【正文】 然PLC 以及FPGA進(jìn)行操作的時(shí)候比較容易，但是它們的價(jià)格確實(shí)昂貴的。而本人的這次設(shè)計(jì)選的是方案三（51 系列單片機(jī)），因?yàn)樗坏軌蛲瓿芍悄芡ń煌舻目刂?，而且它的性能也非常好，價(jià)格也很便宜，是個(gè)非常好的選擇。所以本人選擇了用的比較常用的89C52單片機(jī)當(dāng)作控制器。b、供電方案為了能夠讓交通燈在正常的狀態(tài)下運(yùn)作，應(yīng)該有一個(gè)穩(wěn)定的電源。本人的這次設(shè)計(jì)想到了兩種電源方案：方案一：使用相對(duì)穩(wěn)定的外接電源。這個(gè)方案的好處是性能比較穩(wěn)定安全，并且還有各種相對(duì)完美的電路；缺陷是每一個(gè)部分都使用獨(dú)立的電源，令系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，并且有幾率改變電路電平。方案二：通過(guò)單片機(jī)控制模塊進(jìn)行電源的供給。優(yōu)勢(shì)是系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，省資金；缺陷是輸出的功率低，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。綜合考慮到了本設(shè)計(jì)的情況，本人采用了第一套方案。c、顯示界面方案這次設(shè)計(jì)的運(yùn)用到了倒計(jì)時(shí)和紅綠燈等顯示。本人想到了以下幾個(gè)方案：方案一：全部通過(guò)數(shù)碼管來(lái)顯示。但是這樣只能實(shí)現(xiàn)部分符號(hào)和數(shù)字，并不能實(shí)現(xiàn)全部功能。方案二：全部通過(guò)點(diǎn)陣式LED 顯示。缺點(diǎn)是這種方案比較復(fù)雜，而且程序比較難；但是功能全面，基本上能實(shí)現(xiàn)所需的功能。方案三：通過(guò)數(shù)碼管和點(diǎn)陣LED 一起顯示。從實(shí)際狀況等各方面綜合因素考慮，本人選用方案三數(shù)碼管與LED燈一起來(lái)顯示時(shí)間與狀態(tài)燈。這個(gè)方案不但實(shí)現(xiàn)了全部需求，實(shí)現(xiàn)起來(lái)又比較簡(jiǎn)單。d、輸入方案根據(jù)實(shí)際情況，本人想到了兩種方案：方案一：使用8155擴(kuò)展輸入輸出口以及鍵盤(pán)、顯示等。這種方案的優(yōu)勢(shì)是：比較靈活，而且含有RAM和計(jì)數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O 口,但操作起來(lái)稍顯復(fù)雜。方案二：通過(guò)在輸入輸出口線(xiàn)上接上按鈕開(kāi)關(guān)。該方案優(yōu)勢(shì)是：編程比較容易，使用起來(lái)比較方便，而且成本更加低。缺點(diǎn)就是功能有限。從各方面因素考慮之后，本人使用方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入。我們假設(shè)設(shè)在一個(gè)十字路口上，分別有東西南北四個(gè)方向，在任意時(shí)候只可以讓其中一個(gè)方向的車(chē)輛通過(guò)，另外一個(gè)方向禁止通過(guò)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，將兩個(gè)方向互換。說(shuō)明：黑色代表燈亮，白色代表燈滅。一開(kāi)始紅綠燈的狀態(tài)如下圖（a），然后到（b）、（c）、（d），最后按照這個(gè)順序重復(fù)循環(huán)，：下面是具體的每一個(gè)交通燈的狀態(tài)顯示： （a） （b） （c） （d） 交通狀態(tài)（a）東西方向紅燈亮，車(chē)輛禁止通行，南北方向綠燈亮，車(chē)輛可以通行，倒計(jì)時(shí)13秒（時(shí)間只是方便演示）。（b）東西方向紅燈亮，禁止通行，南北方向黃燈亮，車(chē)輛應(yīng)該等待通行，倒計(jì)時(shí)5秒（時(shí)間只是方便演示）。（c）南北方向紅燈亮，靜止通行，東西方向綠燈亮，車(chē)輛允許通行，倒計(jì)時(shí)24秒（時(shí)間只是方便演示）。（d）南北方向紅燈亮，車(chē)輛禁止通行，東西方向黃燈亮，倒計(jì)時(shí)5秒（時(shí)間只是方便演示）。等待時(shí)間倒計(jì)時(shí)，緊接著回到狀態(tài)（a）下面我們可以用圖表表示燈狀態(tài)和行止?fàn)顟B(tài)的關(guān)系如下：狀態(tài)a狀態(tài)b狀態(tài)c狀態(tài)d東西向禁行等待變換通行等待變換南北向通行等待變換禁行等待變換東西紅燈1100東西黃燈0001東西綠燈0010南北紅燈0011南北綠燈1000南北黃燈0100東西南北四個(gè)交通口都含有紅綠燈以及數(shù)碼管，無(wú)論是哪一個(gè)交通口，凡是看到紅燈的應(yīng)該禁止通行，看見(jiàn)轉(zhuǎn)了綠燈就可以通過(guò)，如果黃燈亮了表示紅綠燈狀態(tài)即將發(fā)生變化。（說(shuō)明：0表示滅，1表示亮）3硬件設(shè)計(jì): 為了滿(mǎn)足這次的交通燈設(shè)計(jì)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，本人選用了STC89C52RC芯片和外圍設(shè)備組成的最小系統(tǒng)，代表紅、綠、黃三種顏色的led交通燈總共14個(gè)，4個(gè)2位LED數(shù)碼管和包括復(fù)位鍵、緊急控制按鍵等，紅外線(xiàn)接受器，驅(qū)動(dòng)電路模塊，若干導(dǎo)線(xiàn)、電阻和電容。構(gòu)成了此次設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊。本系統(tǒng)把單片機(jī)最小系統(tǒng)作為關(guān)鍵核心，由各個(gè)硬件模塊軟件為控制主體組成一個(gè)處理、智能控制為一體的封閉操控系統(tǒng)。其中P0用來(lái)送顯LED數(shù)碼管的段選和位選，P1用來(lái)操控紅綠燈的亮暗，12MHz晶振接在單片機(jī)芯片引腳的XTAL1和XTAL2上，REST引腳接連接復(fù)位電路，P3端口用來(lái)實(shí)現(xiàn)按鈕的控制。單片機(jī)是一塊集成在芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的內(nèi)部包括有CPU、存儲(chǔ)器，定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及中斷系統(tǒng)，基本輸入/輸出（簡(jiǎn)稱(chēng)I/O）接口電路等。因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，所以又稱(chēng)作微控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)MCU）。它在各方面都有良好的優(yōu)勢(shì)，例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制效果好，可靠性高、體積小、價(jià)格低，單片機(jī)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)非常重要的分支，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器、電子玩具等各個(gè)不同的領(lǐng)域。單片機(jī)誕生于上世紀(jì)70年代，經(jīng)歷了三個(gè)階段：SCM、MCU、SOC。一開(kāi)始的SCM單片機(jī)都是8位或4位的。其中英特爾公司的8051發(fā)展迅速。之后的MCS51系列的MCU單片機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在高端的32位SOC單片機(jī)性能已經(jīng)達(dá)到了上世紀(jì)90年代中期專(zhuān)用處理器的水平，且價(jià)格低廉。所以越來(lái)越多的制作業(yè)、工業(yè)離不開(kāi)單片機(jī)。單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)必須包含硬件部分和軟件部分，只有這樣才是完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。軟件部分是指導(dǎo)硬件工作的指令集。沒(méi)有軟件部分，系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。硬件部分則是交通燈系統(tǒng)的基礎(chǔ)。沒(méi)有硬件系統(tǒng)則沒(méi)有所謂的交通燈系統(tǒng)。只有將兩者結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)功能齊全的及交通燈系統(tǒng)。8052是MCS52系列單片機(jī)的典型芯片，不同型號(hào)一般程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)不同，其余內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是完全相同，引腳也全部兼容。Atmel公司的89系列發(fā)展很快，應(yīng)用也最為廣泛，和8052引腳也完全相同，插座也相互兼容。所以用89C52代替8051時(shí)，只要封裝相同就可以直接代換。中央處理器（CPU）：交通燈系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)，而單片機(jī)的控制核心是中央處理器。它與計(jì)算機(jī)的處理器一樣分為4字長(zhǎng)、8字長(zhǎng)、16字長(zhǎng)和32字長(zhǎng)等處理器，它與單片機(jī)的處理數(shù)據(jù)能力、控制功能、運(yùn)算速度等性能等性能有關(guān)，因此，字長(zhǎng)是衡量CPU功能的主要指標(biāo)。CPU由運(yùn)算器和控制器組成。各一個(gè)8位的算術(shù)邏輯單元（簡(jiǎn)稱(chēng)ALU）、累加器（簡(jiǎn)稱(chēng)ACC）、暫存器B和程序狀態(tài)寄存器（簡(jiǎn)稱(chēng)PSW）構(gòu)成了CPU的運(yùn)算器。所述控制器包括程序計(jì)數(shù)器（PC） ，指令寄存器（IR） ，指令譯碼器（ID）和一個(gè)控制電路等。內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM：?jiǎn)纹瑱C(jī)89C52芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器通常是指低128個(gè)單位，可以讀也可以寫(xiě)，是分配給用戶(hù)使用的，在斷電后數(shù)據(jù)會(huì)消失。高128個(gè)單位則是內(nèi)部專(zhuān)用寄存器使用的存儲(chǔ)單位，用戶(hù)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行操作，所以芯片內(nèi)部一共包含256個(gè)RAM單元。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM：89C52芯片的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器使用的是只讀存儲(chǔ)器，這樣有利于系統(tǒng)的可靠及穩(wěn)定性且能節(jié)省成本。它有4KB掩摸ROM，只能讀不能寫(xiě)程序?qū)⒉粫?huì)在斷電后丟失。這樣則不會(huì)改變程序的原始數(shù)據(jù)，通常稱(chēng)為只讀程序存儲(chǔ)器 并行I/O端口：89C52芯片內(nèi)部有4個(gè)8位并行I/O端口（P0口、P1口、P2口和P3口），通過(guò)I/O端口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行輸入輸出，是人機(jī)交互的接口。 串行口： 89C52芯片內(nèi)部串行實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)一個(gè)全雙工異步串行口。該串行口既可以作為同步移位器使用，擴(kuò)展外部I/O端口，又可以作為全雙工異步通信收發(fā)器使用。定時(shí)/計(jì)數(shù)器：89C52芯片內(nèi)部的2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器可以控制單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘，使單片機(jī)按照一定的機(jī)器時(shí)鐘進(jìn)行狀態(tài)控制。還可以進(jìn)行外部定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，是芯片的重要組成部分。中斷系統(tǒng)：8052內(nèi)部共有5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)別分別是高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)，在同級(jí)的情況下，外部中斷0大于定時(shí)器T0中斷大于外部中斷1大于定時(shí)器中斷T1大于串行口中斷。時(shí)鐘電路：89C51芯片單片機(jī)內(nèi)部具有時(shí)鐘電路，只需要在XTAL1和XTAL2引腳之間接上石英晶體和微調(diào)電容就能構(gòu)成完整的時(shí)鐘電路。此系統(tǒng)選用的晶振頻率為12MHz。相應(yīng)的機(jī)器周期是1us。引腳介紹：VCC：STC89C52電源接入端，接+5V。GND：電源接地端。XTAL1和XTAL2：當(dāng)需要使用外部時(shí)鐘時(shí)，則連接外部的時(shí)鐘電路；若要使用內(nèi)部時(shí)鐘則連接電容和晶振。本系統(tǒng)所使用的是內(nèi)部時(shí)鐘，所以在兩引腳間連接了電容和12MHz的晶振。RESET：STC89C52芯片的重置引腳，當(dāng)連續(xù)輸入這個(gè)引腳2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平即有效電平時(shí)，芯片將進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)位操作，各個(gè)寄存器都恢復(fù)到最初的狀態(tài)重新運(yùn)行程序。EA：EA的E的英文是External ，A的英文是Access ，合在一起是外部程序存儲(chǔ)器的意思。上面的橫線(xiàn)則代表低電平有效。所以這個(gè)引腳接高電平則使用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，低電平則使用外部的程序存儲(chǔ)器。在此系統(tǒng)中，由于程序下載到內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中，因此該引腳與+5V電源相連接。ALE：ALE是編程脈沖的輸入端。它以晶振頻率的1/6的固定頻率輸出，所以也可以作為時(shí)鐘電路使用。同時(shí)這個(gè)引腳也是P0口低8位 的地址鎖存器，將低8位數(shù)據(jù)與地址相互隔離，用于系統(tǒng)擴(kuò)展。PSEN：此為Program Store Enable的縮寫(xiě)，其意為程序儲(chǔ)存啟用。低電平有效，當(dāng)引腳輸入低電平時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部ROM單元的讀操作。在執(zhí)行指令的取指階段和從程序存儲(chǔ)器中取數(shù)據(jù)時(shí)有效。P0口（～）：端口0可以作為通用I/O端口使用和地址/數(shù)據(jù)線(xiàn)使用。共有8個(gè)位，，依此類(lèi)推。一個(gè)數(shù)據(jù)輸出D鎖存器、兩個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器、一個(gè)輸出控制電路和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動(dòng)電路共同構(gòu)成了P0口的邏輯電路。如果引腳的電平為低時(shí)（即取用片外RAM擴(kuò)展或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），P0就以雙向口的工作方式提供地址總線(xiàn)（A0～A7）及數(shù)據(jù)總線(xiàn)（D0～D7）。在此設(shè)計(jì)中，P0口是作為通用I/O口將各個(gè)共陰極數(shù)碼管相應(yīng)的段選控制端并聯(lián)在一起，用驅(qū)動(dòng)器74HC245驅(qū)動(dòng)。 P1口（～）：是89C51單片機(jī)唯一的單功能端口，僅僅能用作通用的數(shù)據(jù)輸入/輸出口。 P1口的邏輯電路與P2口相似，但其內(nèi)部沒(méi)有輸出控制電路，而且具有上拉電阻。所以其只能作為通用I/O端口使用。在此系統(tǒng)中，P1口是用來(lái)控制數(shù)碼管的公共端，也稱(chēng)作為“位選端”。P2口（～）：端口2也具有2個(gè)功能：一個(gè)是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，與P0口相似；另一功能也跟P0口相似，P0口的第2功能是作為地址/數(shù)據(jù)線(xiàn)使用，而P2口是單一的地址線(xiàn)使用。系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)作為高8位的數(shù)據(jù)線(xiàn)使用。當(dāng)沒(méi)有在89C51單片機(jī)芯片外擴(kuò)展ROM和RAM，且P2口高8位地址總線(xiàn)沒(méi)有全部用到時(shí)，P2口的口線(xiàn)就可以全部作為通用I/O口線(xiàn)使用。P2口屬于準(zhǔn)雙向口。在本系統(tǒng)中，P2口用于控制LED信號(hào)燈的亮滅。P3口（～）：作為通用I/O口，作為輸出時(shí)，鎖存器的狀態(tài)端（Q）與輸出引腳的狀態(tài)相同；作為輸入端口時(shí)，為使引腳處于高阻輸入狀態(tài)，需向鎖存器輸入程序數(shù)據(jù)“1”。輸入的數(shù)據(jù)在“讀引腳”信號(hào)的作用下，進(jìn)入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)。所以，P3口在作為通用I/O口時(shí)，也屬于準(zhǔn)雙向口。在本系統(tǒng)，P3口作為第二功能使用，主要利用按鍵模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的中斷跳轉(zhuǎn)。P3端口使用第二功能時(shí)：其引腳分配如下：：RXD，串行通信數(shù)據(jù)的接收。：TXD，串行通信數(shù)據(jù)的發(fā)送：INT0，外部中斷0申請(qǐng)。：INT1，外部中斷1申請(qǐng)。：定時(shí)/計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器0的外部輸入。：定時(shí)/計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器1的外部輸入。：：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫(xiě)入信號(hào)。：，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀取信號(hào)。：上面提到單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)可以分為硬件部分和軟件部分。軟件部分指揮各個(gè)硬件執(zhí)行燒錄進(jìn)單片機(jī)內(nèi)的程序，如果沒(méi)有程序那么它顯然是無(wú)法工作的的。但如果它僅僅只是燒錄了程序，它還是同樣無(wú)法工作。原因是除了單片機(jī)和軟件部分外，要使單片機(jī)能夠正常工作，還需要時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。芯片加上時(shí)鐘和復(fù)位電路，這樣才是完整的最小單片機(jī)系統(tǒng)。在XTAL1引腳和XTAL2引腳間跨接一定頻率的晶振構(gòu)成時(shí)鐘電路為單片機(jī)的正常工作提供基本時(shí)鐘，機(jī)器周期則由晶振頻率決定。復(fù)位電路則將系統(tǒng)恢復(fù)初始化。就如同此系統(tǒng)中，將系統(tǒng)恢復(fù)至東西通行，南北禁止的剛啟動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)。 單片機(jī)電路引腳圖為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的同步工作，系統(tǒng)必須有唯一的時(shí)鐘信號(hào)，并在這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換和工作。這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以外部時(shí)鐘也可以芯片自帶的時(shí)鐘信號(hào)。這種時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘電路提供。在本系統(tǒng)中，在STC89C51單片機(jī)XTAL1和XTAL2之間接的是晶振頻率為12MHz的晶振。機(jī)器周期是晶振頻率的十二分頻，所以機(jī)器周期為1us。適當(dāng)編寫(xiě)程序，則可以定時(shí)1ms或者1s的時(shí)間。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)相同，都有可能會(huì)出現(xiàn)故障死機(jī)或斷電的情況，這時(shí)候則需要和計(jì)算機(jī)一樣有一個(gè)復(fù)位鍵將系統(tǒng)重啟，單片機(jī)的復(fù)位電路也是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都恢復(fù)到一個(gè)確定的初始狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)復(fù)位的條件就是RST引腳輸入持續(xù)2次機(jī)器周期的高電平。復(fù)位后PC=0000H，即是從新從程序存儲(chǔ)器的第1個(gè)單元取指令進(jìn)行譯碼。若持續(xù)高電平則會(huì)循環(huán)復(fù)位。按鍵復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位是復(fù)位電路經(jīng)常采用的兩種不同的方式。本系統(tǒng)所使用的