交通灯控制系统毕业论文设计.doc

交通灯控制系统交通灯控制系统 毕业院校：毕业院校：河南农业职业学院 系系 别别 ： 电子信息工程系 专业专业班级班级：电气自动化 09-2 班 姓姓 名：名： 尤尤 勇勇 斐斐 指导老师：指导老师： 王海娜王海娜 杨彩红杨彩红 摘摘 要要 本文设计主要研究最为典型的二车道的交通灯自动控制系统，它由晶振模块，定 时模块，三色灯控制模块组成，并且利用三色灯（红，黄，绿）的指示和倒计时显示 来实现功能，在设计中主要开放了了外部中断 EX0。一般情况下交通路口中的突发事件 包括闯红灯和救护车通过。对于外部的所有突发事件都可以当中断处理。 关键词： PROTEUS; 80C51; 三色灯；LED 数码显示 目录目录 1 绪论1 2 总体设计思路、基本原理和框图 21 设计思路2 22 基本原理3 23 总体设计框图3 3 交通灯自动控制电路硬件设计 3.1 交通灯自动控制实现4 3.2 主要元器件选择 4 3.3 交通路口模型5 3.4 总电路图5 4 交通灯自动控制电路软件设计 4. 1 单片机中断系统基本结构6 4. 2 每秒钟的设定7 4. 3 计数器初值计算7 4. 4 显示原理7 5 系统仿真8 6 总结与体会11 参考文献 1 1 绪论绪论 作为一种交通规则的指示，交通灯它起着及其重要的作用。从最初的单车道到现 在的四车道八车道等，交通指示的自动控制也越来越完善。它不再仅仅拥有交通指示 的作用，还有其它特殊情况的处理，比如对闯红灯的肇事者进行的监督，紧急救护车 的通过时保持道路畅通，等等都需要非常的处理，这也是对交通灯功能的新要求。而 且，也从最初的只有红，黄，绿三种灯的指示到现在的倒计时电子显示，让人们从单 一的信号判别到时间的准确明了有了进一步认知。这都表明交通灯的研究还具有它实 际的意义。 2 2 总体设计思路、基本原理和框图总体设计思路、基本原理和框图 21 设计思路 交通灯的自动控制系统的主要功能包括：普通交通灯的显示、LED 倒计时显示、突 发事件的外部处理和交通路口的模拟。本设计的控制系统由以下电路模块组成： 振荡器和时钟电路：这部分电路主要由 80C51 单片机和一些电容、晶振组成。 设计控制部分：主要由 80C51 单片机的外部中断电路组成。 设计显示部分：LED 数码显示部分。LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。 22 基本原理 主体电路：交通灯自动控制模块。这部分电路主要由 80C51 单片机的 I/O 端口、 定时计数器、外部中断扩展等组成。 本设计先是从普通三色灯的指示开始进行设计，用 P1 口作为输出。程序的初始化 是东西南北方向的红灯全亮。然后南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，60 秒后东西方 向黄灯闪亮 5 秒后南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。重复执行。倒计时用到定时器 T0，用 P2 口作为 LED 的显示。二位一体的 LED 重复执行 60 秒的倒计时。作为突发事 件的处理，本设计主要用到外部中断 EX0。用一模拟开关作为中断信号。实际中可以接 其它可以产生中断信号的信号源。 23 总体设计框图 晶振模块 定时模块 三色灯控制模块 LED显示模块 驱动电路 外部中断 图 2.1 交通灯总体设计框图 2.4 交通灯自动控制的设计程序流程框图 开始 初始化程序 END 60秒倒计时显示 东西黄灯闪亮5秒 南北绿灯亮，东西红灯亮 60秒倒计时显示 南北黄灯闪亮5秒 南北红灯亮，东西绿灯亮 3 3 交通灯自动控制电路硬件设计交通灯自动控制电路硬件设计 3.1单片机的结构 单片微机(Single-Chip Microcomputer)简称为单片机。它在一块芯片上集中成了 中央处理单元 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、定时/计数和多功能输入/输出 I/O 口,如并行口 I/O、串行口 I/O 和转换 A/D 等。就其组成而言，一块单片机就是一 台计算机。其典型结构如图所示。由于它具有体积小、功能强和价格便宜等优点，因 而被广泛地应用于产品智能化和工业控制自动化上。 3.2 主要元器件选择 1 开关管的选择：BUTTON 按钮 2 LED 发光二极管 LEDRED LEDYELLOW LDEGREEN 发光二极管的主要技术参数有额定电压和额定工作电流。LED 显示电路如图 3.1 所示，图中限流电阻i 是限制线路电流的，阻值的大小由 I=U/R 计算得 到。例如发光二极管的额定电压为 2V，额定工作电流为 20mA，计算 Ri(5-2) /0.02=150。 3 二位一体数码管 7SEG-MPX2-CAT-RED:共阳数码管（红色） 4 PN4249:驱动三极管 5 AT89S51 系列单片机 3.33.3 设计显示部分 LED 数码显示部分。LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。 1发光二极管显示原理 发光二极管是采用砷化镓、镓铝砷和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个 PN 结， 具有单向导电性。发光二极管在制作时，使用的材料不同，那么就可以发出不同颜色 的光。 3.5 交通路口模型 SG SR SYSY1 SR1 SG1 ZR ZY ZG ZY1 ZR1 ZG1 ZY0 ZR0 ZG0 ZY ZR ZG SG0 SR0 SY0 SG SR SY D13 LED-GREEN D14 LED-GREEN D15 LED-GREEN D16 LED-GREEN D17 LED-RED D18 LED-RED D19 LED-RED D20 LED-RED D21 LED-YELLOW D22 LED-YELLOW D23 LED-YELLOW D24 LED-YELLOW 图 4.7 交通路口模型 3.6 总电路图 总电路功能介绍：设计主要研究二车道的交通灯自动控制。本次设计的内容包括 四个方面，一是普通三色灯的指示；二是两位一体数码管的倒计时显示；三是对一此 交通中的意外情况进行的处理。最后就是对交通灯的模拟设计。 ZG SR ZR ZY SY SR0 SG0 ZG0 ZG1 ZR1 ZY1 SR1 SY1 ZY0 ZR0 SY0 SG1 SG ZY ZR ZG SY SR SG SG SR SYSY1 SR1 SG1 ZR ZY ZG ZY1 ZR1 ZG1 ZY0 ZR0 ZG0 ZY ZR ZG SG0 SR0 SY0 SG SR SY A B 7 6 5 4 3 2 1 0 A B 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 B A A B 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 B A B A XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 D1 LED-GREEN D3 LED-GREEN D4 LED-GREEN D5 LED-RED D6 LED-RED D7 LED-RED D8 LED-RED D9 LED-YELLOW D10 LED-YELLOW D11 LED-YELLOW D12 ly R1 50 R2 50 R3 50 R4 50 R5 50 R6 50 R7 50 R8 50 R9 50 R10 50 R11 50 R12 50 D2 LED-GREEN C1 33p C2 33p X1 CRYSTAL D13 LED-GREEN D14 LED-GREEN D15 LED-GREEN D16 LED-GREEN D17 LED-RED D18 LED-RED D19 LED-RED D20 LED-RED D21 LED-YELLOW D22 LED-YELLOW D23 LED-YELLOW D24 LED-YELLOW Q1 PN4249 Q2 PN4249 R13 1kR14 1k R15 10k 10k 3.73.7 显示原理： 当定时器定时为 1 秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信 号灯时间 ，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄 灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值 ，重新进入循环。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 D1 LED-GREEN D3 LED-GREEN D4 LED-GREEN D5 LED-RED D6 LED-RED D7 LED-RED D8 LED-RED D9 LED-YELLOW D10 LED-YELLOW D11 LED-YELLOW D12 ly R1 50 R2 50 R3 50 R4 50 R5 50 R6 50 R7 50 R8 50 R9 50 R10 50 R11 50 R12 50 D2 LED-GREEN C1 33p C2 33p X1 CRYSTAL C3 10uF R13 10k 图 4.1 LEDLED 与单片机连接电路与单片机连接电路 4 4 交通灯自动控制电路交通灯自动控制电路软件设计软件设计 4.1 单片机中断系统基本结构 中断是一项重要的计算机技术，是处理正常工作与紧急状态的好办法，是实现人 机实时交互的重要途径，在单片机应用系统中，中断技术得到了广泛应用。下面详细 介绍单片机中断系统基本结构、与中断相关的特殊寄存器的设置及中断应用系统编程 方法。 当 CPU 查询到系统有中断请求时，如果系统处于中断允许状态，CPU 将停止当前的 工作，响应中断请求，转向中断服务，中断服务完成后，返回原程序继续执行当前任 务，这叫单片机中断。 8051 系列单片机中断系统结构如图 3.7 所示。能让 CPU 产生中断的信号源叫中断 源。8051 单片机有 NT0、INT1、T0、T1、TI、RI 六个中断源，但只有 EX0、ET0、EX1、ET1、ES 五个向量,下面简要介绍六个中断源。 图 3.7 单片机中断系统基本结构 INT0、INT1：外部中断源，由 P3.2 和 P3.2 引脚输入。具有低电平和脉冲两种触 发方式，在每个机器周期的 S5P2 采样引脚信号，如有效则由硬件将它的中断请求标志 IE 置 1，请求中断。当 CPU 响应中断时，由硬件复位。 T0、T1：定时/计数器中断，当定时/计数器产生溢出时，置位中断请求标志 TF 请 求中断处理。 RI、TI：串行中断，RI 是接收，TI 为发送。单片机串行口接收到一个字符后 RI 置 1，发送完一个字符 TI 置 1。值得注意的是，RI、TI 在响应中断后，必须由用指令 将其复位。 中断响应 CPU 在执行程序的过程中，在每个机器周期的 S5P2 对中断标志位按中断优先级进 行查询，一旦查询到有中断请求，CPU 只要不在执行同级或高级的中断服务程序和当前 指令（RETI 指令或访问 IE、IP 的指令除外）执行完毕两种情况，则响应中断。如果当 1 IT0=0 IT0=1 TI RI IT0=1 IT0=0 TCON IE0 TF0 IE1 TF1 TI RI IT0=0 ET0 EX0 EX1 ET1 ES EA 中 断 优 先 级 1 IP 前正在执行的指令是 RETI 或访问 IE、IP 的指令，则当前指令执行完毕后，CPU 才可响 应中断。中断响应时间可以从中断信号被查询开始算起，中断响应时间在以下三种情 况下，响应时间还会更长： CPU 正在执行一个比要响应的中断源优先级相等或更高的中断源的中断服务程 序，此时须等到中断服务程序执行完毕才可中断响应。 正在执行的当前指令不是在最后一个机器周期，只有指令执行完后才响应中断。 如果当前执行的是 RETI 或访问 IE、IP 的指令，则当前指令执行完毕后，CPU 需再执行一条指令才可以中断响应，因此附加等待响应时间不会超过 5 个机器周期。 中断入口 单片机响应中断后，将转向特定的入口进行中断服务，单片机的中断入口地址如 表 3.2 所示。 表 3.2 MCS-51 单片机中断服务程序入口地址表 中 断 源入 口 地 址 IE0（外部中断 0）0003H TF0（定时器 0 溢出中断）000BH IE1（外部中断 1）0013H TF1（定时器 1 溢出中断）001BH RI+TI（串行口中断）0023H 从表中可以看出，两相邻中断源的入口地址间隔为 8 个单元。这意味着如果要把 中断源对应的中断服务程序从入口地址开始存放，则程序的长度不能超过 8 个字节， 否则会影响到下一个中断源的入口地址的使用。而通常的情况下，中断服务程序的长 度不止 8 个字节，因此，常见的处理方法是：在入口地址处存放一条无条件转移指令， 通过这条转移指令转向对应的中断服务程序入口，中断服务程序以 RETI 为结束。 中断请求的撤销 CPU 响应中断请求，在中断返回（RETI）之前，该中断请求应被撤除，否则会引发 另一次中断。 定时/计数器中断请求撤销：CPU 在响应中断后，由硬件自动清除中断请求标志 TF。 外部中断请求撤销：如果采用脉冲触发方式，CPU 在响应中断后，由硬件自动清除 中断请求标志 IE；对于电平触发方式的外部中断请求，中断标志的撤销是自动的，由 于造成中断请求的低电平继续存在，所以在响应中断后再次会产生中断请求，为此响 应中断后要撤销外部信号。 单片机有 INT0、INT1 两个外部中断源，INT0 对应单片机 P3.0，INT1 对应 P3.2。 单片机的外部中断与特殊寄存器 IE、TCON、IP 有关。INT0 中断入口地址是 0003H，INT1 中断入口地址是 000BH，下面介绍单片机外部中断的设置与应用。 4.2 每秒钟的设定 延时方法可以有两种一中是利用 MCS-51 内部定时器才生溢出中断来确定 1 秒的时 间，另一种是采用软延时的方法。 4.3 计数器初值计算 定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到 TH 和 TL 中的。我们可以 把计数器记满为零所需的计数值设定为 C 和计数初值设定为 TC 可得到如下计算通式： TC=M-C 5 5 系统仿真系统仿真 由交通灯自动控制程序一开始可以看到，四个红灯很快闪亮，然后就是相应的二 极管点亮情况。紧接着就是数码管的六十秒倒计时显示，二极管的点亮到倒计时之间 时间很短暂，所以视觉可以是 同时发生的。同样按中断控制 键看到不同的结果。仿真结果 如下所示。 ZG SR ZR ZY SY SR0 SG0 ZG0 ZG1 ZR1 ZY1 SR1 SY1 ZY0 ZR0 SY0 SG1 SG ZY ZR ZG SY SR SG SG SR SYSY1 SR1 SG1 ZR ZY ZG ZY1 ZR1 ZG1 ZY0 ZR0 ZG0 ZY ZR ZG SG0 SR0 SY0 SG SR SY A B 7 6 5 4 3 2 1 0 A B 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 B A A B 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 B A B A XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 D1 LED-GREEN D3 LED-GREEN D4 LED-GREEN D5 LED-RED D6 LED-RED D7 LED-RED D8 LED-RED D9 LED-YELLOW D10 LED-YELLOW D11 LED-YELLOW D12 ly R1 50 R2 50 R3 50 R4 50 R5 50 R6 50 R7 50 R8 50 R9 50 R10 50 R11 50 R12 50 D2 LED-GREEN C1 33p C2 33p X1 CRYSTAL D13 LED-GREEN D14 LED-GREEN D15 LED-GREEN D16 LED-GREEN D17 LED-RED D18 LED-RED D19 LED-RED D20 LED-RED D21 LED-YELLOW D22 LED-YELLOW D23 LED-YELLOW D24 LED-YELLOW Q1 PN4249 Q2 PN4249 R13 1kR14 1k R15 10k 10k 交通灯运行仿真图 ZG SR ZR ZY SY SR0 SG0 ZG0 ZG1 ZR1 ZY1 SR1 SY1 ZY0 ZR0 SY0 SG1 SG ZY ZR ZG SY SR SG SG SR SYSY1 SR1 SG1 ZR ZY ZG ZY1 ZR1 ZG1 ZY0 ZR0 ZG0 ZY ZR ZG SG0 SR0 SY0 SG SR SY A B 7 6 5 4 3 2 1 0 A B 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 B A A B 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 B A B A XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 D1 LED-GREEN D3 LED-GREEN D4 LED-GREEN D5 LED-RED D6 LED-RED D7 LED-RED D8 LED-RED D9 LED-YELLOW D10 LED-YELLOW D11 LED-YELLOW D12 ly R1 50 R2 50 R3 50 R4 50 R5 50 R6 50 R7 50 R8 50 R9 50 R10 50 R11 50 R12 50 D2 LED-GREEN C1 33p C2 33p X1 CRYSTAL D13 LED-GREEN D14 LED-GREEN D15 LED-GREEN D16 LED-GREEN D17 LED-RED D18 LED-RED D19 LED-RED D20 LED-RED D21 LED-YELLOW D22 LED-YELLOW D23 LED-YELLOW D24 LED-YELLOW Q1 PN4249 Q2 PN4249 R13 1kR14 1k R15 10k 10k 黄灯闪亮时的仿真图 ZG SR ZR ZY SY SR0 SG0 ZG0 ZG1 ZR1 ZY1 SR1 SY1 ZY0 ZR0 SY0 SG1 SG ZY ZR ZG SY SR SG SG SR SYSY1 SR1 SG1 ZR ZY ZG ZY1 ZR1 ZG1 ZY0 ZR0 ZG0 ZY ZR ZG SG0 SR0 SY0 SG SR SY A B 7 6 5 4 3 2 1 0 A B 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 B A A B 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 B A B A XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 D1 LED-GREEN D3 LED-GREEN D4