畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的多功能交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì) (2).doc

基于單片機(jī)的多功能交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)蘇州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書設(shè)計(jì)（論文）題目 基于單片機(jī)的多功能交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 電子信息工程系 專業(yè)班級(jí) 07電子信息工程技術(shù)1 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 2010年 6 月 11 日摘 要近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)技術(shù)日益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往作為一個(gè)核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)軟硬件結(jié)合，加以完善。隨著汽車總量的不斷增加，城市交通擁擠和堵塞現(xiàn)象時(shí)常出現(xiàn)，因而城市交通指揮變得重要。一套性能齊全、安全有效的交通燈控制系統(tǒng)對(duì)一個(gè)城市來說必不可少。本系統(tǒng)采用msc-51系列單片機(jī)at89c52為中心器件來設(shè)計(jì)交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車流量通過at89s52芯片的p2口設(shè)置交通燈亮的功能；采用6個(gè)發(fā)光二極管來模擬各路交通信號(hào)紅綠黃三種燈循環(huán)點(diǎn)亮，2個(gè)led七段數(shù)碼管以倒計(jì)時(shí)的方式顯示允許通行或禁止通行的信號(hào)燈剩余的時(shí)間，停10s，準(zhǔn)備3s，之后通行10s。另外，本系統(tǒng)還采用1602液晶顯示器和580c喇叭speaker實(shí)現(xiàn)在交通燈交替點(diǎn)亮的同時(shí)液晶顯示英文字符和播放背景音樂的功能，液晶以滾動(dòng)方式隨著紅綠燈的交替點(diǎn)亮循環(huán)顯示相應(yīng)的提示標(biāo)識(shí)，實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單、擴(kuò)展功能強(qiáng)。本設(shè)計(jì)采用的程序編寫語言為匯編語言，簡單又便于閱讀。編寫程序的原則是：1.滿足設(shè)計(jì)的要求。2.盡量采用最好，最有效的算法。3.編寫時(shí)應(yīng)盡量用最簡潔的語言。編寫好源程序后，采用keil uvision2軟件對(duì)其進(jìn)行編譯，使其生成單片機(jī)可以識(shí)別的.hex文件，再把此文件導(dǎo)入單片機(jī)at89s52中即可。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，交通燈，播放音樂，液晶顯示abstractwith the rapid development of science and technology in recent years, scm applications are deepening at the same time promote more traditional control detection update. in real-time detection and control of the microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core component, only the scm knowledge is inadequate and should be based on specific hardware architecture hardware and software, to be improved. with the cars total growing urban traffic congestion and jams frequently occur, and thus become important urban traffic control. complete set of performance, safety and effective traffic light control system is essential for a city. in this system, msc-51 series mcu at89s52 to design the traffic signal controller, realized according to the actual traffic flow through the port p2 at89s52 chip set of traffic lights function; with 6 a light-emitting diodes to simulate various quarters red, green and yellow light traffic signal cycle of light, two seven-segment led digital tube with a countdown displayed to allow access or prohibit the passage of the signal remaining time, stop 10s, ready 3s, after the passage 10s. in addition, the system also uses liquid crystal display and 580c speakers speaker 1602 to achieve the turn at the traffic lights lit lcd display, while english characters and play background music function, liquid crystal on a rolling basis alternating light cycle with lights display the corresponding prompt identification, practical, simple and powerful extensions. the design used in assembly language programming language, simple and easy to read. programming principle is: 1. to meet the design requirements. 2. as far as possible the best and most effective algorithm. 3. preparation should be kept in the most simple language. after the preparation of a good source, using keil uvision2 compile their software, to generate the microcontroller can recognize. hex file, then import this file in mcu at89s52 can.key words: scm, traffic lights, plays music, lcd 目 錄緒 論5第一章 單片機(jī)的基本知識(shí)61.2 單片機(jī)的發(fā)展概述61.3 單片機(jī)的特點(diǎn)61.4 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)71.4.1 at89s52芯片簡介81.4.2 at89s52芯片的引腳排列及功能91.4.3 時(shí)鐘電路101.4.4 復(fù)位電路11第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)122.1 交通燈顯示模塊122.2 數(shù)碼管led顯示時(shí)間模塊132.2.1 數(shù)碼管led顯示器132.2.2 數(shù)碼管led時(shí)間顯示142.3 液晶lcd1602顯示模塊152.3.1 1602字符型lcd簡介152.3.2 1602lcd的指令說明及時(shí)序162.3.3 1602lcd字符的顯示182.4音樂播放模塊192.4.1 音調(diào)的確定192.4.2 節(jié)拍的確定212.4.3 編碼的確定21第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)233.1 設(shè)計(jì)程序流程圖233.2 控制器的軟件設(shè)計(jì)233.2.1 定時(shí)設(shè)定233.2.2 1秒鐘的設(shè)定243.2.3 軟件延時(shí)253.3 交通燈和數(shù)碼管led倒計(jì)時(shí)的源程序263.4 液晶lcd1602顯示字符源程序273.5 音樂播放源程序30第四章 結(jié)論33致 謝34參考文獻(xiàn)35附錄36緒 論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了。1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。1868年，英國機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。1914年，電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約5號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長一段時(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定對(duì)各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號(hào)，面對(duì)紅燈的車輛必須在交叉路口的停車先后停車。黃燈是警告信號(hào)，面對(duì)黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。第一章 單片機(jī)的基本知識(shí)本章將首先介紹一些單片機(jī)的發(fā)展背景，以及單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括單片機(jī)的概念，芯片的簡介等。1.2 單片機(jī)的發(fā)展概述隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)的功能也不斷增強(qiáng)，許多高性能的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)出來。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，稱為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機(jī)誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和i/o接口電路等，即在一塊芯片上集成了cpu、振蕩器電路、rom和ram 存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和并行/串行i/o接口。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)經(jīng)過3代的發(fā)展，目前單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的cpu功能在增強(qiáng)，內(nèi)部資源在增多，引角的多功能化，以及低電壓底功耗。1.3 單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)的發(fā)展日新月異，在硬件規(guī)模方面，單片機(jī)相當(dāng)于將一個(gè)基本規(guī)模的單板機(jī)所具有的資源復(fù)合在一塊芯片上，因此具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模.在功能方面，單片機(jī)已經(jīng)超過了單板機(jī)的功能.在指令系統(tǒng)方面，如果將單片機(jī)的指令系統(tǒng)與z80的指令系統(tǒng)相比較，除單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳送能力較弱一點(diǎn)之外，單片機(jī)的指令系統(tǒng)已大大超過z80。單片機(jī)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）片內(nèi)存儲(chǔ)容量越來越大。（2）抗干擾性好，可靠性高。（3）芯片引線齊全，容易擴(kuò)展。（4）運(yùn)行速度高，控制功能強(qiáng)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)有：（1）單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)可靠性高。（2）系統(tǒng)配置規(guī)范 。（3）控制功能具有預(yù)想性，變動(dòng)控制方案容易。（4）具有較高的性價(jià)比。1.4 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)由 cpu 、存儲(chǔ)器（包括 ram 和 rom ）、 i/o 接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制功能等均集成在一塊芯片上，片內(nèi)各功能通過內(nèi)部總線相互連接起來。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開的形式，即哈佛(harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(princeton)結(jié)構(gòu)。intel的mcs-51系列單片機(jī)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式。圖1.1mcs-51結(jié)構(gòu)框圖1.4.1 at89s52芯片簡介 at89s52是mcs-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。內(nèi)部包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(rom)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：中央處理器：中央處理器(cpu)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，cpu負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(內(nèi)部ram): at89s52內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的ram只有128個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。程序存儲(chǔ)器(內(nèi)部rom)： at89s52共有4kb個(gè)8位掩膜rom，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時(shí)/計(jì)數(shù)器： at89s52有3個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(i/o)口： at89s52共有4組8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口： at89s52內(nèi)置一個(gè)uart全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。中斷系統(tǒng)： at89s52具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。時(shí)鐘電路： at89s52內(nèi)置最高頻率達(dá)12mhz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但at89s52單片機(jī)需外置振蕩電容。1.4.2 at89s52芯片的引腳排列及功能 at89s52芯片有40個(gè)引腳，有3種封裝形式，一種是dip(dual inline package)封裝形式，這是普通40腳雙列直插形式；一種是lcc（leaded chip carrier）封裝形式，還有一種是qfp(quad flat package)封裝形式。本設(shè)計(jì)采用40pin封裝的雙列直插dip結(jié)構(gòu)，下圖是它們的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)i/o口，中斷線與p3口線復(fù)用。其引腳排列和邏輯符號(hào)框圖為圖1.2 at89s52引腳和邏輯符號(hào)圖pin9：reset/vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)芯片通電時(shí)，時(shí)鐘電路開始工作，在reset引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器pc指向0000h，p0-p3輸出全部為高電平，堆棧指針寫入07h，其它專用寄存器被清“0”。reset由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000h地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變r(jià)am（包括工作寄存器r0-r7）的狀態(tài)。at89s52芯片的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以使手動(dòng)復(fù)位，見下圖1.3。此外，reset/vpd還是一個(gè)復(fù)用腳，vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部ram的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。pin29：psen當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，pc的16位地址數(shù)據(jù)將通過p0和p2口輸出，在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器取指令時(shí)，不產(chǎn)生psen信號(hào)；在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，亦不產(chǎn)生psen信號(hào)。pin30:ale/prog當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器，ale(地址鎖存信號(hào))的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問非外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ale端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，可以作為外部時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)用。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將以1/12振蕩頻率輸出。prog為編程脈沖輸入端，即當(dāng)選用8751單片機(jī)時(shí)，對(duì)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)，由此引腳輸入編程脈沖。pin31：ea/vpp 程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kb的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)ea為高電平并且程序地址小于4kb時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)，而超過4kb地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如ea為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。顯然，對(duì)內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器的8031，ea端必須接地。在編程時(shí)，ea/vpp 腳還需加上21v的編程電壓。1.4.3 時(shí)鐘電路 at89s52雖然有內(nèi)部振蕩器，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。at89s52單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。圖1.3 at89s52內(nèi)部和外部兩種時(shí)鐘方式本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2mhz到12mhz之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，cx1、cx2可在20pf到100pf之間取值，但在60pf到70pf時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇12mhz，電容選擇20pf。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。1.4.4 復(fù)位電路at89s52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳rst通過一個(gè)施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的s5p2，施密特觸發(fā)器的輸出電平有復(fù)位電路采樣一次，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。如圖1.3所示圖1.3 at89s52上電和按鈕兩種復(fù)位方式最簡單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用12mhz時(shí)c取10uf，r取1k歐姆。本設(shè)計(jì)采用的是上電自動(dòng)復(fù)位方式，但除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位時(shí)通過rst端經(jīng)電阻與電源vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、led數(shù)碼管、液晶顯示器。根據(jù)設(shè)計(jì)控制要求，我們選用p0p2口作輸出led數(shù)碼管和液晶lcd1602顯示控制口，用p3口作音樂播放的輸出控制口。led數(shù)碼管通過靜態(tài)顯示方式實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)讀秒。液晶lcd1602要根據(jù)交通燈的的變化規(guī)律以英文字符的形式相應(yīng)的顯示紅黃綠三種燈表示的含義，580c喇叭speaker循環(huán)重復(fù)播放音樂作為背景音樂。其中，單片機(jī)系統(tǒng)為系統(tǒng)的主控制器，以控制其他模塊協(xié)調(diào)工作。2.1 交通燈顯示模塊交通燈采用三色led,它由2個(gè)紅色發(fā)光二極管、2個(gè)黃色發(fā)光二極管和2個(gè)綠色發(fā)光二極管封裝在一起,低電平有效。發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的pn結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。pn結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱led。本設(shè)計(jì)將發(fā)光二極管連接到at89s52的p1口上，由單片機(jī)p1口賦值控制交通燈的亮暗。當(dāng)發(fā)光二極管連接的p1引腳為低電平時(shí)，燈亮，反之，燈滅。下面是單片機(jī)p1口與led燈的連接圖，p1.0p1.7這8個(gè)引腳分別連接8個(gè)發(fā)光二極管，予以控制。 圖2.1 交通燈的顯示連接2.2 數(shù)碼管led顯示時(shí)間模塊本設(shè)計(jì)利用at89s52單片機(jī)的一個(gè)并行口實(shí)現(xiàn)多個(gè)led數(shù)碼管顯示的簡單方法，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位io口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由另一個(gè)8位io口控制；也可采用并行擴(kuò)展口構(gòu)成顯示電路，交通燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間顯示是通過8位共陽數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的，設(shè)計(jì)根據(jù)交通燈的紅、黃、綠三色燈的變換相應(yīng)顯示各自的倒計(jì)時(shí)顯示時(shí)間，給行人和車輛以指示。2.2.1 數(shù)碼管led顯示器單片機(jī)中通常使用的是由7個(gè)發(fā)光二極管組成的顯示字符段,一般為七段數(shù)碼顯示管(含小數(shù)點(diǎn)為八段)，即七段led按“日”字排列成的數(shù)碼管。這些顯示二極管的一端連接在一起,形成公共端cc,端子ag、dp則通過引腳與外部總線相連,如下圖所示。用led顯示紅、黃、綠燈顯示時(shí)間的倒計(jì)時(shí)，給行人和車輛以指示。七段led的陽極連在一起稱為共陽極接法，而陰極連在一起稱為共陰極接法。每段led的筆畫分別稱為a、b、c、d、e、f、g，另有一段構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)。了解led的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。下圖是共陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。（a）led器件 （b）共陽極接法 （c）共陰極接法圖2.2 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖在選用共陰的l ed時(shí)，只要在某一個(gè)發(fā)光二極管加上高電平，該段即點(diǎn)亮，反之則暗。而選共陽的led時(shí)，要使某一段發(fā)光二極管發(fā)亮，則需加上低電平，反之則暗，為了保護(hù)各段led不被損壞，需外加限流電阻。顏色有紅，綠，藍(lán)，黃等幾種。led數(shù)碼管廣泛用于儀表，時(shí)鐘，車站，家電等場(chǎng)合。本系統(tǒng)采用的是共陽極數(shù)碼管。 2.2.2 數(shù)碼管led時(shí)間顯示 為了要顯示某個(gè)字形，則應(yīng)使此字形的相應(yīng)段點(diǎn)亮，也即送一個(gè)不同的電平組合代表的數(shù)據(jù)來控制led的顯示字形，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼。數(shù)據(jù)字位數(shù)與led段碼的關(guān)系如表2.1所示：表2.1 數(shù)據(jù)字位數(shù)與led段碼的關(guān)系數(shù)據(jù)位數(shù)d7d6d5d4d3d2d1d0led段碼dpgfedcbaled顯示模塊由8位共陽數(shù)碼管組成，包括控制參數(shù)調(diào)整顯示模塊和交叉口倒計(jì)時(shí)顯示模塊2部分，此2部分的8位led均采用動(dòng)態(tài)顯示方式，即將所有數(shù)碼管的段碼線相應(yīng)段并聯(lián)在一起，接到p0口，用p2口的各位對(duì)各個(gè)led進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)led的定時(shí)選通。圖2.3 數(shù)碼管led顯示模塊2.3 液晶lcd1602顯示模塊lcd1602是一款最常用也是最便宜的液晶顯示屏。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用液晶顯示器作為輸出器件時(shí)具有顯示質(zhì)量高，數(shù)字式接口簡單且體積小、重量輕、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。2.3.1 1602字符型lcd簡介液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可顯示出圖形。液晶顯示器的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方法分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等；按其驅(qū)動(dòng)方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（static）、單純矩陣驅(qū)動(dòng)（simple matrix）和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)（active matrix）三種。字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式lcd，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊，本設(shè)計(jì)采用的是1602字符型液晶顯示器顯示交通燈英文提示。1602lcd分為帶背光和不帶背光兩種，它們絕大多數(shù)是基于hd44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的。一般lcd1602字符型液晶顯示器實(shí)物如圖2.4所示圖2.4液晶lcd1602lcd 1602可以顯示內(nèi)部常用字符(包括阿拉伯?dāng)?shù)字，英文字母大小寫，常用符號(hào)和日文假名等)，也可以顯示自定義字符(單或多個(gè)字符組成的簡單漢字，符號(hào)，圖案等，最多可以產(chǎn)生8個(gè)自定義字符)。1602lcd主要技術(shù)參數(shù)有： 顯示容量：16*2個(gè)字符 芯片工作電壓：4.5-5.5v 工作電流：2.0ma（5.0v） 模塊最佳工作電壓：5.0v 字符尺寸：2.95*4.35（w*h）mm1602lcd采用標(biāo)準(zhǔn)的14條引腳線（無背光）或16引腳線（帶背光接口），最多可以顯示兩行標(biāo)準(zhǔn)字符，每行最多可以顯示16個(gè)字符，各引腳接口說明如表2.2所示表2.2 1602lcd引腳功能說明編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1vss電源地9d2數(shù)據(jù)2vdd電源正極10d3數(shù)據(jù)3vl液晶顯示偏壓11d4數(shù)據(jù)4rs數(shù)據(jù)/命令選擇12d5數(shù)據(jù)5r/w讀/寫選擇13d6數(shù)據(jù)6e使能信號(hào)14d7數(shù)據(jù)7d0數(shù)據(jù)15bla背光源正極8d1數(shù)據(jù)16blk背光源負(fù)極2.3.2 1602lcd的指令說明及時(shí)序1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，具體如表2.3所示。1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）表2.3 1602lcd控制指令表序號(hào)指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001i/ds4顯示開/關(guān)控制0000001dcb5光標(biāo)或字符移位000001s/cr/l*6置功能00001dlnf*7置字符發(fā)生器地址0001字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址8置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址9讀忙標(biāo)志或地址01bf計(jì)數(shù)器地址10寫數(shù)到cgram或ddram10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從cgram或ddram讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容指令1：清顯示，指令碼01h，光標(biāo)復(fù)位到地址00h位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00h。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 i/d：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 s:屏幕上所有文字是否左移或右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關(guān)控制 d：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 c：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平有光標(biāo)，低電平無光標(biāo) b:控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位 s/c:高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令 dl：高電平4位總線，低電平8位總線 n:低電平為單行顯示，高電平雙行顯示 f：低電平顯示5*7的點(diǎn)陣字符，高電平顯示5*10字符指令7：字符發(fā)生器ram地址設(shè)置。指令8：ddram地址設(shè)置。指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 bf：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。基本操作時(shí)序：讀狀態(tài) 輸入：rs=l,rw=h,e=h 輸出：d0-d7=狀態(tài)字寫指令 輸入：rs=l,rw=l,e=下降沿脈沖 d0-d7=指令碼 輸出：無讀數(shù)據(jù) 輸入：rs=h,rw=h,e=h 輸出：d0-d7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù) 輸入：rs=h,rw=l,e=下降沿脈沖 d0-d7=數(shù)據(jù) 輸出：無2.3.3 1602lcd字符的顯示lcd 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（cgrom)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、大小寫英文、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一字符都有固定的代碼，比如大寫的英文字母“a”的代碼是41h，顯示時(shí)模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形“a”顯示出來，顯示操作的過程如下：1、首先確認(rèn)顯示的位置，即在第幾行第幾個(gè)字符開始顯示。圖片1.jpg (31.37 kb)2009-2-10 09:10第一行的顯示地址是0x800x8f，第二行的顯示地址是0xc00xcf。例如想要在第2行，第3個(gè)位置顯示一個(gè)字符，那么地址碼就是 0xc2。在編程過程中，通常編寫一個(gè)函數(shù)確定在某行某個(gè)位置顯示數(shù)據(jù)。2、其次設(shè)置要顯示的內(nèi)容，即上面提到的cgrom內(nèi)的字符編碼。如顯示“a”，將編碼41h寫入到液晶屏顯示即可。通常設(shè)置地址和顯示內(nèi)容用一個(gè)函數(shù)來完成。3、定義一個(gè)字符串顯示函數(shù)，可以通過直接輸入字符方式進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì)中液晶顯示模塊與at89s52接口圖，液晶lcd1602顯示器通過與單片機(jī)的p2口連接寫入和讀取數(shù)據(jù)，從p0口顯示讀出的數(shù)據(jù)，利用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)液晶lcd1602與交通燈實(shí)時(shí)同步的循環(huán)顯示交通指示信息。當(dāng)燈亮?xí)r，液晶lcd1602顯示“please stop”，黃燈亮?xí)r，液晶lcd1602顯示“wait a moment”，綠燈亮?xí)r，液晶lcd1602顯示“l(fā)ets go”。圖2.5 液晶顯示模塊與at89s52接口2.4 音樂播放模塊樂曲中不同的音符，實(shí)質(zhì)就是不同頻率的聲音。利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生樂譜的各種頻率方波，經(jīng)過放大電路，有蜂鳴器放出，就產(chǎn)生了美妙和諧的樂曲。一般來說，單片機(jī)演奏音樂基本都是單音頻率，它不包含相應(yīng)幅度的諧波頻率，也就是說不能像電子琴那樣能奏出多種音色的聲音。因此單片機(jī)奏樂只需弄清楚音調(diào)和節(jié)拍兩個(gè)概念即可，音調(diào)表示一個(gè)音符唱多高的頻率，節(jié)拍表示一個(gè)音符唱多久的時(shí)間。我們知道，聲音的頻率范圍約在幾十到幾千赫茲，若能控制單片機(jī)某個(gè)口線的電平的高低，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音，本設(shè)計(jì)在音樂開始播放后，沒有任何操作情況下，單片機(jī)會(huì)連續(xù)播放，形成交通燈的背景音樂。2.4.1 音調(diào)的確定音調(diào)的確定實(shí)際上就是不同頻率脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，其步驟如下：1單片機(jī)要產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)，先要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的脈沖（1/頻率），然后將此周期除以2，即為半周期的時(shí)間，利用定時(shí)器計(jì)時(shí)這個(gè)半周期的時(shí)間，每當(dāng)計(jì)時(shí)到后就將輸出脈沖的i/o反相，然后重復(fù)計(jì)時(shí)此半周期的時(shí)間在對(duì)i/o反相，就可以在i/o腳上得到此頻率的脈沖。2利用單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器使其工作在計(jì)數(shù)器模式mode1下，改變計(jì)數(shù)值th1及tl1以產(chǎn)生不同的頻率。3.例如頻率為523hz，其周期t=1/523 s=1912us，因此只要令計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)956us/1us=956，在每計(jì)數(shù)956次時(shí)就將i/o反相，就可得到中音do（532hz）。 計(jì)數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系公式如下： n=fi / 2 / fr（n：計(jì)數(shù)次數(shù)，fi：音頻脈沖頻率，fr：單片機(jī)的機(jī)器周期 ）4定時(shí)器初始值的求法如下： t=65536-n=65536-fi / 2 / fr例如：設(shè)k=65536，f=1000000=fi=1mhz，求低音do（261hz）、中音do（523hz）、高音do（1046hz）的定時(shí)器初始值。 t=65536-n=65536-fi/2/fr=65536-1000000/2/fr=65536-500000/fr低音do：t=65536-500000/262=63627中音do：t=65536-500000/523=64580 高音do：t=65536-500000/1047=650595不同的頻率產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)于不同的音符頻率，c調(diào)各音符頻率與計(jì)數(shù)值t的對(duì)照表如下表2.4所示。表2.4 c調(diào)各音符頻率與計(jì)數(shù)值t的對(duì)照表音符頻率/hz簡譜碼/t值音符頻率/hz簡譜碼/t值低1do26263628#4fa#74064860#1do#27763731中5so78464898低2re29463835#5so#83164934#2re#31163928中6la88064968低3m33064021#693264994低4fa34964103中7si98865030#4fa#37064185高1do104665058低5so39264260#1do#110965085#5so#41564331高2re117565110低6la44064000#2re#124565134#646664463高3m131865157低7si49464524高4fa139765178中1do52364580#4fa#148065198#1do#55464633高5so156865217中2re58764684#5so#166165235#2re#62264732高6la176065252中3m65964777#6186565283中fa69864820高7si1967652832.4.2 節(jié)拍的確定每個(gè)音符使用1個(gè)字節(jié)，字節(jié)的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的節(jié)拍，下表為節(jié)拍碼的對(duì)照。但如果1拍為0.4秒，1/4拍是0.1秒，只要設(shè)定延遲時(shí)間就可求得節(jié)拍的時(shí)間。假設(shè)1/4節(jié)拍為1delay，則1拍應(yīng)為4delay，以此類推。所以只要求得1/4拍的delay時(shí)間（1/4拍的延遲時(shí)間=187毫秒），其余的節(jié)拍就是它的倍數(shù)，如下表2.5為1/4和1/8節(jié)拍的部分時(shí)間設(shè)定。 表2.5 節(jié)拍與節(jié)拍碼對(duì)照節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)11/4拍11/8拍22/4拍21/4拍33/4拍33/8拍41拍41/2拍51又1/4拍55/8拍61又1/2拍63/4拍82拍81拍a2又1/2拍a1又1/4拍c3拍c1又1/2拍f3又3/4拍表2.6 各調(diào)1/4節(jié)拍的時(shí)間設(shè)定和各調(diào)1/8節(jié)拍時(shí)間設(shè)定表曲調(diào)值delay曲調(diào)值delay調(diào)4/4125毫秒調(diào)4/462毫秒調(diào)3/4187毫秒調(diào)3/494毫秒調(diào)2/4250毫秒調(diào)2/4125毫秒2.4.3 編碼的確定建立音樂的步驟： 1.先把吧樂譜的音符找出，然后由上表建立t值表的順序。 2.把t值表建立在table1，構(gòu)成發(fā)音符的計(jì)數(shù)值放在“table”。 3.簡譜碼（音符）為高位，節(jié)拍為（節(jié)拍數(shù)）為低4位，音符節(jié)拍碼放在程序的“table”處。 表2.7 簡譜對(duì)應(yīng)的簡譜碼、t值、節(jié)拍數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)借助杜邦線使喇叭sreaker與單片機(jī)p3.0端口接通，讓音頻信號(hào)從p3.0口輸出，喇叭speaker通過芯片lm2003放大信號(hào)輸出音頻，形成美妙悅耳音樂。其連接如下圖2.6所示： 圖2.6 音樂模塊連接第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)程序流程圖開 始液晶顯示播放音樂（t1）90設(shè)置定時(shí)器0和1數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描（t0）數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)交通燈工作循環(huán)設(shè)置圖3.1 單片機(jī)交通燈程序流程圖從流程圖可以看出，本設(shè)計(jì)的交通燈工作的主要過程就是，利用兩個(gè)定時(shí)器t0和t1分別控制交通燈中數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描和音樂信號(hào)的輸出，然后調(diào)用程序使紅黃綠三種燈交替點(diǎn)亮，數(shù)碼管led倒計(jì)時(shí)顯示以及液晶lcd1602顯示這三種功能同時(shí)并相對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。3.2 控制器的軟件設(shè)計(jì)3.2.1 定時(shí)設(shè)定在交通燈的時(shí)間顯示中，每秒鐘的設(shè)定采用軟件延時(shí)的方法，延時(shí)方法可以有兩種，一種是利用mcs-51內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生溢出中斷來確定1秒的時(shí)間，另一種是采用軟件延時(shí)的方法。定時(shí)器工作時(shí)必須給計(jì)數(shù)器送計(jì)數(shù)器初值，這個(gè)值是送到th和tl中的。它是以加法計(jì)數(shù)的，并能從全1到全0時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生溢出中斷請(qǐng)求。因此，我們可以把計(jì)數(shù)器記滿為零所需的計(jì)數(shù)值設(shè)定為c和計(jì)數(shù)初值設(shè)定為tc 可得到如下計(jì)算通式：tc=m-c式中，m為計(jì)數(shù)器模值，該值和計(jì)數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式0時(shí)m為213；在方式1時(shí)m為216；在方式2和3時(shí)m為28。由公式t=(m-tc) t計(jì)數(shù) 或 tc=m-t/t計(jì)數(shù)其中t計(jì)數(shù)是單片機(jī)時(shí)鐘周期tclk的12倍；tc為定時(shí)初值如果單片機(jī)的主脈沖頻率為12mhz，經(jīng)過12分頻方式0 tmax=213*1微秒=8.192毫秒方式1 tmax=216*1微秒=65.536毫秒顯然1秒鐘已經(jīng)超過了計(jì)數(shù)器的最大定時(shí)時(shí)間，所以我們只有采用定時(shí)器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個(gè)問題。3.2.2 1秒鐘的設(shè)定我們采用在主程序中設(shè)定一個(gè)初值為20的軟件計(jì)數(shù)器和使t0定時(shí)50毫秒。這樣每當(dāng)t0到50毫秒時(shí)cpu就響應(yīng)它的溢出中斷請(qǐng)求，進(jìn)入他的中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中，cpu先使軟件計(jì)數(shù)器減1，然后判斷它是否為零。為零表示1秒已到可以返回輸出時(shí)間顯示程序。相應(yīng)的程序代碼如下：（1） 主程序定時(shí)器需定時(shí)50毫秒，故t0工作于方式1。初值：tc=m-t/t計(jì)數(shù)=216-50ms/1us=15536=3cb0horg 0100hstart: mov sp,#50h mov tmod,#11h ;設(shè)置定時(shí)器t0,t1mov ie,#10001010b ;端口初始化mov ip,#08h ;設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，t1為高優(yōu)先級(jí)mov th0,#high(65536-5000) ;設(shè)置定時(shí)器高字節(jié)初值mov tl0,#low(65536-5000) ;設(shè)置定時(shí)器低字節(jié)初值 setb tr0 ;啟動(dòng)定時(shí)器t0mov r7,#200（2） 中斷服務(wù)子程序timer0: push acc ;定時(shí)器部分，負(fù)責(zé)數(shù)碼管掃描 push psw mov th0,#high(65536-5000) ;設(shè)置高字節(jié)初值 mov tl0,#low(65536-5000) ;設(shè)置低字節(jié)初值 djnz r7,ret0 mov r7,#200 mov a,scanmode ;調(diào)用掃描 mov b,#4 div ab mov a,b rl a mov dptr,#tab_scan jmp a+dptr3.2.3 軟件延時(shí)mcs-51的工作頻率為2-12mhz，我們選用的at89s52單片機(jī)的工作頻率為12mhz，機(jī)器周期與