单片机原理及应用课程设计-基于单片机的城市道口交通灯控制系统.doc

湖南人文科技学院课程设计报告 课程名称：单片机原理及应用课程设计设计题目： 城市道口交通灯控制系统设计 系 别： 通信与控制工程系 专 业： 电子信息工程 班 级： 电信二班 学生姓名: 学 号: 起止日期: 2010年12月20日 2011年12月31日 指导教师: 教研室主任： 19指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日成绩评定项 目权重成绩陈艳风周梦姣1、设计过程中出勤、学习态度等方面0.22、课程设计质量与答辩0.53、设计报告书写及图纸规范程度0.3总 成 绩 教研室审核意见：教研室主任签字： 年 月 日教学系审核意见： 主任签字： 年 月 日摘 要 本课程设计的城市道口交通灯控制系统模型以MSC-51系列单片机AT89C52为核心,通过8255芯片扩展，由发光二极管，共阳极数码管 ，以及中断电路组成。城市道口交通灯控制系统实现了发光二极管作为直行、左拐，右拐的指示灯,数码管实现倒计时指示 ,以中断实现特种车辆通行十字路口，当有特种车辆通过路口时，其他车辆全部禁止通行并在指定时间内恢复原来的通行状态。本组在此次设计过程中先先分析设计要求，根据提出的设计画硬件系统方框图和软件流程图，在用Keil软件编写程序，通过STC软件下载到单片机，反复调试，最终完成交通灯控制系统的设计。关键词：AT89C52；8255；数码管；中断电路；交通灯目 录1、方案论证与对比11.1方案一11.2方案二21.3方案选择32、系统硬件设计32.1系统的组成及总体框图32.2 硬件模块42.2.1主控单元模块42.2.2 LED灯输出显示单元42.2.3 8255扩展芯片52.2.4 LED数码管52.2.5外部中断控制模块62.3元件清单63、系统软件设计73.1软件总流程图73.2软件单元模块分析73.2.1主程序73.2.2初始化程序83.2.3定时器中断和数码管显示程序93.2.4定时器中断和LED灯显示程序103.2.5外部中断程序124、 调试与功能分析134.1功能分析134.2调试方法134.3硬件调试144.4 软件调试144.5软硬联调144.6各模块调试144.6.1交通灯通行方式功能的调试144.6.3 特种车检测模块调试145、总结与致谢155.1总结与思考155.2致谢15参考文献156、附录166.1附录一166.2附录二17城市道口交通灯控制系统设计要求：1 用单片机设计一个城市道口交通灯控制系统。2 每个方向具有左拐、右拐、直行通行的指示灯。3 计时牌显示剩余时间。4 当有特种车辆通过路口时，其他车辆全部禁止通行，15秒后恢复通行。1、方案论证与对比1.1方案一城市道口交通灯控制系统模型采用标准STC89C52单片机1作为控制器,通行倒计时显示采用位数码管,指示灯采用LED,利用定时器，采用动态扫描法，以节省端口数。当有特种车辆通行时采用外部实时中断完成，系统转为特种车辆放行，其它车辆禁行通行的状态，15s后系统自动恢复正常管理。方案一原理2框图如图1所示： LED交通指示灯 定时中断 P1STC89C52P3.2 INT0P3.2 INT0 位选 PA8255 PB 上电复位数码管显示时间 段选特种车辆检测 图1 硬件系统方框图1.2方案二采用STC89C2051单片机1作为控制器；通行倒计时显示采用1616点阵LED发光管，左拐、右拐、直通通行指示灯也采用1616点阵LED发光管。该系统设计框架如图2所示。列驱动采用74LS5953以实现串行端口4扩展，行驱动采用4/16译码器74LS154动态扫描，译码器74LS154生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。每条行线上需要较大的驱动电流，应选用大功率三极管作为驱动管。列驱动器74LS595REDTXD单片机I/O口电源双色LED显示点阵（每个路口7个）行驱动器 图2 硬件系统方框图1.3方案选择按方案一系统设计构架设计，单片机端口资源刚好满足要求。该系统具有电路简单，设计方便，显示亮度高，耗电少，可靠性高等特点。方案二设计方案的图案显示逼真，单片机占用端口资源少；缺点是需要大量的硬件，电路复杂，耗电量大，在模型制作中较少采用。通过以上综合分析可以看出，方案一具有综合设计优点，因此城市道口交通灯控制系统采用方案一设计。2、系统硬件设计2.1系统的组成及总体框图LED闪烁灯主控制模块STC89C52外部中断电路 LED数码管显示8255并口扩展芯 片 图3 硬件总体框图 城市道口交通灯控制系统设计硬件电路由主控制模块STC89C52、8255外部扩展和数码管显示模块，LED显示模块，外部中断控制模块等四大模块构成。2.2 硬件模块2.2.1主控单元模块根据设计要求，采用单片机STC89C52RC作为主控制器，它是ATMEL公司生产的一款性能稳定的8为单片机。具有32个可编程I/0口线，2个16 位定时计数器，5个中断源。单片机的P1口用于控制各个方向直通，左拐，右拐的通行指示灯，P0口及P3口用于计时器的控制，特种车辆通过时使用外中断0口（P3.2）,P2口用于控制8255芯片的工作方式以及控制端口。单片机STC89C52RC引脚图如图4所示： 图4 STC89C52RC引脚图2.2.2 LED灯输出显示单元采用8个高亮LED红绿灯作为十字路口交通灯各个方向直通，左拐，右拐的状态显示。当特种车通行时即外部中断响应，所有红灯全亮。考虑到电源电压和三极管3显示的额定电流，只需与每个三极管串联一个1000欧姆电阻就可以满足电路要求，交通灯电路图如图5所示： 图5 交通灯模块电路图2.2.3 8255扩展芯片 图6 8255引脚结构图8255芯片主要用于端口的扩展，它有三种工作模式： 模式0为基本输入输出； 模式1为触动式输入输出； 模式2为触动式双向总线输入输出。工作模式0是做常用的一种工作方式，此次课程设计也选用了工作模式0，通过控制PA口对数码管进行位选，控制PB口对数码管进行段选。2.2.4 LED数码管 图7 LED数码管结构图 考虑到一般交通通行时间为60秒倒计时，且特种车辆也只需最大计时15s，所以时间显示模块只要用到两位数码管即可。通过控制串口芯片8255的PA口（低电平有效）进行位选择，选定PA0,PA1两位数码管。再通过控制串口芯片82551的PB口（低电平有效）进行段选择，从而显示时间。2.2.5外部中断控制模块 当特种车通过十字路口时，外中断0响应，P3.2就会产生一个低电平，送往单片机进行处理，从而产生中断，LED数码管和LED闪烁灯同时转向特种状态显示，15s过后，LED数码管和LED闪烁又同时返回中断前的状态。特种车辆中断模块硬件电路如图8： 图8 特种车辆控制模块电路图2.3元件清单 表1 元件清单符号型号 参数数量备注芯 片STC89C521个单片机主控芯片82551个单片机串口扩展芯片三极管90158个LED闪烁灯8个红灯和绿灯各四个电阻1k若干作为上拉电阻使用电容33PF，103,104若干LED数码管八段数码管2个共阳极3、系统软件设计 开 始3.1软件总流程图初始化中断、定时器中 断 响 应P3.2=0？ Y N Shu1=0?LED数码管倒计时LED闪烁灯显示状态 N Shu=0? N Y YLED闪烁灯显示状态改变LED数码管重新倒计时 图8 软件总流程图 3.2软件单元模块分析3.2.1主程序主程序主要负责总体程序管理功能，实现人及交互设定。由于采用动态扫描方式显示时间，因此主程序大部分要调用扫描显示程序5。主程序流程图如图7所示：void main()init();P1 = tab0; a8255_CON=0x89; /电源控制，进入空闲待机状态，中断请求有效 while(1)shuma(shiw,gew); /数码管显示时间deng(); /灯亮状态3.2.2初始化程序初始化程序主要完成定时器的工作模式、外部中断方式等的设定。定时器T0设为工作方式1，为16为定时器模式，定时时间为50ms，外部中断方式为外部中断方式0。程序如下：void init() /定时器和外中断0的初始化程序TMOD = 0x01; /工作在定时器工作方式1TH0 = 0x3c;/装入初值TL0 = 0xb0;EA = 1; /开总中断ET0 = 1; /开定时器0中断TR0 = 1; /启动中断EX0=1; /开外部中断0IT0=0; /触发方式为低电平3.2.3定时器中断和数码管显示程序1定时器中断和数码管显示程序流程图T0中断程序现场保护关中断T0T0初值重设 t0+ t0=0? Nshu-shiw=shu/10;gew=shu%10;a8255_PB=tableshiwa8255_PB=tablegew shu=0 N Y shu=30 图9 定时器中断和数码管显示程序流程图2定时器中断和数码管显示程序及说明 定时中断服务程序主要用于车辆及行人的通行时间指示，其通行规则如下：先把数码管0至9十个数存起来，定时器T0的溢出中断周期设为50ms，中断累计20次（即1s）则对倒计时单元减1操作。然后通过取整和取余以及查表法逐一实现在不同的shiw和gew给控制端口送不同数据码值，程序如下：uchar code table= 0xA0, 0xBB,0x62,0x2A,0x39,0x2C，0x24,0xBA,0x20, 0x28; /共阳数码管 0-9void shuma(uchar shiw, uchar gew) if(shiw!=0) a8255_PA=0xff;a8255_PB=0xff; a8255_PB=tableshiw;/段选，显示十位上数字a8255_PA=0xfe;/位选，选择数码管PA0作为十位delay(1); a8255_PA=0xff;a8255_PB=0xff;a8255_PB=tablegew; /段选，显示个位上数字a8255_PA=0xfd; /位选，选择数码管PA1作为个位delay(1); void time0() interrupt 1 /定时器0中断程序 TH0 = 0x3c;/重新装入初始值TL0 = 0xb0;t0+;if(t0%20=0) /1s时间的变化，改变数码管的显示shu-;if(shu=0)shu=30;shiw=shu/10;gew=shu%10;3.2.4定时器中断和LED灯显示程序1定时器中断和LED灯显示程序流程图T0中断程序现场保护关中断T0T0初值重设 t0=0？ N P1 = tabi Y i+ i=7 N i=0 Y 图10 定时器中断和LED灯显示程序流程图2定时器中断和LED灯显示程序及说明 定时中断服务程序主要用于车辆及行人的通行指示，其通行规则如下：定时器T0的溢出中断周期设为50ms，中断累计20次（即1s）是对倒计时单元减1操作。设计中将通行规则分成种不同的亮灯方式，先把8钟灯亮状态用表存起来，然后通过控制t0和i用查表法逐一实现在不同i值对灯送入不同值，程序如下：uchar code tab=0x66,0x69,0x99,0x5A,0x66,0x96,0x99,0xA5;void deng() /发光二极管显示程序 P1 = tabi;void time0() interrupt 1 /定时器0中断程序TH0 = 0x3c;/重新装入初始值TL0 = 0xb0;t0+;if(t0%20=0) /1s时间的变化，改变数码管的显示shu-; /shu为定时30s if(shu=0) shu=30;shiw=shu/10;gew=shu%10; if(t0 =600) /30s时改变一次状态 t0=0; i+;if(i=7) i=0;3.2.5外部中断程序1外部中断程序流程图所有红灯亮，数据缓存红灯显示15s倒计时结束?外中断程序现场保护关外中断0开定时器0关定时器T0，开外中断0现场恢复，中断返回YN 图11 外部中断程序流程图2中断程序及说明 当有特种车辆经过时，可由交警手动按下INT0，触发外中断。东西南北方向的红灯全亮，绿灯全熄灭，15S钟后恢复原来状态。程序如下：void enter0() interrupt 0 /外部中断0中断程序uchar shu1 =15,sw,gw;if(p3 = 0) /对按键消抖delay(10);if(p3 = 0)P1 = 0xAA;while(shu1) /shu为定时30s sw=shu1/10; gw=shu1%10;shuma(sw,gw); delay(1000);shu1-;4、 调试与功能分析4.1功能分析 北 西 东 南图12 十字路口模型 如图12所示：在东西南北方向各设置一盏红灯和一盏绿灯，当任意两方向的红灯亮，绿灯灭，则这两个方向之间是可以通车的，而同时对立两方向的绿灯亮，红灯灭，禁止通车，同时数码管作为时间显示牌，进行30s倒计时，30过后，亮灯方式换成另外一种状态，数码管在进行30s倒计时，在没有外部中断响应的情况下，一直这样循环下去。当有外部中断响应即特种车通过，东西南北方向的红灯都亮，绿灯都灭，数码管实现15s倒计时，时间一到，回到原来状态，继续循环。4.2调试方法 本次课程设计中调试部分系统系统的调试主要分为：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块化设计,所以方便了对各电路功能模块的逐级测试，包括对交通灯通行方式功能的调试，倒计时功能调试，特种车通行中断控制功能调试等。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后在交道口模型上进行整体测试,使系统的所有功能得以实现。4.3硬件调试首先对交道口交通灯控制系统的电路板进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：LED灯功能调试：LED各个红绿灯都能正常亮灭。 数码管功能调试：每个数码管能正常显示0-f的值。 中断控制功能调试：包括按键功能及规则调试。 4.4 软件调试 本系统的软件系统很长，用Keil软件编好程序。然后运行，除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自分断调试的方法，即单独调试好每一个模块,然后再连接成一个完整的系统,最后完成一个完整的系统调试。 4.5软硬联调 系统做好后,进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据,逐步校正数据，使测量结果更准确。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。4.6各模块调试4.6.1交通灯通行方式功能的调试 显示倒计时采用2位LED数码管；左拐、右拐、直行3组通行指示灯采用双色高亮发光二极管。检查二极管无故障，可先写一个软件调试程序，依次检查东南西北方向的指示灯(发光二极管)是否点亮；若未点亮,则可能是二极管存在故障。根据灯的亮灭情况依次查找直到电路正常工作为止。我们主要出现的是数码管倒计时显示的问题，后来通过检查，是程序设计思路存在偏差。改正后数码管顺利实现倒计时显示。 南北方向、东南方向的指示灯要同时调试。设计中将各个方向的直通，左拐，右拐通行规则分成几种不同的亮灯方式。经过调试指示灯的亮灭符合控制要求。4.6.3 特种车检测模块调试 特种车检测模块主要由中断模块组成，由单片机的串口与中断按键模块构成，信号通过中断模块发出，特种车通过时所有的交通灯能变成红灯，并在15s之后恢复正常，则说明该模块工作正常。5、总结与致谢5.1总结与思考 此次单片机课程设计，学以致用的同时也对自己掌握的理论知识进行查漏补缺，既锻炼了能力也看到了自身的不足。 在设计过程中，把所学到的理论知识与实际结合起来，深化了理论知识也加强了动手操作能力。在编写程序时，将学习到的理论知识来实现交通灯的多项功能，感受到了程序成功实现多项功能的快乐。本设计中，两位组员之间相互配合是非常重要的，在不断磨合期间团队意识逐渐形成，成为了本次设计成功的其中一个基础。在设计城市道口交通灯控制系统的过程中我们的思路存在偏差，导致完成程序花费了较多的精力，这也给以后的动手操作积累了些经验。5.2致谢 在本次课程设计过程中，谢四莲老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使得最终完成论文设计。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！最终，在老师、学长及同学的帮助与指导下顺利的完成了本次课程设计。非常感谢老师的支持，以及学校和系部领导统筹安排此次单片机课程设计，使结合理论知识和实际动手操作得到了很好的结合，对加深了对知识的理解。 最后，我们要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。参考文献1 张鑫.单片机原理与应用M.北京:电子工业出版社.20052 楼然苗.单片机课程设计指导M.北京:航天航空大型出版社.20073 康华光主编.电子技术基础(第五版)M.北京:高等教育出版社.20004 谢宜仁.单片机硬件接口电路及实例解析M.北京:电子工业出版社.20025 谭浩强.C程序设计第二版M.北京:清华大学出版社.19996 郭天祥.十天学会单片机OL./File001/File_54834.html,20087何立民.单片机高级教程M.北京:北京航空航天大学出版社.20038侯玉宝,李成群.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真M.北京:电子工业出版社.20036、附录6.1附录一硬件总电路图如下： 图13 总电路图6.2附录二城市道口交通灯控制系统设计总程序如下：#include#include /定义8255A的绝对地址#define a8255_PA XBYTE0xD1FF /PA口地址#define a8255_PB XBYTE0xD2FF /PB口地址#define a8255_PC XBYTE0xD5FF /PC口地址#define a8255_CON XBYTE0xD7FF /控制字地址#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit p3 = P32;uint t0 = 0,flag;int i;uchar shu=30,shiw=3,gew=0;uchar code table= 0xA0, 0xBB,0x62,0x2A,0x39,0x2C,0x24,0xBA,0x20,0x28;/数码管 0-9uchar code tab=0x66,0x69,0x99,0x5A,0x66,0x96,0x99,0xA5;/LED的八种状态void delay(uint z) /延时1ms程序uint x,y;for(x=z;x;x-)for(y=110;y;y-);void init() /定时器和外中断0的初始化程序T