单片机课程设计.docx

中北大学信息商务学院课程设计说明书课 程 设 计 任 务 书1设计目的：本设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、软件程序的设计等，以便使学生掌握有关单片机控制的设计思想和设计方法。为学生今后从事单片机控制系统开发工作打下基础。学习proteus仿真软件实现电路的仿真。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 本课程设计的基本要求是使学生全面掌握单片机控制系统设计的基本理论，熟悉掌握单片机的编程方法，用单片机at89s51实现十字路口交通信号灯的控制，完成系统的软硬件设计及调试。具体要求如下：1、正常情况下交通信号灯的控制时序给定。南北绿灯、黄灯、红灯分别用p1.0,p1.1,p1.2控制，东西绿黄红分别用p1.3,p1.4,p1.5 控制。2 、设定东西方向、南北方向紧急切换按钮各一个，当紧急按钮按下时，相应方向紧急切换为绿灯，以便特种车辆通行3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路图。2画出电路原理图，分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系。3. 用proteus软件绘制硬件电路图并仿真。4. 软件设计包括流程图、用汇编语言或c语言对软件进行编译，并能通过调试。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1.孙涵芳.mcs-51/96系列 单片机原理及应用（修订版）.北京航空航天大学出版社.1994 2.李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）.北京航空航天大学出版社.205设计成果形式及要求：1. 硬件电路图2. 软件流程图和程序清单3. 编写课程设计报告。6工作计划及进度：2015 6月1日 6月3日 查找资料，确定方案6月 4日 6月 6 日 设计硬件电路，绘制电路原理图6月 7日 6月10日 软件设计，并调试通过6月11日6月12日 编写课程设计报告，答辩或成绩考核系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录一、引言.61.1交通灯的研究意义.61.2基于单片机的智能交通灯控制系统设计的意义.61.3本课题的主要研究工作.6二、 单片机控制交通系统总体设计.62.1单片机交通控制系统通行方案设计.62.2单片机交通控制系统的功能要求.82.3单片机交通控制系统的基本构成及原理.9三 系统硬件电路的设计.103.1硬件系统电路.10四 系统软件程序的设计.124.1程序主体设计流程.124.2子程序模块设计.14五 软件仿真. .175.1系统仿真电路图.175.2仿真结果分析.19六 附录.20附录一系统电路图.25七 参考文献.25一 引言1.1交通灯的研究意义进入20世纪80年代后期，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题，随着汽车的数量的不断增加和城市化进程的不断加快，城市交通现象逐渐变得拥挤和阻塞，由此引起的交通事故、噪声和大气污染等社会问题己经日益严重。于是，智能交通控制系统应运而生，并得到迅猛发展。除在功能和技术上得到改进和完善的scoot和scats以外，utopia、prodyn、itaca、rt-tracs、motion和surfz000等一系列交通灯控制系统相继推出并投入应用。1.2基于单片机的智能交通灯控制系统设计的意义红、绿、黄三色交通信号灯一般安装在城市交叉路口的醒目位置，并加上一个具有时间倒计时的显示器来控制车辆的通行的时间。对于城市道路状况较好的地方并且通行车辆较少的路段，传统交通控制系统尚能起到车辆正常通行的作用，但根据实际车辆通行情况，还存在两方面的不足：1两车道的车辆通行时间固定不变且相同；在城市的交叉路口处，通常在一个干道上通行车辆相对较多称为主干道，通行时间应该设计长些；另一个通行车辆相对较少为副干道，通行时间应该设计短些；并能根据实际情况进行变换时间。2没有设计紧急车辆通行时，交通灯应该进行怎样的变换；比如，紧急救护车在经过交叉路口时，两车道的交通灯都应该变成红色，两车道的车辆全部停止，让救护车通过。由于传统交通灯控制系统存在的不足：系统设计过于死板、红绿灯交替过于程式化。因此智能交通灯控制系统的设计就突出了它的研究意义，它能根据道路上车辆的数量以及一些突发情况的情况，来控制车辆通行的时间。利用单片机的特点和功能，提出了硬件的选择以及软件设计方案要求，来实现两车道的最大通行效率。1.3本课题的主要研究工作本文对at89s51单片机的片内结构和引脚功能进行了简单介绍，分析了应用单片机来实现智能交通灯的控制系统以及该系统硬件的选择、软件的设计,并对智能交通灯控制系统的研究现状以及研究意义进行了分析，指出了传统交通灯控制系统的不足，并对不足之处进行了改进和完善。智能交通灯控制系统要实现自动调整车道的通时间和在紧急车辆通行的情况下能够手动切换信号灯让特殊车辆优先通行。该系统能够最大效率的控制车辆的通行,提高城市交通路口车辆的通行效率。二 单片机控制交通系统总体设计2.1单片机交通控制系统通行方案设计城市路口分为两个车道：东西车道和南北车道。在交通信号灯有效地时间内只有一个方向可以通行，另外一个方向禁止通行，达到设计的通行时间后，两个方向状态对换。其具体状态如图1所示（黑色表示亮，白色表示灭）。交通信号灯从状态1开始，变换至状态4然后循环至状态1，周而复始，我们可以把这四个状态归纳如下： 图1 交通状态1、南北车道红灯灭，同时绿灯亮，东西车道黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。2、南北车道绿灯灭，同时黄灯亮，东西车道红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的车辆，其他所有的车辆都需等待状态的转换。3、东西车道红灯灭，同时绿灯亮，南北车道黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。4、东西车道绿灯灭，同时黄灯亮，南北车道红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的车辆，其他所有的车辆都需等待状态的转换。下面我们可以用图表表示交通灯状态和行止状态的关系如下：表1 交通状态及红绿灯状态路口的四个方向均有红、绿、黄3个交通信号灯和倒计时数码显示管2个，行驶中的车辆遇红灯亮则禁止通行，遇绿灯亮则允许通行，遇黄灯亮则警告交通灯状态将变换。状态及红绿灯状态如表1所示（0表示灭，1表示亮）。2.2单片机交通控制系统的功能要求本设计除了有传统的交通灯控制系统的功能，用红、绿、黄三种颜色的交通信号灯表示禁止、通行、等待三种信号发生来控制车辆的通行；还能进行倒计时显示、车流量检测及调整、时间手动设置和紧急情况处理等功能。2.2.1倒计时显示倒计时显示可以提醒驾驶员遇红灯需要等待的时间以及遇绿灯能通行的时间，以及遇黄灯时在“等待”和“通行”两者间作出合理的选择。2.2.2车流量检测及调整车辆检测器是智能交通控制系统的重要组成部分。现在使用的车辆检测器检测有很多种，如地磁检测器、磁频检测器、机械压电检测器、红外线检测器、波频检测器等，并且各有其优缺点。一般车流量检测器常采用传感器+单片机+外围器件来实现。2.2.3时间手动设置除了根据车流量检测器自动调整车辆通行时间，交通灯控制系统也可以使用键盘进行手动调整，避免了突发故障。并在紧急情况下可指挥所有交通信号灯变为红灯。键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和矩阵式两种。独立式软件编写简单，一般用于按键数量少的系统，矩阵式适用于按键数量较多的场合。本系统要求的按键控制不多，且i0口足够，可直接采用独立式。2.2.4紧急处理出现救护车、消防车等紧急车辆通行以及特大事件发生时，我们应该允许紧急车辆通行畅通无阻，因为在这种紧急状况下时间就是生命，此刻的时间与人民和社会的公共财产、安全以及个人生死攸关息息相关。由此在交通灯控制系统中增设禁停按键，使所有交通信号灯都变成红灯，使紧急车辆畅通无阻。2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理本设计是基于单片机的智能交通灯控制系统，根据实际车辆通行情况通过单片机来控制交通信号灯状态的变换，来实现城市车道最大效率的通行。此外，单片机接入8级led数码管就可以实现时间倒计时显示来提醒行人，更具有人性化，并且还接入了车流量检测器来为智能交通灯控制系统采集数据。系统的总体框图如图2所示本设计的交通灯控制系统以at89s51单片机为核心，由车流量检测器模块、键盘设置模块等产生输入信号，交通信号灯状态模块、8级led时间倒计时显示模块接受输出信号。键盘设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置的信号，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到led数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉紧急按键信号，以达到对异常状态进行实时控制的目的。急停按键随时调用中断。在模式选择上，若为自动模式，将不断调用车流量检测模块对车流量进行检测统计，到达一定时间将修正通行时间一满足不同路况的需要。三 系统硬件电路的设计3.1硬件系统电路3.1.1最小应用系统模块at89s51内部有4kb闪速存储器，本身就是一个数字量输入/输出的最小应用系统。在构建at89s51单片机最小应用系统时，at89s51单片机需外接时钟电路和复位电路即可（如图3）。3.1.2数码管显示模块数码管显示模块由4个七段数码管组成，接单片机at89s51的p0引脚，由于p0作为通用的i/o工作，片外应接上拉电阻。在自动控制模式中，后两个数码管显示时间（从60秒倒计时到1秒）。在人工控制模式中，在k1键按下时，则为支干道通行，则数码管显示“9999”；若按下k0键，则主干道通行，则数码管先显示10秒倒计时（从10秒到1秒），完成后显示“9999”；在k2键按下时，此时为紧急状态，则数码管不进行倒计时，显示为“9999”；若按下k4键，则为手动设置时间模式，数码管显示为“9999”，等待时间变动；在k3键按下时，数码管由“9999”变为10秒倒计时，此时系统进入自动控制模式。3.1.3按键控制模块10按键控制模块由k0、k1、k2、k3、k4五个按键组成，控制系统的初始模式为自动控制模式。若通电后，此时无键按下，则为自动模式；若按下的是k4键，则为时间设置模式；若按下k0，则进入主干道通行模式；按下k1键，进入支干道通行模式；按下k2键，则为紧急模式；按下k3建则由其他模式返回到自动模式。3.1.4信号灯控制模块四个路口信号灯的转换以及转换时间是利用单片机的p1口来驱动和控制的，通过信号灯的转换和转换时间来控制车辆的通行以及通行时间。本设计只用单片机的信号引脚来直接控制发光二极管（如图6所示）。led显示模块由4个led组组成，每组有3个led。led分别接入at89s51单片机的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3、p1.4、p1.5。其中，led1、led2、led3分别表示南北方向的绿灯、红灯和黄灯，led4、led5、led6分别表示东西方向的绿灯、红灯和黄灯。当led1和led4点亮时，南北方向可以通行，东西方向禁止通行；当led2和led5点亮时，东西方向可以通行，南北方向禁止通行。3.1.5车流量检测电路模块本设计通过车辆检测器来计算车辆的数量，若车辆检测器感应到车辆通过，存储车流量的寄存器将加1，通过车流量的寄存器来累计车流量，利用车流量检测器来控制车辆通行时间（如图7）。四 系统软件程序的设计4.1程序主体设计流程全部控制程序分为若干模块：键盘设置处理程序、状态灯控制程序、led显示程序、次状态判断及处理程序、紧停判断程序、中断服务子程序、车流量计数程序、红绿灯时间调整程序等。整个软件程序方面主要分两大部分：按键处理程序和扫描程序。流程图如图11所示。4.2子程序模块设计4.2.1按键扫描程序首先程序不断扫描模式设置键，分别记为：k0键、k1键、k2键、k3、k4对应/端口的p3.2、p3.3、p3.4、p3.5、p3.6、p3.7,低电平有效，按键顺序是指定的，若无键按下，则为自动调整模式；若先按k4键，则为设置时间模式；若按下k0，则进入主干道通行模式；按下k1键，进入支干道通行模式；按下k2键，则为紧急模式；按下k3建则由其他模式返回到自动模式。程序如下：k1:movc,p0.0anlc,p0.1jbc,k1接下来要判断具体是那个键，若无键按下，则将自动标志位置1，进入下一程序，否则若按下k1键，则表示设置支干道绿灯时间，用r0存值，按1下加1；若按下k0键，则表示主干道绿灯时间设置完毕，开始设置东西绿灯时间，用r1存值，按1下加1，若按下k3，则表示时间设置完毕，进入下一程序。程序如下： cjnzr0,#40,v1movr0,#20v1: incr04.2.2状态灯显示及判断在本设计中，实际控制的灯只有6个：东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯。定义i/o端口如下（其中均是低电平有效）：h_greenbitp2.2 h_yellowbitp2.3l_redbitp2.4l_greenbitp2.5l_yellowbitp2.6共有4钟状态：东西红灯亮、南北绿灯亮（11011101/ddh）；东西红灯亮、南北黄灯亮（10111101/bdh）；东西绿灯亮、南北红灯亮（11101101/edh）；东西黄灯亮、南北红灯亮（11100111/e7h）。括号中是p2端口8个引脚值p2.7、p2.6、p2.5、p2.4、p2.3、p2.2、p2.1、p2.0以及其对应的十六进制码。在用于显示发光二极管时，直接由mov指令将十六进制码送入p2口。上述的4个状态是依次变换的，这就要涉及到状态的判断和衔接了。先把p2端口的值与所有的4个状态码比较，若相同则判断成当前状态，再把下一状态的状态码送显p2即可。程序如下： mova,p2cjnza,#0ddh,d1movp2,#bdhd1:cjnza,bdh,d2movp2,#edhd2:cjnza,#edh,d3movp2,#e7hd3:cjnza,#e7h,y movr2,#ddh4.2.3led倒计时显示led计时每1秒都要刷新1次，那么计时满1秒时就要将存储时间的工作寄存器r4减1，然后送入led显示程序中显示。下面要将时间数据r4的十位，个位分开送显p1、p0端口，首先将r4除以10，整数即十位放在a中，余数即个位放在b中，设置7段led显示数据的数据表，用数据指针寄存器dptr指向数据表的首地址，再加上a中的偏移量，就可以指向十位数字，然后送显即可，个位显示同理。具体程序如下：mova,r4movb,#10diva,bmovdptr,#ledmapmovca,a+dptrmovp1,amova,bmovca,a+dptrmovp3,aledmap:db3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh4.2.4车流量检测中断服务子程序车流量检测是用外部中断引脚p2.3即int1捕获到一个低电平，则进入相应的中断服务子程序，在子程序中，用r5计南北向车流量，用r6计东西向车流量，设车向标志位为01h，判断车向，程序如下：jnb01h,uincr5u:incr64.2.5紧停中断服务子程序紧停按键连接到外部中断引脚p3.4，即int0捕获到一个低电平，则进入该中断，中断程序中先把蜂鸣器p3.4端口置0。并且等待恢复键k3键p3.5按下。int0:setbp0.5 jbp0.0,$lcalldelayclrp0.5reti4.2.6红绿灯时间调整程序根据红绿灯时间调整原理，一个周期下来，南北、东西的车流量分别存储在r5、r6中，然后求单位时间车流量，此时南北向时间、东西向时间分别存储在r0、r1中，则两个方向的流量比例为（r5/r0）/（r6/r1）=(r5*r1)(r6*r0),显然该比例是1左右带小数的值，然而单片机程序中只取整数，那么重要的数据信息就会丢失，所以本设计中首先将(r5*r1)乘以10，比例就变为10左右的值。将该比例值放在a，然后进行时间调整。由于实际情况的限制，时间调整在此只划定3个范围：比例0到0.6为一个范围、0.7到1.3为一个范围、1.4及以上为一个范围。第一范围表明东西向交通严重，应将时间调长；第二范围表明两向相当，可设置一样