基于单片机的交通灯课程设计报告.doc

湖南工学院课程设计报告摘要本设计是一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算机应用中空前活跃的领域。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。本系统由单片机系统、按键、八位数码管显示、交通灯演示系统组成。设计一个用于东西、南北走向的交通管理。南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为60秒、支干道每次通行间为30秒。系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、的功能。本系统结构简单，操作方便；可实现自动控制，具有一定的智能性；对优化城市交通具有一定的意义。本设计将各任务进行细分包装，使各任务保持相对独立；能有效改善程序结构，便于模块化处理，使程序的可读性、可维护性和可移植性都得到进一步的提高。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。 本文主要从单片机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理，用以控制过往车辆的正常运作。关键词：交通灯；单片机；AT89S52目 录第1章 引 言11.1 设计背景介绍11.2 设计任务1第2章 单片机简介22.1 8051单片机的主要性能22.2 信号引脚的介绍22.3 信号引脚的第二功能42.4 引脚的第一、第二功能会不会混淆5第3章 设计方案的比较63.1 原始方案63.2 最终方案6 第4章 硬件设计介绍74.1 时钟电路74.2 复位电路74.3 显示电路84.4 复位电路104.5 指示灯电路114.6 整体电路11 第5章 软件设计介绍13 5.1 主程序流程图13 5.2 INT0中断服务程序框图14 第6章 proteus仿真调试15 6.1 仿真图15 6.2 仿真步骤15结 论16 参 考 文 献17附录1 源程序清单18附录2 电路PCB图26附录3 实物图27III第1章 引言1.1 设计背景如今随着人们生活水平的提高，车辆越来越多，交通事故频繁发生。交通信号灯的出现，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。交通灯在城市交通中起着重要的作用，它与人们日常生活密切相关，是人们出行的安全保障。因此提供一个可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。为了解决这些问题，我们更应该提高交通控制和管理水平，合理使用现有交通设施，充分发挥其能力，提高交通效率，促进和谐交通的建立。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是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，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。本系统设计一个基于单片机的交通灯控制系统。能方便的对交通灯进行控制，使交通更和谐。1.2 设计任务1） 设计一个十字路口的交通灯控制电路，上电显示系统提示符“P.”。2） 要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为60秒、支干道每次为30秒。3） 按下启动键S2启动交通灯控制器。主通道（南北方向）首先放行，绿灯亮55秒后，黄灯开始亮2秒，接着黄灯闪烁3次，每次一秒，接着红灯亮，主通道停止放行；次通道（东西方向）开始放行，绿灯亮25秒后，黄灯开始亮2秒，接着黄灯闪烁3次，每次一秒，次通道停止放行；依次循环。 4）按下S3键启动交通灯控制器。主、次通道的放行规则与 3）相同，添加时间显示功能即可。第2章 单片机简介2.1 8051单片机的主要性能At8051/52系统单片机因其性能可靠，价格低廉，开发容易（这个是最大优势了吧，国内大学，在80年代就开始教授8051单片机的开发，而时至今日，它仍然是大学中单片机课程的首选芯片），而得到广泛应用，在现今ARM7，ARM9，msp430等高性能32bit,16bit单片机流行的状况下，它依然有其不可替代性。传统的8051，如at89s51，是12T单片机，即12个机器周期=1个指令周期，而且只有时钟、串口、中断等一些传统的资源，因此性能不够好；当然它也比较便宜，对于速度要求不高的场合还是可以的。现在市场上出现了不少增强型8051的单片机，比如华邦的单片机（8051的内核）是4T的，宏晶的stc12c系列是1T的单片机，而且这些增强型的单片机不但速度提高了（在同一个晶振频率下），而且有很多外围设备，比如AD、PWM等片上系统。单片机作为本设计的控制核心，控制着整个系统数据的传输的及地址的寻址。因此单片机的选取是至关重要的，然而单片机的种类繁多、型号各异。要选择一款既经济又实用的单片机也非一件易事，从我们的熟悉程度和通用性来考虑我们选择Atmel公司生产的内有8KB的Flash Rom闪存可编程可擦除的8位单片机，该单片机是一种能用于ISP编程的低电压、高性能CMOS型8位单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1000次写擦循环，数据保留时间为10年。他是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常要用到AT89S52芯片。它是以80C51为基核并且能够与MCS-51兼容的芯片。它采用DIP封装、 32条I/O口线、3个定时计数器、8个中断源、256个RAM单元、内部资源丰富、性能全面、适用性好、价格低廉。2.2 信号引脚的介绍8051单片机的引脚图如图2-1所示，我们知道单片机的片内的所有部件都是通总线连接起来的，系统的地址信号、数据信号、控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。图2-1AT89S52引脚图单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。2.3 信号引脚的第二功能 随着单片机功能的增强，对芯片引脚的需求不断增加，但由于简化、工艺或标准化等原因，芯片引脚的数目总是有限的。因此，“引脚复用”现象在单片机中十分常见，即给一个引脚赋予两种甚至两种以上的功能。表2.1 信号引脚的第二功能引脚名称引脚功能MOSI（P1.5）用于ISP编程MISO（P1.6）SCK（P1.7）RXD（P3.0）串行输入口TXD(P3.1)串行输出口INT1(P3.2)外部中断1INT0(P3.3)外部中断0T0(P3.4)定时器0外部输入T1(P3.5)定时器1外部输入WR(P3.6）外部数据存储器写信号RD(P3.7）外部数据存储器读信号RST复位ALE地址锁存使能EA/Vpp外部寻址使能/可编程电压PSEN程序存储器使能XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器输入端XTAL2振荡器反相放大器输出端2.4 引脚的第一、第二功能会不会混淆 一个引脚有多种功能，会不会在使用时引起混乱和造成错误呢？不会的。因为第一功能信号与第二功能信号是不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。例如30和31引脚。另外，P3口线的第二功能信号都是重要的控制信号，在实际使用时总是先按需要优先选用第二功能，剩下不用的才作为口线使用。第3章 设计方案的比较3.1 原始方案根据设计的要求我要设计一个东西南北四个方向共十二个灯的交通灯控制器，每个方向三个灯，红、绿、黄各一个。其中东西两个方向灯的显示情况是一样的，南北两个方向是一样的，分别控制两个方向的车辆运行。其中，南北方向表示主干道，每次通行时间为60S；东西方向表示次干道，每次通行时间为30S。3.2 最终方案 由于我想基于我已有的单片机最小系统的板子做此次设计，而已有的这块板子上只有八个灯，所以我只选用其中六个灯来完成此次设计。由于东和西两个方向上的灯的显示情况是一样的，南和北两个方向上灯的显示情况是一样的，所以我用其中三个相邻的灯分别表示南北方向上的红、绿、黄灯；另外三个相邻的灯分别表示东西方向上的红、绿、黄灯。根据这种思想进行接下来的程序设计。 第4章 硬件设计介绍4.1时钟电路时钟电路由一个晶体振荡器和两个30pF的瓷片电容组成。如图所示：图4.1 时钟电路钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地作。单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值的范围在50pF30pF,典型值为30pF。晶振的频率通常选择两种6MHz和12MHz。只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。4.2复位电路复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位电路以重新启动。本电路由一个电阻和一个电容组成上电复位。图4.2 复位电路上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。4.3 显示电路根据设计要求，采用7段LED数码管。它是由七个发光二极管组成，因此也称之为7段LED 显示器。通常，显示器中还有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点，因此P0口线正好用完。通常LED显示器发光二极管的连接方法有以下两种：共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5V。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。本设计采用共阴级接法。 显示方式也有两种：静态显示和动态显示。静态显示：是指显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。这种显示方法每一位都需要有一个8位输出口控制。静态显示时，较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度，所以可由接口芯片直接驱动。并行输出显示位数越多需要I/O口越多。动态显示：当显示位数较多时，可以采用动态显示。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器的各个位（扫描）。对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉，我们看到的动是多个字符同时显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。 因动态显示相对于静态显示亮度要低些，为了提高数码管亮度和减轻单片机带负载的负担，这里采用一块74LS373芯片和8个9013三极管来驱动显示电路。根据设计要求这里采用电路简单、节省口线资源、成本低的动态显示方式。显示电路原理图如下所示：图4.3 显示电路原理图4.4 按键电路单片机应用系统中键盘有独立式和行列式两种。独立式键盘：独立式键盘中，每个按键占用一根I/O口线，每个按键电路相对独立。I/O口通过按键与地相连，I/O口有上拉电阻，无键按下时，引脚端为高电平，有键按下时，引脚电平被拉低。独立式按键具有电路简单，软件编程方便的特点，适用于按键数不多的场合。行列式键盘：行列式键盘也即矩阵式键盘，它由行和列组成，在每个行列的交叉点上放置一个按键，每一行或列都有一个I/O口与之对应。它适用于按键数比较多的场合，从按一个键到键功能被执行主要包括两项工作：一是键的识别，即在键盘中找出被按的是那一个键，另一项是键功能的实现。具体来说，键盘接口应完成以下操作功能：.键盘扫描，以判断是否有键按下。.键识别，以来确定闭和键的行列位置。.产生闭和键的键码。.排除多键，串键以及抖动。根据设计要求，只需要用2个按键，所以采用独立式按键。电路原理图如下所示：图4.4 按键电路因为I/O口内部有上拉电阻，所以外接上拉电阻省略。4.5 指示灯电路此电路起交通指示作用，交通指示的实现也是次设计的根本目的。此电路是就是模拟的交通灯，发光二极管和数码管一起挂在P3口上，采用动态显示方式点亮二极管。74HC373芯片的作用是增加P3口的带负载能力，也就是驱动作用，二极管的阳极共同连在单片机的RD脚上，以控制二极管的亮灭。当RD为低电平时，二极管选通，此时只要二极管对应的P3口线为低电平，二极管即点亮。电路图如下所示：图4.5 指示灯电路4.6 整体电路 除了上述电路外，单片机还要通过下载接口从PC机中下载程序，所以还需要一个下载接口电路。具体电路原理图如下： 图4.6 总原理图第5章 软件设计介绍5.1 主程序流程图南北通行开始中断？中断程序返回？K0=0？K1=0？DX=0？东西通行中断？中断程序NB=0?K0=0?K1=0?返回？NYNYYNNYNNNNNNYYYYYY5.2 INT0中断服务程序框图定时溢出计数初值加一 开始 N定时器0初始化 Y 计数初值=99？ N Y 计数初值=0第6章 Proteus仿真调试6.1 仿真图6.2 仿真步骤（1）根据电路图选择器件连接电路（2）双击AT89S52装入源程序编译生成的HEX文件（3）单击运行按钮运行仿真（4）根据仿真情况与程序实现任务对比，对于不能实现的任务修改并调试程序，重新装载重新运行调试仿真，直到能完全实现所要求的功能为止（5）进一步改进和简化程序在进行调试仿真第7章 结论通过这次单片机课程设计，我深刻体会到了自己动手操作设计作品的乐趣。从刚开始学习单片机老师对单片机的整体及其应用前景介绍的，到后来对单片机产生了浓厚的兴趣，并利用自己的课余时间学习有关单片机的基本知识。但光掌握理论知识是远远不够的，将理论知识应用于实际才是学习的目的。此次在老师的指导下，选择运用单片机设计了一个交通灯控制系统。从给定电路图的分析到实际电路元件的识别、焊接，再到后期的程序设计以及系统调试，初步掌握了运用单片机系统设计特定功能的设计步骤，也对单片机有了更深的体会。了解和掌握了一些简单的编程思想，对单片机各管脚的功能，I/O口的使用条件都有了更深的理解。这次的课程设计让我把单片机的理论知识运用的实践中，实现了理论与实践的相结合，从中更懂得了理论是实践的基础，实践更能检验理论的真实性，让我受益匪浅。参考文献：1 李朝青.单片机原理及接口技术（修订版）.北京：北京航空航天大学出版社，19982 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19923 何立民.单片机应用技术大全.北京：北京航空航天大学出版社， 19944 张毅刚. 单片机原理及接口技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19905 谭浩强.单片机课程设计. 北京：清华大学出版社，19896 余发山.单片机原理及应用技术 焦作：中国矿业大学出版社，2007附录1 源程序清单程序清单 LED数码管显示器设定： P0.7-P0.0段控线，接LED的显示段dp,g,f,e,d,c,b,a P2.7-P2.0位控线,从右至左(LED0,LED1,LED2,LED3,LED4,LED5,LED6,LED7) ORG 0000H START: LJMP MAIN ORG 000BHLJMP DELAY ORG 0030H MAIN: MOV SP, #80H ;确立堆栈区 MOV PSW, #00H ; MOV R0, #20H ;RAM区首地址 MOV R7, #5FH ;RAM区单元个数 ML: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, ML ;将00H96H单元的内容全部清零 TSF: MOV DPTR, #DISBH ;系统初始化后提示符“P.”字符代码表首地址 MOV R5, #08H MOV R0, #78H DISPTSF:CLR A ;A的内容清零 MOVC A, A+DPTR MOV R0, A INC R0 INC DPTR DJNZ R5, DISPTSF TT: LCALL DISP ;调显示子程序 LCALLKEY MOV A, 20HCJNE A, #00H, LOOP0LJMPTT LOOP0: CJNE A, #01H, LOOP1 LJMP S2 LOOP1: CJNE A, #02H, LOOP2 LJMP S3 ;判断是哪个键按下 LOOP2: LJMP TT /S2显示程序/ S2:MOV R4, #110 MOV P3, #0DBH ；主道绿灯亮，次道红灯亮 D1: LCALL DELAY DJNZ R4, D1 ；延时55SMOV R4, #4MOV P3, #0D7H ；主道黄灯亮，次道红灯亮 D2: LCALL DELAY DJNZ R4, D2 ；延时2S MOV R4, #4 D3:MOV P3, #0D7H ；黄灯闪烁，红灯亮LCALL DELAY ；延时0.5SMOV P3, #0DFH LCALL DELAY ；延时0.5SDJNZ R4, D3 ；闪烁3次 MOV R4, #50 D4: MOV P3, #0BDH ；主道红灯亮，次道绿灯亮LCALL DELAYDJNZ R4, D4 ；延时25S MOV R4, #4 D5: MOV P3, #07DH ；主道红灯亮，次道黄灯亮2SLCALL DELAYDJNZ R4, D5MOV R4, #4 D6: MOV P3, #07DH ；次道黄灯闪烁，主道红灯亮LCALL DELAY ；延时0.5SMOV P3, #0FDHLCALL DELAY ；延时0.5SDJNZ R4, D6 ；闪烁3次LJMP S2/S3显示程序/S3:MOV R5, #55MOV P3, #0DBH ；主道绿灯亮，次道红灯亮MOV 20H, #3CH ；计数60次 C1:LCALL DEL1DJNZ R5, C1 ；延时55SMOV R5, #2MOV P3, #0D7H ；主道黄灯亮，次道红灯亮C2: LCALL DEL1DJNZ R5, C2 ；延时2SMOV R5, #3C3: MOV P3, #0DFH ；黄灯闪烁3次，红灯亮 LCALL DEL2 MOV P3, #0D7HLCALL DEL3DJNZ R5, C3 MOV R5, #25MOV P3, #0BDH ；主道红灯亮，次道绿灯亮MOV 20H, #1EH ；计数30 E1: LCALL DEL1DJNZ R5, E1 ；延时25SMOV R5, #2 MOV P3, #7DH ；主道红灯亮，次道黄灯亮2SE2:LCALL DEL1DJNZ R5, E2MOV R5, #3E3: MOV P3, #0FDH ；次道黄灯闪烁3次，主道红灯亮LCALL DEL2 MOV P3, #7DH LCALL DEL3DJNZ R5, E3LJMP S3/S3倒计时程序/ DEL1: DEC 20H MOV A, 20H MOV B, #0AH MOV 21H, #2 DIV AB MOV DPTR, #DISBH1 MOVC A, A+DPTR MOV 78H, A MOV A, B MOVC A, A+DPTR MOV 79H, A LCALL DISPDEL11: LCALL DELAY1 ；1S延时 DJNZ 21H, DEL11 RETDEL2: MOV A, 20H MOV B, #0AH DIV AB MOV DPTR, #DISBH1 MOVC A, A+DPTR MOV 78H, A MOV A, B MOVC A, A+DPTR MOV 79H, A LCALL DISP LCALL DELAY1 ；0.5S延时 RETDEL3: DEC 20H MOV A, 20H MOV B, #0AH DIV AB MOV DPTR, #DISBH1 MOVC A, A+DPTR MOV 78H, A MOV A, B MOVC A, A+DPTR MOV 79H, A LCALL DISP LCALL DELAY1 ；0.5S延时 RET / 定时500ms程序/DELAY: MOV TMOD, #01H MOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HMOV IE, #00HMOV R3, #10 SETB TR0 LOOP: JBC TF0, LOP AJMP LOOP LOP: DJNZ R3, LOOP LOP2: CLR TF0 MOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HRETDELAY1: MOV TMOD, #01H MOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HMOV IE, #00HMOV R3, #10LCALL DISP SETB TR0 LLOOP: JBC TF0, LLOP LCALL DISP AJMP LLOOP LLOP: DJNZ R3, LLOOP LCALL DISP LLOP2: CLR TF0 MOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HRET;8个按键S2至S9分别依次接在P1.0至P1.7口线;键扫子程序KEY;出口：B，20HKEY: LCALL KEYCHULI ;调键处理子