一．任务设计

设计一个基于单片机的交通灯信号控制器。已知东、西、南、北四个方向各有红黄绿色三个灯，

在东西方向有两个数码管，在南北方向也有两个数码管。要求交通灯按照表 1进行显示和定时切换，

并要求在数码管上分别倒计时显示东西、南北方向各状态的剩余时间。

表1 交通灯的状态切换表

二．系统设计

（1）任务分析与整体设计思路

任务要求实现的功能主要包括计时功能、动态扫描以及状态的切换等几部分。

计时功能：要实现计时功能则需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中

断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，达到定时 1 秒中的功能。当计时每到 1 秒

钟后，东西、南北信号灯各状态的暂存剩余时间的变量减 1。当暂存剩余时间的变量减到 0 时，切

换到下一个状态，同时将下一个状态的初始的倒计时值装载到计时变量中。开始下一个状态，如此

循环重复执行。

动态扫描：需要使用4 个数码管分别显示东西、南北的倒计时数字，将暂存各状态剩余时间的

数字从变量中提取出“十位”和“个位”，用动态扫描的方式在数码管中显示。

整个程序依据定时器的溢出数来计时，每计时 1S则相应状态的剩余时间减 1，一直减到 0时触发下一个状态的开始。

选用MCS51 系列AT89S52 单片机作为微控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成 8位显示模

块，由于 AT89S52 单片机驱动能力有限，采用两片 74HC244 实现总线的驱动，一个 74HC244完成共阴极数码管位控线的控制和驱动，另一个 74HC244完成数码管的 7 段码输出，在 7段码输出口上各

串联一个 100 欧姆的电阻对 7 段数码管限流。用 P3 口的 P3.0-P3.5 完成发光二极管的控制，实现

交通灯信号的显示，每个发光二极管串联 500欧姆电阻起限流作用。硬件电路原理图如图3-5 所示。

 

图3-5

（3）程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程

①单片机资源分配

单片机 P3 口的 P3.0-P3.1 引脚用作输出，控制发光二极管的显示。在计时模块中，需要定义

两个数组变量（init_sn[3]，init_ew[3])来存储东西、南北两个方向在不同状态中倒计时的初始

值，题目中每个方向的交通灯共有3种显示状态，因此数组元素个数为3。还需要定义两个变量( cnt_

sn, cnt_ ew)暂存东西、南北两个方向的倒计时剩余时间。

在状态的切换中，为了明确当前处于哪种状态，东西、南北方向各设置一个状态变量

(state_val_sn,state_val_ew),当倒计时的剩余时间到零时，状态变量增 1，表示启动下一个状态，

当该变量增到3 时变为0，回到序号为 1的状态。

②程序设计思路

在设计中，由于没有键盘功能，因此只涉及定时计数和动态扫描功能。主程序将变量初始化之

后，设置单片机定时器和中断特殊功能寄存器的初始值，将定时器T1的工作方式设置为 8位自动

装载模式，定时器每隔250us 产生一次溢出。

在初始化变量与寄存器后，主程序进入一个循环结构，在循环中只做动态扫描的工作，根据东

西、南北两向的剩余时时间进行动态扫描显示。

计时以及状态的切换通过定时器的中断服务程序来实现，在中断服务程序中，每计时到一秒时，

则各方向当前状态的剩余时间减1，一直减到 0时触发下一个状态的开始，改变交通灯的指示。

（4）软硬件调试方案

软件调试方案：伟福软件中，在“文件\新建文件”中，新建 C语言源程序文件，编写相

程序。在“文件\新建项目”的菜单中，新建项目并将 C 语言源程序文件包括在项目文件中。

在 “项目\编译”菜单中将 C 源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，以 “*.hex”和“*.bin” 后缀的目标文件。

硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的 P3.0-P3.5 分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。

在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行“MCU下载程序”，选择相应的 flash 数据文

点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash 中。

然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成了试题的内容。

三．系统硬件概述

※AT89S52单片机简介

AT89S52为 ATMEL 所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flsah存储器。

（一）、AT89S52主要功能列举如下：

1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash

2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）

3、内部程序存储器（ROM）为 8KB

4、内部数据存储器（RAM）为 256字节

5、32 个可编程I/O 口线

6、8 个中断向量源

7、三个 16 位定时器/计数器

8、三级加密程序存储器

9、全双工UART串行通道

（二）、AT89S52各引脚功能介绍：

VCC：

AT89S52电源正端输入，接+5V。

VSS：

电源地端。

XTAL1：

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：

AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp：

"EA"为英文"External Access"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。

ALE/PROG：

ALE是英文"Address Latch Enable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S52是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：

此为"Program Store Enable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89S52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：RXD，串行通信输入。

P3.1：TXD，串行通信输出。

P3.2：INT0，外部中断0输入。

P3.3：INT1，外部中断1输入。

P3.4：T0，计时计数器0输入。

P3.5：T1，计时计数器1输入。

P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。

P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。

　　RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

　　ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

　　/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

　　/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

　　XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

※74HC244简介

74HC244芯片的功能 

如果输入的数据可以保持比较长的时间(比如键盘)，简单输入接口扩展通常使用的典型芯片为74HC244，由该芯片可构成三态数据缓冲器。74HC244芯片的引脚排列如图1所示。

74HC244芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时可分别以1C和2G作为它们的选通工作信号。当1C和2G都为低电平时，输出端Y和输入端A状态相同；当1G和2G都为高电平时，输出呈高阻态。

八同相三态缓冲器/线驱动器

74HC244芯片的功能

如果输入的数据可以保持比较长的时间(比如键盘)，简单输入接口扩展通常使用的典型芯片为74HC244，由该芯片可构成三态数据缓冲器。74HC244芯片的引脚排列如图1所示。

74HC244芯片的引脚

74HC244芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时可分别以1C和2G作为它们的选通工作信号。当1/OE和2/OE都为低电平时，输出端Y和输入端A状态相同；当1/OE和2/OE都为高电平时，输出呈高阻态。

※数码管简介

   内部的四个数码管共用a~dp这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有四个数码管，所以它有四个公共端，加上a~dp，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为1~12脚，下图中的数字与之一一对应。

四．程序设计

//晶振：11.0592M T1-250微秒溢出一次

/*变量的定义:

show_val_sn,show_val_ew: 显示的值0-59

state_val_sn,state_val_ew: 状态值 南北方向0-绿灯亮;1-黄灯亮;2-红灯亮

T1_cnt: 定时器计数溢出数

cnt_sn,cnt_ew: 倒计时的数值

init_sn[3],init_ew[3] 倒计时

led_seg_code：数码管7 段码

*/

#include "reg51.h"

sbit SN_green=P3^2 ;//南北方向绿灯

sbit SN_yellow=P3^1 ;//南北方向黄灯

sbit SN_red=P3^0 ;//南北方向红灯

sbit EW_green=P3^5 ;//东西方向绿灯

sbit EW_yellow=P3^4 ;//东西方向黄灯

sbit EW_red=P3^3 ;//东西方向红灯

unsigned char data cnt_sn,cnt_ew;

unsigned int data T1_cnt;

unsigned char data state_val_sn,state_val_ew;

char code led_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

char code init_sn[3]={24,4,29};

char code init_ew[3]={29,24,4};

//------------------------

void delay(unsigned int i)//延时

{

while(--i);

 }

//------------------------

void led_show(unsigned int u,unsigned int v)

{

unsigned char i;

i=u%10; //暂存个位

P0=led_seg_code[i];

P2=0xbf; delay(100); //延时

i=u%100/10; //暂存十位

P0=led_seg_code[i];

P2=0x7f;

delay(100); //延时

i=v%10; //暂存个位

P0=led_seg_code[i];

P2=0xfe;

delay(100); //延时

i=v%100/10; //暂存十位

P0=led_seg_code[i];

P2=0xfd;

delay(100); //延时

}

//-------------------------

void timer1() interrupt 3 //T1中断

{

             T1_cnt++;

if(T1_cnt>3999) //如果计数>3999, 计时1s

{

                           T1_cnt=0;

if (cnt_sn!=0) //南北方向计时

{

 cnt_sn--;

}

else

{

state_val_sn++;

if (state_val_sn>2)  state_val_sn=0;

cnt_sn=init_sn[state_val_sn];

switch (state_val_sn) //根据状态值，刷新各信号灯的状态

{

case 0: SN_green=0 ;//南北方向绿灯

SN_yellow=1 ;//南北方向黄灯

SN_red=1 ;//南北方向红灯

break;

case 1: SN_green=1 ;//南北方向绿灯

SN_yellow=0 ;//南北方向黄灯

SN_red=1 ;//南北方向红灯

break;

case 2:SN_green=1 ;//南北方向绿灯

SN_yellow=1 ;//南北方向黄灯

SN_red=0 ;//南北方向红灯

break;

}

}

if (cnt_ew!=0) //东西方向计时

{

cnt_ew--;

}

else

{

state_val_ew++;if (state_val_ew>2) state_val_ew=0;

cnt_ew=init_ew[state_val_ew];

switch (state_val_ew) //根据状态值，刷新各信号灯的状态

{

case 0: EW_green=1 ;//东西方向绿灯

EW_yellow=1;//东西方向黄灯

EW_red=0 ;//东西方向红灯

break;

case 1: EW_green=0 ;//东西方向绿灯

EW_yellow=1 ;//东西方向黄灯

EW_red=1 ;//东西方向红灯

break;

case 2: EW_green=1 ;//东西方向绿灯

EW_yellow=0 ;//东西方向黄灯

EW_red=1 ;//东西方向红灯

break;

}

}

}

}

//-------------------------

main()

{

//初始化各变量

cnt_sn=init_sn[0];

cnt_ew=init_ew[0];

T1_cnt=0;

state_val_sn=0; //启动后，默认工作在序号为1 的状态

state_val_ew=0;

//初始化各灯的状态

SN_green=0 ;//南北方向绿灯亮

SN_yellow=1 ;//南北方向黄灯灭

SN_red=1 ;//南北方向红灯灭

EW_green=1 ;//东西方向绿灯灭

EW_yellow=1;//东西方向黄灯灭

EW_red=0 ;//东西方向红灯亮

//初始化51的寄存器

TMOD=0x20;//用T1计时 8位自动装载定时模式

TH1=0x19;//0x4b; //500微秒溢出一次; 250=(256-x)*12/11.0592 -> x= 230.4

TL1=0x19;

EA=1; //开中断

ET1=1;

TR1=1; //开定时器T1

while(1)

{

led_show(cnt_sn,cnt_ew);

}

}//主程序结束