机电一体化专业精品毕业论文基于单片机的马路交通灯设计

摘 要年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片80S51为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩秒时黄灯闪烁警示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强本设计以单片机为核心，以LED灯作为直行和左右拐弯指示完成了题目要求的所有功能。关键字： 单片机 、MSC-51、交通灯、红绿灯目 录一：交通灯的做题意义和选题背景1. 传统交通灯简介42. 单片机的发展历程43. 单片机的特点54. 80S51单片机芯片简介65. 单片机内部结构76. 单片机内部结构图107. 单片机执行程序图118. CD4511芯片简介 129. 七段数码管简介1410. 74LS14非门芯片简介 15二: 十字路口智能交通灯系统硬件设计1. 设计要求162. 交通灯管理系统电路原理图173. 硬件选择204. 单片机角路图215. 红绿灯工作参考程序流程图226. 十字路口交通灯设计程序23四：心得体会32五：参考文献33一本次课程设计的做题意义和选题背景由于我国经济的快速发展从而导致了汽车数量的猛增，大中型城市的城市交通，正面临着严峻的考验，从而导致交通问题日益严重，其主要表现如下：交通事故频发，对人类生命安全造成极大威胁；交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大；空气污染和噪声污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题。在这种背景下，结合我国城市道路交通的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。对交叉口实行科学的管理与控制是交通控制工程的重要研究课题，是保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行能力的重要措施，是解决城市交通问题的有效途径。所以，改变和完善我国现有的交通系统已成为当务之急。交通灯信号灯的出现是人类历史上的一次重大改革，使人类的聚居生活，产生了深远的影响。使交通得以有效管制，对于疏导交通流量，提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。随着电子技术的发展，利用单片机技术对交通灯进行智能化管理，已成为目前广泛采用的方法。1传统交通灯的简介在今天，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市C5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。而中国最早的马路交通灯却是诞生于1928年的上海英租界。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，2单片机的 发展历程 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 在MCS-51系列单片机中，有两个子系列：51子系列和52子系列。每个子系列有诺干中型号。51系列有8051、8751和8031三个型号，后来经过改进产生了80S51、87c51、80c31三个型号；52系列有5021、8752、8032三个型号，改进后的型号是80c52/87c52、80c32。改进后的型号更加省电。52系列比对应的51系列增加了定时器T2并将内部程序存贮器增加到8KB。Inter公司停止生产MCS-51系列单片机之后将生产权转让给了许多其他公司，于是出现了许多与Mcs-51兼容的单片机。现在生产mcs-51兼容单片机的公司对其进行了不同程度的改进和提高。我们现在使用比较的多的是AT89C51/AT89s51等。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。3单片机的特点（1）性价比高，开发周期短，易于产品化，（2）集成度高，可靠性好，抗干扰性强，（3）功能完善，接口多样，（4）低功耗、低电压一般电源供电电压在53V范围内单片机都正常工作，供电的下限可达12V。（5）总线多样，易于扩展单片机外部的典型三总线结构,方便系统构扩展,构成各种规模的应用系统。外部总线增加了I2C及SPI等串行总线方式, 可根据需要进行并行或者串行扩展。 480S51单片机芯片简介80S51单片机引脚图80S51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。 80S51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。 此外，80S51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。80S51有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。 5单片机的内部结构MCS51单片机内部结构有8大部分.一个8 位的中央处理器 CPU（又称为微处理器）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。有 128字节 的片内数据存储器RAM8051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。.4KB片内 程序存储器ROM或EPROM8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据.片内 18个 特殊功能寄存器（SFR）0F0H SFR可寻址区0E0H 0D0H0C8H0B8H0B0H0A8H0A0H98H90H88H80H特殊功能寄存器SFR0FFH80H7FH数据缓冲区位寻址区R7R0 3组（8字节）2组1组0组30H2FH1FH00H20H 片内特殊存储器分布图.4个8位 的并行输入输出I/O口（PIO）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P0口 P0.0P0.7 输入与输出 分时的传送地址低8位与数据线P1口 P1.0P1.7 输入与输出 无第二功能P2口 P2.0P2.7 输入与输出 传送地址的高8位P3口 P3.0P3.7 输入与输出 P3.0RXD：串行口输入端P3.1TXD：串行口输出端P3.1TXD：串行口输出端P3.2：外部中断0中断请求输入端P3.3：外部中断1中断请求输入端P3.4T0：定时器/计数器0外部输入端P3.5T1：定时器/计数器1外部输入端P3.6：外部数据存储器写选通信号P3.7：外部数据存储器读选通信号.1个 串行口I/O（SIO/UART）完成单片机与其他微机的之间的串行通信.2/3个16位 定时器/计数器（TIMER/COUNTER）.可处理 5个中断源，两级可程序优先级的中断系统其中含有MCS-51指令集含 111条指令，按照指令操作功能话费有五类：数据传送指令（28）算术运算指令（24）逻辑运算及转移指令（25）控制转移指令（22）位操作指令（12）6单片机内部结构图单片机内部结构图80S51单片机的内部结构框图。除去图中的存储电路和I/O部件，剩下的是CPU，它可以分为运算器和控制器两部分。运算器功能部件包括算术逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存寄存器TMP1、TMP2、程序状态字寄存器PSW等。控制器功能部件包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时控制逻辑电路CU、数据指针寄存器DPTR、堆栈指针SP及时钟电路等。7指令执行过程示意图提供地址读取指令程序的计的数器PC指令01指令02指令03、程序存储器ROM指令操作码指令译码运算器ALU程序跳转指令修改地址PC运算指令外部设备接口数据存储器RAM数据传送指令指令执行过程示意图一条指令的执行过程为：取指令分析指令执行指令规定的操作8CD4511芯片简介IC CD4511是一组用来作为BCD对共阴极LED七段显示器译码的包装。其引脚图，图1与真值表图2所示，其各引脚功能如下：838电子。LT：做灯泡测试用，当LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出abcdefg=1111111，使七段显示器全亮，即显示8，以便观测七段显示器是否正常。当LT=1，则正常解码。ab126计算公式大全BI：空白输入控制，当BI=0 (LT 为1 时) 则不论DCBA 之输入为何，其输出abcdefg皆为0，即七段显示器完全不亮，此脚可供使用者控制仅对有效数据译码，避免在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。LE：数据栓锁致能控制；在CD4511 中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。当LE=0 时(LT=1 且 BI=1)，DCBA 数据会被送入IC 的缓存器中保存，以供译码器码；当LE=1 时，则IC 中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE=0 时的DCBA数据供译码器译码。换句话说当LE=1 时，不论DCBA 的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出abcdefg 仍保留原来在LE 由0转为1以前的资料。 图1 IC CD45111 引脚功能图图2 CD4511真值表9七段数码简介七段数码管引脚图数码管使用条件：a、段及小数点上加限流电阻；b、使用电压：段：根据发光颜色决定；小数点：根据发光颜色决定c、使用电流：静态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA上面这个只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的。数码管使用注意事项说明：（）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；（）焊接温度：度；焊接时间：（）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。10 74LS14非门芯片简介6非门芯片74LS14引脚图74LS14 是一个6反向器， 引脚定义如下图：A端为输入端，Y端为输出端，一片芯片一共6路，即 1，3，5，9，11，13 为输入端， 2，4，6，8，10，12 为输出端，输出结果与输入结果反向。即如果输入端为高电平， 那么输出为低电平。 如果输入低电平，输出为高电平。二十字路口智能交通灯系统硬件设计1.设计要求主、支干道交替通行，主、支干道每次通行时间东西为57秒，南北为37秒，东西左转与南北左转均为17秒。绿灯亮时表示可以通行，红灯亮时表示禁止通行，红绿灯之间的转换通过黄灯来实现。每次绿灯变黄灯时，绿灯先闪3秒（此时另一干道上的红灯不变）；再有黄灯变红灯。十字路口要求有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。2交通灯管理系统电路原理图东北南西 交通灯管理系统电路原理图1交通灯管理系统电路原理图2交通灯管理系统电路原理图3从上图表中我们可以很容易的看出：（1）上图表分为S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7八种状态，每种状态代表一种通行状态，其状态表如下：P3,5P3,4P3.1P3.0P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0R4Y4G4R3Y3G3R2Y2G2R1Y1G1S0100100100001S1100100100010S2100100001100S3100100010100S4100001100100S5100010100100S6001100100100S7010100100100（2）黄灯闪烁3秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。（3）这样如上图表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。3硬件选择选用80S51单片机一片U1，CD4511芯片四个U2,U3,U4,U5，七段数码管四个U6，U7,U8,U9,74LS14芯片两个U10，U11,红、黄、绿LED交通显示灯各四个AT80S51P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P3.0 P3.1 P3.4 P3.5L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 L12LED显示电路单片机端口与LED显示灯的链接4. 单片机角路图单片机角路图5红绿灯工作参考程序流程图6十字路口交通灯设计程序DISPLAY11 EQU 40H ; 东西显示码缓冲区1DISPLAY12 EQU 41H ; 东西显示码缓冲区2DISPLAY21 EQU 42H ；南北显示码缓冲区1DISPLAY22 EQU 43H ；南北显示码缓冲区2ORG 0000HSJMP MAINORG 0003H ；外部中断0入口LJMP PINT0ORG 0013H ；外部中断1入口LJMP PINT1MAIN： MOV SP，#60H ；设栈底MOV IE，#85H ；外部中断0、外部中断1设置S0： MOV R0,#20 ；R0东西计时显示码缓冲区MOV R1,#80 ；R1南北计时显示码缓冲区MOV P1,#21H ；点亮东西左转绿灯 SETB P3.0CLR P3.1 CLR P3.4SETB P3.5LP0： LCALL DISP ；调用显示子程序LCALL DELAY ；调用延时1sDEC R0DEC R1CJNE R0,#6, LP0 ；R06,转LP0MOV R3, #0 LP1： CPL P1.0 ；绿灯闪烁3次 LCALL DISP LCALL DELAY1 ；调用延时0.5sINC R3CJNE R3,#2, LP1MOV R3, #0DEC R0DEC R1CJNE R0,#3, LP1 ；R03,转LP1S1： MOV P1,#22H ； 点亮东西左转黄灯LP2： LCALL DISP LCALL DELAYDEC R0DEC R1CJNE R0,#0, LP2 ；R00,转LP2S2： MOV P1,#0CH ； 点亮东西绿灯MOV R0,#60LP3： LCALL DISP LCALL DELAYDEC R0DEC R1CJNE R0,#6, LP3 ；R06,转LP3MOV R3, #0 LP4： CPL P1.0 ；绿灯闪烁3次 LCALL DISP LCALL DELAY1INC R3CJNE R3,#2, LP4MOV R3, #0DEC R0DEC R1CJNE R0,#3, LP4 ；R03,转LP4S3： MOV P1,#14H ； 点亮东西黄灯LP5： LCALL DISP LCALL DELAYDEC R0DEC R1CJNE R0,#0, LP5 ；R00,转LP5S4： MOV R0,#60MOV R1,#20MOV P1,#64H ； 点亮南北左转绿灯 CLR P3.0CLR P3.1 CLR P3.4SETB P3.5LP10： LCALL DISP LCALL DELAYDEC R0DEC R1CJNE R1,#6, LP10 ；R16,转LP10MOV R3, #0 LP11： CPL P1.6 ；绿灯闪烁3次 LCALL DISP LCALL DELAY1INC R3CJNE R3,#2, LP11MOV R3, #0DEC R0DEC R1CJNE R1, #3, LP11 ；R13,转LP11S5： MOV P1, #0A4H ； 点亮南北左转黄灯LP12： LCALL DISP LCALL DELAYDEC R0DEC R1CJNE R1, #0, LP12 ；R10,转LP12S6： MOV P1, #24H ； 点亮南北绿灯SETB P3.0SETB P3.1 CLR P3.4CLR P3.5MOV R1, #40LP13： LCALL DISP LCALL DELAYDEC R0DEC R1CJNE R1,#6, LP13 ；R16,转LP13MOV R3, #0 LP14： CPL P1.0 ；绿灯闪烁3次 LCALL DISP LCALL DELAY1INC R3CJNE R3,#2, LP14MOV R3, #0DEC R0DEC R1CJNE R1,#3, LP14 ；R03,转LP14S7： MOV P1, #24H ；点亮南北黄灯SETB P3.0CLR P3.1 SETB P3.4CLR P3.5LP15： LCALL DISP LCALL DELAYDEC R0DEC R1CJNE R1,#0, LP15 ；R00,转LP15LJMP S0DISP ： MOV A,R0 ；东西时间显示(CD4511)MOV B,#1 0DIV ABSWAP AMOV DISPLAY11, AMOV DISPLAY12, BANL DISPLAY11, 0F0HANL DISPLAY12, 0FHMOV A, DISPLAY11ORL A, DISPLAY12MOV P0, A MOV A, R1 ；南北时间显示(CD4511)MOV B,#1 0DIV ABSWAP AMOV DISPLAY21, AMOV DISPLAY22, BANL DISPLAY21, 0F0HANL DISPLAY22, 0FHMOV A, DISPLAY21ORL A, DISPLAY22MOV P2, A RETDELAY： MOV R5,#05H ；1S延时（6MHZ晶体）K1： MOV R6,# 200K2： MOV R7,#248NOPK3： DJNZ R7, K3DJNZ R6, K2DJNZ R5, K1RETDELAY1： MOV R5, #05H ；0.5S延时K11： MOV R6, #100K12： MOV R7, #248NOPK13： DJNZ R7, K13DJNZ R6, K12DJNZ R5, K11RETPINT0： PUSH 90H ；按下SW1，中断子0程序，紧急情况（东西通行），保存P1口原来状态PUSH B0H ；保存P3口原来状态MOV P1,#0CH ； 点亮东西绿灯SETB P3.0CLR P3.1 CLR P3.4SETB P3.5 POP B0H POP 90HRETIPINT1： PUSH 90H ；按下SW2，中断子1程序，紧急情况（南北通行），保存P1口原来状态PUSH B0H ；保存P3口原来状态MOV P1, #24H ； 点亮南北绿灯SETB P3.0SETB P3.1 CLR P3.4CLR P3.5 POP B0H POP 90HRETI四心得