gè)十百千位的格式分開，根據(jù)各個(gè)位的數(shù)字分別控制點(diǎn)亮對應(yīng)數(shù)碼管的發(fā)光二極管的段。每次只點(diǎn)亮一個(gè)位對應(yīng)的數(shù)碼管，其他位的數(shù)碼管被熄滅。

通過依次控制每個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，它使每一個(gè)對應(yīng)的數(shù)字顯示，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。反過來顯示，每位數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間為1?2毫秒，由于人的視覺和發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)的持續(xù)性的現(xiàn)象，盡管你不是在同一時(shí)間點(diǎn)亮數(shù)碼管，但事實(shí)只要掃描速度足夠快，給人的印象是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示的效果是一樣的，但是可以節(jié)省大量的I / O端口，以及更低功耗。因此動(dòng)態(tài)顯示更為廣泛的被應(yīng)用。

鍵盤是最常用的單片機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)界面，根據(jù)組合形式可分為兩種：獨(dú)立式和陣列式。獨(dú)立式鍵盤由于一個(gè)按鍵需要對應(yīng)一個(gè)IO口，因此適合用于按鍵數(shù)量少的場合；陣列式是通過橫向和縱向交叉檢測，可以將IO口的使用數(shù)量呈指數(shù)減少，例如三根橫向和三根縱向線交叉可以實(shí)現(xiàn)9個(gè)鍵碼的分辨，如果按獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)，需要9個(gè)IO口，而陣列式鍵盤只需要6個(gè)IO口，按鍵數(shù)量越多，可以節(jié)省的IO口就越多，所以陣列式非常適用于需要按鍵較多的情況，本系統(tǒng)需要小按鈕控制，單片機(jī)的I / O端口足夠，可直接使用獨(dú)立式設(shè)計(jì)。按鍵電路原理圖如圖3.7所示。

圖3.7 獨(dú)立式按鍵電路

鍵盤開關(guān)矩陣由多個(gè)按鈕組成，是單芯片系統(tǒng)中最常用的輸入裝置，可以將命令，地址和數(shù)據(jù)輸入給單片機(jī)。通常單片機(jī)系統(tǒng)采用非編碼鍵盤，非編碼鍵盤由軟件識別的鍵盤上的按鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡單，靈活的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于微處理器系統(tǒng)。鍵盤按鈕分為接觸式和非接觸式兩種，微控制器應(yīng)用的按鍵通常由一個(gè)機(jī)械鍵盤接觸組成。

當(dāng)開關(guān)K沒有被按下時(shí)，KeyIn由于通過4.7K的上拉電阻與5V電源連接，因此輸入為高，當(dāng)K閉合后，KeyIn與GND短接，輸入為低電平。也就是說，程序檢測按鍵是否按下的方法是檢測對應(yīng)IO由高電平變成低電平，就表示該按鍵被按下。

但是由于按鍵結(jié)構(gòu)采用的是機(jī)械觸點(diǎn)，機(jī)械觸電在狀態(tài)變化的瞬間會(huì)產(chǎn)生電壓的波動(dòng)，這種抖動(dòng)對于人的感知來說是極快的，根本感覺不到，但對于處理速度達(dá)到微秒級甚至納秒級的單片機(jī)來說，這就是一段很長的時(shí)間了，在這段時(shí)間里，所有的電壓波動(dòng)都能被單片機(jī)一一檢測到，單純的只是檢測IO的邊沿變化就會(huì)在機(jī)械觸電處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)誤認(rèn)為是按鍵被按下，而且會(huì)出現(xiàn)多次。如果設(shè)置為中斷查詢，程序就是頻繁的進(jìn)入中斷函數(shù)。

解決這種問題的方法也很簡單，就是我們通常所說的去抖。原理就是避開機(jī)械觸點(diǎn)物理上會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定電壓的時(shí)間段，再去檢測IO口的電平。不管是通過輪詢檢測還是中斷檢測，一旦檢測到按鍵IO口電平狀態(tài)相比默認(rèn)狀態(tài)發(fā)生改變，則加入一小段延時(shí)，一般為幾十個(gè)毫秒，延時(shí)過后，再去檢測IO的電平，如果又變回默認(rèn)狀態(tài)，就說明這屬于干擾導(dǎo)致的按鍵抖動(dòng)，不需要處理；反之，則是真正的按鍵被按下的信號。

根據(jù)去抖的原理，我們也可以發(fā)現(xiàn)，去抖的延時(shí)時(shí)間也不能設(shè)置太長，否則會(huì)出現(xiàn)延時(shí)結(jié)束時(shí)按鍵早已經(jīng)被松開，這樣就導(dǎo)致有按鍵被按下卻無法識別到。按鈕在實(shí)際應(yīng)用中千差萬別，要根據(jù)實(shí)際按鍵的方式以及硬件電路等多方面因素去靈活運(yùn)用，但以上的去抖原則是一定要遵循的。

在主函數(shù)流程中，首先單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)自身寄存器的初始化，定時(shí)器初始化以及數(shù)碼管和紅綠燈狀態(tài)顯示控制，因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中，數(shù)碼管需要顯示倒計(jì)時(shí)的時(shí)間，單片機(jī)可利用定時(shí)器T0和T1進(jìn)行計(jì)時(shí)，設(shè)置定時(shí)器中斷，在中斷函數(shù)中對時(shí)間進(jìn)行刷新。對于系統(tǒng)按鍵的檢測可以使用主循環(huán)輪詢方式，也可以采用外部中斷處理方式。為了更加快速的響應(yīng)按鍵信息，在程序中通過外部中斷來實(shí)現(xiàn)按鍵的檢測。

根據(jù)系統(tǒng)程序運(yùn)行的特點(diǎn)分析，每個(gè)交通燈的狀態(tài)都是從S1->S2->S3->S4->S1，如此循環(huán)往復(fù)，這些狀態(tài)是固定的，而從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋�(gè)狀態(tài)的條件也是固定的，所以，在編程時(shí)采用狀態(tài)機(jī)的處理方式是最合適的，狀態(tài)機(jī)會(huì)比普通的邏輯羅列要清楚的多，也不易于出現(xiàn)邏輯上的錯(cuò)誤，只是需要把各個(gè)狀態(tài)都考慮清楚，不要留有狀態(tài)上的漏洞。如圖4.1所示為系統(tǒng)主函數(shù)流程圖。

狀態(tài)機(jī)是在軟件程序設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的概念。例如，一個(gè)按鈕命令，它可以被看作是一個(gè)狀態(tài)機(jī)：一個(gè)狀態(tài)為A，按下按鈕后切換到B狀態(tài);然后觸發(fā)另一個(gè)鍵切換到C的狀態(tài)，或者返回的狀態(tài)。這是關(guān)鍵的狀態(tài)機(jī)的最簡單的例子。實(shí)際分析方法比這些要復(fù)雜的多，但是這并不影響我們的狀態(tài)機(jī)的理解。此外，按鍵本身可以被看作是一個(gè)狀態(tài)機(jī)。一個(gè)小按鍵，包括：釋放，抖動(dòng)，閉合，抖動(dòng)等狀態(tài)。

要保證程序高效穩(wěn)定的運(yùn)行，除了各個(gè)功能模塊程序，還需要一個(gè)重要的模塊就是看門狗。在單片機(jī)系統(tǒng)中，由于微控制器的操作可能會(huì)受到來自外部電磁場的干擾，使程序失控陷入死循環(huán)中，程序的正常運(yùn)行被中斷，由MCU控制的系統(tǒng)不能繼續(xù)工作，這將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停頓，造成不可預(yù)料的后果，因此為了對微控制器的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，單片機(jī)中有一個(gè)專門的硬件電路，俗稱“看門狗”。

加入看門狗電路的目的是使微控制器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，避免進(jìn)入程序跑飛的死循環(huán)，看門狗功能模塊是內(nèi)嵌在單片機(jī)內(nèi)部的，與單片機(jī)的I / O引腳相連，該引腳可以通過程序的控制，定期向單片機(jī)引腳送出高電平或低電平。一旦受到干擾，單片機(jī)程序跑飛，并陷入一個(gè)無限循環(huán)，看門狗引腳發(fā)送電平的功能不能被執(zhí)行，這個(gè)時(shí)候，看門狗電路會(huì)由于缺乏由MCU發(fā)出的信號，向跟它連在一起的復(fù)位電路的引腳發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號，使微控制器重新從程序存儲(chǔ)器的起始位置執(zhí)行代碼，這樣就實(shí)現(xiàn)了單芯片自動(dòng)復(fù)位。

以前，看門狗電路需要一個(gè)特殊的看門狗芯片連接到單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，但是這會(huì)帶來復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在的單片機(jī)基本都內(nèi)置看門狗電路，看門狗定時(shí)器寄存器，查看其相應(yīng)的功能知識點(diǎn)。

單片機(jī)的定時(shí)器可以根據(jù)程序設(shè)置的分頻頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到某個(gè)設(shè)定值時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)中斷事件。比如51單片機(jī)外部晶振12M，最大計(jì)數(shù)兩個(gè)字節(jié)，也就是65535，計(jì)一個(gè)數(shù)的時(shí)間為1/12M秒，就算計(jì)數(shù)值設(shè)為最大值的65535，也不可能計(jì)時(shí)1s，因此，需要在進(jìn)入定時(shí)中斷后對次數(shù)進(jìn)行累加，比如中斷累計(jì)20次，就表示當(dāng)前計(jì)時(shí)為20*65535/12M=0.109225s。因此想要延時(shí)1s，需要將計(jì)數(shù)值設(shè)置為60000的情況下，進(jìn)入中斷200次。

MCS-51的工作頻率通常情況為12MHz，機(jī)器周期與單片機(jī)工作頻率相關(guān)，機(jī)器周期是12倍的工作頻率，因此一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間長度為12 *（1 / 12MHZ）= 1微秒。我們可以知道每個(gè)指令周期的特定數(shù)目，這樣我們就可以由一個(gè)指令執(zhí)行的數(shù)量確定需要的時(shí)間。

中斷程序分為定時(shí)器中斷和外部中斷。中斷初始化函數(shù)和中斷處理服務(wù)函數(shù)模塊如下：

/**************定時(shí)器0初始化***********************

* 名稱 : Time0_Init()

* 功能 : 定時(shí)器的初始化，12MZ晶振，50ms

* 輸入 : 無

* 輸出 : 無

****************************************************/

void Time0_Init()

{

TMOD = 0x11;

TH1 = 0xec;

TL1 = 0x78;

EA = 1;

ET0 = 1;

TR0 = 1;                           

}

/************外部中斷0 的初始化***********************

* 名稱 : Outside_Init()

* 功能 : 外部中斷0 的初始化

* 輸入 : 無

* 輸出 : 無

*******************************************************/

void Outside_Init(void)

{

EX0 = 1;  //開外部中斷0

IT0 = 1;  //負(fù)邊沿觸發(fā)

EA = 1;  //開總中斷

}

/*****************定時(shí)器1***********************************

* 名稱 : Time1_Int()

* 功能 : 顯示定時(shí)器，工作方式1

* 輸入 : 無

* 輸出 : 無

****************************************************************/

void Time1_Int() interrupt 3

{

TH1 = 0xec;

TL1 = 0x78;

TR1=1;

if(key1<=3)

display();

else

ndisplay();                                         

}

中斷0服務(wù)程序

/****************外部中斷0 服務(wù)函數(shù)********************************

* 名稱 : Outside_Int()

* 功能 : 外部中斷0 的中斷處理

* 輸入 : 無

* 輸出 : 無

*******************************************************************/

void Outside_Int(void) interrupt 0

{

EX0 = 0;

delay(30); //對按鍵進(jìn)行抗干擾處理

if(key1 < 6)

{  key1++;}

else

key1=0;

delay(30);

EX0 = 1;            

}

設(shè)計(jì)中采用發(fā)光二極管作為交通燈來使用，單片機(jī)的I/O接口直接和交通燈（發(fā)光二極管）連接。在十字路口的四組紅、黃、綠三色交通燈中，東西方向道路上的兩組同色燈連接在一起，南北方向道路上的兩組同色的燈也彼此連接在，受單片機(jī)P2.2~P2.7控制。單片機(jī)的I/O接口與交通燈電路的具體連接方式為：P2.5~P2.7分別接?xùn)|西方向的紅、黃、綠共6個(gè)放光二極管，P2.2~P2.4分別接南北方向的紅、黃、綠共6個(gè)發(fā)光二極管。12個(gè)發(fā)光二極管采用了共陰極的連接方式，因此I/O口輸出高電平時(shí)，與之相連的發(fā)光二極管會(huì)亮，I/O口輸出低電平時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管會(huì)滅。交通燈電路原理圖如下圖所示。

該顯示器選用雙位數(shù)碼管來顯示交通燈轉(zhuǎn)換的剩余時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，每個(gè)路口需要1個(gè)數(shù)碼管，這樣就要4個(gè)數(shù)碼管。我們可以選用共陰型數(shù)碼管。四個(gè)路口倒計(jì)時(shí)顯示被置在同一時(shí)刻顯示不同的數(shù)字。電路如下圖

圖4.3倒計(jì)時(shí)顯示器電路圖

我們把倒計(jì)時(shí)顯示器電路圖、單片機(jī)、其他硬件連接起來，就有了總的電路圖。以下是交通燈總電路圖和PCB圖。

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。本次設(shè)計(jì)就是用該軟件成功仿真程序運(yùn)行。

軟件運(yùn)行后，交通燈開始工作（二極管顯示紅、黃、綠三色燈，LED顯示倒計(jì)時(shí)），系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入狀態(tài)S1：縱向南北主干道方向綠燈亮，橫向東西支干道方向紅燈亮，南北主干道LED倒計(jì)時(shí)12秒，東西支干道LED倒計(jì)時(shí)7秒后，系統(tǒng)進(jìn)入（S1～S2）然后南北方向黃燈亮3秒，東西方向紅燈閃爍。仿真圖片如下。

3秒之后，系統(tǒng)進(jìn)入S3狀態(tài)，縱向南北方向紅燈亮，橫向東西方向綠燈亮，仿真圖如下。

7秒后系統(tǒng)進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段，縱向南北方向紅燈閃爍，橫向東西方向黃燈亮3秒，仿真圖如下。

圖4.9 轉(zhuǎn)換階段

在整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過程中，由于自身經(jīng)驗(yàn)的缺乏，不管是在硬件方面還是軟件方面，都遇到了很多問題，經(jīng)過各方查閱資料和老師同學(xué)的幫助，終于將問題一一解決，并總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

焊接時(shí)首先焊接電源部分的器件，如果發(fā)現(xiàn)電源部分工作電壓異常，要立即斷電，檢查焊接線和器件的焊接方向是否正確。確保電源正常后，再焊接電路其他部分，避免其他器件被高電壓損壞。如果焊接一個(gè)功能模塊后發(fā)現(xiàn)調(diào)試不正常時(shí)候，首先應(yīng)該先檢查原理圖連線是否正確，在查看原理圖和焊接的板子是否一致。如果都是正確的，就應(yīng)該確定原理圖和芯片手冊的引腳對應(yīng)是否正確，檢查是否有漏焊、虛焊、引腳短路的現(xiàn)象出現(xiàn)。可以利用示波器芯片引腳的電平進(jìn)行測試，找到問題所在。有時(shí)我們可以將現(xiàn)在IO口轉(zhuǎn)到別的上去看是否是IO口出現(xiàn)問題引起的。在焊接時(shí)候最好一起焊接兩個(gè)板子進(jìn)行對比，排除因?yàn)槿藶楹附釉�因造成錯(cuò)誤發(fā)生。軟件和硬件的調(diào)試時(shí)相互配合的，如果遇到問題時(shí)候不一定都是硬件出現(xiàn)問題造成系統(tǒng)錯(cuò)誤。

軟件調(diào)試首先根據(jù)系統(tǒng)的整體要求繪制出系統(tǒng)的程序流程圖，根據(jù)程序流程圖里的相關(guān)要求，利用KEIL編譯軟件利用C語言對系統(tǒng)硬件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)首先要配置單片機(jī)各個(gè)寄存器的狀態(tài)，配置相關(guān)的IO口，調(diào)試過程中盡量使用LED燈來觀察程序的運(yùn)行狀態(tài)以判斷單片機(jī)IO口是否已根據(jù)程序的要求輸出相應(yīng)的電平�？刂评^電器驅(qū)動(dòng)時(shí)候要注意電路的控制，以避免外部的輸入干擾對單片機(jī)系統(tǒng)造成影響，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過程中要加如看門狗，當(dāng)程序跑飛的時(shí)候及時(shí)復(fù)位單片機(jī)，是系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行，在按鍵檢測電路的時(shí)候要注意對按鍵的抖動(dòng)造成程序誤操作。

通過這次設(shè)計(jì)，我對所學(xué)的專業(yè)知識有了更深的理解，尤其是單片機(jī)方面。在51單片機(jī)方面做了很多的資料方面的學(xué)習(xí)，掌握了單片機(jī)的基本工作的方法，以及焊接調(diào)試的流程。在設(shè)計(jì)過程中，查閱了大量的中外文資料，解決了不少難題，使我在分析問題解決問題的能力方面有了提升，增強(qiáng)了對學(xué)習(xí)的信心，并對電子專業(yè)產(chǎn)生了濃厚的興趣，相信這對我以后的工作和學(xué)習(xí)有重要的幫助。

本次設(shè)計(jì)初步實(shí)現(xiàn)了51單片機(jī)控制十字路口交通等，實(shí)現(xiàn)行人與車流的分流的目的。運(yùn)用了傳統(tǒng)的8位MCU、性能全面、成本造價(jià)低、能夠在室溫下安全可靠運(yùn)行，運(yùn)行電子制圖軟件和KEIL編程軟件，同時(shí)完成系統(tǒng)原理圖和MCU的底層驅(qū)動(dòng)代碼的編寫。能夠在設(shè)計(jì)過程中完成對電子專業(yè)的各個(gè)節(jié)本技能的強(qiáng)化和所有應(yīng)用課程的實(shí)踐應(yīng)用，其中包括單片機(jī)課程、數(shù)字電路、模擬電路、單片機(jī)c語言編程的各個(gè)專業(yè)課程的綜合運(yùn)用，在設(shè)計(jì)完成時(shí)我對自己本專業(yè)的四年所有科目進(jìn)行的簡單并全面的運(yùn)行。

系統(tǒng)由于能力和精力的限制，整個(gè)系統(tǒng)還存在很多的不足，還可以實(shí)現(xiàn)更多的擴(kuò)展，比如可以加入一些測量道路經(jīng)過車輛數(shù)量的傳感器，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)可以更加智能的實(shí)現(xiàn)對紅綠燈時(shí)間的設(shè)置，使道路的利用率更高；還可以將單片機(jī)通過有線或無線的形式與交通指揮中心實(shí)現(xiàn)通信，使指揮中心可以根據(jù)實(shí)際交通情況實(shí)時(shí)的調(diào)整紅綠燈的時(shí)間參數(shù)等等，我會(huì)在以后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)完善知識體系，盡可能的改善不足。隨著單片機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些問題都將被繼續(xù)研究解決。

致  謝

經(jīng)過幾個(gè)月資料的查找和對本畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，已經(jīng)完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中曝露出我許多的問題，由于對有些專業(yè)知識的了解不夠深入，設(shè)計(jì)有些方面還是不夠完善。在老師的幫助下，解決了遇到的很多設(shè)計(jì)難題，才使得畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利的完成。再次對我的指導(dǎo)教師表示深深的感謝，老師在忙碌的工作中，對我畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)行耐心的指導(dǎo)，從設(shè)計(jì)最初我查找資料的時(shí)候，給我很大幫助讓我在眾多的資料中梳理出需要的知識的重點(diǎn)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的中期我提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和解決方法，老師對我的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評估，指導(dǎo)我方案中出現(xiàn)的我的問題，并提出了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)后期對我設(shè)計(jì)電路和程序進(jìn)行了指導(dǎo)。使我對單片機(jī)硬件電路和軟件程序有了更深入的了解。把我繁瑣的設(shè)計(jì)變得簡潔、系統(tǒng)功能更合理。深深感受到了張清蓉老師對整個(gè)系統(tǒng)全局統(tǒng)籌性很強(qiáng)，使我也從中學(xué)到很多在課堂上學(xué)不到設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。在此，對張老師的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和對學(xué)生負(fù)責(zé)的態(tài)度表示深深欽佩。其次對和我一起做畢設(shè)的同學(xué)表示深深的感謝，當(dāng)我遇到問題時(shí)候，幫助我解決好多我能力之外的困難，如果沒有他們的幫助我能這么順利的完成我畢業(yè)設(shè)計(jì)。
最后感謝大學(xué)所有任課教師，他們在我在學(xué)校的四年里耐心的傳授我知識，對我的各個(gè)方面能力培養(yǎng)付出太多的艱辛工作。為我在以后的工作中更好的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)感謝所有的同學(xué)們正式有你們鼓勵(lì)和支持，才讓我在做畢業(yè)設(shè)計(jì)這段時(shí)間不斷改掉缺點(diǎn)，努力的把我的畢業(yè)設(shè)計(jì)認(rèn)真的完成。

單片機(jī)源程序如下:

交通燈全套資料.7z (5.65 MB, 下載次數(shù): 782)