《单片机原理及应用》

课程设计报告

课题名称

学院

专业

班级 学号 姓名 时间 单片机课程设计及其应用 自动控制与机械工程学院 电气工程及其自动化 2014.6.23-7.4

目录

引言 ..................................................................................................................................................... 2

一 课程设计目的 .................................................................................................................... 1

二 课程设计要求 .................................................................................................................... 1

三 课程设计内容 .................................................................................................................... 2

1. 课程设计内容 .............................................................................................................................. 2

2.设计思路 ......................................................................................................................................... 2

3. 系统设计与功能说明 ................................................................................................................ 3

四 仿真电路原理图 ................................................................................................................ 7

1.发光二极管 .................................................................................................................................... 7

2.按键控制 ......................................................................................................................................... 8

3.数码管显示图 ................................................................................................................................ 8

4.总仿真图 ......................................................................................................................................... 9

五 软件设计 ............................................................................................................................ 9

1.主程序流程图及说明 .................................................................................................................. 9

六 调试 .................................................................................................................................. 16

七 总结 .................................................................................................................................. 17

八 参考文献 .......................................................................................................................... 17

1

引言

当今，红绿灯安装在个个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这个技术在19世纪就已经出现了。

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械般手势信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的会议大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转方式玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，是警察受伤，遂被取消！

电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红黄绿三色圆形的投光器组成，19xx年始装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。 信号灯的出现，使得交通得以有效的管理，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。19xx年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿灯时通行信号灯，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非两一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆必需让合法的正在路口内行驶的车辆和过人行横线的行人优先通行。红灯是禁行信号灯，面对红灯的车辆必需在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已经十分接近停车线而不能安全停车的可以进入交叉路口。

近年来，随着国民经济的快速发展，车辆的增多，交通拥挤和阻塞现象时常出现。交通拥塞已成为城市交通中迫切需要解决的社会问题。而我国传统使用的定周期控制和各自的独立控制方法，在解决这些问题时效果并不是很好。越来越多的证据表明，简单地扩大道路基础设施并不能解决交通拥堵问题。这要求在现有道路条件下，提高交通控制和管理水平，合理使用现有交通设施，充分发挥其能力，更加灵活有效地提高道路的利用率。本文采用51系列单片机AT89C51为中心器件设计交通灯控制系统。

2

一 课程设计目的

单片机原理及应用课程设计作为独立的教学环节，是自动化及相关专业集中实践性环节系列之一，是学习完《单片机原理及应用》课程后，并在进行相关课程设计基础上进行的一次综合练习。

单片机课程设计过程中，学生通过查阅资料、接口设计、程序设计、安装调试等环节，完成一个基于MCS-51系列单片机，涉及多种资源应用，并具有综合功能的小应用系统设计。使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、调试、相关仪器设备和相关软件的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。使学生增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解，加深单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O接口、串行口等。使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，强化单片机应用电路的设计与分析能力。提高学生在单片机应用方面的实践技能和科学作风；培育学生综合运用理论知识解决问题的能力。

二 课程设计要求

课程设计应以学生认知为主体，充分调动学生的积极性和能动性，重视学生自学能力的培养。根据课程设计具体课题安排时间，确定课题的设计、编程和调试内容，分团队开展课程设计活动，按时完成每部分工作。课程设计集中在实验室进行。在课程设计过程中，坚持独立完成，实现课题规定的各项指标，并写出设计报告。

要求学生自己调研、设计系统功能、划分软硬件功能、选择器件，用Proteus或Protel软件在PC机上完成硬件原理图设计。使用Keil或相关编程软件，完成软件设计。然后使用通用单片机实验开发系统，或者使用Proteus或Multisim仿真软件在PC机进行系统仿真，调试电路和修改调试程序。烧录程序，对整个系统做试运行，有问题再进一步修改调试，直至达到设计的要求和取得满意的效果。最后编写系统说明书，其内容主要包括系统的功能介绍、使用范围、主要性能指标、 1

使用方法、注意事项等。

三 课程设计内容

1. 课程设计内容

1）AT89C51单片机，设计一个十字路口控制器

用LED模拟东西，南北两个方向的红绿灯指示。在通行时段绿灯亮，在禁止时段红灯亮。两个方向的红绿灯循环交替变化，默认情况下两个方向的红绿灯通行时长均为30秒

2）用4个7段数码管分别作为两个方向的显示设备，显示剩余通行时间，在禁止通行时段，对应方向的数码管应熄灭。

3）@设置若干功能键，能够用来设置两个方向的通行时长。

4）其他功能

设计提示

1）采用内部定时器，也可考虑外部扩展专用时钟芯片DS1302

2）数码管宜采用动态显示方式

3）参考Proteus仿真图

2.设计思路

（1）：分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案，并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案。

（2）：确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还有倒计时显示提示、紧急情况下，全面禁行、黄绿红灯及左转周期随时可调这三项项特特殊功能。

（3）进行显示电路，按键电路的设计和对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。

（4）进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。然后在开发板上进行硬件调试。

2

3. 系统设计与功能说明

1）分析可知：东西方向和南北方向信号灯控制是中心对称的，即无论是主干道还是支干道两侧系统对同方向的信号灯控制是同步的。

2 ）分析可知：人行道无论哪个方向，系统对两侧4个信号灯的控制也是同步的，且人行道的红绿灯变化和行车道的红绿灯变化应该是一致的。

3 ）通过对上面整体思路的分析，可以用单片机P2口和P0口、锁存芯片和显示译码芯片的配合来实现控制LED灯和数码管。通过锁存芯片实现单片机口的分时复用，简单易行，且编程简单，能实现数据的快速交换以及单片机的资源的充分利用。总体设计电路如图1所示。

键盘输入 AT89C51 LED显示器

控制红绿灯开关

图1 总体设计图

3

流程图如图2：

图2 交通灯总流程图

4

4. 元件简介

1）AT89C51

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3所示。

图3 AT89CS51单片机引脚排列

各引脚功能说明如下：

Vcc（40脚）：接+5V电源正端。

Vss（20脚）：接+5V电源地端。

XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS 单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

5

XTAL2（18脚）：接外部石英晶体的另一端。在单片机内部，它是片内振荡器的反相

放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的

输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。

P0口（39~32脚）：P0.0~P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，

可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8

位地址总线和双向数据总线。

P1口（1~8脚）：P1.0~P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。对于52子系

列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，

P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

P2口（21~28脚）：P2.0~P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接

有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。 P3.0 RXD 串行输入端

P3.1 TXD 串行输出端

P3.2 INT0 外部中断0请求输入端，低电平有效

P3.3 INT1 外部中断1请求输入端，低电平有效

P3.4 T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端

P3.5 T1 定时器/计数器1计数脉冲输入端

P3.6 WR 外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效

P3.7 RD 外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效

ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效信号输入端。ALE在每个机器周期内输出两个脉

冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访

问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。

PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存

储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回

指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不再出现。

RST/VPD引脚（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复

位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，

就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振

时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。 当Vcc发生故障，降

低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电,以保证

6

RAM中的数据不丢失。

EA/Vpp（31脚）：EA为片外程序存储器选用端。该引脚有效（低电平）时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。 对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作21V编程电源Vpp的输入端。

四 仿真电路原理图

1.发光二极管

根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红绿黄灯，总共4组。如果东西红灯亮，那南北方向就是绿灯亮，反之亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的如图5所示。

图5 东西南北红绿黄灯

7

2.按键控制

每个按键一端接地，另一端接对应的端口。低电平有效，当按键按下端口接地，单片机捕获到低电平，从而知道相应的输入信息。按键连接如图6所示。

图6 按键控制

3.数码管显示图

数码管显示的剩余时间如图7所示：

图7 数码管显示情况

8

4.总仿真图

软件总仿真图示如图8所示：

图8 总仿真图

五 软件设计

1.主程序流程图及说明

org 0000h

ajmp main

org 000bh

ajmp inti0

org 0030h

main:mov tmod,#01h

9

mov ie,#82h

mov th0,#4ch

mov tl0,#00h

mov sp,#60h

mov 31h,#30 ;东西绿灯初值30秒 mov 32h,#30 ;南北红灯初值30秒 clr 4fh ;清标志位

clr p1.1 ;开东西绿灯

clr p1.5 ;开南北红灯

setb tr0 ;启动T0

loop:lcall display ;调用显示子程序 lcall key ;调用应急按键判断 ajmp loop

inti0:push psw

clr ea

mov th0,#4ch

mov tl0,#00h

inc 35h

mov a,35h

cjne a,#20,out ;判1秒是否到时 mov 35h,#00

jb 4fh,yi ;判别标志位 dec 31h ;东西时间每秒减1 dec 32h ;南北时间每秒减1 mov a,31h

cjne a,#05,out ;判是否到25秒 setb p2.0 ;到25秒关时间显示 setb p2.1

setb p1.1 ;东西绿灯闪灭3秒 lcall del500ms

10

clr p1.1

lcall del500ms

setb p1.1

lcall del500ms

clr p1.1

lcall del500ms

setb p1.1

lcall del500ms

clr p1.1

lcall del500ms

setb p1.1 ;灭东西绿灯

sjmp er

out:setb ea

pop psw

reti

er:clr p1.2 ;东西黄灯亮2秒 mov 33h,#4 ;延时2秒

loop1:lcall del500ms

djnz 33h,loop1

setb p1.2 ;2秒后灭东西黄灯 clr p2.0 ;5秒后开时间显示 clr p2.1

mov 31h,#30 ;东西时间赋30秒初值 mov 32h,#30 ;南北时间赋30秒初值 setb 4fh

setb p1.5 ;关南北红灯

clr p1.0 ;点亮东西红灯

clr p1.6 ;点亮南北绿灯 sjmp out

yi:dec 31h ;东西时间每秒减1

11

dec 32h ;南北时间每秒减1 mov a,31h

cjne a,#5,out ;判是否到25秒 setb p2.6 ;到25秒关时间显示 setb p2.7 ;

setb p1.6 ;南北绿灯闪灭3秒 lcall del500ms

clr p1.6

lcall del500ms

setb p1.6

lcall del500ms

clr p1.6

lcall del500ms

setb p1.6

lcall del500ms

clr p1.6

lcall del500ms

setb p1.6 ;关南北绿灯 clr p1.7 ;南北黄灯亮2秒 mov 34h,#4 ;延时2秒

loop2:lcall del500ms

djnz 34h,loop2

setb p1.7 ;2秒后灭南北黄灯 clr p2.6 ;5秒后开时间显示 clr p2.7 ;

mov 31h,#30 ;东西时间重赋30秒初值 mov 32h,#30 ;南北时间重赋30秒初值 clr p1.1 ;点亮东西绿灯 clr p1.5 ;点亮南北红灯 setb p1.0 ;关东西红灯

12

clr 4fh

sjmp out

display:mov a,31h ;东西方向时间显示 mov b,#10

div ab

mov 20h,a

mov 21h,b

disp1:mov a,20h

mov dptr,#table

movc a,@a+dptr

mov p0,a

clr p2.0

lcall del1ms

setb p2.0

disp2:mov a,21h

mov dptr,#table

movc a,@a+dptr

mov p0,a

clr p2.1

lcall del1ms

setb p2.1

disp3:mov a,32h ;南北方向时间显示 mov b,#10

div ab

mov 22h,a

mov 23h,b

disp4:mov a,22h

mov dptr,#table

movc a,@a+dptr

mov p3,a

13

clr p2.6

lcall del1ms

setb p2.6

disp5:mov a,23h

mov dptr,#table

movc a,@a+dptr

mov p3,a

clr p2.7

lcall del1ms

setb p2.7

ret

table:db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h ;0-9del1ms:mov r7,#10 ;1ms延时子程序

d1:mov r6,#50

djnz r6,$

djnz r7,d1

ret

del500ms:mov r5,#5 ;500ms延时子程序

del3:mov r4,#200

del4:mov r3,#250

djnz r3,$

djnz r4,del4

djnz r5,del3

ret

key:jb p1.3,keyout

jnb p1.3,$

clr ea

inc 36h

mov a,36h

cjne a,#2,key4 数字

14

mov 36h,#00

setb p1.6 ;东西绿灯闪灭3秒 lcall del500ms

clr p1.6

lcall del500ms

setb p1.6

lcall del500ms

clr p1.6

lcall del500ms

setb p1.6

lcall del500ms

clr p1.6

lcall del500ms

setb p1.6 ;灭东西绿灯 clr p1.7 ;东西黄灯亮2秒 mov 33h,#4 ;延时2秒 loop3:lcall del500ms

djnz 33h,loop3

setb p1.7 ;2秒后灭东西黄灯 setb p1.0 ;关东西红灯 setb p1.6 ;关南北绿灯 clr p1.1 ;开西绿灯

clr p1.5 ;开南北红灯 setb ea

sjmp keyout

key4:clr p1.6 ;开南北绿灯 clr p1.0 ;开东西红灯 setb p1.1

setb p1.2

setb p1.3

15

setb p1.4 setb p1.5 setb p1.7 keyout:ret end

六 调试

调试结果如图9所示：

图9 调试结果

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七 总结

单片机课程设计，在本次课程设计中，我通过单片机原理的有关知识，掌握了简单的单片机应用系统的设计、制作、调试的方法。对于交通灯这个题目，在课程设计的过程中也遇到了很多问题，例如在系统调试时的按键抖动、数码管显示的不正常正常闪烁等问题，最终通过向老师跟同学询问或者查阅图书馆的资料最终得到了解决，较完美的实现了课程设计要求。 通过此次单片机课程设计使我们认识到自身知识储备及能力的薄弱，更让我们知道实践的重要性。在以后的学习过程中，我会更加努力学习单片机的相关知识和应用，真正能 够掌握单片机应用，并将其运用解决各种实际的问题中去。

八 参考文献

A.连续出版物

［序号］ 主要责任者．文献题名［J］．刊名，出版年份，卷号(期号)：起止页码． ［１］ 袁庆龙，候文义．Ni-P合金镀层组织形貌及显微硬度研究［Ｊ］．太原理工大学学报，2001，32(1)：51-53.

B.专著

［序号］ 主要责任者．文献题名［Ｍ］．出版地：出版者，出版年：页码．

［３］ 刘国钧，郑如斯．中国书的故事［Ｍ］．北京：中国青年出版社，1979：115．

C.会议论文集

［序号］ 析出责任者．析出题名[A]．见(英文用In)：主编．论文集名[C]．(供选择项：会议名，会址，开会年)出版地：出版者，出版年：起止页码．

［６］孙品一．高校学报编辑工作现代化特征［A］．见：中国高等学校自然科学学报研究会．科技编辑学论文集(2)[C]．北京：北京师范大学出版社，1998：10-22．

D.专著中析出的文献

［序号］ 析出责任者．析出题名[A]．见(英文用In)：专著责任者．书名[M]．出版地：出版者，出版年：起止页码．

［12］罗云．安全科学理论体系的发展及趋势探讨[A]．见：白春华，何学秋，吴宗之．21世纪安全科学与技术的发展趋势[M]．北京：科学出版社，2000：1-5．

17

E.学位论文

［序号］ 主要责任者．文献题名［Ｄ］．保存地：保存单位，年份：

［７］生．地质力学系统理论［Ｄ］．太原：太原理工大学，1998：

F.报告

［序号］ 主要责任者．文献题名［Ｒ］．报告地：报告会主办单位，年份：

［９］冯西桥．核反应堆压力容器的LBB分析［Ｒ］．北京：清华大学核能技术设计研究院，1997： G.专利文献

［序号］ 专利所有者．专利题名［P］．专利国别：专利号，发布日期：

［１１］姜锡洲．一种温热外敷药制备方案［Ｐ］．中国专利：881056078，1983-08-12： H.国际、国家标准

［序号］ 标准代号．标准名称［S］．出版地：出版者，出版年：

［1］GB/T 16159—1996．汉语拼音正词法基本规则［S］．北京：中国标准出版社，1996：

I.报纸文章

［序号］ 主要责任者．文献题名［Ｎ］．报纸名，出版年，月(日)：版次． ［１3］谢希德．创造学习的思路[Ｎ]．人民日报，1998，12(25)：10

J.电子文献

［序号］ 主要责任者．电子文献题名［文献类型/载体类型］．：电子文献的出版或可获得地址(电子文献地址用文字表述)，发表或更新日期/引用日期(任选) ：

［21］姚伯元．毕业设计(论文)规范化管理与培养学生综合素质［EB/OL］．：中国高等教育网教学研究，2005-2-2：

附：参考文献著录中的文献类别代码

普通图书：M 会议录：C 汇编：G 报纸：N 期刊：J 学位论文：D 报告：R 标准：S 专利：P 数据库：DB 计算机程序：CP 电子公告：EB

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