【正文】 目 錄前言........................................................1第1章 交通管理方案論證......................................3 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 方案介紹 3第2章 單片機(jī)概述............................................7 AT89c51芯片 7 89系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 8 ATMEL89系列單片機(jī)的分類 9 I/O口的功能 9 結(jié)構(gòu)框圖 10 引腳描述 11 中斷與定時(shí)/計(jì)數(shù)系統(tǒng) 13 中斷 13 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制寄存器 14 定時(shí)工作方式0 16第3章 交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)...............................18 18 芯片選擇與介紹 19 74HC164芯片介紹 19 max232芯片介紹 19 數(shù)碼管介紹 20 74LS04輸出信號(hào)與信號(hào)燈 23 交通燈控制線路圖 24 串口通信接線圖 25 RSR232總線 25第4章 交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)...............................28 程序設(shè)計(jì)流程圖 28 MATLAB的運(yùn)用 29 MATLAB的語言特點(diǎn) 30 MAX232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的通訊 33 33結(jié)論 .......................................................37參考文獻(xiàn)....................................................38致謝 39附錄一 40附錄二 43前言今天，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。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，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。1868年，英國機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩塊以旋轉(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。1914年，電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市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，一種是把壓力探測器安在地下，當(dāng)車輛接近時(shí),紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下喇叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長一段時(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國《道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定》對各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號(hào)，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號(hào)，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號(hào)，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸中出現(xiàn)了一些傳統(tǒng)方法難以解決的問題。道路擁擠現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越大，并一直保持大比例的增長。現(xiàn)在交通系統(tǒng)已不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。由于生活水平的提高，人們對交通運(yùn)輸?shù)陌踩约胺?wù)水平提出了更高的要求。在交通中管理引入單片機(jī)交通燈控制代替交管人員在交叉路口服務(wù)，有助于提高交通運(yùn)輸?shù)陌踩?、提高交通管理的服?wù)質(zhì)量。并在一定程度上盡可能的降低由道路擁擠造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也減小了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 中國車輛數(shù)量不斷增加，交通控制在未來的交通管理中起著越來越重要的作用。智能交通燈的管理比重修一條馬路無論在經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)行速率上都有很好的效益、更加節(jié)約資源。使交管人員有更多的精力投入到管理整個(gè)城市交通控制，帶來更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,為創(chuàng)造美好的城市交通形象發(fā)揮更多的作用。第1章 交通管理方案論證 設(shè)計(jì)任務(wù)東西（A）、南北（B）兩干道交于一個(gè)十字路口，各干道有一組紅、左轉(zhuǎn)綠、綠三個(gè)指示燈，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。紅燈的設(shè)計(jì)時(shí)間為40秒，綠燈及左轉(zhuǎn)綠燈各為20秒。設(shè)A道和B道的車流量相同。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有闖紅燈的情況時(shí)還能發(fā)出報(bào)警。 方案介紹把設(shè)計(jì)任務(wù)細(xì)化為四個(gè)狀態(tài)，其對應(yīng)狀態(tài)：如圖1 A道為40秒紅燈，B道綠燈20秒A道為20秒紅燈，B道左轉(zhuǎn)20秒綠燈A道為20秒綠燈，B道為40秒紅燈A道左轉(zhuǎn)20秒綠燈，B道為20秒紅燈圖11 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖整個(gè)交通燈控制由四個(gè)狀態(tài)組成，可以用程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。方案1設(shè)計(jì)思想：采用分模塊設(shè)計(jì)的思想，程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本思想是一個(gè)計(jì)數(shù)器 ， 選擇一個(gè)單片機(jī)，其內(nèi)部為一個(gè)計(jì)數(shù)，是十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，模塊化后，通過設(shè)置或程序清除來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換， 由于每一個(gè)模塊的計(jì)數(shù)多不是相同， 這里的各模塊是以預(yù)置數(shù)和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)共同來實(shí)現(xiàn)的，所以要考慮增加一個(gè)置數(shù)模塊，其主要功能細(xì)分為，對不同的狀態(tài)輸入要產(chǎn)生相應(yīng)狀態(tài)的下一個(gè)狀態(tài)的預(yù)置數(shù)， 如圖中A道和B道,分別為次干道的置數(shù)選擇和主干道的置數(shù)選擇。以主干道為例，簡述其設(shè)計(jì)思想。如前分析，已經(jīng)確定該系統(tǒng)有四個(gè)狀態(tài)，而置數(shù)子模塊可定要將下一狀態(tài)的預(yù)置數(shù)準(zhǔn)備好，所以很容易得到主干道的置數(shù)表如：表11表11 置數(shù)表狀態(tài)主干道預(yù)置數(shù)次干道預(yù)置數(shù)004020012020（左轉(zhuǎn)）1020401120（左轉(zhuǎn)）20由該表，就可以通過程序循環(huán)的方法設(shè)計(jì)該模塊，主要思想是通過數(shù)據(jù)判斷指令、跳轉(zhuǎn)指令實(shí)現(xiàn)，由主控制器計(jì)時(shí)和中斷產(chǎn)生的四個(gè)狀態(tài)去譯碼，從而得到不同的輸出，即預(yù)置數(shù)，由上分析可用一個(gè)計(jì)數(shù)器和跳轉(zhuǎn)指令去完成的預(yù)置數(shù)。而紅綠燈的顯示也是一樣，由狀態(tài)分析可以得出紅綠燈的變化表如：表12表12 紅綠燈變化表狀態(tài)主干道燈顯示次干道燈顯示00紅燈綠燈01紅燈左轉(zhuǎn)綠燈10綠燈紅燈11左轉(zhuǎn)綠燈紅燈通過這張表就可以用組合電路實(shí)現(xiàn)該功能了，可以用數(shù)據(jù)選擇器的思想，在本系統(tǒng)中，直接通過門電路的譯碼，接下來就是計(jì)數(shù)模塊了，其主要的功能細(xì)分為，要從預(yù)置數(shù)開始遞減計(jì)數(shù)，一個(gè)狀態(tài)結(jié)束，通過判斷，通知主控制模塊，使之進(jìn)入下一模塊。還有一個(gè)必須考慮到的就是，預(yù)置數(shù)必須在下一個(gè)狀態(tài)來之前準(zhǔn)備好，而紅綠燈的狀態(tài)變化，必須和計(jì)數(shù)狀態(tài)同步，于是引起預(yù)置數(shù)變化的程序要超前于系統(tǒng)本身的狀態(tài)變化，所以，系統(tǒng)中的兩個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，在上一狀態(tài)結(jié)束時(shí)設(shè)置預(yù)置數(shù)，而控制紅綠燈的是隨著系統(tǒng)本身狀態(tài)的變化而變化，體現(xiàn)在本子電路中就是有兩組電路去判斷符合的狀態(tài)。方案2 設(shè)計(jì)思想：狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如：表13表13 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)主干道燈顯示次干道燈顯示00(15S)紅燈綠燈01(05S)紅燈黃燈10(15S)綠燈紅燈11(05S)黃燈紅燈本方案分三步：（1）要建立三路信號(hào)燈的控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用7408 芯片通過組合邏輯控制三路燈的顯示關(guān)系。（2）建立顯示控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用74190 芯片倒計(jì)時(shí)控制，每個(gè)方向用兩片相連實(shí)現(xiàn)，另外用74153芯片，因?yàn)榉治鲋性O(shè)置的時(shí)間末位均為5，所以只要用一片74153 對高位置位，將低位的初值預(yù)置鎖定為5，而高位則根據(jù)需要由反饋部分提供預(yù)置值。（3）建立反饋和細(xì)節(jié)連接部分，本部分主要解決顯示和燈控的同步問題本系統(tǒng)采用倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)減為0，如當(dāng)系統(tǒng)減為0 時(shí)通過兩個(gè)D觸發(fā)器得到兩個(gè)變量，即為開頭分析中的狀態(tài)，通過它的變化得到不同的邏輯關(guān)系，驅(qū)動(dòng)74153 控制哪組燈亮（對應(yīng)關(guān)系如表所示），另外他還要同步反饋到顯示系統(tǒng)的置數(shù)環(huán)節(jié)。注意：本實(shí)驗(yàn)中若采用更復(fù)雜的四片74190控制主干道的兩組燈，再用八片74153分別對74190置數(shù)可實(shí)現(xiàn)任意數(shù)值的交通燈系統(tǒng)。另外對7408 片子的控制紅燈的端口用一個(gè)與門將一端再接一個(gè)頻率一定的方波，使一邊為黃燈時(shí)，另一邊的紅燈在閃爍。方案比較：方案1（以下稱1）用了模塊設(shè)計(jì)，而方案2（以下稱2）采用的是一般設(shè)計(jì)，相比之下1有較強(qiáng)的可讀性和較強(qiáng)的可修改性，而2則在設(shè)計(jì)上顯得較簡單，設(shè)計(jì)純樸，便于測試，它的優(yōu)勢則在于提供了一條較為便捷的解決方案。2首先將許多邏輯關(guān)系簡化到極點(diǎn)，而后將其一起集成用較少的芯片去完成所需功能。我們從中可以得出的是，我們最終的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量使用模塊化設(shè)計(jì)。對工程設(shè)計(jì)人員來說，將來的產(chǎn)品無論從修改還是升級(jí)考慮對有好處，但另外我們又需將設(shè)計(jì)簡單化，因此我覺得在設(shè)計(jì)初期盡可能的簡單化設(shè)計(jì)，而一旦設(shè)計(jì)的各項(xiàng)測試通過了，在有可能的條件下將設(shè)計(jì)模塊化，所以本設(shè)計(jì)以第一方案為主進(jìn)行。 第2章 單片機(jī)概述 AT89c51芯片ATMEL 89系列單片機(jī)是以8031為結(jié)構(gòu)的，所以，它和8051系列單片機(jī)是兼容的系列。單片機(jī)是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備以及輸出設(shè)備共五個(gè)基本部分組成的。單片機(jī)是把包括運(yùn)算器、控制器、少量的存儲(chǔ)器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時(shí)電路等都集成在一個(gè)尺寸有限的芯片上。通常，單片機(jī)由單個(gè)集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)經(jīng)過3代的發(fā)展，目前單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的CPU功能在增強(qiáng)，內(nèi)部資源在增多，引腳的多功能化，以及低電壓、低功耗?？梢哉f，二十世紀(jì)跨越了三個(gè)“電”的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。不過，這種電腦，通常是指個(gè)人計(jì)算機(jī)，簡稱PC機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計(jì)算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計(jì)算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)。顧名思義，這種計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡單運(yùn)算和控制。因?yàn)樗w積小，通常都藏在被控機(jī)械的“肚子”里。它在整個(gè)裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個(gè)裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等?，F(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機(jī)或其它可編程邏輯器件上。 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。它主要是作為控制部分的核心部件。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 89系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)89系列單片機(jī)對于一般的用戶來說，存在下面很明顯的優(yōu)點(diǎn)：1. 含有FLASH存儲(chǔ)器因此在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進(jìn)行修改，這就大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。同時(shí)，在系統(tǒng)工作過程中，能有效地保持一些數(shù)據(jù)信息，即使外界損壞也不影響到信息的保持。2. 和80C51插座兼容89系列單片機(jī)的引腳是和80C51一樣的，所以，當(dāng)89系列單片機(jī)取代80C51時(shí)，可以進(jìn)行代換。（1）靜態(tài)時(shí)鐘方式89系列單片機(jī)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。（2）錯(cuò)誤編程亦無廢品產(chǎn)生一般的OPT產(chǎn)品，一旦錯(cuò)誤編程就成了廢品。而89系列單片機(jī)內(nèi)部采用了FLASH存儲(chǔ)器，所以，錯(cuò)誤編程后可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。（3）可進(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)試驗(yàn)用89系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)；每次試驗(yàn)可以不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。而且隨用戶的需要和發(fā)展，還可以進(jìn)行修改，使系統(tǒng)不斷能追隨用戶的最新要求。3. 89系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)89系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和89C51相近，它主要含有如下一些部件。（1）8031CPU（2）振蕩電路（3）總線控制部件（4）重點(diǎn)控制部件（5）片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器（6）片內(nèi)RAM（7）并行I/O接口（8）定時(shí)器（9）串行I/O接口 ATMEL89系列單片機(jī)的分類ATMEL89系列單片機(jī)可分成標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)、低檔型號(hào)和高檔型號(hào)三類。89系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)型有AT89C51等4種型號(hào)，它們基本結(jié)構(gòu)和89C51是類似的，是80C51的兼容產(chǎn)品，89系列單片機(jī)的低檔型有AT89C1051等2種型號(hào)，它們的CPU和89C51是相同的，但是并行I/O口較少。高檔型的有AT89S8252，這是一種可下載FLASH單片機(jī)，它和IBM微機(jī)通信進(jìn)地程序是十分方便的。 I/O口的功能在AT89C51中有四個(gè)雙向I/O端口P0 ~ P3口，每個(gè)端口都是由鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器、輸入緩沖器組成。當(dāng)CPU控制系統(tǒng)與外部設(shè)備交換信息時(shí)，都是通過端口鎖存器進(jìn)行的。四個(gè)I/O端口都可作輸出輸入使用，其中P0和P2口通常用于對外部存儲(chǔ)器的訪問。接通鎖存器時(shí)，P0口作為雙向I/O使用，如P0口的鎖存器的值為1，