苏州市职业大学
课程设计说明书
名称 基于AT89S51的红绿灯控制
20##年06月16日至20##年06月20日共 1 周
学院(部) 电子信息工程
班 级 12电气（3）
姓 名 乔天宇
学 号 127301325
学院(部)负责人 邓建平
系 主 任 苏品刚
指导教师 张波
目录
绪论................................................................................................................................. 2
第一章 单片机概述.......................................................................................................... 3
1.1 单片机的定义及其特点........................................................................................ 3
1.1.1 单片机定义............................................................................................... 3
1.1.2 单片机的特点............................................................................................ 3
1.2 单片机的发展历史.............................................................................................. 4
1.3 单片机的发展趋势.............................................................................................. 5
1.4 单片机的应用领域.............................................................................................. 6
第二章 交通灯控制基本原理............................................................................................ 8
2.1 设计原理............................................................................................................ 8
2.2 控制系统电路图................................................................................................. 8
第三章 控制系统中主元件简介......................................................................................... 9
3.1 所有元件............................................................................................................ 9
3.2 74LS164芯片...................................................................................................... 9
3.2.1 概述........................................................................................................ 9
3.2.2 功能作用................................................................................................. 9
3.2.3 特性....................................................................................................... 10
3.3 八段数码管....................................................................................................... 10
3.3.1 结构介绍.............................................................................................. 10
3.3.2 性能特点................................................................................................ 10
3.3.3 使用注意事项......................................................................................... 10
第四章 电路板的焊接及控制程序编写............................................................................ 12
4.1 电路板实物图................................................................................................... 12
4.2 控制程序.......................................................................................................... 12
4.3 调试................................................................................................................. 15
第五章 总结................................................................................................................ 17
参考文献........................................................................................................................ 18
绪论
在当今社会，随着城市的不断扩大，人口的不断增长，道路越来越趋向于拥挤和复杂，交通阻塞必不可免。因此，我们必须设置红绿灯来维持交通秩序，以减少交通事故和交通阻塞，保持道路的通畅度。但是，交通红绿灯往往存在着红灯停滞时间过长的问题。因此，本文将分别从红绿灯时间设置优化进行讨论。
城市交通管理问题的基本问题之一，是城市道路交通信号控制问题。即根据不同交叉路口、不同相位、不同方向、不同时段的交通流量(标准车辆数)，合理的配置各路口的信号灯的周期长，以及同一周期内的红、绿、黄信号的响应时间。以前大多采用固定周期，固定信号比的配时控制方案。为提高道路服务功能，设计实时优化的配时方案及红绿灯类型挑选对道路畅通和应急决策管理具有重要意义。实时配时方案，即根据交通流量的实时大小，实时配置信号灯的周期长、各种色灯的响应时间，同时考虑信号灯的转换与车辆的起动的损失时间，设置最优的时间使得车辆的淤积量达到最小的范围。
交通路况的改善一直是社会大众所希望看到的，数学领域通过研究交通流、红绿灯时间间隔等方面来对交通进行研究，像《一类休假排队模型及其在红绿灯问题中的应用》一文中对运用概率统计中的泊松分布对车辆等待时间进行研究；《交通流问题的有限元分析和模拟（三）》一文中则是运用微分数值解来近似模拟交通流的分布，再运用差分化的解法求出近似方程；《信号控制交叉口绿灯间隔时间计算方法》一文则是运用简单的数学方法严格分析影响绿灯时间间隔的因素，《城市道路交通信号控制中的绿灯间隔时间问题》则是比较各个国家的绿灯时间间隔的算法及考虑因素。但是，对于的十字路口的交通时间优化问题的研究趋于空白。 因为交通红绿灯的时间并不会随着不同的状况而改变，这时就会出现我们日常所说交通阻塞问题。如果我们再运用交通流等方法时，势必令问题趋于复杂化。因此，我们引入了交通红绿灯的优化模型，致力于使问题能够更加简单化，解决我们的生活实际问题。 路口的阻塞程度，主要参量是道路车辆的淤积长，均匀车流在遇到红灯后会产生长度不断增长的停止车队，淤积的速度是由车流量、车流密度、车流增长密度等共同决定的。为了使问题不过于复杂，我们在分析问题时，将模型基于孤立的路口上来研究，即十字路口。
第一章 单片机概述
1.1 单片机的定义及其特点
1.1.1 单片机定义
单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
近几年单片机以其体积小，价格低廉，可靠性高，广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、通信设备以及日常消费类产品等。单片机技术开发和应用水平已成为衡量一个国家工业化水平的标志之一。
1.1.2 单片机的特点
一块单片机芯片就是一台计算机。由于单片机的这种特殊结构形式，在某些应用领域中，他承担了大中型计算机和通用的卫星计算机无法完成的一些工作。使其具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中得到了迅猛的发展。单片机的特点可以归纳为以下几个方面：
（1） 具有优异的性价比
单片机的这种高性能、低价格是它最显著的一个特点。单片机可以尽可能的应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都集成在一个芯片内，使之成为名副其实的单片机。有的单片机为了提高速度和执行效率，开始采用了RISC流水线和DSP的技术。使单片机的性能明显的优于同性能的微处理器，有的单片机ROM可达64KB，片内可达2KB，单片机的寻址以突破64KB的限制，八位和十六位单片机寻址可达1MB和16MB。
单片机的另一个显著的特点是量大面广，因为世界上各大公司在提高单片机性能的同时，进一步降低价格，性能/价格之比是各个公司竞争的主要策略。
（2） 集成度高、体积小、可靠性高
单片机把各个功能部件都集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连接，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣的环境下工作。
（3） 控制功能强
单片机是电子计算机这个庞大家庭的一个特是产品，体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适合用于专门的控制用途。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中有极其丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作以及为处理器功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微型计算机。
（4） 低电压、低功耗
单片机大量应用于便携式产品和家用消费产品，低电压和低功耗的特点尤为重要。许多单片机已可以在2.3.V的电压下运行，有的以突破1.2V或0.9V下工作；功耗至微按级，一个纽扣电池就可以使其长期使用。
1.2 单片机的发展历史
20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Z80微处理器。
1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。
在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。
80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。
1982年以后，16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。
九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。
随后的事情，熟悉单片机的人士都比较清楚了，更多的单片机种蜂拥而至，MOTOROLA公司相继发布了MC68HC系列单片机，日本的几个著名公司都研制出了性能更强的产品，但日本的单片机一般均用于专用系统控制，而不象INTEL等公司投放到市场形成通用单片机。例如NEC公司生产的uCOM87系列单片机，其代表作uPC7811是一种性能相当优异的单片机。MOTOROLA公司的MC68HC05系列其高速低价等特点赢得了不少用户。
1990年美国INTEL公司推出了80960超级32位单片机引起了计算机界的轰动，产品相继投放市场，成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。
1.3 单片机的发展趋势
1、低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺) ，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以我相信这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2.低功耗化
单片机的功耗已从几毫安降到微安及以下，使用电压在3-6V之间，完全适应电池工作。低消耗化的效应不仅功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高电抗性以及产品便携化。
3.低电压化
几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。目前0.8V供电的单片机已经问世。
4.低噪声与高可靠性
为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
5.小容量、低价格化
与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是其发展方向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路的控制电路单片机化，可广泛用于家电产品。
6.高性能化
主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
1.4 单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
第二章 交通灯控制基本原理
2.1 设计原理
利用AT89S51单片机的P0口控制四只双色LED灯，来模拟十字路口交通灯的工作方式。交通灯变化规律：十字路口是东西南北走向，初始状态为状态S1（南北绿灯，东西红灯），延时8秒后转状态S2（南北绿灯闪2次变黄灯，东西红灯），延时4秒后转状态S3（东西绿灯，南北红灯），延时8秒后转状态S4（东西绿灯闪烁2次变黄灯，南北红灯），延时4秒后跳转状态S1循环。并且利用串行口以方式0在LED上显示。
此处双色LED灯只有3个引脚，工作时中间引脚接地，另外两只引脚单独接高电平，一种亮红灯，一种亮绿灯，两只引脚接高电平时，亮黄灯。
2.2 控制系统电路图
第三章 控制系统中主元件简介
3.1 所有元件
3.2 74LS164芯片
3.2.1 概述
74ls164、74lsT164 是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164、74HCT164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。
时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。
主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。
3.2.2 功能作用
8 位串入，并出移位寄存器
3.2.3 特性
门控串行数据输入;
异步中央复位符合 JEDEC 标准 no. 7A;
静电放电 (ESD) 保护;
HBM EIA/JESD22-A114-B 超过 20## V;
MM EIA/JESD22-A115-A 超过 200 V;
多种封装形式;
额定从 -40 °C 至 +85 °C 和 -40 °C 至 +125 °C 。
3.3 八段数码管
3.3.1 结构介绍
LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。
3.3.2 性能特点
LED数码管的主要特点如下：
(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。
(2)发光响应时间极短(<0．1μs)，高频特性好，单色性好，亮度高。
(3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。
(4)寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。成本低。
因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。
3.3.3 使用注意事项
检查时若发光暗淡，说明器件已老化，发光效率太低。如果显示的笔段残缺不全，说明数码管已局部损坏。
数码管，用数字万用表的h距挡可完成下述测试工作：①判定数码管的结构形式(共阴或共阳)；②识别管脚；③检查全亮笔段。预先可假定某个电极为公共极，然后根据笔段发光或不发光加以验证。当笔段电极接反或公共极判断错误时，该笔段就不能发光。
第四章 电路板的焊接及控制程序编写
4.1 电路板实物图
4.2 控制程序
ORG 0000h
Ljmp main
Org 000bh
Ljmp dst0
Org 001bh
Ljmp dst1
Main:mov sp,#1fh
mov tmod,#11h
mov th1,#3ch
mov tl1,#0b0h
mov th0,#3ch
mov tl0,#0b0h
mov p0,#01101001b
CLR F0
mov r0,#160
mov r1,#10
mov r2,#4
mov ie,#8Ah
mov ip,#0Ah
setb TR0
clr TR1
CLR 30H
LJMP DIS
dst0: mov th0,#3ch
mov tl0,#0b0h
djnz r0,next1
mov r0,#160
jnb f0,s2
cpl p0.1
cpl p0.2
sjmp comp1
s2: cpl p0.3
cpl p0.0
comp1:SETB 30H
clr TR0
setb TR1
next1: reti
dst1:mov th1,#3ch
mov tl1,#0b0h
djnz r1,next2
mov r1,#10
jb f0,s4
cpl p0.3
cpl p0.0
sjmp comp2
s4:cpL p0.1
cpL p0.2
comp2: djnz r2,next2
mov r2,#4
CLR TR1
jb f0,step
mov p0,#11111001b
lcall delay2s
mov p0,#10010110b
sjmp comp3
step: mov p0,#11110110b
lcall delay2s
mov p0,#01101001b
comp3: setb TR0
clr TR1
CPL F0
CLR 30H
next2: reti
delay2s:mov r3,#10
dl0 :mov r4,#200
dl1 :mov r5,#248
dl2 :djnz r5,dl2
djnz r4,dl1
djnz r3,dl0
Ret
DIS:mov scon,#00h
loop2:mov r7,#8
loop1:lcall sub
lcall delay
L2: JB 30H,L2
DEC r7
cjne r7,#0FFH,loop1
ljmp loop2
delay:mov r3,#10
adl0 :mov r4,#200
adl1 :mov r5,#248
adl2 :djnz r5,adl2
djnz r4,adl1
djnz r3,adl0
ret
sub : mov a,r7
mov dptr,#tab
MOVC A,@A+DPTR
mov sbuf,a
here :jnb ti,here
clr ti
ret
tab :db 03h,9fh,25h,0dh,99h,49h,41h,1fh,01h
end
4.3 调试
将上述LED显示程序和数码管显示程序分别写入仿真器，可以看到LED先是南北方向绿灯，东西方向红灯，过8S后，南北向绿灯闪两下，变成黄灯，过了2S，南北向变成红灯，此时东西向变为绿灯，如此循环。而数码管程序显示8到0不断循环。如将两程序之间加起来，经实训验证是不行的。必须利用上面的led和数码管同时显示程序，必须加入判断位（上面程序中的30H）。写入仿真器可以看到，当南北向绿灯时，数码管从8进行倒计时。当绿灯闪烁时数码管为0，不动，直到东西向绿灯时数码管又从8开始倒计时。由此可见，本程序可满足本次实训的所有要求。
第五章 总结
通过此次的课程设计我又进一步学习和掌握单片机应用系统的有关知识，加深了对单片机工作原理的理解。同时初步掌握简单单片机应用系统的设计、制作、调试的方法。提高了自己动手实践能力和科学的思维能力。
通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。本次课程设计的过程是艰辛的，不过收获却是很大的。
本次课程设计让我把以前学习到的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知识有了更进一步的理解和认识。在此，由于自身能力有限，在课程设计中碰到了很多的问题，我通过查阅相关书籍、资料以及和周围同学交流。正因如此，才让自己的能力得到了进一步的提高。
由于使用的是单片机作为核心的控制元件，使得电路的可靠性比较高，功能也比较强大，而且可以随时的更新系统，进行不同状态的组合。但是在我们设计和调试的过程中，也发现了一些问题，譬如红灯和绿灯的切换还不够迅速等问题，这还需要进一步努力来完善其缺点。
在设计的过程中还得到了老师和同学的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不要感觉不好意思，要知道在知识方面是不存在丢人这一说的，达者为师，只要别人在某方面表现的比自己好，都值得自己去学习。
参考文献
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[2]向继文,廖立新.基于AT89C51电子钟系统设计[J],机电产品开发与创新,2007.
[3]祁伟,杨婷.《单片机程序设计教程与实验》[M].北京:北京航空航天大学.
[4]万胜前.基于KeilC51软件的电子钟设计与制作[J].鄂州大学学报,2007.
[5]冯育长.单片机系统设计与实例分析[M],西安：西安电子科技大学出版社,2007,5.