基于單片機(jī)交通燈設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)

李 娜，虎 號(hào)，牛曉飛,3

1．宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇南京，211100；3.安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，安徽合肥，230039

基于單片機(jī)交通燈設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)

李 娜1，2，虎 號(hào)1，牛曉飛1,3

1．宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇南京，211100；3.安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，安徽合肥，230039

以AT89C51為核心控制部件，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行智能交通燈的設(shè)計(jì)，利用四組紅、黃、綠發(fā)光二極管顯示東南西北的交通燈情況，兩組數(shù)碼管倒計(jì)顯示南北、東西方向交通燈點(diǎn)亮?xí)r間。在智能交通燈的設(shè)計(jì)制作和軟件編程過程中，學(xué)生可以快速掌握單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O設(shè)備的原理和應(yīng)用。同時(shí)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，從而提升他們的實(shí)踐創(chuàng)新性。

AT89C51；定時(shí)/計(jì)數(shù)器；交通燈；LED數(shù)碼管

定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O設(shè)備接口技術(shù)是《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程中需要學(xué)生學(xué)以致用的重要內(nèi)容。教師一味地按照課本講解定時(shí)/計(jì)數(shù)器的基本原理、I/O設(shè)備工作方法，學(xué)生不免感覺空洞抽象、枯燥乏味。將書本知識(shí)結(jié)合生活中的實(shí)際應(yīng)用，則能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。交通燈在生活中隨處可見，由學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)制作一款簡(jiǎn)易的智能交通燈，學(xué)生興致濃厚，主動(dòng)探索單片機(jī)知識(shí)。本文采用AT89C51作為核心控制元件，利用單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器功能實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，并通過LED數(shù)碼管倒計(jì)顯示[1]。學(xué)生硬件設(shè)計(jì)和軟件編程過程，可以快速掌握單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O設(shè)備的原理和應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)原理

為讓學(xué)生理解單片機(jī)最小系統(tǒng)、I/O設(shè)備等抽象概念，教學(xué)中教師應(yīng)著重分析交通燈的設(shè)計(jì)原理。首先介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)，它由單片機(jī)、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路構(gòu)成。再介紹交通燈部分，它由四組紅、黃、綠發(fā)光二極管組成，分別代表東、南、西、北四個(gè)方向的交通燈。最后介紹交通燈時(shí)間顯示部分，該部分由兩組LED數(shù)碼管組成，分別顯示東西、南北方向的時(shí)間。本設(shè)計(jì)中南北方向紅燈亮25秒，黃燈亮5秒，綠燈亮20秒；東西方向綠燈亮30秒，紅燈亮15秒，黃燈亮5秒。這樣交替變換不產(chǎn)生因時(shí)間差導(dǎo)致的燈光變化不一致現(xiàn)象。該設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)

在實(shí)踐中，學(xué)生弄清楚了最小系統(tǒng)的組成部分、工作原理及應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用STC公司生產(chǎn)的STC89C51作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，4個(gè)8位可編程并行I/O口，2個(gè)可編程16位定時(shí)器[2]。在智能交通燈設(shè)計(jì)中，電源電路、復(fù)位電路、晶振電路與單片機(jī)組成最小系統(tǒng)，如圖2所示[3]。本設(shè)計(jì)采用12 MHz晶振為電路提供1μs的時(shí)鐘周期，按鍵復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。最小系統(tǒng)的運(yùn)行才能確保智能交通控制功能的實(shí)現(xiàn)。

2.2 LED數(shù)碼管

數(shù)碼管是單片機(jī)設(shè)計(jì)常用的元件之一，在此環(huán)節(jié)可以引導(dǎo)學(xué)生思考LED數(shù)碼管在生活中的其他應(yīng)用，如電子鐘、電梯顯示、搶答器、記分器等?；趩纹瑱C(jī)的交通燈設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示亮燈時(shí)間。LED數(shù)碼管利用單只LED組合排列成“8”字型的數(shù)碼管，數(shù)碼管通過點(diǎn)亮相應(yīng)的點(diǎn)劃來顯示數(shù)字0～9。如圖3所示，本設(shè)計(jì)采用共陽極數(shù)碼管，0～9對(duì)應(yīng)的位碼分別為C0H、F9H、A4H、B0H、99H、92H、82H、F8H、80H、90H[4]。若時(shí)鐘顯示的時(shí)間為30 s，則傳送到兩段數(shù)碼管的位碼分別為B0H、C0H。

圖2 最小系統(tǒng)

圖3 LED數(shù)碼管

2.3 硬件整體結(jié)構(gòu)

圖4 硬件整體結(jié)構(gòu)圖

在教學(xué)中，可以讓學(xué)生查閱資料、分組討論，用Protues軟件自行繪制硬件整體結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)電路圖，需要學(xué)生了解整個(gè)設(shè)計(jì)思路，尤其是每一處引腳的連接方式。

單片機(jī)作為核心控制部件通過引腳P1.0-P1.5與四組紅、黃、綠發(fā)光二極管相連，其中P1.0-P1.2與南北方向的紅、黃、綠發(fā)光二極管相連，P1.3-P1.5與東西方向的紅、黃、綠發(fā)光二極管相連。單片機(jī)通過引腳P0.0-P0.7分別與其連接。單片機(jī)與兩組LED數(shù)碼管相連，其中南北方向數(shù)碼管的段碼1、2與單片機(jī)P2.0、P2.1相連，位碼A-DP與單片機(jī)P0.0-P0.7相連。東西方向數(shù)碼管的段碼1、2與單片機(jī)P2.2、P2.3相連，位碼A-DP與單片機(jī)P0.0-P0.7相連。段碼1、2選擇兩段中需要點(diǎn)亮的數(shù)碼管，位碼A、B、C、D、E、F、G、DP決定相應(yīng)段碼顯示具體內(nèi)容。

若系統(tǒng)南北紅燈亮25秒，東西綠燈亮30秒，則P2.0先為低電平0，讓南北方向連接1號(hào)的段碼點(diǎn)亮，單片機(jī)通過P0.0-P0.7傳送2的位碼A4H到數(shù)碼管的A-DP；動(dòng)態(tài)顯示輪流點(diǎn)亮南北方向2段，則P2.1為低電平0，單片機(jī)通過P0.0-P0.7傳送5的位碼92H到數(shù)碼管的A-DP；點(diǎn)亮東西方向1段，則P2.2為低電平0，單片機(jī)通過P0.0-P0.7傳送3的位碼B0H到數(shù)碼管的A-DP；點(diǎn)亮東西方向2段，則P2.3為低電平0，單片機(jī)通過P0.0-P0.7傳送0的位碼C0H到數(shù)碼管的A-DP。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

復(fù)雜難記的100多條指令讓很多學(xué)生對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)望而卻步，然而常用的匯編指令并不多，本設(shè)計(jì)采用的指令不過10多條。教師在教學(xué)時(shí)應(yīng)幫助學(xué)生克服恐懼心理，引導(dǎo)學(xué)生解決問題，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

整體流程圖是每個(gè)軟件設(shè)計(jì)的靈魂，本設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖5所示。本設(shè)計(jì)中南北方向紅燈亮25秒，黃燈亮5秒，綠燈亮20秒；東西方向綠燈亮30秒，紅燈亮15秒，黃燈亮5秒。因此本設(shè)計(jì)中的交通燈共有四種狀態(tài)S1、S2、S3、S4，其中S1態(tài)為南北紅燈25秒，東西綠燈25秒；S2態(tài)為南東西綠燈5秒；S3態(tài)為南北綠燈15秒，東西紅燈15秒；S4態(tài)為南北綠燈5秒，東西黃燈5秒。

圖5 程序流程圖

關(guān)鍵代碼如下[5-7]：

(1)定時(shí)器初始化

MOV MOD，#01H；設(shè)T0為方式1

MOV TH0，#3CH；給T0裝入計(jì)數(shù)初值

MOV TL0，#0B0H

SETB ET0；允許T0申請(qǐng)中斷

SETB EA；總中斷允許

SETB TR0

(2)S1態(tài)子程序

MOV P0，#11111010B；設(shè)置S1態(tài)，即南北紅燈、東西綠燈25秒

CALL DELAY25；調(diào)用延時(shí)25秒

(3)25秒延時(shí)子程序

DELAY25: MOV R1,#25

D1: MOV R2,#100

D2: MOV R3,#20

D3: MOV R4,#248

DJNZ R4,$

DJNZ R3,D3

DINZ R2,D2

DJNZ R1,D1

RET

4 結(jié)束語

基于單片機(jī)的交通燈設(shè)計(jì)，可讓學(xué)生從硬件設(shè)計(jì)和軟件編程過程中理解和掌握定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、I/O接口的基本原理和應(yīng)用[8]。在實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生對(duì)編程實(shí)現(xiàn)交通燈控制興趣濃厚，在學(xué)習(xí)理解S1態(tài)子程序的情況下，可以自行編寫S2態(tài)、S3態(tài)、S4態(tài)的子程序。學(xué)生用自己設(shè)計(jì)的電路控制交通燈，能體會(huì)到學(xué)習(xí)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的實(shí)用性、趣味性。該設(shè)計(jì)有助于學(xué)生探索該學(xué)科的有效學(xué)習(xí)方法，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。部分學(xué)生嘗試將該設(shè)計(jì)拓展，增加時(shí)間設(shè)置、緊急情況處理、分時(shí)段調(diào)整信號(hào)燈的點(diǎn)亮?xí)r間以及根據(jù)具體情況手動(dòng)控制等功能。

[1]張毅剛,彭喜元.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2010:45-65

[2]彭虎,周佩玲,傅忠謙.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:170-171

[3]李勇.簡(jiǎn)易交通燈系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2007(5):80

[4]姚龍水,王永飛.基于AT89C51單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2013(23):17-18

[5]徐鑫.單片機(jī)智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子世界,2013(23):23-24

[6]侍金鳳.基于51單片機(jī)的交通燈智能控制系統(tǒng)[J].科技信息,2010(35):485-487

[7]蘇玉萍.基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].甘肅科技,2011(19):32-34

[8]福洲.《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程教學(xué)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2012(2):74-75

(責(zé)任編輯：汪材印)

2014-10-28

宿州學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目“單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)法的探索與研究”(szxyjyxm201307)；宿州學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目“‘工程教育’背景下，電氣信息類專業(yè)計(jì)算機(jī)課程改革的探索與實(shí)踐”(szxyjyxm201230)，“‘工程教育’背景下，電氣信息類基礎(chǔ)課教學(xué)實(shí)踐與探索”(szxyjyxm201231)。

李娜(1983-)，女，安徽宿州人，博士生，主要研究方向：無線通信、微機(jī)控制。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.12.038

G642;U491.5

A

1673-2006(2014)12-0125-03