LED模拟交通灯设计

1．设计任务

功能及技术指标要求

设计交通灯的基本要求：设计一个十字路口交通灯控制电路，要求主干道与支干道交替通行。主干道通行时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，时间为60秒。支干道通行时，主干道绿灯亮，主干道红灯亮，时间为30秒。

设计内容

按设计技术指标进行交通灯的硬件和软件设计。熟悉使用Keil软件和Proteus软件。

设计思路及关键技术

一个完整的交通灯相当于一个简单的单片机系统，该系统有交通灯设置电路、单片机、显示电路等构成。单片机是集成的IC芯片，只需根据实际设计要求选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指标自行设计。

基于单片机的交通灯的设计时要充分的认识以下两个问题：

1.因为本实验是交通灯控制实验，所以要先了解实际交通灯的变化规律。假设一个十字路口为东西南北走向。初始状态0为东西红灯，南北红灯。然后转状态1南北绿灯通车，东西红灯。过一段时间转状态2，南北绿灯闪几次转亮黄灯，延时几秒，东西仍然红灯。再转状态3，东西绿灯通车，南北红灯。过一段时间转状态4，东西绿灯闪几次转亮黄灯，延时几秒，南北仍然红灯。最后循环至状态1。

2.双色LED是由一个红色LED管芯和一个绿色LED管芯封装在一起，公用负端。当红色正端加高电平，绿色正端加低电平时，红灯亮；红色正端加低电平，绿色正端加高电平时，绿灯亮；两端都加高电平时，黄灯亮。

2.总体方案设计

系统总体结构

开始

↓

四个路口红灯亮

东西红灯亮，南北黄灯闪烁，延时

↓

单片机

2.2.1单片机简介

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是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体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足

矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。

2.2.2单片机的发展历史

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

2.2.3单片机的基本结构

单片机的结构大体相同，只是在功能上存在着差异。现以MCS-51单片机为例来对单片机的内部功能结构进行介绍。

MCS-51单片机主要包括9个部分：CPU、8KB Flash ROM、256B RAM(128B SFR)、16位×3个定时器/计数器、中断控制器、8位×4个并行口、可编程全双工串行口、时钟电路、64KB总线扩展控制器。

（1）一个8位的微处理器CPU。

（2）8KB的片内程序存储器Flash ROM(基本型的Flash ROM位128B)，用于烧录运行的程序、常数数据。

（3）256B的片内数据存储器RAM（基本性的RAM为128B）,在程序运行时可以随时写入和读出数据，用于存放函数相互传递的参数、接收的外部数据、运算的中间结果、最后结果及现实的数据等;128B特殊功能寄存器（SFR）控制单片机各个部件的运行。

（4）3个16位的定时器/计数器（基本型仅有2个定时器），每个定时器/计数器可以设置为计数方式，用于对外部事件信号进行计数，也可以设置为定时方式，满足各种定时要求。

（5）有一个管理6个中断源（基本形式5个中断源）、2个优先级的中断控制器。

（6）4个8位并行I/O端口，每个端口即可以用作输入，也可以用作输出。

（7）一个全双工的UART（通用异步接收发送器）串行I/O口，用于单片机之间的串行通信，或者单片机与PC机、其他设备、其他芯片之间的串行通信。

（8）片内振荡电路和时钟发生器，只需外面接上一晶振获输入振荡信号，就可以产生单片机的控制电路。

（9）有一个可寻址64KB外部数据存储器、还可以寻址64KB外部程序存储器的三总线的控制电路。

以上各个部分通过片内总线相连，在CPU的控制下协调工作，实现用户程序的各种功能。

2.2.4单片机AT89C51

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁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100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。

AT89C51单片机

．芯片主要性能指标

2.3.1 功能特性

与MCS-51 兼容

4K字节可编程闪烁存储器

寿命：1000写/擦循环

数据保留时间：10年

全静态工作：0Hz-24Hz

三级程序存储器锁定

128*8位内部RAM

32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

5个中断源