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目錄
第一章 前言…………………………………………………………………………3
第二章 單片機概述………………………………………………………………4
2.1單片機的定義……………………………………………………………………4
2.2單片機的發展方向…………………………………………………………5
2.3 單片機的應用……………………………………………………………………5
2.4 MCS-51簡介………………………………………………………………………6
第三章 單片機交通燈控制……………………………………………………………7
3.1 硬件電路……………………………………………………………………………7
3.1.1芯片選用……………………………………………………………………………7
3.1.2硬件電路圖……………………………………………………7
3.1.3系統工作原理………………………………………………………………………7
3.2軟件設計………………………………………………………………8
3.2.1 每秒鐘的設定………………………………………………………8
3.2.2 計數器初值計算………………………………………………………8
3.2.3 綜合計算………………………………………………………8
3.2.4 設定一秒的方法………………………………………………………8
3.2.5 程序設計………………………………………………………8
3.3 軟件延時………………………………………………………9
3.4 時間及信號燈顯示………………………………………………………9
3.5 程序………………………………………………………13
第四章 總結……………………………………………………………………………12
參考文獻………………………………………………………………………………13
致謝………………………………………………………………………………14
第一章 前言
城市交通是保持城市活力最主要的基礎設施，是城市生活的動脈，制約着城市經濟的發展。展望21世紀的城市交通事業，給我們提出了更高要求。發展多層次、立體化、智能化的交通體系，將是城市建設發展中普遍追求的目標。而發展大、中、低客運量相互匹配的多種形式相結合的客運交通工具，將是實現上述遠景目標的一項重大技術決策措施。
自改革開放以來，我國的城市規模和經濟建設都有了飛速的發展7城市化進程在逐步加快，城市人口在急劇增加，大量流動人口涌進城市，人員出行和物資交流頻繁，使城市交通面臨着嚴峻的局勢。當前，全國大中城市普遍存在着道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現象。如何解決城市交通問題已成爲全社會關注的焦點和大衆的迫切呼聲。
當今，紅綠燈安裝在各個交通要道上已經成爲了緩解交通問題最常見、最根本、最有效的方法。交通燈的出現使交通得以有效管制，對於疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯的效果。
單片機是一種集成的微型計算機，與微處理器相比，它可單獨地完成現代工業控制所要求的智能化控制功能，它有唯一的、專門爲嵌入式應用而設計的體系結構和指令系統。紅綠燈的控制有PLC控制，單片機控制等方法，隨着近年來單片機控制交通燈技術的成熟，單片機給交通帶來了很大的便利。
第二章 單片機概述
二十世紀七十年代，微電子技術正處於發展階段，集成電路屬於中規模發展時期，各種新材料新工藝尚未成熟，單片機仍處在初級的發展階段。1974年，美國研製出了世界第一臺單片微型計算機F8，深受家用電器和儀器儀表領域的歡迎和重視，從此拉開了研製單片機的序幕。
2.1單片機的定義
所謂單片機，即把組成微型計算機的各個功能部件，如中央處理器(CPU)、隨機存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出接口電路(I/O口)、定時/計數器以及串行通信接口等集成在一塊芯片中，構成一個完整的微型計算機。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規定的任務。與微處理器相比，它可單獨地完成現代工業控制所要求的智能化控制功能，它有唯一的、專門爲嵌入式應用而設計的體系結構和指令系統這是單片機最大的特徵。
現代單片機加上了中端單元、定時單元及A/D轉換電路等更復雜、更完善的電路，使得單片機的功能越來越強大，應用更廣泛。因此可以把單片機理解爲一個單芯片形態的微控制器。
單片機是單芯片形態作爲嵌入式應用的計算機，它有唯一的、專門爲嵌入式應用而設計的體系結構和指令系統，加上它的芯片級體積的優點和在現場環境下可高速可靠地運行的`特點，因此單片機又稱爲嵌入式微控制器。
2.2單片機的發展方向
單片機的發展趨勢將是向着高性能化，大容量，小容量、低價格化及外圍電路內裝化等幾個方面發展。
(1)單片機的高性能化：主要是指進一步改進CPU的性能，加快指令運算的速度和提高系統控制的可靠性，並加強了位處理功能、中斷和定時控制功能;採用流水線結構，指令以隊列形式出現在CPU中，從而有很高的運算速度。
(2)片內存儲器大容量化：以往單片機的片內ROM爲1到4KB，RAM爲64到128B。因此在一些較複雜的應用系統中，存儲器容量就顯得不夠，不得不外擴存儲器。爲了適應這種領域的要求，利用新工藝，將片內存儲器的容量大幅度增加，不得不外擴存儲器。爲了適應這種領域的要求，利用新工藝，將片內存儲器的容量大幅度增加，片內ROM可以達到12KB。
(3)小容量、低價格化：與上述相反，小容量、低價格化的4位、8位單片機也是發展方向之一。這類單片機主要用於兒童玩具等較小規模的控制系統。
(4)外圍電路內裝化：隨着集成度的不斷提高，有可能把衆多的各種外圍功能器件集成在片內。除了一般必須具備的CPU、RAM、ROM、定時/計數器等之外，片內集成的部件還有A/D、D/A轉換器，DMA控制器，聲音發生器，監視定時器，液晶顯示驅動器，彩色電視機和錄像機用的鎖相電路等。
(5)增強I/O接口功能：爲了減少外部驅動芯片，進一步增加單片機並行口的驅動能力，現在有些單片機可直接輸入大電流和高電壓，以便直接驅動顯示器。
(6)加快I/O接口的傳輸速度：有些單片機設置了高速I/O接口，以便能以更快的速度觸發外圍設備，以更快的速度讀取數據。
2.3單片機的應用
單片機廣泛應用於儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分爲如下幾個：
1.在計算機網絡和通信領域中的應用;
2.在工業控制中的營運;
3.在家用電器中的應用;
4.在智能儀器儀表上的應用;
5.在醫用設備領域的應用;
2.4 MCS-51簡介
MCS-51系列單片機在結構上基本相同，只是在個別模塊和功能上有些區別。MCS-51單片機是在一塊芯片中集成了一個8位CPU、128B RAM、4KB ROM、兩個16位定時/計數器、32個可編程I/O口和一個可編程的全雙工串行接口、五個中斷源、一個片內振盪器等。
1.中央處理器(CPU)：中央處理器是單片機的核心部分，是一個8位的中央處理單元，它對數據的處理是以字節爲單位進行的，CPU主要由運算器、控制器和寄存器陣列組成。
2.數據存儲器(片內RAM)：數據存儲器用於存放變化的數據。在8051單片機中，通常把控制與管理寄存器(簡稱爲“專用寄存器”)在邏輯上劃分在片內RAM中，因爲其地址與RAM是連續的。8051單片機數據存儲器的地址空間爲256個RAM單元，但其中能作爲數據存儲器供用戶使用的僅有前面128個，後128個被專用寄存器佔用。
3.程序存儲器(片內ROM)：程序存儲器用於存放程序和固定不變的常數、表格等。通常採用只讀存儲器，且其有多種類型。
4.定時/計數器：定時/計數器用於實現定時和計數功能。8051單片機共有兩個16位定時/計數器，8052單片機共有三個16位定時/計數器。
5.並行I/O口：8051單片機共有四個8位的並行I/O(P0、P1、P2、P3)，每個口都由一個鎖存器和一個驅動器組成。並行I/O口主要是用於實現與外部設備中數據的並行輸入/輸出，有些I/O口還具有其他功能。
6.串行口：8051單片機有一個全雙工異步串行口，用以實現單片機和其他具有相應接口的設備之間的異步串行數據傳送。
7.時鐘電路：時鐘電路的作用是產生單片機工作所需要的時鐘脈衝序列。
8.中斷系統：中斷系統的主要作用是對外部或內部的中斷請求進行管理與處理。8051單片機的中斷系統可以滿足一般控制應用的需要：共有五個中斷源，其中有兩個外部中斷源INT0和INT1、三個內部中斷源(兩個定時/計數器中斷和一個串行口中斷);此外，8052單片機還增加了一個定時器2的中斷源。
第三章 交通燈單片機控制
3.1 硬件電路
3,1.1芯片選用：
選用設備8031單片機一片，8255並行通用接口芯片一片，74LS07，MAX692“看門狗”一片，共陰極的七段數碼管兩個，雙向晶閘管若干，7805三端穩壓電源一個，紅、黃、綠交通燈各兩個，開關鍵盤、連線若干。
3.1.2 硬件電路圖：
3.1.3 系統工作原理：
1.開關鍵盤輸入交通燈初始時間，通過8051單片機P1輸入到系統。
2.由8051單片機的定時器每秒鐘通過P0口向8255的數據口傳送信息，由8255的PA口顯示紅、綠、黃等的燃亮情況;由8255的PC口顯示每個燈的燃亮時間。
3.8051通過設置各個信號等的燃亮時間，通過8031設置，綠、紅時間分別爲60秒，80秒循環由8051的P0口向8255的數據口輸出。
4.通過8051單片機的P3.0位來控制系統的工作或設置初值，當牌位0就對系統進行初始化，爲1系統就開始工作。
5.紅燈倒計時時間，當有車輛闖紅燈時，啓動蜂鳴器進行報警，3S後恢復正常。
6.增加每次綠燈時間車流量檢測的功能，並且通過查詢P2.0端口的電平是否爲低，開關按下爲低電平，雙位數碼管顯示車流量，直到下一次綠燈時間重新記入。
7.綠燈時間倒計時完畢，重新循環。
3.2 軟件設計
3.2.1每秒鐘的設定：
利用MCS-51內部定時器材溢出中斷來確定1秒的時間。
3.2.2 計數器初值計算：
定時器工作時必須給計數器送計數器初值，這個值是送到TH和TL中的，他是以加法計數的，並能從全1到全0時自動產生溢出中斷請求。因此，我們可以把計數器記滿爲零所需的計數值設定爲C和計數初值設定爲TC，即：
TC=M-C;式中，M爲計數器模值，該值和計數器工作方式有關，在方式0時M爲213;在方式1時M的值爲216;在方式2和3時爲28。
3.2.3 綜合計算：
T=(M-TC)T1 或者 TC=M-T/T1 式中T1是單片機時鐘週期的12倍;TC爲定時初值。這種方法在使用後悔超過計數器的最大定時間，所以再採用定時器和軟件相結合的辦法。
3.2.4 設定一秒的方法：
我們採用在主程序中設定一個初值爲20的軟件計數器和使T0定時50毫秒，這樣每當T0到50毫秒時CPU就響應它的溢出中斷請求,進入他的中斷服務子程序，在中斷子程序中，CPU先使軟件計數器減1，然後判斷它是否爲零，爲零表示1秒已到可以返回到輸出時間顯示程序。
3.2.5 程序設計：
1.主程序：
定時器定時50毫秒，故T0工作於方式1，初值：
TC=M-T/T1=216-50ms/1us=3CBOH
ORG 1000H
START:MOV TMOD, #01H; 令T0爲定時器方式1
MOV TH0， #3CH; 裝入定時器初值
MOV TL0， #BOH;
MOV IE, #82H; 開T0中斷
SEBT TR0; 啓動T0計數器
MOV R0， #14H; 軟件計數器賦初值
LOOP: SJMP S; 等待中斷
2.中斷服務子程序：
ORG 000BH
AJMP BRT0
ORG 00BH
BRT0：DJNZ R0，NEXT AJMP TIME; 跳轉到時間及信號燈顯示子程序
DJNZ:MOV R0，#14H; 恢復R0值
MOV TH0，#3CH; 重裝入定時器初值
MOV TL0，#BOH;
MOV IE, #82H
RET1
END
3.3 軟件延時
MCS-51的工作頻率爲2-12MHZ，我們選用的8051單片機的工作頻率爲6MHX，機器週期與主頻由關，機器週期是主頻的12倍，所以一個機器週期的時間爲12*(1/6M)=2us，我們可以知道具體每條指令的週期數，這樣我們就可以通過指令的執行條數來確定1秒的時間。
3.4時間及信號燈顯示
當定時器定時爲1秒時，程序跳轉到時間顯示及信號燈顯示子程序，它將依次顯示信號燈時間，同時一直顯示信號燈的顏色，這時在返回定時子程序定時一秒，在顯示黃燈的下一個時間，這樣依次把所有的燈色的時間顯示完後再重新給時間計數器賦初值，重新進入循環。由於發光二極管爲共陽極接法，輸出端口爲低電平，對應的二極管發光，所以可以用復位方法點亮紅，綠，黃髮光二極管。
3.5 程序
實現交通燈的交替控制及特殊情況(如急救車等)通過時 ，通過外中斷實現：
North_South_Red BIT P1.0
North_South_Yellow BIT P1.1
North_South_Green BIT P1.2
East_West_Red BIT P1.3
East_West_Yellow BIT P1.4
East_West_Green BIT P1.5
Scd EQU 30H ;秒
ORG 0000H
JMP START
ORG 0003H
JMP INIT0
ORG 000BH
JMP TIME0
交通燈交替工作時，紅綠黃交替點亮： 紅燈亮33秒鐘後綠燈亮27秒，然後閃爍3秒，最後黃燈點亮三秒 ，循環。
TIME0:
MOV TH0,#30H
MOV TL0,#0B0H
INC 31H
MOV A,31H
N: CJNE A,#20,EXIT ;判斷是否到一秒
MOV 31H,#0
INC Scd
MOV A,Scd
CJNE A,#27,NEXT1 ;判斷綠燈是否到27s
SETB F0
JMP EXIT
NEXT1: MOV A,Scd
CJNE A,#30,NEXT2 ;判斷綠燈是否亮30s
CLR F0
MOV P1,#0EEH
JMP EXIT
NEXT2:
MOV A,Scd
CJNE A,#33,NEXT3
MOV P1,#0F3H ;初始化
NEXT3:
MOV A,Scd
CJNE A,#60,NEXT4
SETB 00H
JMP EXIT
NEXT4: MOV A,Scd
CJNE A,#63,NEXT5
CLR 00H
MOV P1,#0F5H
JMP EXIT
NEXT5: MOV A,Scd
CJNE A,#66,EXIT
MOV P1,#0DEH
MOV Scd,#0
EXIT: RETI
外中斷：東西方向出現特殊情況 時南北紅燈亮，東西綠燈亮，延時10s。
INIT0:
PUSH PSW
PUSH ACC
CLR EA
MOV R2,P1 ;保存數據
MOV P1,#0F6H
CALL DELLAY10S
MOV P1,R2 ;恢復
SETB EA
POP ACC
POP PSW
RETI
主程序：
START:
MOV Scd, #00H
MOV 31H, #00H
MOV P1, #0FFH
CLR 00H
CLR F0
MOV TMOD, #01H ;設定定時器1
MOV IE, #83H ;設定中斷使能 定時器中斷0、外部中斷0和1
MOV SP, #60H
MOV TH0, #30H
MOV TL0, #0B0H
SETB TR0
LOOP:
JNB F0,N0
CPL East_West_Green ;綠燈閃三秒
CALL DELAY500MS
JMP N1
N0:
JNB 00H,N1
CPL North_South_Green ;綠燈閃三秒
CALL DELAY500MS
N1:
JMP LOOP
第四章 總結
本系統實現了紅、綠燈燃亮時間的功能，紅綠燈循環點亮，倒計時剩5秒時黃燈閃爍警示。車輛闖紅燈報警;綠燈時間可檢測車流量並可通過雙位數碼管顯示。系統不足之處不能控制車的左、右轉、以及自動根據車流改變紅綠燈時間等。這是由於本身地理位子以及車流量情況所定，如果有需要可以設計擴充原系統來實現。
通過此次課題的研究，讓我更加深入的瞭解了單片機的一些功能，對於單片機在日常生活中的運用有了更深層次的瞭解。在研究時也發現了自身對於單片機的不理解之處，並查看相關書籍等資料解決了不懂的問題。結合實際工作中的實踐，和這次的畢業論文撰寫，瞭解了很多也學到了很多。同時，對以前所學的專業知識，有了進一步的加深和鞏固。
參考文獻
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[7] 餘錫存 曹國華.單片機原理及接口技術，陝西:西安電子科技大學出版社，2000.7
致謝
通過這段時間的研究設計學習，我學到了很多以前不知道的知識，並且在學習中培養了一種做事情一絲不苟的態度和耐心，爲以後的工作打下了堅實的基礎。
在此我要向我們論文的指導老師表示衷心的感謝，可以讓我通過這次機會系統學習了單片機的有關知識，並能具體結合實踐生活完成交通燈的設計，他幽默，風趣，嚴謹的教學作風將是我學習的榜樣。
