通信工程课程设计

目录

第1章概述 (1)

1.1 研究背景 (1)

1.2 设计的实际目的与意义 (2)

1.2.1 设计的目的 (2)

1.2.2 设计的意义 (3)

1.3 行人过街设施 (4)

1.3.1 跑道灯 (4)

1.3.2 倒计时灯 (4)

第2章系统设计方案 (5)

2.1 系统总体方案 (5)

2.2 硬件设计 (5)

2.2.1 单片机简介 (5)

2.2.2 单片机发展的三大阶段 (6)

2.2.3 单片机的发展趋势 (6)

2.2.4 单片机的应用 (8)

2.2.6 本设计中所用单片机AT89C51 (9)

2.2.7 AT89C51的主要特性 (9)

2.2.8 AT89C51引脚排列及功能 (11)

2.2.9 AT89C51最小系统电路 (12)

2.3 主电路模块简介 (14)

2.4 AT89C51 电路各功能模块的设计 (16)

2.5 硬件系统功能原理 (17)

第3章软件系统设计 (20)

3.1 设计中所用到的编程语言 (20)

3.1.1 Keil C51 简介 (20)

3.1.2 汇编语言简介 (22)

3.1.3 Keil C51与汇编语言的接口 (24)

3.2 主要程序与流程 (25)

3.3 各主要部分的软件设计 (26)

3.4 Proteus软件仿真 (26)

结论 (30)

致 (31)

附录A 程序代码 (33)

附录B 系统原理图 (42)

第1章概述

1.1 研究背景

随着我国国民经济的迅猛发展，城市的经济贸易和社会活动日益繁忙，人员与社会交往日渐增多，使得原本就比较落后的交通基础设施供需矛盾更加突出，交通拥挤问题尤为严重，其中原因之一就是行人和机动车之间的冲突。在现代交通系统中，步行交通系统无论是作为满足人们日常生活需要的一种独立的交通方式，还是作为其他各种交通方式相互连续的桥梁和补充，都是其他方式无法替代的辅助系统。人类的活动还不能完全离开步行这种本能交通，在城市里上班、购物等活动中步行还占有相当大的比重。

目前，我国各大中城市都在紧地进行人行立交设施的规划和建设，完善步行系统，尝试解决人车冲突问题，以期做到“以人为本”、“可持续发展”，但是现有的立交设施都不同程度的存在着问题。主要体现在以下两个方面：

（l) 大中型城市步行系统基础设施供需矛盾突出，普遍存在过街难的问题，行人车辆混行，事故频发。

（2) 穿越马路现象严重。

城市交通状况日益复杂，原有的“以车为主、以机动车交通为中心”越来越不能适应现有的交通状况，各种问题凸现出来。在以人为本的城市交通理念下，关于城市道路过街立交设施设置的研究探讨己成为城市交通工程研究者面临的重要课题。

目前我国城市步行基础设施建设严重不足，供需矛盾突出，行人过街交通状况混乱，现有城市道路多采取人行横道的方式，虽然交通法规规定，车辆应自觉避让人行横道上的行人，但是对于我国一直以机动车交通为设计中心的现状，人车抢道问题严重，造成行人意识中人行横道概念淡漠，行人过街多随意穿越马路。行人过街行为地点和时间的随意性，使多数路段存在人车混行，行人的安全得不到保障，同时横向步行交通的无规律性，也严重影响车辆的通行速度。这也是我国城市道路上交通混乱与交通事故频发的重要原因之一。

现有步行交通问题主要体现在如下几个方面：

(1) 人车冲突，带来安全隐患，交通事故频发。

很多车流量很大，车头间距不能满足过街行人安全穿行需要的路段，无人行立交设施建设，行人通过人行横道或直接穿越，交通混乱，机动车辆严重危及过街行人安全，引发交通事故。

(2) 人车冲突，交通延误增加，通行能力减小。

过街行人与车辆交通的交汇严重影响城市道路路段与交叉口的通行能力。现状路段行人过街一般都无信号控制，行人从车间安全间隔穿越，由于行人穿越的随意性，大量的行人交通横穿道路，大幅度增加了交通延误，甚至造成路段交通暂时性的拥堵、停滞。在有信号控制的路段问题依然存在，右转车辆不避让行人，阻碍行人通过，车辆也易造成拥堵。

(3) 人车冲突，频繁停车，交通污染严重。

机动车辆在行人平面过街处频繁地减速停车和加速时，尾气排放量大幅度增加，其中有害物质的种类和数量也都有所增加，对城市的局部气候造成不利影响。由上面的问题不难看出，现状人行立交设施建设不足，平面横向交通带来的问题严重影响城市交通的发展，也与“以人为本，可持续发展”相抵触，急需对行人过街设施进行大量规划建设。

1.2 设计的实际目的与意义

1.2.1 设计的目的

设计一个单片机控制的行人过街手动控制交通灯模块的设计，从而锻炼自己的动手能力，深入了解一下交通灯的工作原理。综合应用单片机原理、微机原理、微机接口技术等课程方面的知识，熟练掌握单片机仿真系统的使用方法，达到提高综合应用相关知识的能力，掌握单片机系统设计全部设计过程的目的。

⑴通过单片机课程设计，熟练掌握汇编语言的编程方法，将理论联系到实践中去，提高我们的动脑和动手的能力。

⑵通过行人过街手动控制交通灯模块的设计，掌握定时/计数器的使用方法，和简单程序的编写，最终提高我们的逻辑抽象能力。

实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC等方案来实现。但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。因此，在本次设计

中采用单片机技术，应用目前广泛应用的汇编语言描述，实现交通灯系统控制器的设计，完成系统的控制作用。

本系统选用AT89C51单片机,配合一些外围电路完成交通控制系统。由于该单片机具有简单实用、高可靠性、良好的性能价格比以及体积小等优点，已经在各个技术领域得到了迅猛发展。实现同样的功能，这个方案既简单又经济！该灯控制逻辑可实现3种颜色灯的交替点亮、时间的倒计时,指挥车辆和行人安全通行，实时地控制当前交通灯时间,使LED显示器进行倒计时工作并与状态灯保持同步,可在保证交通安全的前提下最大限度地提高交通效率,而且允许处理紧急情况的发生.由于本设计还有计时调整功能，最大限度提高了本设计的交通灯应用的围。

经PROTEUS仿真模拟的试验,该系统得到了预期的实时控制效果.本论文针对道路交通拥挤、交叉路口经常出现拥堵的情况,利用单片机控制技术,从硬件设计和软件设计两个方面分别介绍通用小型实时交通监控系统的设计方法。

1.2.2 设计的意义

随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。车辆的增加反映出了国家的整体进步，但是也给人民带来了其他的一些负面的影响。我国是13亿多人口的大国，到2006年，全国的机动车保有量超过了8000万，而全国公路通车总里程只有14.8万公里。静态比例为：人均车辆约0.5辆，而人均道路只有

0.00011公里；每辆车均道路占有量约为0.002公里；且其中90%的道路属于机动车与非机动车和行人混杂。今后几年机动车辆数字还在急剧增加，道路超负荷承载，致使交通事故逐年增加。因此我们需要开发新型的交通控制系统。

随着社会经济的发展，城市化、城镇化进程的加快，道路交通堵塞问题也日趋严重，除了改善道路设施外，如何对交通进行合理的管理和调度也是重中之重。

单行道、各种交通灯的诞生都成了有效的措施，已经在国外不少大城市成熟运用的手动按钮行人信号灯近几年也陆续现身于国各大城市的街头。其出现曾被誉为将根本解决行人在非十字路口没有过街天桥、地下通道的路段顺利过马路问题的通行灯。

在国外的马路上，面对川流不息的车辆，想过马路的行人只要在斑马线旁按一下自控式红绿灯按钮，数十秒钟后，机动车道上红灯亮起，车辆停下让行

人先过斑马线，等绿灯亮时再启动。若无人过马路时，机动车道上的信号灯长时间亮绿灯，人行横道信号灯为长时间红灯，不影响机动车通行。

这一信号灯的诞生无疑对道路交通的有效疏导是一个革命性的进步，手动按钮行人信号灯的首要特点在于手控，它需要行人自己去控制信号灯以实现其价值。

手动按钮行人信号灯的诞生被誉为城市文明的产物，其普及程度也几乎等同于城市文明的试金石

1.3 行人过街设施

行人交通是城市交通的重要组成部分，而行人过街设施则是城市交通设施的重要组成部分。然而目前中国重视城市交通系统中的车辆交通，轻视步行交通，对行人交通研究不足，许多城市存在行人过街设施设置不合理的现象，这是导致行人违章穿越街道，造成交通混乱与交通事故的重要因素之一。

1.3.1 跑道灯

当行人步入人行横道时，跑道灯照亮人行横道，汽车驾驶员在将近300米处就能看到。这种系统通常使用在飞机跑道上，故称跑道灯。跑道灯只有在行人通过人行横道时才会亮，所以它既可以提醒行人注意，又能使驾驶员保持警惕状态。在一些国家，这种装置广泛地用于没有交通信号的十字路口和人行横道。

1.3.2 倒计时灯

倒计时灯既可与信号灯配合使用，也可单独使用。其作用是告诉行人和过往车辆距离信号灯变化还有多少时间，以便做出准确地判断，同时也避免了因犹豫不决而造成的心理恐慌。倒计时灯的形式多种多样，既可以用计数器显示，也可以用进展条、饼形图等形式显示。我国一些城市也已经安装了这种倒计时灯。

第2章系统设计方案

2.1 系统总体方案

交通灯在工作时应具有如下特点:红灯亮表示该条道路禁止通行;黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆禁止通行,已过停车线的车辆继续通行;绿灯亮表示该条道路允许通行。

通过老师的辅导，在规定的时间完成行人过街手动控制交通灯模块的设计。该行人过街手动交通灯模块的设计能够进行正常的交通模拟，能够在行人要过马路的情况下作出适当的处理，能够在车流特别拥挤的情况下使人顺利通行。

（1） A道没有人要经过的时候，B道上车辆可以一直行驶，B道一直显示绿灯。

（2）当A道有行人要经过的时候，在行人按键（实验时用开关K0、K1控制）15秒后交通灯显示开始变化，变成绿灯后行人可以经过，给行人过路的时间设为30秒。

（3）绿灯转换为红灯时黄灯亮15秒钟。

2.2 硬件设计

2.2.1 单片机简介

单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件。它在一块芯片芯片集成了计算机的各种功能部件，构成一种单片式的微型计算机。20世纪80年代以来，国际上单片机的发展迅速，其产品之多令人目不暇接，单片机应用不断深入，新技术层出不穷。单片机的应用技术是一项新型的工程技术，其涵随着单片机的发展而发展。由于MCS-51系列的单片机的模块化结构比较典型、应用灵活，为许多大公司所采纳，使8051系列的单片产品日新月异。在Intel公司20世纪80年代初推出MCS-51系列单片机以后，世界上许多著名的半导体厂商相继生产和这个系列兼容的单片机，使产品型号不断地增加、品种不断丰富、功能不断加强，在国外单片机应用中占有重要地位。

由于单片机具有功能强、体积小、价格低等一系列优点，在各个领域都有广泛的应用，有力地推动了各行各业的技术改造和产品更新换代。20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各

个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。1971年，Intel公司和日本的商业通信公司研发了微处理器。微处理器、存储器加上

I/O接口电路组成微型计算机，微型计算机开始走上历史舞台。

2.2.2 单片机发展的三大阶段

单片机经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

(1) 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。

(2) 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。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

(3) 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，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 单片机的发展趋势

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。

(1) CMOS化近年，由于CHMOS技术的进小，大促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因

为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。

(2) 低功耗化单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V 之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。

低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压围越来越宽，一般在3~6V围工作。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。

(3) 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部电路中都采用了新的技术措施。

(4) 大容量化以往单片机的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片存储器大容量化。目前，单片机ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。

(5) 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。

(6)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、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。

(7) 外围电路装化这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片。除了一般必须具有的CPU、