交通灯单片机课程设计报告.doc

贺州学院课程设计报告单片机原理及应用 课程设计报告 题 目：交通灯控制系统的设计 专 业：电子信息工程 年 级：2010级 学 号： 学生姓名： 联系电话： 指导老师：曾繁政 完成日期： 2013 年 5 月 17 日24交通灯控制系统的设计摘 要 利用STC89C51，晶振，数码管，按键等元件，制作一个简易的程序控制的交通灯，实现对南北东西路口的倒计时控制，同时用ST188与比较器LM393构成电路，可以实现对车流量的检测，本系统实现了通过P2口设置红、绿灯点亮时间的功能。红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过P1口输出，显示时间通过P0口输出至两位数码管）。经测试，系统达到课程设计的基本要求的要求，具有计周期短、可靠性高、实用性强、操作简单、维护方便、扩展功能强等优点。关键词：STC89C51，LM393，ST188，定时器，中断。 ABSTRACT Using STC8951crystals,digital tube,elements such as buttons, make a simple program control of traffic lights, countdown of north-south thing intersection control,at the same time with ST188and comparator LM393 circuit, can realize the traffic detection, this system real- ized through P2 port setting the function of red and green light burning time; Lit cycle traffic lights, countdown with 5 seconds left yellow lights flashing warning (The traffic light signal through P1 port output, display time by P0 mouth output to two digitals tube) . After testing , the system to achieve the requirement of the basic requirements of the curriculum excogitat- ion, with meter shorter in high reliability strong practical operation simple maintenance and convenient extension function, etc.Key Words:STC8951, ST188,LM393,reset circuit, timer, interrupt. 摘 要IABSTRACTII1设计要求及方案选择11.1设计要求11.2方案选择12理论分析与设计22.1交通灯控制系统的总电路的分析及设计22.2单片机交通控制系统的基本构成及原理设计43电路设计63.1总原理图电路设计63.2最小系统电路设计93.3按键电路设计93.4车流量控制电路设计93.5数码管显示电路设计113.6红绿灯显示电路设计123.7软件的设计134系统测试144.1调试所用的基本仪器清单144.2仿真调试144.3硬件电路调试154.4测试结果分析155总结16参考文献17附录18贺州学院课程设计报告1 设计要求及方案选择1.1设计要求 基本要求： (1）完成交通灯的基本功能。 （2）实现对车流的检测。 （3）所用到的电路板必须有作者的名字和学号。 （4）设计在2013年5月30日前完成。 扩展部分： （1）交通灯的时间可以设定（及绿灯、红灯时间的长短）。 （2）具有应急情况。 （3）对车流量进行清零。1.2方案选择 方案一：PLC控制交通灯 PLC主要应用于强电方面的工业控制，或者整条流水线的控制。虽然比较稳定,但是功耗要大，成本也比较高。 方案二：单片机控制交通灯单片机具有结构简单、编程方便、经济、易于连接等优点，特别是其内部定时器计数器、中断系统资源丰富可对交通灯进行精确的控制，有应用价值，可扩展功能多，灵活性比较强，线路也非常简单，成本也是比较低的。由于此次课程设计是单片机设计，还有结合从各方面优缺点来看，以及简便方面，成本方面，和结构、控制方面来看。为了同时满足课程设计要求，综上所述，选择了方案二，做为本设计的方案选择。2 理论分析与设计2.1交通灯控制系统的总电路的分析及设计交通灯系统由5个部分构成，分别是最小系统电路，按键电路，流量控制电路，数码管显示电路，红绿灯显示电路。这几个部分电路结合起来就是一个完整的交通灯系统电路。设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。其具体状态如下图2-1所示。说明：黑色表示亮，白色表示灭。交通状态从状态1开始变换，直至状态6然后循环至状态1，周而复始，即如表2-1所示：图2-1 交通状态图 通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下： 东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。 东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时5秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。 南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。 南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时5秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下表2-1所示：表2-1交通状态及红绿灯状态表状态1状态3状态4状态6东西向禁行等待变换通行等待变换南北向通行等待变换禁行等待变换东西红灯1100东西黄灯0001东西绿灯0010南北红灯0011南北绿灯1000南北黄灯0100东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。状态及红绿灯状态如表1所示。说明：0表示灭，1表示亮。 本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，通行时间调整和紧急处理，对车流量进行监控，并显示出来，以及清除流量数据等功能。 （1）倒计时显示倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择 。 （2）时间的设置本设计中可通过按键对时间进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯，同时数码管暂停。 （3）紧急处理交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，我们必须尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到想此目的。 （4）流量监控在交通灯路口处设置了一个流量监控仪器，红外线监控，如果有车辆通过的时候，红外线就会检测到，对检测车辆进行计数。2.2单片机交通控制系统的基本构成及原理设计单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。本系统在此基础上，加入了紧急情况处理与时间调整功能。单片机交通控制系统的基本构成及原理设计，系统的总体框图如下图2-2所示：单片机控制系统最小系统外围接口电路数码管显示红黄绿信号灯按键流量监控车流量电路图2-2系统的总体框图据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由按键设置模块产生输入，信号灯状态模块，数码管倒计时模块模块接受输出。系统的总体框图如上图2-2所示。单片机上电后，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到数码管上实时显示。在此过程中随时调用急停按键和时间调节中断。当复位键按下的时候交通灯控制系统重新开始。车流量监控，本设计的车流量监控是通过用红外线进行检测，如果有人行通过的时候红外线将会检测到高低电平，进而可以控制单片机的I/O口电平的变化，从而达到检测，计数的效果。计数之后通过数码管显示出来。3电路设计3.1总原理图电路设计 STC89C51芯片介绍如下： 主控芯片采用STC89C51单片机（其管脚图如图3-1所示）。单片机，亦称单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。于是，微型计算机（即单片机）在这种情况下诞生了。纵观生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子 宠物等，这些都离不开单片机。图3-1 STC89C51引脚图单片机以体积小、功能全、性价比等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。如果说C语言程序设计课程设计的基础课，那么单片机以其系统硬件构架完整、价格低廉、学生能动手等特点，成为工科学生硬件设计基础课。MCS-51单片机是指由美国INTEL公司（大名鼎鼎的INTEL）生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。 8051单片机包含中央处理器（CPU）、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,现在我们分别加以说明： （1）中央处理器（CPU）中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 （2）数据存储器（RAM）8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 （3）程序存储器(内部ROM)程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。STC89C51内部配置了4KB闪存。定时/计数器用于实现定时和计数功能。STC89C5共有2个16位定时/计数器。 （4）并行输入输出(I/O)口 8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。 （5）全双工串行口8951内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 （6）时钟电路时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。 （7）中断系统中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。STC89C5共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。 （9）定时/计数器 8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。此设计的总原理图如下图3-2所示： 3-2交通灯总原理图3.2最小系统电路设计单片机最小系统的设计，由晶振电路和复位电路构成，晶振电路，采用12M的晶振和2个30p的电容组成，复位电路由，1k电阻，4.7k电阻和22u电容和一个按键构成。电路图如下图3-3所示：图3-3复位电路与晶振部分电路图3.3按键电路设计本设计设计了多个按键，其中包括有，流量监控按键，调节红绿灯时间加减按键，应急按键和调节设置按键，车流量清零按键，流量显示关闭并锁存按键。这几个部分组成，其按键对应到I/O如下图3-4所示：图3-4按键电路及I/O分配部分电路图3.4车流量控制电路设计 要实现对车流量监控，需要在外部电路中加多一个能过通过改变对单片机I/O的高低电平控制的电路模块。此模块主要是由ST188红外线发送接收和一个比较器LM393以及一个非门74LS04组成。 ST188的引脚图实物如下图3-5所示，其中A-K为红外发射管，C_E为红外接收管。图3-5 ST188的引脚图实物 ST188的工作原理是：当没有物体反射红外线时，ce之间截止，无电流流过，输出电压为电源电压，高电平。当有物体反射红外线时，be饱和导通ce也就导通了，输出端就相当于接地。输出电压为低电平。LM393是由两个独立的，高精度电压比较器组成的集成电路，失调电压低，最大为2mv。她专为获取宽电压范围、单电源供电而设计，也可以双电源供电，而且不论电压大小，电源的电流都很低，他有一个特性：即使是单电源供电，比较器的共模输入电压范围接近地电平。LM393主要特点如下： （1）工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源。 （2）消耗电流小，Icc=0.8mA。 （3）输入失调电压小，VIO=2mV。 （4）共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V。 （5）输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容。 （6）输出可以用开路集电极连接“或”门。 所以结合ST188与LM393一起来应用的流量监控总原理图如下3-6所示 图3-6流量监控模块原理图 其中D1是一个发光二极管，当有电平变化的时候D1会亮灭，当没有电平变化的时候D1会一直亮着，电阻R3是限流作用保护发光二极管，R1的电阻取值100，R2电阻取值为10k，R4为一个可调电阻，可调电阻输出的电压为基准电压，通过控制此电压可以调节ST188红外线的灵敏度，从而可以达到输出高低电平控制，进而可以达到检测是否有车流量通此处路段。3.5数码管显示电路设计 数码管显示电路，通过P0口和P2口的控制输出，其中P0口要加多上拉电阻才能使用，由于其内部无上拉电阻，作为I/O用时候要加上拉电阻。P0口作为显示倒计时的输出端口控制2个2位的数码管，其中还需要用到P3.7，P3.6，P3.5，P3.4来进行控制位选。J2是东西显示数码管，J5是南北显示数码管，REDCC是流量显示数码管，P2口接流量显示数据。电路接线图如下3-7所示： 图3-7 数码管显示部分电路3.6红绿灯显示电路设计红绿灯电路设计主要是由12盏灯进行控制，东西6转盏灯，南北6盏灯，分别由单片机的6个I/O进行控制。电路图如3-8所示：图3-8红绿灯部分电路图3.7软件的设计全部控制程序实际上分为若干模块：按键设置处理程序，状态灯控制程序，LED显示程序紧停程序，中断服务子程序，红绿灯时间调整程序等。整个软件程序方面主要分两大部分：主程序部分和中断处理程序。流程图如图3-9所示。图3-9程序流程图该智能交通灯控制系统的软件设计采用的是顺序执行并反复循环的方法。智能交通灯控制系统在正常工作的情况下，每20s（时间可以自行设定）循环变化一次。每个循环周期在还剩5s时，正在通行路口的黄灯同时点亮并开始闪烁，以提醒路人上的行人及车辆，交通灯即将发生变化。在此期间若中断按键按下则转入中断服务子程序进行相关操作。4 系统测试4.1调试所用的基本仪器清单 万用表，5v电源，杜邦线，电烙铁，数据下载串口，仿真软件，keli软件。4.2仿真调试 经过仿真测试，此系统的交通灯能够进行正常运转，仿真电路图如下4-1所示：图4-1仿真软件系统图通过仿真软件测试，最后加载程序进去，各项指标均到达了预期的效果，各项功能都是可以实现的，可以对流量进行监控，在此次仿真用按键代替流量。4.3硬件电路调试通过仿真软件调试成功之后，我开始做硬件电路出来调试，硬件电路，刚刚开始做出来的时候，我用万用表对电路进行检测，是否有段路现象，检测完毕后，我开始用杜邦线对电路进行连接，通过下载数据串口把程序下载在单片机中。测试过程中，与仿真软件里面有些差别，就是数据的变得太快了，最终我分析程序，终于解决了问题，程序重新下载进去后，交通灯系统能过正常运行。4.4测试结果分析 测试过程是个艰难的过程，硬件电路布是什么问题，问题是程序的编写部分，一开始问题是很多的。刚刚开始的时候，下载程序到单片机中的时候，交通灯是无法正常运行的，倒计时和红绿灯的不能协调工作的，要么是时间不对应，要么就是红绿灯出错。这次测试过程中我遇到比较麻烦的问题就是流量监控部分地方。我在编写程序的时候是通过外部中断1来控制的，在这里我先是用按键代替，有低电平是，流量监控数码管计数器加1，该过程中必须要与定时器同步，如果不同步的话，当流量计算时候，倒计时的时间将会出现闪动。如何能过达到同步效果，我是通过在定时器中加多一个变量aa，aa的取值也是关键的，aa太小将会出现对按键抖动，流量监控将不会准确，比如说，当只有一个人通过时候，却把数计成2个，这就是aa这个变量参数作用。下面对aa，当有一次电平变化时候对应计数值与aa的关系，（aa数值1表示延迟50ms）这个调试的分析数据如下表4-1所示：表4-1参数变量与流量计数值的关系参数变量（aa）481215车流量计数值5321所以最终调试选取aa的值为15的时候是比较合适的，此时计数是比较准确的。 调试过程中要实现倒计时，刚刚开始的时候我把程序写进去的时候并不是倒计时而是乱的时间出现，后来我认真查看了数码显示表，应该把原来的0到9的数码表顺序做相应的调整才能够达到倒计时，或者我把程序做相应修改就可以正常工作了。 在增加附件功能的时候，要达到设置暂停的效果，就必须在进入中断后马上关总中断，才能过把定时器关掉去实行中断中的程序。5总结此次课程设计我一共花了差不多两周的时间，其中差不多有一周时间里面我是在重新学习关于单片机的知识的。此次课程设计难的地方就是对程序的编写难，很多地方都不怎么懂，所以我是看了蛮多的视频之后才开始编写程序的。在编写的过程中运用到了蛮多老师以前讲的知识，中断，定时器，延迟程序，函数声明，位声明等，很的新东西。同时经过两周的学习我也学会了不少东西。在焊接过程中，我学会应先合理的布局，并认真检查每个元器件，确保无误后再焊接。还有，不能急于求成，要焊接一个模块，检查一个模块，免得整个版子焊完后再在一大堆线中检查，这样不仅效率低且耗时。自然，我也学会如何去发现问题与解决问题的一些方法。在做流量监控模块的时候我做了好几块板都不成功刚刚开始，后来我慢慢查找相关资料，发现单独的st188是无法输出可以驱动单片机的I/O电平变化的，需要加多一个比较器才可以，终于我经过改进电路图，最后终于实现了功能，到达了老师的要求。至于软件设计与调试，我觉得它主要考验你的思维逻辑能力及你对指令的熟悉程度。可以说再整个软件设计过程中，我不仅学会了延时的两种方法，即软件延时和硬件延时，还掌握数码管的两种显示方式（即动态显示与静态显示）及其如何选择。当然，通过几次反复调试过程，使得我对C程序指令有了更深刻的理解。此次课程设计过程我还掌握了一下几点： （1）掌握了电子系统设计的流程，熟悉了各种硬件电路以及软件编程方法。 （2）理解了最单片机的各部分组成及特性。 （3）学会了利用Keil对c语言进行编译过程.更进一步加深了对PROTEUS仿真软件的学习。这次课程设计，我经过自己的努力和通过老师指导和同学的指点，最后终于把它完成了，我同时也学会了更多，比如中断，数码管动态显示，计数器等。在不懂的地方我们要虚心向别人请教，只有这样我们才能够学会更多，丰富我自己的知识。参考文献1 余发山，王福忠.单片机原理及应用技术 M.徐州：中国矿业大学出版社，2008. 2 蔡振江.单片机原理及应用M.北京：电子工业出版社，2007.3 吴黎明.单片机原理及应用技术M.北京：科学出版社，2003.4 刘乐善.微型计算机接口技术及应用M.北京： 华中科技大学出版社，2004.5 李伯成.基于MCS-51单片机的嵌入式系统的设计M.北京：电子工业出版社，2004.6 吴黎明, 王桂棠, 洪添胜.单片机原理及应用技术 M .北京: 科学出版社，2005.附录交通灯系统总原理图 源程序 #include#defineuchar unsigned char#defineuint unsigned int/*定义控制位*/*定义数码管端口*/sbit EW_LED2=P37;/EW_LED2控制位 个位sbit EW_LED1=P36;/EW_LED1控制位 十位sbit SN_LED2=P35;/SN_LED2控制位 个位sbit SN_LED1=P34;/SN_LED1控制位 十位sbit SN_Yellow=P16;/南北黄灯sbit EW_Yellow=P12;/东西黄灯sbit EW_Red=P13;/东西红灯sbit SN_Red=P17;/南北红灯sbit SN_GREEN=P15;/南北绿灯sbit EW_GREEN=P11; /东西绿灯/*功能键*/sbit butt_guanbijishi=P14;/无人时候监控关闭显示并锁存有人时候自动启动sbit butt_add=P30;/加时间按钮sbit butt_clern=P10;/监控流量清零加时间按钮sbit butt_reduce=P31;/减时间按钮 sbit butt_stop=P32;/紧急停止按钮/*黄灯闪烁*/bit Flag_SN_Yellow; /南北黄灯标志位bit Flag_EW_Yellow;/东西黄灯标志位char Time_EW;/东西方向倒计时char Time_SN;/南北方向倒计时uchar EW=20,SN=15;uchar EWL=4,SNL=4; /程序初始化赋值，正常模式 ，进入中断，改变时间，加或减此数据不在有效uchar EW1=20;uchar SN1=15;uchar EWL1=4;uchar SNL1=4;/用于存放修改值的变量 ，进入中断，改变时间，加或减此数据不在有效uchar code table10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /共阴极/0x3f ,0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d,0x07, 0x7f,0x6f /共阳极uchar code DSY_CODE=0x6f,0x7f,0x07,0x7d,0x6d,0x66,0x4f,0x5b,0x06,0x3f;/流量显示数uchar tount=99;aa;/变量，aa用来对流量监控的去抖动void init() /初始化 IT1=1;/INT0脉冲触发TMOD=0x01;/定时器工作于方式1TH0=(65536-50000)/256;/定时器赋初值 每次50msTL0=(65536-50000)%256;EA=1; /CPU开中断总允许ET0=1;/开定时中断EX1=1;/开外部INT1中断EX0=1; /开外部INT0中断 TR0=1;/启动定时P2=0x0;/一开始流量关闭，无人通行 /*延时子程序*/voidDelay(uchar z)uint x,y; for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/*显示子函数*/数码管为共阴极，低电平有效voidDisplay(void)char h,l;/定义中间变量，东西方向h=Time_EW/10;/十位数l=Time_EW%10; /个位9-0；P0=tablel; /输送个位数EW_LED2=0; /打开位选个位Delay(1); /延时，EW_LED2=1; /关闭 P0=tableh; /输送十位数EW_LED1=0; /打开十位位选Delay(1); /EW_LED1=1; /关闭十位选h=Time_SN/10; / 检测十位数位多少2-0南北方向l=Time_SN%10;/ 检测个位数为多少9-0；P0=tablel; /输送个位值SN_LED2=0; /打开位选个位Delay(2); / 延时SN_LED2=1;/关闭 P0=tableh;/输送十位2-0SN_LED1=0; / 打开十位位选Delay(2);/延时SN_LED1=1;/关闭十位位选 /*外部1中断服务程序*/ void ex1() interrupt