[毕业设计精品]城市道路交通灯控制设计.doc

单片机交通灯课程设计报告 题 目 城市道路交通灯控制设计 系 部 电子与通信工程系 专业 班级 姓 名 学 号 指导教师 起止日期 10 年 12 月 13 日 12 月 25 日 08 应物单片机课程设计说明书 0 摘要摘要 本设计的主要任务为设计一个以 at89c51 单片机为核心的最小应用系统 实现有时间显示的 定时交通信号灯控制 用 p1 0 p1 1 p1 2 分别控制东西方向左拐的红 绿 黄灯 用 p1 3 p1 4 p1 5 分别控制 南北方向直行的红 绿 黄灯 用 p1 6 p1 7 p0 0 分别控制东西方向直行的红 绿 黄灯 用 p0 1 p0 2 p0 3 分别控制南北方向左拐的红 绿 黄灯 用 p0 4 控制所用方向右拐的绿灯 当 i o 口为低电平时对应的灯被点亮 显示路口的状态 引导车辆安全通过十字路口 试验时皆由发 光二极管替代 正常模式 系统工作时 按照任务分析的状态循环进行 同时进行倒计时显示作为 时间提示 使人们能够直观地把握时间 数码管显示部分采用动态显示方式 一位一位的轮流点亮四位数码 管 当位选端为低电平时 对应的数码管被点亮 在每次循 环完成后 令四个位选端全为高电平 以免产生残影 影响 显 示效果 用 p3 0 p3 1 p3 2 p3 3 p3 4 p3 5 p3 6 分别控制数码管段选端 a b c d e f g 数码管的左边两位显示的绿灯和黄灯的时间 右 边两位是显示一个周期的时间 即 90s 控制东西和南北方向直行的绿灯亮 15s 控制东西和南北方向左拐的绿灯亮 20s 黄灯时间统一为 5s 关键词关键词 单片机 交通灯 at89c51 芯片 08 应物单片机课程设计说明书 1 摘要摘要 1 关键词 关键词 1 1 课程设计的主要内容 课程设计的主要内容 5 2 第一章 第一章 第五章第五章 6 第一章第一章 单片机的总体介绍单片机的总体介绍 7 1 1 单片机的种类 7 1 2 单片机的用途 7 1 3 单片机的发展历史 8 1 4 单片机的基本工作原理 8 1 5 单片机的常规用法 9 1 6 组成最小系统的硬件设计方法 9 第二章第二章 接口电路的特点 分类及设计方法接口电路的特点 分类及设计方法 9 2 1 p0 口 9 2 2 p1 口 10 2 3 p2 口 10 2 4 p3 口 10 第三章第三章 城市道路交通灯控制的城市道路交通灯控制的设计思路和实现方法设计思路和实现方法 10 3 1 设计思路 10 3 2 实现方法 10 第四章第四章 硬件设计硬件设计 11 第五章第五章 软件设计软件设计 14 5 1 流程图流程图 14 5 2 程序 14 3 总结 总结 19 4 参考文献 参考文献 19 08 应物单片机课程设计说明书 2 绪论 或前言 绪论 或前言 随着社会经济的发展 城市交通问题越来越引起人们的关注 人 车 路三者关系的协调 已 成为交通管理部门需要解决的重要问题之一 交通灯的出现 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 在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 本系统就是采用 at89c51 单片机设计的交通灯摸拟系统 使用 keil c51 编写代码 并在 protues 下进行仿真 实现了对交通灯系统的模拟 实现了能根据实 际车流量通过单片机芯片的 p0 p1 口设置绿 黄灯点亮功能 显示时间直接通过单片机的 p3 口输 出 系统实用性强 操作简单 扩展性强 系统设计简便 实用性强 程序设计简便 08 应物单片机课程设计说明书 3 1 课程设计的主要内容 课程设计的主要内容 单片机原理及应用课程设计任务书 系 部 电子与通信工程系 专业 08 级物本 指导教师 袁媛 彭芳 高岳民 2010 12 5 课题名称 基于单片机多课题课程设计 设 计 内 容 及 要 求 1 课题内容 以单片机为核心 完成 1 1 数字式温度计的设计 1 2 作息时间系统的设计 1 3 音乐播放系统的设计 1 4 音乐 演奏系统的设计 1 5 1602 点阵字符显示系统设计 1 6 城市道路交通灯控制设计 1 7 数字频率计的设计 1 8 流水灯的设计 1 9 12864 点阵字符显示系统设计 2 0 pwm 方 式控制 led 具体设计参数及要求详见指导书 2 要求 2 1 完成该系统的硬件和软件的设计 在 proteus 软件上仿真通过 2 2 外围硬件的电路原理图设计组与组间不得完全一样 否则将严重影响评分成绩 设 计 工 作 量 1 汇编或 c51 语言程序设计 2 程序调试 3 软件设计在 wave6000 或 keil c 调试 仿真 硬件设计在 proteus7 4 版本上上进行 调试 仿真 4 提交课程设计说明书 包括设计原理 软件设计 程序分析 程序重要部分要求加 注释 仿真和调试过程分析 参考文献 设计总结等 具体要求 格式见课程设计说 明书模板 起止日期 或时间量 设计内容 或预期目标 备注 第 1 天 课题 安排介绍 分组 课题介绍之后 收集 查阅资料方 案论证 设计项目确定 系统整体设计 第 2 天 第 7 天 硬件设计 利用 proteus7 4 平台结合软硬件设计调试 仿真 软件设计 利用 wave6000 或 keil c 平台 编程 调试 仿真 第 8 天 第 9 天验收作品 答辩 进 度 安 排 第 10 天撰写课程设计说明书 教研室 意见 年 月 日 系 部 主 管领导意见 年 月 日 08 应物单片机课程设计说明书 4 2 第 第 1 章章 第第 5 章章 第一章第一章 单片机的总体介绍单片机的总体介绍 1 1 单片机的种类 单片机分为专用型单片机和通用型单片机 通用性单片机又分为 cisc 单片机 代表有 intel 公司的 mcs 51 系列 atmel 公司的 at89 系列和 winbond 公司的 w78 系列 risc 单片机 代表有 microchip 公司的 pic 系列 ateml 公司的 avr 系列单片机 基于 arm 核的 32 位单片机 代表有 arm7 arm9 arm9e 的几个系列 dsp 单片机 代表有美国德州仪器公司生产的 tms320 系列 通用型单片机按其数据线的位数可分为 8 位 16 位和 32 位 1 2 单片机的用途 单片机广泛应用于仪器仪表 家用电器 医用设备 航空航天 专用设备的智能化管理及过 程控制等领域 大致可分如下几个范畴 1 在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小 功耗低 控制功能强 扩展灵活 微型化和使用方便等优点 广泛应用于 仪器仪表中 结合不同类型的传感器 可实现诸如电压 功率 频率 湿度 温度 流量 速 度 厚度 角度 长度 硬度 元素 压力等物理量的测量 采用单片机控制使得仪器仪表 数字化 智能化 微型化 且功能比起采用电子或数字电路更加强大 例如精密的测量设备 功率计 示波器 各种分析仪 2 在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统 数据采集系统 例如工厂流水线的智能化管理 电 梯智能化控制 各种报警系统 与计算机联网构成二级控制系统等 3 在家用电器中的应用 可以这样说 现在的家用电器基本上都采用了单片机控制 从电饭褒 洗衣机 电冰箱 空 调机 彩电 其他音响视频器材 再到电子秤量设备 五花八门 无所不在 4 在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口 可以很方便地与计算机进行数据通信 为在计算机网络和 通信设备间的应用提供了极好的物质条件 现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制 08 应物单片机课程设计说明书 5 从手机 电话机 小型程控交换机 楼宇自动通信呼叫系统 列车无线通信 再到日常工作 中随处可见的移动电话 集群移动通信 无线电对讲机等 5 单片机在医用设备领域中的应用 单片机在应用设备中的用途亦相当广泛 例如应用呼吸机 各种分析仪 监护仪 超声设 备及病床呼叫系统等 此外 单片机在工商 金融 科研 教育 国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途 1 3 单片机的发展历史 以 8 位单片机的出现为基准 单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段 1 第一阶段 1976 1978 单片机的控索阶段 以 intel 公司的 mcs 48 为代表 mcs 48 的推出是在工控领域的控索 参与这一控索的公司还有 motorola zilog 等 都取得了满意 的效果 这就是 scm 的诞生年代 单机片 一词即由此而来 2 第二阶段 1978 1982 单片机的完善阶段 intel 公司在 mcs 48 基础上推出了完善的 典型的单片机系列 mcs 51 它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构 完善的外部总线 mcs 51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构 包括 8 位数据总线 16 位地址总线 控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口 cpu 外围功能单元的集中管理模式 体现工控特性的位地址空间及位操作方式 指令系统趋于丰富和完善 并且增加了许多突出控制功能的指令 3 第三阶段 1982 1990 8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段 也是单片机向微 控制器发展的阶段 intel 公司推出的 mcs 96 系列单片机 将一些用于测控系统的模数转换 器 程序运行监视器 脉宽调制器等纳入片中 体现了单片机的微控制器特征 随着 mcs 51 系列的广应用 许多电气厂商竞相使用 80c51 为内核 将许多测控系统中使用的电路技术 接口技术 多通道 a d 转换部件 可靠性技术等应用到单片机中 增强了外围电路路功能 强化了智能控制的特征 4 第四阶段 1990 微控制器的全面发展阶段 随着单片机在各个领域全面深入地发展和 应用 出现了高速 大寻址范围 强运算能力的 8 位 16 位 32 位通用型单片机 以及小型廉 价的专用型单片机 1 4 单片机的基本工作原理 08 应物单片机课程设计说明书 6 a 取指令过程 1 cpu 把程序计数器 pc 中第 n 条指令所在存储单元通过地址总线 ab 送 到存储器中的地址译码器 选择第 n 个存储单元 2 cpu 通过控制总线向存储器发出读取 数据的控制信号 3 存储器中被选中的存储单元的内容送到数据总线上 cpu 通过数据总 线读入指令代码 b 执行指令过程 1 cpu 读取指令后 进行译码 判断该指令要进行哪一类操作 以及 参加这类操作的数据所在的单元地址 如果指令需要操作数 2 cpu 根据译码结果发出 为完成所需要的控制信号 如果还需要从存储器中取操作数 则 cpu 将通过地址总线发出存 放操作数的存储单元地址 并通过控制总线发出读取数据的控制信号 然后通过数据总线读取 操作数 3 执行指令所规定的操作 同时程序计数器 pc 的内容自动加一 计算机又进 入下一条 第 n 1 指令的取指令过程 计算机周而复始的取指令分析指令执行指令 直到程 序中所有指令操作完毕 1 5 单片机的常规用法 在最小系统的基础上 通过利用单片机内部资源 如中断 定时 指针 计数等 改变输入及 输出口线高低电平 来达到对外围电路的控制 从而执行相应的操作 以实现设计的各要求 1 6 组成最小系统的硬件设计方法 晶振是石英振荡器的简称 英文名为 crystal 晶振分为有源晶振和无源晶振两种 其作用是在 电路产生震荡电流 发出时钟信号 它是时钟电路中最重要的部件 它的作用是向 ic 等部件提 供基准频率 它就像个标尺 工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定 自然容易出现 问题 由于制造工艺不断提高 现在晶振的频率偏差 温度稳定性 老化率 密封性等重要技 术指标都很好 已不容易出现故障 但在选用时仍可留意一下晶振的质量 复位电路是为确保微机系统中电路稳定可靠工作必不可少的一部分 复位电路的第一功能是上 电复位 一般微机电路正常工作需要供电电源为 5v 5 即 4 75 5 25v 由于微机电路是时 序数字电路 它需要稳定的时钟信号 因此在电源上电时 只有当 vcc 超过 4 75v 低于 5 25v 以及晶体振荡器稳定工作时 复位信号才被撤除 微机电路开始正常工作 第二章第二章 接口电路的特点 分类及设计方法接口电路的特点 分类及设计方法 2 1 p0 口 p0 口是一组 8 位漏极开路型双向 1 o 口 也即地址 数据总线复用口 作为输出口用时 每位能 吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 逻辑门电路 对端口 p0 写 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访 08 应物单片机课程设计说明书 7 问期间激活内部 上拉电阻 在 flash 由编程时 p0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指 令字 节 校验时 要求外接上拉电阻 2 2 p1 口 pi 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i o 口 pl 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 ttl 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输 入口使用时 因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 iil 与 at89c51 不同之处是 pl 0 和 p1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外部计数输入 pl 0 t2 和 p1 1 t2ex 2 3 p2 口 p2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i o 口 p2 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 ttl 逻辑电路 对端口 p2 写 l 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 llt 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 movx dptr 指令 时 p2 送 出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执行 movx ri 指令 时 p2 口输出 p2 锁存器的内容 flash 编程或校验时 p2 亦接收高位地址和一些控制信号 2 4 p3 口 p3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 i o 口 p3 口输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 ttl 逻辑门电路 对 p3 口写入 1 时 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 被 外部拉低的 p3 口将用上拉电阻输出电流 iil p3 口除了作为一般的 i 0 口线外 更重要的用途是 它的第二功能 此外 p3 口还接收一些用于 flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 第三章第三章 城市道路交通灯控制的城市道路交通灯控制的设计思路和实现方法设计思路和实现方法 3 1 设计思路 本设计的主要任务为设计一个以 at89c51 单片机为核心的最小应用系统 实现有时间显示的 定时交通信号灯控制 要求 控制东西和南北方向直行的绿灯亮 15s 控制东西和南北方向左拐的绿灯亮 20s 黄灯时间统一为 5s 右拐的绿灯一直亮着 即每一方向通行时即可同时向右拐 十字路口的两组红绿交通灯受 mcs 51 单片机 i o 口的控制 皆由发光二极管替代 08 应物单片机课程设计说明书 8 正常模式 系统工作时 按照任务分析的状态循环进行 同时进行倒计时显示作为时间提示 使人们能够直观地把握时间 3 2 实现方法 系统方框图 电 源 at89c51 信号灯时间 显示部分 震 荡 部 分 复 位 电 路 信号灯 图 2 系统方框图 第四章第四章 硬件设计硬件设计 4 1 80c51 简介 80c51 单片机包含中央处理器 程序存储器 rom 数据存储器 ram 定时 计数器 并行接 口 串行接口和中断系统等几大单元及数据总线 地址总线和控制总线等三大总线 现在我们分别 加以说明 中央处理器 中央处理器 cpu 是整个单片机的核心部件 是 8 位数据宽度的处理器 能处理 8 位二进制数据或代码 cpu 负责控制 指挥和调度整个单元系统协调的工作 完成运算和控制输 入输出功能等操作 数据存储器 ram 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元 它们 是统一编址的 专用寄存器只能用于存放控制指令数据 用户只能访问 而不能用于存放用户数据 所以 用户能使用的 ram 只有 128 个 可存放读写的数据 运算的中间结果或用户定义的字型表 程序存储器 rom 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 rom 用于存放用户程序 原始数据或表格 定时 计数器 rom 8051 有两个 16 位的可编程定时 计数器 以实现定时或计数产生中断用于控制 程序转向 并行输入输出 i o 口 80c51 共有 4 组 8 位 i o 口 p0 p1 p2 或 p3 用于对外部数据的传输 控制部分 08 应物单片机课程设计说明书 9 mcs 51 的引脚说明 mcs 51 系列单片机中的 8031 8051 及 8751 均采用 40pin 封装的双列直接 dip 结构 右图是 它们的引脚配置 40 个引脚中 正电源和地线两根 外置石英振荡器的时钟线两根 4 组 8 位共 32 个 i o 口 中断口线与 p3 口线复用 现在我们对这些引脚的功能加以说明 mcs 51 系列单片机中的 8031 8051 及 8751 均采用 40pin 封装的双列直接 dip 结构 右图是 它们的引脚配置 40 个引脚中 正电源和地线两根 外置石英振荡器的时钟线两根 4 组 8 位共 32 个 i o 口 中断口线与 p3 口线复用 现在我们对这些引脚的功能加以说明 如下图所示 图 4 pin9 reset vpd复位信号复用脚 当 8051 通电 时钟电路开始工作 在 reset 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平 系统即初始复位 初始化后 程序计数器 pc 指向 0000h p0 p3 输 出口全部为高电平 堆栈指针写入 07h 其它专用寄存器被清 0 reset 由高电平下降为低电平 后 系统即从 0000h 地址开始执行程序 然而 初始复位不改变 ram 包括工作寄存器 r0 r7 的状态 8051 的初始态 8051 的复位方式可以是自动复位 也可以是手动复位 见下图 4 此外 reset vpd还是一复 用脚 vcc掉电其间 此脚可接上备用电源 以保证单片机内部 ram 的数据不丢失 图 5 pin30 ale 当访问外部程序器时 ale 地址锁存 的输出用于锁存地址的低位字节 而访 08 应物单片机课程设计说明书 10 问内部程序存储器时 ale 端将有一个 1 6 时钟频率的正脉冲信号 这个信号可以用于识别单片机 是否工作 也可以当作一个时钟向外输出 更有一个特点 当访问外部程序存储器 ale 会跳过一 个脉冲 如果单片机是 eprom 在编程其间 将用于输入编程脉冲 pin29 当访问外部程序存储器时 此脚输出负脉冲选通信号 pc 的 16 位地址数据将出现 在 p0 和 p2 口上 外部程序存储器则把指令数据放到 p0 口上 由 cpu 读入并执行 pin31 ea vpp程序存储器的内外部选通线 8051 和 8751 单片机 内置有 4kb 的程序存储器 当 ea 为高电平并且程序地址小于 4kb 时 读取内部程序存储器指令数据 而超过 4kb 地址则读取 外部指令数据 如 ea 为低电平 则不管地址大小 一律读取外部程序存储器指令 显然 对内部无 程序存储器的 8031 ea 端必须接地 4 2城市道路交通灯控制电路图 08 应物单片机课程设计说明书 11 第五章第五章 软件设计软件设计 5 1 流程图 5 2 程序 org 0000h ljmp main 08 应物单片机课程设计说明书 12 org001bh ljmptt1 跳转中断子程序 org0100h tt1 mov th1 0d8h 中断子程序 movtl1 0f0h 定时器 1 定时 10ms 重装初值 0d8f0 djnzr6 exit movr6 100 r6 赋值 100 判断是否到达 1s movr1 0ffh exit reti org1000h main mov r6 100 r6 赋初值 100 判断是否到达 1s movr1 00h mov tmod 10h movth1 0d8h movtl1 0f0h 定时器 1 方式 1 赋初值定时 10ms setb ea setb et1 开总中断 定时器 1 中断 mov20h 15 mov21h 5 mov22h 20 mov 23h 90 开缓存 20h 到 23h 标记时间特征值 setbtr1 开定时器 1 st1 movp0 0edh 11101101 mov p1 0b5h 1011 0101 执行状态 1 东西左拐绿灯亮 cjner1 0ffh tz1 判断是否经历了中断 mov r1 00h dec20h 08 应物单片机课程设计说明书 13 dec23h 中断后的处理 特征时间减 1 tz1 movr2 20h movr3 23h 将特征时间送显示 lcalldisp mova 20h 显示后读出状态特征时间 cjnea 00h st1 判断该状态是否执行完 没有执行 完就跳转到该状态开始处继续执行 mov20h 15 若执行完该状态 跳出该状态 并对改状态的特征时间重新赋初值 st2 mov p0 0edh 11101101 movp1 0b3h 10110011 执行状态 2 东 西左拐黄灯亮 cjner1 0ffh tz2 movr1 00h dec21h dec23h tz2 movr2 21h movr3 23h lcalldisp mova 21h cjnea 00h st2 mov21h 05 st3 mov p0 0edh 11101101 movp1 0aeh 10101110 执行状态 3 南北直行绿灯亮 cjner1 0ffh tz3 movr1 00h dec22h dec 23h 08 应物单片机课程设计说明书 14 tz3 movr2 22h movr3 23h lcalldisp mova 22h cjnea 00h st3 mov22h 20 st4 mov p0 0edh 11101101 movp1 9eh 10011110 执行状态 4 南北直行黄灯亮 cjner1 0ffh tz4 movr1 00h dec23h dec21h tz4 movr3 23h movr2 21h lcalldisp mova 21h cjnea 00h st4 mov21h 05 st5 mov p0 0edh 11101101 movp1 76h 01110110 执行状态 5 东西直行绿灯亮 cjner1 0ffh tz5 mov r1 00h dec20h dec23h tz5 movr2 20h movr3 23h lcalldisp 08 应物单片机课程设计说明书 15 mova 20h cjnea 00h st5 mov20h 15 st6 mov p0 0ech 111101100 movp1 0f6h 11110110 执行状态 6 东西直行黄灯亮 cjner1 0ffh tz6 movr1 00h dec23h dec21h tz6 movr2 21h movr3 23h lcalldisp mova 21h cjnea 00h st6 mov21h 05 st7 mov p0 0ebh 111110111 movp1 0b6h 10110110 执行状态 7 南北左拐绿灯 cjner1 0ffh tz7 movr1 00h dec22h dec 23h tz7 movr2 22h movr3 23h lcalldisp mova 22h 08 应物单片机课程设计说明书 16 cjnea 00h st7 mov22h 20 st8 mov p0 0e7h 11100111 movp1 0b6h 10110110 执行状态 8 南北左拐黄灯 cjner1 0ffh tz8 movr1 00h dec23h dec21h tz8 movr2 23h movr3 21h lcalldisp mova 21h cjne a 00h st8 mov 21h 05 mov 23h 90 ljmp st1 4 种状态执行完毕 跳回到第 1 种状态执行 disp mova r2 movb 10 divab mov 60h a mov 61h b 将 r2 的周期时间值进行分解 保存在显示缓冲区 60h 和 61h 中 mova r3 movb 10 divab mov62h a mov 63h b 将 r3 的状态时间值进行分解 保存在显示缓冲区 62h 和 63h 中 mov40h 04h 判断 4 位显示数的缓存是否读取完 08 应物单片机课程设计说明书 17 movr5 0feh 位选缓存 mov r0 60h r0 作间接寻址寻址 读取 4 位显示缓存的数据 llp mova r0 movdptr table movca a dptr movp3 a mova r5 movp2 a lcalldelay1 mov p2 0ffh p2 口全为高电平 令数码管全都熄灭 以免产生残影 rla movr5 a inc r0 将显示缓冲区的数的显示代码读取出来并进行显示 djnz40h ll