电子线路课程设计---基于单片机控制的交通灯.doc

课程设计报告书题目: 十字路口模拟交通灯基于单片机控制的交通灯摘 要本设计以单片机为核心，用4个74ls595芯片控制4个1616led点阵显示电路，模拟十字路口交通灯管理，并利用数码显示器进行倒计时显示（采用单片机内部定时器定时），实现了at89c51芯片的p1口设置红、绿灯、黄灯燃亮时间的功能。显示时间直接通过at89c51的p0口输出，东西路口的绿灯亮南北路口的红灯亮，东西路口方向通车。延时一段时间后东西路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪耀。闪耀若干次后，东西路口红灯亮，而同时南北路口的绿灯亮，南北路口方向开始通车，延时一段时间后，南北路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪耀。闪耀若干次后，再切换到东西路口方向，之后重复以上过程。通过外部中断能使交通灯暂停运行，并点亮4个红灯。通过16*16点阵中的图形模拟控制行人过马路的人形“走”、“停”指示灯。关键词：单片机、控制器、led灯、点阵显示电路、定时器、c语言。目 录1 任务提出与方案论证.62 总体设计72.1控制方案的确定73硬件结构83.1硬件结构框图83.2交通灯控制系统的原理框图83.3 单片机的引脚功能介绍 83.4 8位输出锁存移位寄存器的结构.113.5译码器 134 软件部分144.1延时子程序的计算： 144.2 流程图.144.3 仿真图 15总结.16参考文献17前 言单片机是计算机的一个重要分支，也是颇具有生命力的机种。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。通常，单片机有单块集成电路芯片构成。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。但这技术在19世纪就已出现了。交通信号灯的出现，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。通过三个星期的学习，本人对单片机的结构和功能已有了初步的了解和认识。单片机在交通控制中起到了举足轻重的作用，掌握了单片机的工作原理也就基本了解了交通灯的运做原理。1 任务的提出与方案论证随着我国经济水平的高速发展，人们的消费水平的不断提高，在道路上行驶的各种机动车辆不断增多，给城市交通带来了巨大压力。为保证交通安全，防止交通阻塞，使城市交通井然有序，交通灯在大多数城市得到了广泛应用。本次设计就是模拟了实际生活中的十字路口交通灯。交通信号灯控制方式很多， 本文采用msc-51 系列单片机at89c51 为中心器件来设计交通灯控制器。2 总体设计本设计是模拟交通灯的控制实验，必须要先了解实际交通灯的变化规律。假设一个路口为东西南北走向，即十字路口，初始状态零为东西南北灯都熄灭。然后转状态一东西绿灯通车，南北为红灯。过段时间转状态二，东西绿灯闪几次转黄灯，延时几秒，南北仍为红灯。再转状态三南北绿灯通车，东西红灯。过段时间转状态四南北绿灯闪几次转黄灯，延时几秒，东西仍为红灯。最后循环至状态一。交通信号灯模拟控制系统设计利用单片机的定时器定时，控制十字路口红绿灯交替电亮和熄灭，并且用led数码管显示时间。这次课题设计的意义在于通过具体的控制系统的设计，掌握电子线路系统设计的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术手段。使我们能在实践教学环境中累积设计经验，开拓思维空间，全面提高个人的综合能力。本文以at89c51单片机为主控处理器为核心，设,计十字路口交通灯的控制系统，在该系统中，at89c51和外围电路模块进行信息交流并控制。2.1 控制方案的确定交通灯控制系统的原理主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。如图1完整的电路图：图1 完整的电路图3硬件结构3.1 硬件结构框图（如图2所示）。数码led显示器电路交通指示灯单片机点阵显示电 路图2硬件系统在该系统中的作用主要是进行数据的传送，有关逻辑的计算，并且提供显示，人为的进行数据的修改，系统的启动，停止等等。此外系统运行的安全可靠性要靠硬件系统来实现。3.2 交通灯控制系统的原理框图（如图3所示）。甲车道信号灯定时器tl stty控制器译码器秒脉冲发生器乙车道信号灯图3交通灯控制系统的原理框图图中： tl: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，tl=1，否则，tl=0。ty：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，ty=1，否则，ty=0。st：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。3.3 单片机的引脚功能介绍： 8951单片机的引脚图如图4所示：图4 8951单片机的引脚及外围电路图at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示主要特性： 与mcs-51 兼容 4k字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0hz-24mhz 三级程序存储器锁定 1288位内部ram 32可编程i/o线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路管脚说明： vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断0） p3.3 /int1（外部中断1） p3.4 t0（记时器0外部输入） p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.4 8位输出锁存移位寄存器的结构74ls595(8位输出锁存移位寄存器)的使用方法74ls595引脚图如图5所示： 图5 74ls595引脚图74595的数据端：qa-qh: 八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。qh: 级联输出端。我将它接下一个595的si端。si: 串行数据输入端。74595的控制端说明：/sclr(10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常我将它接vcc。sck(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。qa-qb-qc-.-qh；下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5v时，大于几十纳秒就行了）rck(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。通常我将rck置为低点平，当移位结束后，在rck端产生一个正脉冲（5v时，大于几十纳秒就行了），更新显示数据。/g(13脚): 高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。比通过数据端移位控制要省时省力。注释：1)74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74164的驱动电流(25ma)比74595(35ma)的要小,14脚封装，体积也小一些。2)74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。3)595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，它的使用方法很简单，在正常使用时sclr为高电平， g为低电平。从ser每输入一位数据，串行输595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，它的使用方法很简单，如下面的真值表，在正常使用时sclr为高电平， g为低电平。从ser每输入一位数据，串行输入时钟sck上升沿有效一次，直到八位数据输入完毕，输出时钟上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。入时钟sck上升沿有效一次，直到八位数据输入完毕，输出时钟上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。 图6 74ls595内部结构图3.5译码器 74ls138译码器引脚图如图所示： 图7 74ls138译码器74ls138译码器有3个输入端，组成8种输入状态，输出端有8个，每个输出端对应8种输入状态的一种，低电平有效。此外还有3个使能端e3，e2，e1，这3个使能端必须同时输入有效电平，译码器才能工作，既e3=1，e2=0，e1=0。译码器的主要任务是将控制器的输出 q1、 q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 12、4所示。电路图说明：1.这个数码管动态显示电路用了一个单片机的一个i/o口p0口。2.p0口的低四位输出显示数字的bcd码，输出的bcd码送到74ls138中进行译码。然后输出段代码经上拉电阻上拉后送到显示器的各显示段的引脚。3.p22、p23、p24这三个口输出位选信号。位选信号送到74ls138中经译码产生显示器的位选信号。4.当输出短代码后，低电平的端口将会把这个口的电平拉低。所以此时发光二极管将不发光，而高电平的端口则会向这个发光二极管的阳极提供一个高电平，只要这个位被选中，那么这个发光二极管将发光，在在段代码表找查找就能出现响应的数字。每一个位选电路由一个pnp三极管组成。当位选口发出低电平，那么这一位的三极管就会饱和导通，由于显示器是共阴的内部结构，所以当三极管饱和导通时相当于将显示器接地。5.当脉冲到mcs51单片机时，led8位显示器就接收信号，并将信号储存到扩展寄存器中，当p0口的低四位输出显示数字的bcd码，输出的bcd码送到74ls138译码器译码，然后在显示提示符段码中查询显示数字。6.前面四位显示干道通行时间，后面四位显示支道时间，通过点阵显示电路的显示来控制车辆的放行、禁行情况。4 软件部分4.1延时子程序的计算： 采用寄存器r0、r1、r2作为记数值，r2中暂存1，r1中存0。当减1后变为255即r1中存数256。r0中存数#0b2h即178。各指令共占指令周期数为（见图延时程序后所附）delay2延时为：n=（2+2+2+1+1+2*178）+255*（1+1+2+2*178）=9164。共计9164个指令周期，而系统晶振为11.0592。所以t=12/11.0592=1.085（微秒）延时delay2为:t=9164*1.085/1000000=0.09996约等于0.1（秒）通过改变r2的值可以改变延时的秒数。4.2流程图（如图所示） 编写程序时，初始态为四个路口的红灯全亮之后，东西路口的绿灯亮南