单片机课程设计-基于STC单片机的交通灯实训论文.doc

1 物理机物理机电电学院学院课课程程设计报设计报告告 课程名称： 单片机课程设计 系 部： 物理与机电工程学院 专业班级： 09 电子信息工程一班 完成时间： 2012、3、13 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 2 目录 摘 要.3 引 言.4 第一章 设计任务与要求.5 第二章 案论证与论证.5 第三章 硬件电路设计.9 第四章 软件设计.16 第五章 仿真过程与仿真结果.29 第六章 安装于调试.29 第七章 结论与心得.31 第八章 参考文献.32 3 摘要 本系统由单片机系统、键盘、LED 显示、交通灯演示系统组成。系统包括 左转、右转、以及基本的交通灯的功能。系统除基本交通灯功能外，还具有倒 计时、时间设置、以及根据具体情况手动控制等功能。近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。交通信号灯控制方式很多当今，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。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。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 关键词关键词：单片机； 交通灯；停车；89C51；交叉路口 4 引言引言 近年来，随着我国国民经济的快速发展，我国机动车辆发展迅速，而城镇道 路建设由于历史等各种原因相对滞后，交通拥挤和堵塞现象时常出现。如何让 利用当今计算机和自动控制技术，有效地疏通交通，提高城镇交通路口的通行 能力，减少交通事故是很值得研究的一个话题。目前，国内的交通灯一般设在 十字路口，在醒目位置用红绿黄三种颜色的指示灯再加上一个倒计时的显示计 时器来控制行车。我国交通法规也对交通指挥信号灯做出规定： （1）绿灯亮时，准行车辆，行人通行，但转弯的车辆不准妨碍执行的车 辆和被放行的行人通行。 （2）黄灯亮时，不准车辆行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人 行横道的行人，可以继续通行。 （3）红灯亮时，不准车辆，行人通行。 （4）绿色箭头灯亮时，准行车辆按箭头所示方向通行。 （5）黄灯闪烁时，车辆行人在确保安全的原则下可以通行。 信号灯的出现，使交通得到有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能 力和减少交通事故有明显效果。 5 交通灯实训论文 一、设计任务与要求一、设计任务与要求 1.1 交通灯设计交通灯设计 1.2 设计基本要求设计基本要求 车辆通行繁忙的十字交叉路口，设计一交通灯控制器，设东西方向通行时 间为 40 秒，当剩余 3 秒时黄灯亮，南北方向通行时间为 25 秒，当剩余 3 秒时 黄灯亮。 东西、南北方向各用三个（绿、黄、红）LED 表示，并用数码管显示东 西、南北方向的剩余时间。 可利用按键修改时间参数。 二、方案设计与论证二、方案设计与论证 2.1 总体设计方案总体设计方案 根据十字路口交通灯的要求，可将本系统分为四个模块，第一模块是控制 模块，主要负责整个系统的控制和运算，从而使各模块正常工作，第二个模块 式显示模块包括 led 灯和数码管；第三是输入模块，对通行时间进行设置等； 第四十电源模块给各模块提供电源，让各模块工作。其系统设计结构如图： 6 电源模块电源模块 控控 制制 模模 块块 显示模块显示模块 显示模块显示模块显示模块显示模块 显示模块显示模块 输入模块输入模块 东西 南 北 十字路口十字路口 工作状态显示工作状态显示 2.22.2 控制模块选择方案控制模块选择方案 方案一：由计数器 74LS161 级联组成，配合译码器和秒脉冲信号发生器等 器件组成交通灯系统，整个系统简单，控制简单，调试容易等优点。 方案二：采用单片机 STC89C52 作为控制器。单片机运算能力强，软件编程 灵活，自由度大。在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准 8052 单片机完全 兼容，使用时容易掌握；采用 STC89C52 单片机稳定可靠、应用广泛、通用性强， 在系统/在应用可编程。 方案比较：采用方案一来实现十字路口交通灯控制系统非常方便，电路结 构简单，控制单一，但整个系统性能不是很高，倒计时不是非常精确，如果要 求系统能设置不同工作时间不容易，因而对于完成题目较困难，而方案二完全 能实现设计要求，容易掌握，利用编程，易控制，I/O 接口很多，易于扩展外 围电路，价格便宜，故选择方案二。 2.3 显示模块选择方案显示模块选择方案 该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，考虑了三种方案。 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苻，无 法胜任题目要求。 7 方案二：完全采用点阵式 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：用七段 LED 数码管完成倒计时显示，用 LED 灯作为状态灯指示功 能。 方案比较：方案一和方案二都不符合设计要求，实现较复杂，而方案三采用 数码管与 LED 灯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，选择方案三。 2.4 输入模块方案选择输入模块方案选择 方案一：采用 8155 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 IO 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，我们使用四个按键，分别是 K1、K2、K3、K4。 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。 2.5 电源模块方案选择电源模块方案选择 电源是整个系统的“心脏”，它是系统稳定工作的保障，为使各个模块稳定 工作，须有可靠电源。下面考虑了两种电源方案。 方案一：采用单片机控制模块提供电源。该方案的优点是系统简明扼要，节 约成本；缺点是输出功率不高，不能驱动数码管。 方案二：采用独立的稳压电源，采用开关电源作为整个系统的供电，它具有 多路电源输出，此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点 是各模块都采用独立电源， 方案比较：方案一只采用单片机自身的 I/O 来驱动数码管显示是不行的，而 方案二虽然要给各模块供电，但却能给各模块提供稳定可靠的电压从而达到显 示明亮的程度。故选择第二种方案。 8 2.62.6 系统总体方案论证系统总体方案论证 经上述各模块的方案选择与论证，十字路口交通灯控制系统的控制芯片选 用单片机 STC89C52 作为整个系统的核心控制器件，主要负责整个系统工作的控 制和运算，从而使各模块正常工作；采用七段 LED 数码管和 LED 灯作为显示 器件，用七段 LED 数码管完成倒计时显示，用 LED 灯作为状态灯指示功能； 用触发按键构成系统的输入部分，它可以对系统进行状态设置，结合数码管， 可根据交通情况对整个系统进行直观的控制；以开关电源作为系统电源部分， 它有+12V、-12V、+5V、-5V 电压输出，可方便对各个模块供电。系统设计方 框总图如图 2 所示： 开关电源开关电源 单片机单片机 STC89C 52 LED 数码管数码管 显示模块显示模块 按键输入按键输入 东西 南 北 十字路口十字路口 LED 数码管数码管 工作状态显示工作状态显示 LED 数码管数码管 显示模块显示模块 红、绿、红、绿、 黄黄 LED 状态状态 指示灯指示灯 9 三、硬件电路设计三、硬件电路设计 3.1 总体设计 本设计以单片机为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块： 单片机控制系统、键盘及状态显示、倒计时模块、电源模块等。 单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数 据处理器。它由单片机振荡电路、复位电路等组成。 键盘及状态显示，开关键盘输入交通灯初始时间，通过单片机 P3 输入到系 统。 系统采用一位共阳数码管倒计时计数功能，最大显示数字 99。 在交通情况比较特殊的情况下，可以通过 S1、S2、S3 三个按键对对交通灯 进行控制。 3.2 STC89C52RCSTC89C52RC 单片机简介单片机简介 STC89C52RC 是 STC89 系列单片机中应用较为广泛的一种型号，芯片内部 有 8KB 的闪速存储器 Flash ROM。内部的 8KB 存储器用于存放可编程控制器 监控程序。 STC89C52RC 单片机的 40 条引脚按功能来分，可以分为 3 部分，电源及时 钟引脚、控制引脚和输入/输出引脚。 10 STC89C52RC 单片机原理图 89C52 单片机引脚功能： 主电源及时钟引脚 此类引脚包括电源引脚 Vcc、Vss、时钟引脚 XTAL1、XTAL2。 （1）Vcc（40 脚）：接+5V 电源，为单片机芯片提供电能。 （2）Vss（20 脚）接地。 （3）XTAL1（18 脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大 器构成了片内的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。 （4）XTAL2（19 脚）在单片机内部，接至上述振荡器的反向输出端。 控制引脚 此类引脚包括 RESET（即 RSR/VPD）、ALE、PSEN、EA，可以提供控制信号， 有些具有复用功能。 11 （1）RSR/ VPD（9 脚）：复位信号输入端，高电平有效，当振荡器运行时， 在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（REST）。复位后应使此 引脚电平保持为不高于 0.5V 的低电平，以保证单片机正常工作。 掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持内部 RAM 中的数据不丢 失。当 Vcc 下降到低于规定值，而 VPD在其规定的电压范围内（50.5V）时， VPD就向内部 RAM 提供备用电源。 （2）ALE/PROG（30 脚）：ALE 为地址锁存允许信号。当单片机访问外部存 储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存 16 位地址的低 8 位。 即使不访问外部存储器，ALE 端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率 的 1/6。但是每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中 ALE 只出现一次， 即丢失一个 ALE 脉冲。ALE 端可以驱动 8 个 LSTTL 负载。 （3）PSEN（29 脚）：程序存储器允许输出控制端。此输出为单片内访问外 部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或取常数）期间， 每个机器周期均 PSEN 两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这 两次有效的 PSEN 信号将不会出现。PSEN 同样可以驱动 8 个 LSTTL 负载。 （4）EA（31 脚）：EA 功能为内外程序存储器选择控制端。当 EA 端保持高 电平时，单片机访问内部程序存储器，但在 PC（程序计数器）值超过 0FFFH 时 将自动转向执行外部程序存储器内的程序。 输入/输出引脚 此类引脚包括 P0 口、P1 口、P2 口和 P3 口。 （1）P0（P0.0P0.7）是一个 8 位三态双向 I/O 口，在不访积压处部存储器 时，做通用 I/O 口使用，用于传送 CPU 的输入/输出数据，当访问外部存储器时， 此口为地址总路线低 8 位及数据总路线分时复用口，可带 8 个 LSTTL 负载。 （2）P1（P1.0P2.7）是一个 8 位准双向 I/O 口（作为输入时，口锁存器置 1），带有内部上拉电阻，可带 4 个 LSTTL 负载。 （3）P2（P2.0P2.7）是一个 8 位准双向 I/O 口，与地址总路线高 8 位复用， 可驱动 4 个 LSTTL 负载。 （4）P3（P3.0P3.7）是一个 8 位准双向 I/O 口，除此之外每位还具有第二 功能。 12 P3 口功能表： P3 口各个位的第二功能 P3 口的位第二功能说明 P3.0RXD 串行数据接收口 P3.1TXD 串行数据发射口 P3.2INT0 外部中断 0 输入 P3.3INT1 外部中断 1 输入 P3.4T0 计数器 0 计数输入 P3.5T1 计数器 1 计数输入 P3.6WR 外部 RAM 写信号 P3.7RD 外部 RAM 读信号 89C52 单片机内部结构图： 13 图 2-1 单片机 8051 的内部结构 3.33.3 单片机最小系统单片机最小系统 1.时钟电路如图 2-3 所示 图 2-3 时钟电路 XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2 则是输出端，使用外部振 荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。内部方式时，时钟 发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。晶振的频率 可以在 1MHz-24MHz 内选择。电容取 30PF 左右。系统的时钟电路设计是采用的 内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89 单片机内部有一个用于构成振荡 器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出 端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。 外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路 中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的 14 高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的 晶体振荡器的值为 12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为 22F。 在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以 减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。 2.复位电路 在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平出现在 此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51 芯片便循环复位。复 位后 P0P3 口均置 1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 SFR 全 部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM 的 00H 处开始运行程序。 复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 RST 通过一个斯 密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机 器周期的 S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮 复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用 6MHz 时，C 取 22F，Rs 约为 200，Rk 约为 1K。复位操作不会对内部 RAM 有 所影响。 常用的复位电路如图 2-4 所示： 图 2-4 复位电路图 3.LED 显示电路 显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料 及产品工艺，单片机应用系统中常用的显示器有： 发光二极管 LED 显示器、液 15 晶 LCD 显示器、CRT 显示器等。LED 显示器是现在最常用的显示器之一，如图 2-5 所示。 图 2-5 LED 显示器的符号图 发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单 独使用，也可以组装成分段式或点阵式 LED 显示器件（半导体显示器）。分段 式显示器（LED 数码管）由 7 条线段围成 8 字型，每一段包含一个发光二极管。 外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段亮、灭， 就可以显示各种字形或符号。LED 数码管有共阳、共阴之分。图是共阳式、共 阴式 LED 数码管的原理图和符号。 4.原理图 16 四、软件设计四、软件设计 4.1 程序流程图程序流程图 17 4.2 具体程序具体程序 #include/声明头文件 #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit red1=P20;/定义六个灯分别为 P1.07 sbit yellow1=P21; sbit green1=P22; sbit red2=P25; sbit yellow2=P24; sbit green2=P23; sbit key1=P30;/模式选择键 18 sbit key2=P31;/数值+ sbit key3=P32;/数值- sbit key4=P33;/暂停开始键 uchar aa,qian,bai,shi,ge,bb,shu1,shu2; uint num,key1num,key4num; /定义数组 09 uchar code table= 0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0, 0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8, 0 x80,0 x90; /延时函数 z 毫秒 void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); /初始化函数 void init() TMOD=0 x01;/设置定时器 T0 为工作方式 1 19 TH0=(65536-50000)/256;/赋初值 TL0=(65536-50000)%256; EA=1;/开总中断 ET0=1; TR0=1;/开定时器 num=40;/数码管初始显示 40 qian=num/10; bai=num%10; red1=1;/起始状态为南北绿灯，东西红灯 yellow1=1; green1=0; green2=1; yellow2=1; red2=0; bb=1; key1num=0; /key4num=0; shu1=40;/南北通行时间初始为 40s，东西通 行时间初始为 25s shu2=25; 20 /数码管显示函数 void display(uchar qian,uchar bai) P0=tablebai; delay(1); P1=tableqian; delay(1); /键盘扫描函数 void keyscan() if(key1=0) delay(10);/消抖 if(key1=0) key1num+; if(key1num=4) 21 key1num=1; while(!key1); if(key1num=2)/按下第一次进入设置南北通行时间 模式 TR0=0; num=40; qian=num/10; bai=num%10; display(qian,bai); green1=0; yellow1=0; red1=0; green2=1; yellow2=1; red2=0; if(key1num=1) /按下第二次进入设置东西通行时间 模式 TR0=0; 22 num=25; qian=num/10; bai=num%10; display(qian,bai); /key1num=0; green1=0; yellow1=0; red1=1; green2=1; yellow2=0; red2=0; if(key1num!=0) /当 key1 键被按下 if(key2=0) delay(10); if(key2=0)/按下 key2 键调整南北通行时间 23 num-; qian=num/10; bai=num%10; display(qian,bai); shu1=num; /将设置后的时间赋给 shu1 if(shu1=0) shu1=40; num=shu1; qian=num/10; bai=num%10; display(qian,bai); while(!key2); if(key3=0) delay(10); if(key3=0) /按下 key3 键设置东西通行 时间 24 num-; qian=num/10; bai=num%10; display(qian,bai); shu2=num; /将设置后的值赋给 shu2 if(shu2=0) shu2=25; num=shu2; qian=num/10; bai=num%10; display(qian,bai); while(!key3); /*if(key4=0) delay(10); if(key4=0) 25 key4num+; while(!key4); if(key4num=1) TR0=1; if(key4num=2) TR0=0; key4num=0; */ if(key1num=3) TR0=1; /主函数 void main() 26 init(); while(1) display(qian,bai); keyscan(); /定时器中断函数 void timer0() interrupt 1 TH0=(65536-50000)/256; /重赋初值 TL0=(65536-50000)%256; aa+; if(aa=20) /定时到达 1S aa=0; num-; qian=num/10; bai=num%10; display(qian,bai); 27 if(bb=1) if(num=3) red1=1;/起始状态为南北绿灯，东 西红灯 yellow1=0; green1=1; green2=1; yellow2=0; red2=1; if(num=0) red1=0;/起始状态为南北绿灯，东 西红灯 yellow1=1; green1=1; green2=0; yellow2=1; red2=1; num=shu2; 28 qian=num/10; bai=num%10; display(qian,bai); bb+; if(bb=2) if(num=3) red1=1;/起始状态为南北绿灯，东 西红灯 yellow1=0; green1=1; green2=1; yellow2=0; red2=1; if(num=0) num=shu1; qian=num/10; 29 bai=num%10; display(qian,bai); red1=1;/起始状态为南北绿灯， 东西红灯 yellow1=1; green1=0; green2=1; yellow2=1; red2=0; bb=1; 五、仿真过程与仿真结果五、仿真过程与仿真结果 根据要求，仿真结果应该包括：情况一，南北方向绿灯亮 40 秒，此时东 西方向的红灯亮 40 秒（南北方向通车） 。情况二，南北方向路灯亮黄灯 5 秒， 此时东西方向继续亮红灯（南北方向通车，黄色警告） 。情况三，南北方向亮红 灯，东西方向亮绿灯（东西方向通车） 。情况四，南北方向亮红灯，东西方向亮 黄灯 5 秒（东西方向通车） ，然后继续重复此过程。下图是其中一种仿真结果， 由图可知此电路图是可行的。 30 六、安装与调试六、安装与调试 6.16.1 硬件调试硬件调试 系统的硬件调试一般分下面三个步骤： 第一步：目测，检查外部的各种元件或者电路是否有断点。 第二步：用万用表检测，先用万用表复核目测中有疑问的连接点，在检测各 种电源线与地线之间是否有短路现象。 第三步：加电检测，给板加电，检测所有插座或者器件的电源是否符合要求 的值。 （1）.倒计时显示电路调试 给硬件电路接上电源，这时数码管全灭，用一根导线的一端与地线相连，另 一端一次碰触 AT89C51 的 P0 和 P1 口，一边碰触一边察看七段数码管，正常 情况下可以看到每碰触一个引脚，对应的一段数码管点亮。若不亮，仔细查看 与该脚相连的电阻及数码管是否虚焊。 （2）.交通灯电路的调试 需要说明的是，由于整个设计是用发光二极管来代替交通灯，需要低电平 “0”来驱动点亮，在实际应用中，应使 P1 口输出高电平“1”来驱动继电器导 通，从而使 220V 的交通灯点亮。这是试验与实际应用比较容易混淆的地方， 应该引起注意。同时，在进行交通灯调试应注意 LED1-LED6 这 6 个发光二极 31 管不能焊反。 （3）.紧急通行电路调试 仔细检查 S1、S2、S3、S4 四个按键是否焊牢，并且四个键是否与相应的 I/O 口对应准确。 6.2 软件调试软件调试 （1） 静态调试 静态调试是指对程序进行人工书面检查。静态调试时要仔细阅读程序及其文 档，经过结构分析、功能分析、逻辑分析、接口分析、语法分析以及逐行检查。 a、 检查语法错误 产生语法错误的原因主要有两个：一是键入错误，此错误如同写文章时的 “笔误” ；二是由于对语法规则不熟悉，见书后错误信息、各种限制、全局变量 与局部变量、先后左右的原则等，这些虽不是系统规定，但也是语法的一部分， 应作为专项予以检查。 b、 跟踪过程 此时的跟踪程序流程