单片机控制的交通灯毕业论文.docx

兰 州 交 通 大 学 继 续 教 育 学 院毕 业 设 计（论文）专业（班级）： 13机电一体化 题 目 ：单片机控制的交通灯 指 导 教 师： 学 生 姓 名： 高鹏丽 学 号： 指导老师： 二O 一 五 年 三 月 七 日第1页 共24页目录1. 引言1.1选题目的及意义 21.2交通灯发展概况 22.系统总体方案 3 2.1 系统框图 4 2.2计时控制方案 4 2.3 显示控制方案 43.硬件部分 4 3.1硬件组成 4 3.2单片机简介 5 3.3 8051单片机引脚 7 3.4 8051单片机复位方式 8 3.5 LED显示工作原理 8 3.6 硬件电路设计 10 3.7 系统硬件电路设计应用环境 114.软件设计 12 4.1 定时器的初值计算 12 4.2 相应程序代码 135.系统调试 22结束语 23致谢 24参考文献 24第2页 共24页1. 引言1.1 选题目的及意义随着全球城市化进程的加快，机动车的使用数量也越来越多，造成了城市交通上的各种问题，如何控制好城市的交通已经成为一个全球化的问题。简单的十字路口交通灯已经不能适应车流量日益增大的城市交通。交通控制系统使近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则之外，还必须通过一定的技术手段加以实现。交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。现在各大中城市交通建设已经初具规模，而部分小城市建设日益加快，交通控制的提高势在必行，开发更高级的交通控制系统时分有必要。交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多余线路的分流也十分必要。单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CUP、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。利用单片机作为中心控制器，不但能使设计简化，还可以直接与PC机连接通信，实现产品的智能化。在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面。单片机的应用具有范围广的特点，对各个行业的技术改造和产品智能化的更新换代起着重要的推动作用。采用单片机来对他们控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等特点，而且还可以大幅度提高被控对象的技术指标，从而大大提高控制器的质量。1.2 交通灯发展概况交通灯早在19世纪就开始应用了。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12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。 从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新第3页 共24页出现了交通信号灯。随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。 从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。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。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*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。2. 系统总体方案2.1系统框图本设计采用单片机8051作为控制器，通行时间或者等待时间通过数码管以倒计时方式显示，同时单片机控制交通信号灯（红灯、黄灯、绿灯）的正常替换工作。系统设计框图如图2.1所示。系统总框图如下： 图2.1 系统设计框图第4页 共24页2.2 计时控制方案利用MCS-51内部的定时器/计数器进行定时，配合软件延时实现到计时。该方案节省硬件成本，切能够使读者在定时器/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高。2.3 显示控制方案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8051芯片外没有太多的实时测控任务，故选用动态扫描方式。3. 硬件部分3.1硬件组成硬件有单片机、存储器、若干I/O接口及外围设备等组成，如图3.1所示。其中，单片机是整个系统的核心部件，能运行程序和处理数据。存储器用于存储单片机程序和数据。I/O接口是单片机与外部被控制对象交换的信息通道，包括以下及部分数字量I/O接口（频率、脉冲等）、开关量I/O接口(继电器开关、五触电开关、电磁阀等)、模拟量I/O接口（A/D或D/A转换电路）。通用外部设备室进行人机对话的纽带，包括键盘、显示器、打印机等。第5页 共24页图3.13.2单片机简介单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CUP、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机的产生与发展和微处理器的产生于发展大体上同步。现在，虽然单片机的品种繁多，各具特色，但以80C51为核心的单片机仍占主流，兼容其结构和指令系统的有Philips公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量越来越大，以其低价质优的优势，占据一定得市场份额。此外还有Motorola公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定时期内，这种情形将得以延续，不会存在某个单片机产品一统天下的垄断局面。第6页 共24页MCS-51是在MCS48的基础上于20世纪20年代初发展起来的，虽然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，MCS-51应用非常广泛，成为继MCS-48之后最重要的单片机品种。直到现在MCS-51仍是单片机中的主流机型。国内尤以Intel的MCS-51系列单片机应用最广。在短短近三十年内，经历了四次更新换代，其发展速度大约每二三年要更新一代、集成速度增加一倍、功能翻一番。目前，按内部数据通道的宽度来说，单片机已从最初的4位机发展到32位。纵观近三十年的发展，单片机正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展。1、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。2、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。3、程序存储器(ROM)8051共有4KB 的ROM，最大可扩展64K字节，用于存放用户程序，原始数据或表格。4、定时/计数器：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。5、并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。6、中断系统8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。第7页 共24页3.3 8051单片机的引脚8051单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的. 8051有40条引脚, 与其他51系列单片机引脚是兼容的. 这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分. 8051单片机为双列直插式封装结构, 如图3.2所示.图3.2 8051引脚分配图 1、 8051单机的电源线（1） VCC：+5V电源线。（2） GND：接地线。2、时钟 XTAL1、XTAL2:使用内部振荡电路时，外接石英晶体的两端，在单片机内部接片内振荡电路反相输入端和输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，XTAL1引脚接地，XTAL2引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS单片机，XTAL1接外部时钟振荡信号，XTAL2悬空不用。 3、 控制线 （1） RST：复位输入端，高电平有效。（2） ALE/PROG：地址锁存允许/编程线。（3） PSEN：外部程序存储器的读选通线。（4） EA/Vpp：片内外ROM允许访问端/片内EPROM编程电源。第8页 共24页3.4 8051单片机复位方式单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位. 复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作.8051单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位. 复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变. 复位电路一般有上电复位、按键电平复位和按键脉冲复位电路3种,如图3.3所示：上电复位 按键电平复位 按键脉冲复位图3.3 8051复位原理图3.5 LED显示工作原理显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料及产品工艺，单片机应用系统中常用的显示器有： 发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。LED显示器是现在最常用的显示器之一，如下图所示。第9页 共24页图3.4 LED显示器的符号图发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件（半导体显示器）。分段式显示器（LED数码管）由7条线段围成8字型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。LED数码管有共阳、共阴之分。图是共阳式、共阴式LED数码管的原理图和符号图3.5 共阳式数码管的原理图和数码管的符号图第10页 共24页图3.6 数码管显示电路3.6 硬件电路设计电路的核心是8051单片机，其内部带有4KB的ROM,无须扩展程序存储器；电脑没有大量的运算和暂存数据，现有的128B片内RAM已能满足要求，也不必扩展片外RAM，系统配备1位LED显示，采用P0接口外接 LED数码管作动态显示交通灯时间倒记,用P2口的P2.0外接一位LED的位选信号驱动口，并通过晶体管作为反相器， LED共阴极端与单片机P0口输出端相连； P1口接交通指示灯，整个系统采用查表的方发，将交通灯的显示情况和数码管的计时情况，分别以代码的形式送到指示灯和LED数码管，启动定时器，同时调用显示程序，和查询按键。利用软件计数器的方法计时一秒，利用中断的方法使计时时间循环，通过送代码使两个方向都亮红灯。电路总体图如图3.6所示,交通灯状态流程图及格阶段状态表如图3.7、表3.1所示：第11页 共24页图3.7 硬件电路设计3.7 系统硬件电路设计应用环境PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，几乎所有的电子公司都要用到它。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB100布通率。第12页 共24页进行原理图设计步骤：一、新建设计数据库文件。双击Protel图标，点击File(文件)中new项，新建设计数据库。在Browse选项中选取需要存储的文件夹，然后点击OK即可建立自己的设计数据库。 二、打开和管理设计数据库。Protel 99 包括许多设计例子，选择文件打开菜单Design Explorer 99Example folder，点击photoplotter.ddb文件，左侧窗口呈现树状结构。点Photohead.pcb 文件，PCB版图将出现，点Photohead.prj，原理图管理文件将被打开。关闭文件，可以用鼠标右键，选择Close，也可以用CTRL+F4来关闭。三、原理图连线设计。利用Protel所提供的各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，布线结束后，一张完整的电路原理图基本完成。四、检查原理图电性能可靠性。打开设计数据库，点取文件夹下的.prj后缀原理图设计窗口，Protel99可以帮助我们进行电气规则检查选择Tools下面的ERC，在“Rule Matrix”中选择要进行电气检查的项目，设置好各项后，在“Setup Electrical Rlues Check”对话框上选择“OK”即可运行电气规则检查，检查结果将被显示到界面上。Protel 99软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 98大体相同，新增加了一些功能模块。Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel99中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助设计员在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。4.软件设计4.1定时器初值计算定时器工作时必须给计数器送初值，将这个值送到TH和TL中。他是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此工作于方式1,定时器为16位计数器其定时时间由下式计算：定时时间=（216计数初值）机器周期=（65536-计数初值）*12/晶振频率计数初值=216定时时间晶振频率12该值和计数器工作方式有关。若8051单片机外接晶振为12MHZ时，则单片机的四个周期的具体值为：晶振周期=1/12MHZ=1/12us=0.0833us时钟周期=1/6us=0.167us机器周期=1us指令周期=1us如单片机的主脉冲频率为12MHZ，经过12分频方式0定时时间213*1微秒8.192毫秒第13页 共24页方式1定时时间216 1微秒65.536毫秒秒钟已经超过了计数器的最大定时时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题，定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1，定时20次，就可定时一秒。定时50ms如下所示：X=216-0.05*12*106/12=15536=3CB0H4.2 相应程序代码软件总体设计主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，发送显示数据，同时对键盘进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。交通灯根据其显示情况可以分为四个状态，可以通过定时来控制每个状态的时间；通过定时也可以向LED数码管中每隔1秒送一个数，显示该状态剩余的时间。其流程图如图所示。设置定时，显示初始化南北绿灯亮，东西红灯亮，延时南北黄灯闪烁，东西红灯亮，延时 南北红灯亮，东西绿灯亮，延时南北红灯亮，东西黄灯闪烁，延时 开 始第14页 共24页 图4.1 主程序框图程序源代码#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar count,disnum,shi,ge;sbit s1=P34; /主干道紧急按键sbit s2=P35; /次干道紧急按键sbit beep=P36; /定义蜂鸣器端口sbit gewei=P26;/显示个位位选sbit shiwei=P27;/显示十位位选sbit BG=P12;/北绿灯sbit BY=P11; /北黄灯sbit BR=P10; /北红灯第15页 共24页sbit XG=P15;/西绿灯sbit XY=P14;/西黄灯sbit XR=P13;/西红sbit NG=P20;/南绿灯sbit NY=P21;/南黄灯sbit NR=P22;/南红灯sbit DG=P23;/东绿灯sbit DY=P24;/东黄灯sbit DR=P25;/东红灯uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /共阳数码管/*/ /* 延时子程序 */ /*/ void delay(uchar x) uchar a,b; for(a=x;a0;a-) for(b=110;b0;b-);/*/ /* 显示子程序 */ /*/ void display(uchar shi,uchar ge) shi=disnum/10; ge=disnum%10;P0=tableshi; /显示十位 shiwei=0; gewei=1; delay(5); P0=tablege; /显示个位第16页 共24页shiwei=1; gewei=0; delay(5); /*/ /* 初始化函数 */ /*/ void init() EA=1; ET1=1; TR1=1; TMOD=0x10; TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; /*/ /* 主程序 */ /*/ void main() init(); while(s1=1&s2=1) disnum=30; while(1) display(shi,ge); /主干道倒计时30秒 BG=0; /主干道绿灯亮，次干道红灯亮，黄灯全灭 NG=0; XR=0; DR=0;第17页 共24页 BY=1; XY=1; NY=1; DY=1; BR=1; NR=1; XG=1; DG=1; if(disnum=5|disnum=3|disnum=1) /倒计时5秒，黄灯交替亮灭 BG=1; NG=1; XR=1; DR=1; BY=0; XY=0; NY=0; DY=0; BR=1; NR=1; XG=1; DG=1; beep=0; delay(100); if(disnum=4|disnum=2|disnum=0) BG=1; NG=1; XR=1; DR=1; BY=1; XY=1;第18页 共24页 NY=1; DY=1; BR=1; NR=1; XG=1; DG=1; beep=1; delay(100); if(disnum=-1) disnum=20; break; if(s1=0|s2=0) break; while(1) display(shi,ge); /次干道倒计时20秒 BG=1; /次干道红灯亮，主干道绿灯亮，黄灯全部灭 NG=1; XR=1; DR=1; BY=1; XY=1; NY=1; DY=1; BR=0; NR=0; XG=0; DG=0; if(disnum=5|disnum=3|disnum=1) 第19页 共24页 BG=1; NG=1; XR=1; DR=1; BY=0; XY=0; NY=0; DY=0; BR=1; NR=1; XG=1; DG=1; beep=0; delay(100); if(disnum=4|disnum=2|disnum=0) BG=1; NG=1; XR=1; DR=1; BY=1; XY=1; NY=1; DY=1; BR=1; NR=1; XG=1; DG=1; beep=1; delay(100); 第20页 共24页 if(disnum=-1) disnum=30; break; if(s1=0|s2=0) break; if(s1=0)/主干道紧急 delay(5); if(s1=0) while(!s1); disnum=50; while(1) display(shi,ge); BG=0;/主干道红灯亮，次干道绿灯亮 NG=0; XR=0; DR=0; BY=1; XY=1; NY=1; DY=1; BR=1; NR=1; XG=1; DG=1; if(disnum=-1) break; 第21页 共24页 if(s2=0)/次干道紧急 delay(5); if(s2=0) while(!s2); disnum=40; while(1) display(shi,ge); BG=1; NG=1; /主干道红灯亮，次干道绿灯亮 XR=1; DR=1; BY=1; XY=1; NY=1; DY=1; BR=0; NR=0; XG=0; DG=0; if(disnum=-1) break; void time1() interrupt 3 TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; count+;第22页 共24页 if(count=20) count=0; disnum-; 5. 系统调试单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。一般的方法是排除明显的硬件故障，再进行综合调试，排除可能的软/硬件故障。软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环。软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于软件仿真器即可；后者一般需要仿真系统的支持。本次课题，Keil软件来调试程序，通过各个模块程序的单步或跟踪调试，使程序逐渐趋于正确，最后统调程序。第23页 共24页结论 我的这个课程设计以单片机为核心，以LED数码管作为倒计时指示，该设计很好地完成了设计的各项要求，主要体现如下：出现紧急情况时系统可设置成手动控制，紧急情况结束后再转成自动，控制十分灵活；以上所有功能均在城市交道口模型上得到很好地实现，该设计在确保功能实现的基础上，充分考虑了控制系统操作方便、可靠性高、稳定性好等要求。该设计的交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过AT89S52芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。我的这个设计符合教学的要求，使死板的知识变得生动活泼。让我们加强的对单片机一些知识的深刻了解。以前对与计算机操作系统的认识是模糊的，概念上的，现在通过自己动手做实验，从实践上认识了操作系统是如何处理命令的，如何协