计算机控制技术课程设计---基于单片机的交通灯控制.doc

课程设计 计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 成绩评定表成绩评定表 设计课题设计课题 ： 基于单片机的交通灯控制基于单片机的交通灯控制 学院名称学院名称 ： 电气工程学院电气工程学院 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指导教师 ： 王王 黎黎 设计地点设计地点 ： 中原路校区中原路校区 2 号楼号楼 402 设计时间设计时间 ： 2011.6.272011.7.3 指导教师意见： 成绩: 签名： 年 月 日 课程设计 i 计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 课程设计名称：课程设计名称： 基于单片机的交通灯控制基于单片机的交通灯控制 专专 业业 班班 级级 ： 自动自动 f0805 学学 生生 姓姓 名名 ： 学学 号号 ： 指指 导导 教教 师师 ： 设设 计计 地地 点点 ： 中中 02 课程设计时间：课程设计时间： 2011.6.272011.7.3 课程设计 ii 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名学生姓名专业班级专业班级自动 f0805学号学号 题题 目目基于单片机的交通灯控制基于单片机的交通灯控制 课题性质课题性质工程设计课题来源课题来源自拟课题 指导教师指导教师王黎 主要内容主要内容 利用单片机完成交通信号灯控制器的设计， 该交通信号灯控制 器由一条主干道和 一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置 红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯 亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。 任务要求任务要求 第 1 天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。 第 2 天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论 证，画出方框图，并简述工作原理。 第 3-4 天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图， 元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。 第 5 天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理 流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于 5000 字。 主要参主要参 考资料考资料 1.楼然苗.单片机课程设计指导 2 熊静琪计算机控制技术北京：电子工业出版社，2003 3 高金源计算机控制技术北京：北京航空航天大学出版社， 2001 4徐维祥.单片微型机原理及应用 大连理工大学出版社，2006.12 5 张晋格计算机控制原理与应用北京：电子工业出版社， 1995 审查意见审查意见 系（教研室）主任签字：系（教研室）主任签字： 年年 月月 日日 课程设计 iii 目录目录 1 引言 .1 2 总体方案设计.2 2.1 系统设计要求2 2.2 系统整体结构2 2.3 方案论证及其选择3 3 硬件电路设计.4 3.1 数码管显示电路4 3.2 复位电路设计5 3.3 晶振电路设计7 3.4 电源电路设计7 3.5 时钟电路设计8 3.6 单片机最小硬件电路设计8 3.7 最小硬件系统电路图设计9 3.8 红、绿、黄灯控制电路设计.10 4 程序设计11 4.1 程序总体设计.11 4.2 主程序设计.12 4.3 显示子程序设计.12 4.4 交通控制时间处理子程序设计.13 5 心得体会15 6 参考文献16 7 附录17 课程设计 1 1 1 引言引言 现在的每个城市中，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。但是这一技术在 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。它由红绿色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 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止” ，绿灯 亮表示“通行” 。 1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一 种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器 来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下喇叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯 当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把 信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。 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。1968 年，联合国道路交通和道路标志信号 协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以 直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必 须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行 信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面 对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可 以进入交叉路口。 本文主要采用的是用数码管与点阵 led 相结合的方法因为设计既要求倒计 时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码 管与 led 灯分别显示时间与提示信息。 课程设计 2 2 2 总体方案设计总体方案设计 2.12.1 系统设计要求系统设计要求 （1）处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行。主干道亮绿灯时， 支干道亮红灯；支干道亮绿灯时，主干道亮红灯。 （2）干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行 30 秒，支干道每次 放 行 30 秒，设立 30 秒计时、显示电路。 （3）绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮 5 秒黄灯作为过渡。黄灯亮时，原 红 灯按 1hz 的频率闪烁。 （4）支干道通行时间及黄灯亮的时间均可在 099 秒内任意设置。 2.22.2 系统整体结构系统整体结构 本文中用通用的 led 数码管作为时间显示器件，二极管作为交通控制的指 示灯。共需要 8 个数码管、12 个二极管（红、黄、绿各 4 个） 。其系统的整体 结构如下图 2.2 所示， 电源 at89s51 计算 机 数码管显示 复位电路晶振电路 交通灯 图 2.2 系统结构框图 整个系统中单片机可选用 at89s51， 它与 8051 系列单片机全兼容， 但 其内部带有 4kb 的 flash rom，设计时无需外接程序存储器，为设计和调试带 来极大的方便。南北向和东西向各采 用 2 个数码管计时， 同时需要对该方向 的指示灯的点亮时间进行倒计时。 键盘系统可以根据 系统的需要设置不同的 课程设计 3 键的个数，可以选择线式键盘或矩阵式键盘，若单片机的 i/o 口不够 用时， 可以考虑扩展 8255 或 8155 满足系统的要求。 2.32.3 方案论证及其选择方案论证及其选择 2.3.12.3.1 电源方案的选择电源方案的选择 为使模块稳定工作，须有可靠电源，通常 at89s51 单片机的工作电压范围： 4.0v5.5v， 所以我们在本设计中选用 5v 的直流外界电源即可。但是所提供 的这个电源必须是稳定且可靠的。 2.3.2 输入方案的选择输入方案的选择 方案一： 采用 at89s51 扩展 i/o 口及键盘，显示等。该方案的优点是： 使用灵活可编程，并且有 ram,及计数器。若用该方案，可提供较多 i/o 口,但 操作起来稍显复杂。 方案二： 直接在 i/o 口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电 路，所以剩余的口资源还比较多，由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只 用单片机本身的 i/o 口就可实现，且本身的计数器及 ram 已经够用，故选择 方案二。 2.3.32.3.3 显示界面方案的选择显示界面方案的选择 方案一： 完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符， 无法胜任题目要求。 方案二： 完全采用 led 显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件 工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字、图形等。 方案三： 采用数码管与 led 相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输 出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与 led 灯分别显示时间与提示信息。 这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实 现的复杂度。权衡利弊，第三种方案可互补一 二方案的优缺，我们决定采用方 案三以实现系统的显示功能。 2.3.42.3.4 交通管理的方案论证交通管理的方案论证 东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿 三色的指 示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮 允许通行。黄灯亮 课程设计 4 提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、 南北两干道 的公共停车时间。 指示灯燃亮的方案如下表 2.3.5 所示。 表 2.3.5 25s5s25s5s 东西道红灯亮红灯亮绿灯亮黄灯亮 南北道绿灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮 表 2.3.5 的说明： （1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道 为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。时间 为 30 秒。 （2）黄灯 5 秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。 （3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南 北道车辆 禁止通过，行人通行。时间为 30 秒。 （4）这样如上表的时间和红、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 3 硬件电路设计硬件电路设计 3.13.1 数码管显示电路设计数码管显示电路设计 采用共阳型数码管， p2 口作为数码管的输入，0.4、 p0.5、 p0.6、 p0 分别作数码管为东西南北四路数码管的位选端。数码管显示电路的设计电路图 如下图 3.1 所示， 课程设计 5 图 3.1 数码管显示电路 3.23.2 复位电路设计复位电路设计 复位电路产生复位信号，使单片机从固定的起始状态开始工作，完成单片 机的“启机”过程。at89s51 单片机复位信号是高电平有效，通过 rst/vpd(9 脚）输入。 复位电路连接方式有两种。即硬件复位和软件复位。在本设计中我们采用 的是硬件的复位方式，一共有以下三种。 1）上电复位 单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作 状态。其硬件电路图如下图所示。 课程设计 6 2）手动复位 手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。通常 在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启” 。其 硬件电路图如下图所示。 3）混合复位电路 课程设计 7 将上电复位电路和手动复位电路结合到一起构成，通常使用的都是这种混 合复位电路，其硬件电路图如下图所示。 3.33.3 晶振电路晶振电路 晶振电路原理图如下图 3.3 所示， 图 3.3 晶振模块原理图 选取原则：传统做法，但能够实现所需，即最简单也最是实用。 电容选取 30pf，晶振为 2mhz。 3.43.4 电源电路设计电源电路设计 at89s51 单片机的工作电压范围：4.0v5.5v， 所以通常给单片机外接 5v 课程设计 8 直流电源。连接方式如下图所示， 3.53.5 时钟电路设计时钟电路设计 时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定 单片机的执行速度。 at89s51 单片机时钟频率范围：0 33mhz。时钟电路 设计图如下所示， 3.5 时钟电路连接方式 3.63.6 单片机最小硬件电路设计单片机最小硬件电路设计 单片机最小硬件电路组成简述：要使单片机工作起来，最基本的电路的构 成为本系统采用 at89s51 单片机，程序量不大，使用内部的存储器。 电源电路：向单片机供电。 时钟电路：单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。 复位电路： 确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。 课程设计 9 其单片机的最小硬件电路如下图 3.6 所示， 电源 时钟 复位 at89s51单 片机 图 3.6 单片机最小硬件电路 3.73.7 最小硬件系统电路图设计最小硬件系统电路图设计 (1)at89s51 芯片简介 ea/vp(31 脚）接+5v。单片机的 p0、p1、p2、p3 四个端口用于输入/输出 数字电信号。 1）电源引脚：连接电源 vcc(40 脚）：电源正极 vss(20 脚）：电源负极 2）时钟引脚：连接时钟电路 xtal1(19 脚）：输入引脚 xtal2(18 脚）：输出引脚 3）复位引脚：连接复位电路 rst/vpd(9 脚）：复位引脚 4）控制引脚：辅助控制作用 psen(29 脚）ale/prog(30 脚） ea / vpp(31 脚）:接高电平 课程设计 10 图 3.7 最小硬件系统电路图 5）i/o 端口引脚：用来连接单片机和外部设备，实现数据的输入/输出。 p0.0p0.7(39 脚32 脚）：p0 端口 p1.0p1.7(1 脚 8 脚）：p1 端口 p2.0p2.7(21 脚28 脚）：p2 端口 p3.0p3.7(10 脚17 脚）：p3 端口 最小硬件电路图设计如上图 3.7 所示。 3.83.8 红、绿、黄灯控制电路设计红、绿、黄灯控制电路设计 十字路口红绿黄灯的硬件接线图如下图 3.8 所示，黄灯用 p3 口输出，绿灯 用 p1 口的高四位输出，红灯用 p1 口的低四位输出，其控制电路设计如下图 3.8 所示， 课程设计 11 图 3.8 红、绿、黄灯的接线图 4 4 软件设计软件设计 4.14.1 程序总体设计程序总体设计 程序模块包括：主程序（系统初始化、显示程序） 、外中断服务程序、定时 器服务程序（倒计时处理）等。主程序的框图如下图 5.1 所示。 课程设计 12 主程序 定时器初始化 度参数 显示程序 外中断初始化 图 5.1 主程序结构框图 主程序包括对定时/计数器、外部中断的初始化，读出系统运行参数，将交 通灯时间参数送对应的显示缓冲区，然后反复调用显示子程序。并在现实过程 中等待见哦按中断处理功能，等待定时器中断改变数码管显示指挥交通。系统 用两个定时器，一个用交通灯的计时处理，一个用来控制数码管的闪烁显示， 结合显示程序进行综合设计。其他与实践有关的处理程序也用该定时器实现， 进行多延时程序设计。 4.24.2 主程序设计主程序设计 定时器设置，交通灯控制需要产生秒信号，定时器一半不能直接产生，如 系统晶振才约 6mhz，系统的机器中期是 2um，最大定时约 131ms，可以将定时 器设置为反复定时 125ms，数中断的次数，每 8 次就是 1s。闪烁显示定时的时 间也可设置为 125ms，1s 亮灭几次可以看出闪烁效果。两个定时器都设置为方 式 1 定时，初值为：216-125*1000/2=0bdch 4.34.3 显示子程序设计显示子程序设计 数码管显示控制的原理：在显示程序中判断该数码管的亮灭标志决定是否 跳过位开通指令，从而达到控制数码管亮和灭的控制，在定时器程序中判断该 课程设计 13 位的闪烁标志，决定是否对该数码管亮灭标志位的求反操作，实现数码管的闪 烁控制。以后只要对闪烁标志设置就可控制数码管的闪烁。 控制的方法是判断闪烁标志位，通过对显示缓冲区内容的改变（该位亮或 灭信息） ，达到闪烁的效果。 4.44.4 交通控制时间处理子程序设计交通控制时间处理子程序设计 1）软件设计基础思想：由定时器产生 0.05s 定时，软件计数得到秒信号， 设 30s 计数器，30s 计数器计满，绿灯灭、黄灯闪烁 5 次，黄灯灭、红 灯亮；同时，另两路口红灯灭、绿灯亮。 2）定时器 t0 工作方式 1，产生 0.05s 定时。p0 口及 p2 口的低 4 位输出控 制信号。30s 计数器的地址为 40h。 控制引脚与灯的关系如下表 4.4（a）所示， 表 4.4（a）控制引脚与灯的对应关系 位置灯颜色控制引脚 红 pa0(brd) 黄 pa1(byd) 北口 绿 pa2(bld) 红 pb1(nrd) 黄 pb2(nyd) 南口 绿 pb3(nld) 红 pa0(drd) 黄 pa1(dyd) 东口 绿 pa2(dld) 红 pa6(xrd) 黄 pa7(xyd) 西口 绿 pb0(xld) 交通控制时间处理子程序的流程图如图 4.4（