毕业设计（论文）-基于单片机的交通控制系统.doc

南 京 工 程 学 院 毕业设计说明书 论文 作 者 学 号 系 部 康尼学院 专 业 通信工程 题 目 基于单片机的交通灯控制系统 指导者 讲师 评阅者 2011 年 6 月 南 京 A Dissertation Submitted to Nanjing Institute of Technology For the Academic Degree of Bachelor of Science By S upervised by College of Communication Engineering Nanjing Institute of Technology June 2011 The traffic light control system based on single chip Wu Qianqian Professor Song Hongmei 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 1 页 摘要 交通灯控制系统是城市车辆的交通运行 避免交通拥塞和交通事故的重要组 成部分 随着私家车的增加 城市道路变得越来越拥挤 交通灯的作用显得更 为重要 所以设计一个合理控制的交通灯系统具有重要意义 本文介绍了一种基于单片机控制的交通灯控制系统 该系统采用8051 单 片机为控制核心 以七段 LED 数码管作为等待或通行时间显示 LED 作为交 通灯红 黄 绿显示 系统采用上电自动复位 时间显示采用倒计时方式 四 组红 黄 绿三色灯用发光二极管作为模拟交通信号灯 可以模拟各种道路交 通灯控制情况 关键词 LED 数码显示 单片机 交通灯 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 2 页 Abstract Traffic light control system is to run the city of vehicles to avoid traffic congestion and an important part of traffic accidents With the increase of private cars urban roads become more and more crowded the role of traffic lights is more important So the reasonable control of the design of a traffic light system is of great significance This paper describes a SCM based traffic light control system The system uses 8051 as the control center seven segment LED digital display as a waiting or travel time and LED traffic light as red yellow green display System is automatically reset on power using the countdown time method to display and four groups of red yellow and green light emitting diodes used as a simulation of traffic lights It can simulate all kinds of road traffic lights control the situation Key words LED digital display SCM Traffic 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 3 页 目录 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 选题背景与意义 2 1 3 研究现状 3 1 4 论文主要研究内容 5 1 5 主要章节安排 5 第二章 单片机概述 6 2 1 前言 6 2 2 STC89C52RC 单片机简介 8 第三章 系统硬件设计 16 3 1 交通灯的方案论证 16 3 2 系统方案选择与比较 16 3 3 交通灯原理图设计与分析 19 3 4 元器件清单 21 第四章 系统软件的设计 23 4 1 信号灯燃亮时间原理 23 4 2 系统流程图 27 4 3 程序源代码 28 第五章 系统的制作与调试 40 5 1 系统硬件部分的制作与调试 40 5 1 1 系统硬件制作 40 5 1 2 硬件电路的制作与调试 41 5 2 软件的实现与调试 44 5 2 1 软件的实现 44 5 2 2 软件调试 45 第六章 总结与展望 47 致谢 48 参考文献 49 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 1 页 第一章 绪论 1 1 引言 在今天 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 但这一技术在 19 世纪就已出现了 1858 年 在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红 蓝两色的机械 扳手式信号灯 用以指挥马车通行 这是世界上最早的交通信号灯 1868 年 英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上 安装了世 界上最早的煤气红绿灯 它由红绿两种 旋转式方形玻璃提灯组成 红色表示 停止 绿色表示 注意 1869 年 1 月 2 日 煤气灯爆炸 使警察受伤 遂被取消 1914 年 电气启动的红绿灯出现在美国 这种红绿灯由红绿黄三色圆形的 投光器组成 安装在纽约市5 号大街的一座高塔上 红灯亮表示 停止 绿 灯亮表示 通行 1918 年 又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯 带控制的红绿灯 一 种是把压力探测器安在地下 车辆一接近红灯便变为绿灯 另一种是用扩音器 来启动红绿灯 司机遇红灯时按一下嗽叭 就使红灯变为绿灯 红外线红绿灯 当行人踏上对压力敏感的路面时 它就能察觉到有人要过马路 红外光束能把 信号灯的红灯延长一段时间 推迟汽车放行 以免发生交通事故 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 1968 年 联合国 道路交通和道路标志信号 协定 对各种信号灯的含义作了规定 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 4 智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行 实现红 黄 绿灯的 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 2 页 自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题 在城乡街道的十字交叉路口 为了 保证交通秩序和行人安全 一般在每条道路上各有一组红 黄 绿交通信号灯 其中红灯亮 表示该条道路禁止通行 黄灯亮 表示该条道路上未过停车线的车 辆停止通行 已过停车线的车辆继续通行 绿灯亮 表示该条道路允许通行 交通 灯控制电路自动控制十字路口两组红 黄 绿交通灯的状态转换 指挥各种车 辆和行人安全通行 实现十字路口城乡交通管理自动化 1 本文为了实现交通道路的管理 力求交通管理先进性 科学化 分析应用 了单片机实现交通灯管制的控制系统 以及该系统软 硬件设计方法 实验证明 该系统实现简单 经济 能够有效地疏导交通 提高交通路口的通行能力 1 2 选题背景与意义 随着我国经济的高速发展 人们生活水平的提高 人们对各种交通车辆的需 求越来越大 城市的交通拥挤问题日趋严重 因此提高城市路网的通行能力 实现道路交通的科学化管理迫在眉睫 目前 大部分城市的十字路口交通控制 灯 通常的做法是 事先经过车辆流量的调查 运用统计的方法将两个方向红 绿灯的延时预先设置好 然而 实际上车辆流量的变化往往是不确定的 有的 路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异 即使是经过长期运行 较适用的 方案 仍然会发生这样的现象 绿灯方向几乎没有什么车辆 而红灯方向却排 着长队等候通过 这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的 统计的方法 已不能适应迅猛发展的交通现状 更为现实的需要是能有一种能够根据流量变 化情况自适应控制的交通灯 6 交通运输对经济发展的制约作用不同程度地普遍存在每个国家 如何解决大 城市周围地区交通拥挤和堵塞现象几乎成了最为棘手的难题 交通信号灯的出 现 使交通得以有效管制 近年来单片机技术发展的非常迅速 有单片机做成 的产品外围元件很少 能实现的功能却很广 广泛应用于工业 交通等 兼于 此 特用单片机设计此电路 交通灯在这个交通环境中起着一个重要的角色 是交通管理部门管理交通的 重要工具 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 加上一个倒计时的显示计时器来控制行车 7 交通信号灯是城 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 3 页 市交通有序 安全 快速运行的重要保障 而保障交通信号灯正常工作就成了 保障交通有序 安全 快速运行的关键 为此 采用MCS 51 系列单片机 STC89C52RC 为中心器件来设计交通灯控制电路 实现了能根据实际车流量通 过 8051 芯片的 I O 口设置红绿灯燃亮的时间的功能 红绿灯循环点亮 倒计时 剩 5 秒时黄灯闪烁警示 三种颜色灯交替点亮以及紧急情况下的中断处理功能 2 事实证明 智能的交通灯能有效地缓解城市的交通压力 减少交通事故 为 人民节省大量出行时间 创造出更多的社会价值 1 3 研究现状 随着我国经济的高速发展 人们对私家车 公交车的需求越来越大 相应地 我国进入 WTO 以后 我国经济贸易与世界接轨 汽车业关税大大降低 使很 多人都能负担得起 买私家车不再是梦想 但是 私家车 公交车的大增无疑 会对我国交通系统带来沉重的压力 放眼现在的中国 如广州 香港 上海等 大都市 无不受到交通堵塞的困扰 中国要发展 交通事业决不能停步不前 有及于此 我国交通管制系统应当以人性化 智能化为目的 作出相应的改善 本论文正是以此为出发点 对单片机控制的交通信号灯模型作了较详尽的介绍 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 10 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 目前设计交通灯的方案有很多 有应用CPLD 设计实现交通信号灯控制器 方法 有应用 PLC 实现对交通灯控制系统的设计 有应用单片机实现对交通信号 灯设计的方法 基于 CPLD 可编程逻辑器件的交通灯控制能够自动控制十字路 口交通灯状态的改变和同一状态保持的时间 从而保证车辆及行人的安全通过 控制器主要采用了 EDA 技术 通过 VHDL 硬件电路描述语言实现设计功能 基于 CPLD 设计实现交通信号灯控制器方法 电路结构简单 成本低 CPLD 器 件作为控制部分 定时器 状态机等 与 TTL 电路兼容 可直接使用 不需要外围 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 4 页 转换电路 对于控制要求不高的场合 完全可以胜任 此控制系统突破了传统固 定模式 可根据实时交通流量灵活运行 而且全面考虑了各种紧急车辆优先通行 情况 大大提高了车辆通行效率 具有实际应用前景 但是目前 CPLD 芯片价格 比单片机价格要高 一般情况下 CPLD 功耗大 且集成度越高越明显 应 用 PLC 实现对交通灯控制系统的设计 能根据车辆检测器输入至 PLC 的信息 自 动调整十字路口红绿灯的时长 有利于疏导交通流量 提高道路通行能力 8 与其他交通灯智能控制系统相比 本系统的智能控制方案更简单 易于编程 具 有交通信号倒计时功能 硬件电路设计更合理 有利于降低系统成本 我所采用的是 应用单片机实现对交通信号灯设计的方法 即采用 MSC 51 系列单片机来设计交通灯控制系统 本系统采用单片机 STC89C52RC 为中心 器件来设计交通灯控制器 系统实用性强 操作简单 扩展性强 单片机的特点有 a 高集成度 体积小 高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上 集成度很高 体积最小 芯片 本身是按工业测控环境要求设计的 内部布线很短 其抗工业噪音性能优于一 般通用的 CPU 单片机程序指令 常熟及表格等固化在ROM 中不易破坏 许多信号通道均在一个芯片内 故可靠性高 b 控制功能强 为了满足对对象的控制要求 单片机的指令系统均有丰富的条件 分支转移 能力 I O 口的逻辑操作及位处理能力 非常适用于专门的控制功能 c 低电压 低功耗 便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统 许多单片机内的工作电压仅为 1 8V 3 6V 而工作电流仅为数百微安 d 易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件 芯片外部有许多供扩展用的三总线 及并行 串行输入 输出管脚 很容易构成各种规模的计算机应用系统 e 优异的性能价格比 单片机的性能极高 为了提高速度和运行效率 单片机已开始使用RISC 流水线和 DSP 等技术 单片机的寻址能力也已突破64KB 的限制 有的已可 达到 1MB 和 16MB 片内的 ROM 容量可达到 62MB RAM 容量则可达到 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 5 页 2MB 由于单片机的广泛使用 因而销量极大 各大公司的商业竞 争更使其 价格十分低廉 其性能 价格比极 高 1 4 论文主要研究内容 这次毕业设计论文的内容是如何利用单片机系统来实现交通灯的控制 应用 单片机技术来模拟实现十字路口红 绿灯燃亮时间的功能 红绿灯循环点亮 倒计时黄灯闪烁警示 涉及了系统设计要求与整体规划 单片机简介和 STC89C52RC 单片机的主要性能参数和主要引脚介绍 STC89C52RC 芯片内 部结构简介 交通灯方案的实现 交通灯系统的工作原理等 最后 就全文的成果加以总结 提出对未来交通灯的特色与创新对进一步研 究的展望 1 5 主要章节安排 首先就课题研究的背景和意义做出说明 第一章总体的介绍了下设计的内容 第二章主要介绍单片机的知识 第三章主要介绍了系统硬件设计 第四章主要 介绍系统软件设计 第五章总结与展望 最后给出结论并对课题未来的发展做 出了展望 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 6 页 第二章 单片机概述 2 1 前言 1 所谓单片机 即把组成微型计算机的各个功能部件 如中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 输入 输出接口电路 定时器 计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中 构成一个完整的微型计算机 3 因此单片机早期的含义为单片微型计算机 single chip microcomputer 直接译为单片机 并一直沿用至今 由于单片机面对的是测控对象 突出的是控制功能 所以它从功能和形态上 来说都是应控制领域应用的要求而诞生的 随着单片机技术的发展 它在芯片 内集成了许多面对测控对象的接口电路 如 ADC DAC 高速 I O 口 PWM WDT 等 这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机 microcomputer 传统的体系结构 所以更为确切反映单片机本质的名称应是 微控制器 单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机 它有惟一的 专门为嵌入式 应用而设计的体系结构和指令系统 加上它的芯片级体积的优点和在现场环境 下可高速可靠地运行的特点 因此单片机又称之为嵌入式微控制器 embedded micro controller 但是 在国内单片机的叫法仍然有着普遍的意 义 我们已经把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器 它是一个典型的嵌 入式应用计算机系统 目前按单片机内部数据通道的宽度 把它们分为 4 位 8 位 16 位及 32 位单片机 2 单片机和微处理器的简介 随着大规模与超大规模集成电路技术的快速发展 微计算机技术形成了两大 分支 微处理器 micro processor unit MPU 和单片机 micro controller unit MCU 9 微处理器 MPU 是微型计算机的核心部件 它的性能决定了 微型计算机的性能 通用型的计算机已从早期的数值计算 数据处理发展到当 今的人工智能阶段 它不仅可以处理文字 字符 图形 图像等信息 而且还 可以处理音频 视频等信息 并正向多媒体 人工智能 数字模拟和仿真 网 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 7 页 络通信等方向发展 它的存储容量和运算速度正在以惊人的速度发展 高性能 的 32 位 64 位微型计算机系统正向中 大型计算机挑战 单片机 MCU 主要用于控制领域 它构成的检测控制系统应该有实时的 快速的外部响应 应该能迅速采集到大量数据 能在做出正确的逻辑推理和判 断后实现对被控制对象参数的调整与控制 单片机的发展直接利用了 MPU 的成果 也发展了 16 位 32 位的机型 但它的发展方向是高性能 高可靠 性 低功耗 低电压 低噪音和低成本 目前 单片机的主流仍然是以 8 位 机为主 16 位 32 位机为辅 单片机的发展主要还是表现在其接口和性能不 断满足多种多样检测控制对象的要求上 尤其突出表现在它的控制功能上 构 成各种专用的控制器和多机控制系统 3 单片机和嵌入式系统 面向检测控制对象 嵌入到应用系统中去的计算机系统称之为嵌入式系统 实时性是它的主要特征 对系统的物理尺寸 可靠性 重启动和故障恢复方面 也有特殊的要求 由于被嵌入对象的体系结构 应用环境等的要求 嵌入式计 算机系统比通用的计算机系统 应用设计更为复杂 涉及面也更为广泛 从 形式上可将嵌入式系统分为系统级 板级和芯片级 系统级嵌入式系统为各 种类型的工控机 包括进行机械加固和电气加固的通用计算机系统 各种总线 方式工作的工控机和模块组成的工控机 它们大都有丰富的通用计算机软件及 周边外设的支持 有很强的数据处理能力 应用软件的开发也很方便 但由于 体积庞大 适用于具有大空间的嵌入式应用环境 如大型实验装置 船舶 分 布式测控系统等 板级嵌入式系统则有各种类型的带CPU 的主板及 OEM 产品 与系统级 相比 板级嵌入式系统体积较小 可以满足较小空间的嵌入式应用环境 芯片级嵌入式系统则以单片机最为经典 单片机嵌入到对象的环境 结构体 系中去作为其中一个智能化的控制单元 是最典型的嵌入式计算机系统 它有 惟一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统 加上它的芯片级的体 积和在现场运行环境下的高可靠性 它最能满足各种中 小型对象的嵌入式应 用要求 因此 单片机是目前发展最快 品种最多 数量最大的嵌入式计算机 系统 但是 一般的单片机目前还没有通用的系统管理软件或监控程序 而只 是放置由用户调试好的应用程序 它本身不具备开发能力 常常需要专门的开 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 8 页 发工具 2 2 STC89C52RC 单片机简介 STC89C52RC 是 STC 公司生产的低电压 高性能CMOS8 位单片机 片 内含 8Kb 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 512b 的随机存取数据存储 器 RAM 器件采用高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准MCS 51 指令系统 片内置通用中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 STC89C52RC 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合 可灵活应用于各种 控制领域 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100000 次 将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 是一种高效微控制器 STC89C52RC 单片机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 该器件采用 ATMEL 搞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 1 时钟电路 STC89C52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 引脚RXD 和 TXD 分别是此放大器的输入端和输出端 时钟可以由内部方式产生或外部方 式产生 内部方式的时钟电路如图2 2 a 所示 在 RXD 和 TXD 引脚上外 接定时元件 内部振荡器就产生自激振荡 定时元件通常采用石英晶体和电容 组成的并联谐振回路 晶体振荡频率可以在1 2 12MHz 之间选择 电容值在 5 30pF 之间选择 电容值的大小可对频率起微调的作用 外部方式的时钟电路如图 2 2 b 所示 RXD 接地 TXD 接外部振荡 器 对外部振荡信号无特殊要求 只要求保证脉冲宽度 一般采用频率低于 12MHz 的方波信号 片内时钟发生器把振荡频率两分频 产生一个两相时钟 P1 和 P2 供单片机使用 a 内部方式时钟电路 b 外部方式时钟电路 图图 2 2 2 2 时时钟钟电电路路 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 9 页 2 复位及复位电路 1 复位操作 复位是单片机的初始化操作 其主要功能是把PC 初始化为 0000H 使单 片机从 0000H 单元开始执行程序 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 也需按复位键重 新启动 除 PC 之外 复位操作还对其他一些寄存器有影响 它们的复位状态如表一 所示 表表一一 一一些些寄寄存存器器的的复复位位状状态态 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC0000HTCON00H ACC00HTL000H PSW00HTH000H SP07HTL100H DPTR0000HTH100H P0 P3FFHSCON00H IPXX000000BSBUF不定 IE0X000000BPCON0XXX0000B TMOD00H 2 复位信号及其产生 RST 引脚是复位信号的输入端 复位信号是高电平有效 其有效时间应持 续 24 个振荡周期 即二个机器周期 以上 若使用颇率为 6MHz 的晶振 则复 位信号持续时间应超过 4us 才能完成复位操作 产生复位信号的电路逻辑如图 2 3 所示 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 10 页 图图 2 2 3 3 复复位位信信号号的的电电路路逻逻辑辑图图 整个复位电路包括芯片内 外两部分 外部电路产生的复位信号 RST 送 至施密特触发器 再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2 时刻对施密特触 发器的输出进行采样 然后才得到内部复位操作所需要的信号 复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的 其电路如图2 4 a 所示 这佯 只要电源 Vcc 的上升时间不超过 1ms 就可以实现自动 上电复位 即接通电源就成了系统的复位初始化 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种 其中 按键电平复位是通过使复 位端经电阻与 Vcc 电源接通而实现的 其电路如图2 4 b 所示 而按键脉 冲复位则是利用 RC 微分电路产生的正脉冲来实现的 其电路如图 2 4 c 所示 a a 上上电电复复位位 b b 按按键键电电平平复复位位 c c 按按键键脉脉 冲冲复复位位 图图 2 2 4 4 复复位位电电路路 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 11 页 上述电路图中的电阻 电容参数适用于6MHz 晶振 能保证复位信号高电 平持续时间大于 2 个机器周期 本系统的复位电路采用图 2 4 b 上电复位方式 3 STC89C52RC 引脚说明 图 2 5 51 系列单片机的引脚图 图 2 5 是 AT89C51 的引脚图 引脚说明如下 VCC AT89C51 电源正极输入 接 5V 电压 GND 电源接地端 XTAL1 接外部晶振的一个引脚 在单片机内部 它是一反相放大器输入端 这个放 大器构成了片内振荡器 它采用外部振荡器时 些引脚应接地 XTAL2 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 12 页 接外部晶振的一个引脚 在片内接至振荡器的反相放大器输出 端和内部 时钟发生器输入端 当 采用外部 振荡器时 则此引脚接外部振荡信号 的输入 RST AT89C51 的复位信号输入引脚 高电位工作 当要对芯片又时 只要将此 引脚电位提升到高电位 并持续两个机器周期以上的时间 5 AT89C51 便 能完成系统复位的各项工作 使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状 态 ALE PROG ALE 是英文 ADDRESS LATCH ENABLE 的缩写 表示允许地址锁存 允许信号 当访问外部存储器时 ALE 信号负跳变来触发外部的 8 位锁存 器 如 74LS373 将端口 P0 的地址总线 A0 A7 锁存进入锁存器中 在非访 问外部存储器期间 ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的 1 16 因此可 以用来驱动其他外围芯片的时钟输入 当问外部存储器期间 将以 1 12 振荡 频率输出 EA VPP 该引脚为低电平时 则读取外部的程序代码 存于外部 EPROM 中 来执 行程序 因此在 8031 中 EA 引脚必须接低电位 因为其内部无程序存储器 空间 如果是使用 AT89C51 或其它内部有程序空间的单片机时 此引脚接成 高电平使程序运行时访问内部程序存储器 当程序指针PC 值超过片内程序 存储器地址 如 8051 8751 89C51 的 PC 超过 0FFFH 时 将自动转向外部程 序存储器继续运行 此外 在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM 89C51 内部 FALSH 时 可以利用此引脚来输入提供编程电压 8751 为 2lV AT89C51 为 12V 8051 是由生产厂方一次性加工好 PSEN 此为 Program Store Enable 的缩写 访问外部程序存储器选通信号 低电 平有效 在访问外部程序存储器读取指令码时 每个机器周期产生二次 PSEN 信号 在执行片内程序存储器指令时 不产生PSEN 信号 在访问外部 数据时 亦不产生 PSEN 信号 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 13 页 P0 P0 口 P0 0 P0 7 是一个 8 位漏极开路双向输入输出端口 当访问外部数 据时 它是地址总线 低 8 位 和数据总线复用 外部不扩展而单片应用时 则作一般双向 I O 口用 P0 口每一个引脚可以推动 8 个 LSTTL 负载 P2 P2 口 P2 0 P2 7 口是具有内部提升电路的双向 I 0 端口 准双向并行 I O 口 当访问外部程序存储器时 它是高8 位地址 外部不扩展而单片应 用时 则作一般双向 I O 口用 每一个引脚可以推动 4 个 LSTL 负载 P1 P1 口 P1 0 P1 7 口是具有内部提升电路的双向 I 0 端口 准双向并行 I O 口 其输出可以推动 4 个 LSTTL 负载 仅供用户作为输入输出用的端 口 P3 P3 口 P3 0 P3 7 口是具有内部提升电路的双向 I 0 端口 准双向并行 I O 口 它还提供特殊功能 包括串行通信 外部中断控制 计时计数控制及 外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能 其特殊功能引脚分配如下 P3 0 RXD 串行通信输入 P3 1 TXD 串行通信输出 P3 2 INT0 外部中断 0 输入 低电平有效 P3 3 INT1 外部中断 1 输入 低电平有效 P3 4 T0 计数器 0 外部事件计数输入端 P3 5 T1 计数器 1 外部事件计数输入端 P3 6 WR 外部随机存储器的写选通 低电平有效 P3 7 RD 外部随机存储器的读选通 低电平有效 AT89C51 各中断源向量地址如图 2 6 所示 中断源 向量地址 外部中断 0 INT0 IE0 0003H 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 14 页 定时 计数器 0 TF0 000BH 外部中断 1 INT1 IE1 0013H 定时 计数器 1 TF1 001BH 串行通讯 RI TI 0023H 图 2 6 各中断源向量地址 4 STC89C52RC 主要特性和功能 1 特性 8031 CPU 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程 FLASH 存储器 寿命 1000 写 擦循环 全静态工作 0Hz 24KHz 数据保留时间 10 年 三级程序存储器保密锁定 128 8 位内部 RAM 32 条可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 主要功能如表二所示 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 15 页 表二 STC89C52 主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统8K 可反复擦写Flash ROM 32 个双向 I O 口256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数 器中断 时钟频率0 24MHz 2 个串行中断可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源共 6 个中断源 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 16 页 第三章 系统硬件设计 硬件设计是整个系统的基础 要考虑的方方面面很多 除了实现交通灯基本 功能以外 主要还要考虑如下几个因素 系统稳定度 器件的通用性 或易选购性 软件编程的易实现性 系统其它功能及性能指标 因此硬 件设计至关重要 现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨 3 1 交通灯的方案论证 交通灯通过有规律的变换红灯和绿灯的亮与灭控制车辆的通行 实现交 通灯的基本功能 整个系统主要有 南北红灯 南北黄灯 南北绿灯 东西红 灯 东西黄灯 东西绿灯 南北紧急按钮和东西紧急按钮 东西 南北两干道交于一个十字路口 各干道有一组红 黄 绿三色的指示 灯 指挥车辆和行人安全通行 红灯亮禁止通行 绿灯亮允许通行 黄灯亮提 示人们注意红 绿灯的状态即将切换 且黄灯燃亮时间为东西 南北两干道的 公共停车时间 根据传统十字路口交通灯的设计 可将本系统分为四个模块 第一个模块是 控制模块 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 第 二个模块为显示模块 主要是对车辆和行人应该遵守交通规则的指导性的直观 显示 它主要包括倒计时显示和红 绿 黄灯两大部分 第三个模块是输入模 块 它的主要作用是辅助控制模块 相当于输入装置 利用它可以对交通灯各 路口通行时间的设置以及出现紧急情况时 进行不同工作方式的切换设置 第 四个模块是电源模块 它是整个系统的 心脏 负责给各模块提供合适的电 压 让各模块能稳定工作 3 2 系统方案选择与比较 1 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 STC 公司的单片机 STC89C52RC 作为控制器 单片机运算 能力强 软件编程灵活 自由度大 它是MCS 51 系列单片机的派生产品 在 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 17 页 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 STC89C52RC 单片机稳定可靠 应用广泛 通用性强 系统简单 容易编程 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 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 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 3 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2 个按键 分别是 K1 K2 方案比较 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 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 18 页 4 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 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 STC89C52RC 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 5V 5V 电压输出 可方便对各个模块供电 具体要求如下 1 设计一个十字路口的交通灯控制电路 要求主车道和干道两条交叉路上的 车辆交替运行 每次通行时间都设为主道通行25S 次道通行 20S 2 要求黄灯先亮 5S 才能变换运行车道 3 黄灯亮时 要求每秒钟闪亮一次 4 倒数秒数显示 5 声音提示 6 当有特殊情况需要通行时 可对红绿灯进行人为控制 以上是目前常用路口交通信号灯的控制功能 为了演示效果 这里采用三种 颜色的发光二级管来模拟交通信号灯 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 19 页 图3 1 为交通灯的示意图 图 3 1 十字路口交通灯示意图 由图 3 1 知 交通灯经四步动作完成一个周期 即交通灯东西绿灯亮 东西黄灯闪 东西红灯亮 南北 红灯亮 南北 黄灯闪 南北 绿 灯亮 3 3 交通灯原理图设计与分析 从设计完成的任务与要求来看 显示通行时间必须用二位数码管 从节省硬 件资源的角度考虑 可采用扫描的方式来处理 对于7 段数码管 占用 7 个 单片机的 I O 口 另外设置 2 个电子开关对 2 位显示进行配合 占用 2 个 I O 端口 十字路口共需 4 组红绿灯 加上转换黄灯 一共是12 只灯 须用 12 个端口进行控制 加上两个方向的紧急通行按钮 占2 个 I O 端口和一个蜂鸣 器端口 因此实际占用的单片机I O 口为 24 个 为此 我们可以选用 51 系 列单片机中的 STC89C52RC 来作为中央处理器 这款单片机的I O 口作为输 出时 具有较大的吸收电流能力 因此我们可以选用共阳型数码管 这样由单 片机的 I O 口就可以直接驱动 能简化硬件电路的设计 电路原理图如下所示 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 21 页 123456 A B C D 654321 D C B A Title N umberRevisionSize B D ate 16 May 2010Sheet of File D 业业业业 业业业 MyD esign1 ddbD raw n By R2 560R R4 560R R5 560R R6 560R R7 560R R16 560R R17 560R R11 560R R10 560R R9 560R R23 560R R22 560R R21 560R R20 560R R19 560R R18 560R R3 560R R8 560R R15 2K R14 2K R13 560R R12 560R R1 10K T1 12M D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 12 D 8 D 9 D 11 D 10 C1 10uF C4 104 C2 30P C3 30P LS SPEA KER K 1 K 2 V CC a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp U 2 D PY 7 SEG D P a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp U 3 D PY 7 SEG D P V 1 9012 V 2 9012 V CC V CC V CC 1 2 J1 CON 2 P1 1 2 P1 0 1 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 MO SI 6 P1 6 MISO 7 P1 7 MSCK 8 RST 9 P3 0 RX 10 P3 1 TX 11 P3 2 I0 12 P3 3 I1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 X T2 18 X T1 19 G ND 20 V CC 40 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 V P EA 31 A L PR 30 PSEN 29 P2 7 28 P2 6 27 P2 5 26 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 U 1 A T89C51 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 22 页 3 4 元器件清单 C1 10UF C2 30P C3 30P D1 LED D2 LED D3 LED D4 LED D5LED D6LED D7LED D8LED D9LED D10LED D11LED D12LED K16 6 K26 6 LS1蜂鸣器 R110k R2560R R3560R R4560R R5560R R6560R R7560R R8560R R9560R R10560R 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 23 页 R11 560R R12 560R R13 560R R14 560R R15 560R R16 560R R17 560R R18 560R R19 560R R20 560R R21 560R R22 560R R23 560R T112M U1 STC89C52RC U2数码管 U3数码管 V1 9012 V2 9012 C4 104 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 24 页 第四章 系统软件的设计 硬件平台结构一旦确定 大的功能框架即形成 软件在硬件平台上构筑 完 成各部分硬件的控制和协调 系统功能是由软硬件共同实现的 由于软件的可 伸缩性 最终实现的系统功能可强可弱 差别可能很大 因此 软件是本系统 的灵魂 软件采用模块化设计方法 不仅易于编程和调试 也可减小软件故障 率和提高软件的可靠性 同时 对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的 重要手段 4 1 信号灯燃亮时间原理 本系统使用数码管完成倒计时显示功能 以南北方向为例 数码管显示的数 值从绿灯的设置时间最大值往下减 每秒钟减1 一直减到 0 然后又从红灯 的设置时间最大值往下减 一直减到0 接下来又显示绿灯时间 如此循环 由软件设置交通灯的初始时间 南北方向25 秒 东西方向 15 秒 数码管的 段码用不同的口线 西和南方向的是用的P1 口 东和北方向的使用 P2 口 用单片机来控制各种信号灯的燃亮时间 通过单片机的P0 口控制 1 信号灯显示原理 显示分为静态示和动态显示静态显示由于占用较多的接口 在单片机设计中 常采用串行扩展来完成 该方案占用接口资源多 显示亮度由保证 但硬件开 销 大 电路复杂 信息刷新速度慢 实用于并行接口资源较少以及对显示没有 要求 的场合 LED 动态显示硬件连接简单 但动态扫描的显示方式需占用 CPU 较多的时 间 在该系统中由于单片机除了扫描 89S51 芯片外没有太多 的实时测控任务 故选用动态扫描方式 2 LED 显示器件工作原理 LED 数码管 LED Segment Displays 是由多个发光二极管封装在一起组 成 8 字型的器件 引线已在内部连接完成 只需引出它们的各个笔划 公共 电极 LED 数码管常用段数一般为 7 段有的另加一个小数点 还有一种是类似 于 3 位 1 型 位数有半位 1 2 3 4 5 6 8 10 位等等 LED 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类 了解LED 的这些特性 对 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 25 页 编程是很重要的 因为不同类型的 数码管 除了它们的硬件电路有差 异外 编程方法也是不同的 图 2 是共阴和共阳极数码管的内部电 路 它们 的发光 原理是一样的 只是它们的电源极性不同而已 颜色有红 绿 蓝 黄等几 种 LED 数码管广泛用于仪表 时钟 车站 家电等场合 选用时要注意产品 尺寸颜色 功耗 亮度 波长等 下面将介绍常用LED 数码管内部引脚图 图 1 这是一个 7 段两位带小数点 10 引脚的 LED 数码管 图 2 引脚定义 每一笔划都是对应一个字母表示 DP 是小数点 数码管分为 共阳极的 LED 数码管 共阴极的 LED 数码管两种 下图列举 的是共阳极的 LED 数码管 共阳就是 7 段的显示字码共用一个电源的正 极 LED 数码管原理图示意 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 26 页 图 3 引脚示意图 从上图可以看出 要是数码 管显示数字 有两个条件 1 是要在 VT 端 3 8 脚 加正电源 2 要使 a b c d e f g dp 端接低电平或 0 电平 这样 才能显示的 共阳极 LED 数码管的内部结构原理图 图 4 共阳极 LED 数码管的内部结构原理图 共阴极 LED 数码管的内部结构原理图 图 5 共阴极 LED 数码管的内部结构原理图 表 4 1 显示数字对应的二进制电平信号 显 示 数 字abcdefg 01111110 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 27 页 10110000 21101101 31111001 40110011 51011011 60011111 71110000 81111111 90001101 LED 数