【正文】 ................................ 30 1 1 緒論 研究背景 當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車(chē)輛最常見(jiàn)和最有效的手段。但這一技術(shù)在 19 世紀(jì)就已出現(xiàn)了。 1858 年，在英國(guó)倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源 的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車(chē)通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。 1868 年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。 1869 年 1 月 2 日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。 電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成， 1914 年始安裝于紐約市 5 號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。 1918 年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈 。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車(chē)輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來(lái)啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺(jué)到有人要過(guò)馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車(chē)放行，以免發(fā)生交通事故。 交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。 一般的交通燈系統(tǒng)采用固定周期換燈的控制方式，路口的交通燈大多只有紅綠黃指示燈，行人在過(guò)路口時(shí)，會(huì)出現(xiàn)走到路中央綠燈跳變?yōu)榧t燈的情 況。為符合以人為本的設(shè)計(jì)理念 ，我們可在路口安裝與信號(hào)燈同步的倒記時(shí)顯示器，行人和自行車(chē)可根據(jù)綠燈結(jié)束的時(shí)間決定是否過(guò)路口。 設(shè)計(jì)中我們 用 AT89C51 單片機(jī)的并行口接發(fā)光二極管，模擬交通燈的變化規(guī)律。 8 個(gè)數(shù)碼管用來(lái)顯示秒值，東、西、南、北各兩個(gè)。 12 個(gè)發(fā)光二極管，東、西、南、北各三個(gè)，分為紅、綠、黃三種顏色。 單片機(jī)的概述 單片機(jī)指集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)，也就是把組成微型計(jì)算機(jī)的各種功能部件，包括 CPU（ Central Processing Unit）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM（ Random Access Memory）、2 只讀存儲(chǔ)器 ROM（ ReadOnly Memory）、基本輸入 /輸出（ Input/Output）接口電路、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等部件都制作在一塊集成芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)的基本功能。 單片機(jī)的應(yīng)用 （ 1）智能儀器儀表 現(xiàn)代儀器儀表采用單片機(jī)，不僅提高了儀器儀表使用功能和精度，使儀器儀表智能化而且簡(jiǎn)化了其結(jié)構(gòu)，減小了體積，降低了成本。 （ 2）工業(yè)控制 單片機(jī)還可以用于工業(yè)控制器對(duì)各種物理量的采集及控制。例如，電流、溫度、電壓、流量等等物理參數(shù)的采集和控制都 可以利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 （ 3）家用電器 現(xiàn)在家用電器都向智能化發(fā)展，單片機(jī)是家用電器智能化的大腦和心臟。例如洗衣機(jī)、空調(diào)、電冰箱、電視機(jī)等。 （ 4）信息和通信產(chǎn)品 信息和通信產(chǎn)品的自動(dòng)化和智能化也離不開(kāi)單片機(jī)的參與。典型產(chǎn)品如：打印機(jī)、傳真機(jī)、考勤機(jī)、電話機(jī)等。 單片機(jī)的發(fā)展 史 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，大致可分為 4 個(gè)階段： 第一階段（ 1976～ 1978）：低性能單片機(jī)的探索階段。以 Intel 公司的 MCS48 為代表，采用了單片結(jié)構(gòu)，即在一塊芯片內(nèi)含有 8 位 CPU、定時(shí)器 /計(jì)數(shù) 器、并行 I/O、 RAM 和 ROM等。主要用于工業(yè)領(lǐng)域。 第二階段（ 1978～ 1982）：高性能單片機(jī)階段。這一類單片機(jī)帶有串行 I/O 口， 8 位數(shù)據(jù)線、 16 位地址線可以尋址的范圍達(dá)到 64KB，有控制總線、較豐富的指令系統(tǒng)等。這類單片機(jī)的應(yīng)用范圍較廣，并在不斷地改進(jìn)和發(fā)展。 第三階段（ 1982～ 1990）： 16 位單片機(jī)階段。 16 位單片機(jī)除 CPU 為 16 位外，片內(nèi)RAM 和 ROM 容量進(jìn)一步增大，實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)，體現(xiàn)了微控制器的特征。 第四階段（ 1990～ ）：微控制器的全面發(fā)展的階段。各公司的產(chǎn)品在盡量兼容的同時(shí)向高速 、強(qiáng)運(yùn)算能力、尋址范圍大以及小型廉價(jià)方面發(fā)展。 3 2 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 原理 本設(shè)計(jì)主要采用 AT89C51 單片機(jī)為核心結(jié)合電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，并 與 外圍倒計(jì)時(shí)顯示電路和指示電路共同構(gòu)成單片機(jī)模擬交通燈系統(tǒng)。其系統(tǒng)整體框圖如下圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)整體框圖 E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U7A T 89 C 5 1C230 p FC130 p FY1C R Y S T A L+C3C A P A C I T O R P O LR1R E S 2X1X2X1X2V C CabfcgdeD P Y[ L E D g n]1234567abcdefgD S 6D P Y _7 S E GabfcgdeD P Y[ L E D g n]1234567abcdefgD S 1D P Y _7 S E GabfcgdeD P Y[ L E D g n]1234567abcdefgD S 4D P Y _7 S E GabfcgdeD P Y[ L E D g n]1234567abcdefgD S 7D P Y _7 S E GabfcgdeD P Y[ L E D g n]1234567abcdefgD S 8D P Y _7 S E GabfcgdeD P Y[ L E D g n]1234567abcdefgD S 5D P Y _7 S E GabfcgdeD P Y[ L E D g n]1234567abcdefgD S 3D P Y _7 S E GabfcgdeD P Y[ L E D g n]1234567abcdefgD S 2D P Y _7 S E GD S 0l e d r e dD S 2l e d ye l l owD S 1l e d gr e e nD S 4l e d gr e e nD S 3l e d r e dD S 5l e d ye l l owD S 6l e d r e dD S 7l e d gr e e nD S 9l e d r e dD S 11l e d ye l l owD S 8l e d ye l l owD S 10l e d gr e e nU274 0 5U574 0 5U174 0 5U674 0 5U374 0 5U474 0 5V C CP2.4P2.5P2.6P 2. 1P 2. 2P 2. 3P 2. 1P 2. 2P 2. 3P 2. 4P 2. 5P 2. 6東西北南0001112223334445556660011223344556600011122233344455566600112233445566000111222333444555666001122334455660001112223334445556660011223344556600011122233344455566600113322554466 圖 22 系統(tǒng)原理圖 電源電路 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 單片機(jī)AT89C51 顯示電路 指示電路 4 AT89C51 的介紹 圖 23 單片機(jī)內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)采用的是 Atmel公司的 89C51 是 MCS51 系列單片 機(jī)的典型產(chǎn)品， 其主要結(jié)構(gòu) 包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器 （ ROM） 、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （ RAM） 、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說(shuō)明： （ 1）中央處理器 （ CPU） 中央處理器 （ CPU） 是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。 （ 2） 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括 RAM（ 128*8）和 RAM 地址寄存器，用于存放可讀 /寫(xiě)的數(shù) 據(jù)。實(shí)際其幾個(gè)內(nèi)部共有 256 個(gè) RAM 單元，但其中后 128 個(gè)單元為專用寄存器，能作為普通RAM 存儲(chǔ)器供用戶使用的只是前 128 個(gè)單元。因此，通常所說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是指前128 個(gè)單元，簡(jiǎn)稱“內(nèi)部 RAM”。 （ 3）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器包括 ROM（ 4K*8）和程序地址寄存器等。 AT89C51 共有 4KB 掩膜ROM，用于存放程序和原始數(shù)據(jù)，因此稱之為程序存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱“內(nèi)部 ROM” （ 4）定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 由于控制應(yīng)用的需要， 89C51 內(nèi)部共有兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，用定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器0 和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 表示， 用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)單片機(jī)進(jìn)5 行控制。 （ 5）并行 I/O 口 89C51 共有 4 個(gè) 8 位 I/O 口 （ P0、 P P2 和 P3） ， 以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入 /輸出。 （ 6）串行口 89C51 單片機(jī)有一個(gè)全雙工串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他數(shù)據(jù)設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。 （ 7）中斷控制電路 89C51 的中斷功能較強(qiáng)，以滿足控制應(yīng)用的需要。共有 5 個(gè)中斷源，即外中斷 2 個(gè)，定時(shí) /計(jì)數(shù)中斷 2 個(gè)，串行中斷 1 個(gè)。全部中斷分為高級(jí)和低級(jí)共兩個(gè)優(yōu)先 級(jí)別。 （ 8）時(shí)鐘電路 89C51 芯片內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。 AT89C51 的引腳說(shuō)明 圖 24 AT89C51 的引腳圖 按其功能可分為電源、時(shí)鐘、控制和 I/O 接口四大部分： （ 1） 電源引腳 Vcc：電源端，接 +5V ； Vss：接地端。 （ 2）時(shí)鐘引腳 XTAL1 和 XTAL2： 當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)， XTAL1 和 XTAL2 用于外接石英晶體諧振器和微調(diào)電容