复杂的十字路口交通信号灯控制系统设计[1].doc

课程设计任务书 2008 2009 学年第二学期 专业 电子信息工程 学号 姓名 课程设计名称 单片机原理及应用课程设计 设计题目 复杂的十字路口交通信号灯控制系统设计 完成期限 自 2009 年 6 月 7 日至 2009 年 6 月 20 日共 2 周 一 设计依据 交通信号灯是维护城市交通的主要设施 随着科技发展 方法已多种多样 并日趋完善 本设计重点在于单片机应用系统简单 I O 接口的设计 模拟交通 信号灯控制的实现 数据输入 输出程序的编制 89C51 内部计数器的使用和编 程 外部中断技术的基本使用和中断处理程序的编写 该系统应能正确无误地 控制信号灯完成十字路口车辆 行人 紧急车辆等通行规则 安排及指示 该 设计应交通信号灯控制的规则要求给出相应不同的电路设计 对器件选择 线 路连接有较深入地分析探讨 对软件设计也应有一定的造诣 同时写出合格的 课程设计说明书 二 要求及主要内容 系统设计功能 复杂的十字路口交通信号灯控制系统 分东西道和南北道 设东西道为 A 道 南北道为 B 道 系统设计规定 A 道放行时间为 2min B 道放行时间为 1 5min 绿灯放行 红灯停止 绿灯转红灯时 黄灯亮 2s 当一道有车而另一道无车时 交通灯控制系统能立即让有车的车道放行 当有紧急车辆 如 110 112 119 等急救车 要求通过时 此系统应能禁 止普通车辆通行 路口的信号灯全部变红 以便让紧急车辆通过 假定紧急车 辆通过时间为 2s 紧急车辆通过后 交通灯恢复先前状态 要求最终正确无误地完成全部软件设计 并具有一定先进性 给出进一步 提高性能的深入分析 对电路设计也应提出建设性意见并写出合格的课程设计 说明书 圆满完成各项任务 三 途径和方法 1 硬件电路设计 89C51 应用系统设计 晶振电路 上电复位电路 P1 0 P1 5 接六根输出线控制各色交通灯的点亮和熄灭 A B 道上有无车辆的信号输入给 P1 6 P1 7 口 紧急车辆通过时 采用外部触发按键实时中断方式进行处理 2 程序设计 先画流程图再根据流程图写程序 3 选芯片 元件按设计连线 4 调试 1 输入程序 2 编译 连接 用连续方式运行程序 3 改变路口车辆通行情况 观察实验结果是否能实现设计要求的各项功 能 四 时间安排 1 课题讲解 2 小时 2 阅读资料 10 小时 3 撰写设计说明书 12 小时 4 修订设计说明书 6 小时 五 主要参考资料 1 胡汉才 单片机原理与接口技术 M 北京 清华大学出版社 1995 6 2 楼然苗等 51 系列单片机设计实例 M 北京 北京航空航天出版社 2003 3 3 何立民 单片机高级教程 M 北京 北京航空航天大学出版社 2001 4 赵晓安 MCS 51 单片机原理及应用 M 天津 天津大学出版社 2001 3 5 肖洪兵 跟我学用单片机 M 北京 北京航空航天大学出版社 2002 8 6 夏继强 单片机实验与实践教程 M 北京 北京航空航天大学出版社 2001 7 于凤明 单片机原理及接口技术 M 北京 中国轻工业出版 社 1998 指导教师 签字 教研室主任 签字 批准日期 年 月 日 课程设计说明书 第 I 页 复杂的十字路口交通信号灯控制系统设计 摘 要 这次设计的主要任务是设计一个单片机控制的交通灯控制系统 交通灯控 制系统设计主要是利用 AT89C51 制作并仿真 由此来加深我们对单片机的各种 模块的理解和应用能力 本系统由单片机系统 键盘 LED 显示 交通灯演示 系统组成 系统包括人行道 左转 右转 以及基本的交通灯的功能 本设计在对实际交通灯的变化情况和规律的深刻理解上 设定了不同交通 灯对应的状态 灯的显示情况都会按交通灯的显示规律进行状态转换 实现对 交通灯的控制 在单片机的选择上 考虑到电路的简单和成本的削减 我们选择性价比最 好的 AT89C51 而且能够使程序简单 对紧急车辆通过的处理 采用中断的方 法 由中断处理程序处理 通过单片机课程设计 熟练掌握汇编语言的编程方法 将理论联系到实践 中去 提高我的动脑和动手的能力 通过交通信号灯控制系统的设计 掌握定 时 计数哭的使用方法 和简单程序的编写 最终提高逻辑抽象能力 关键词 AT89C51 数码管显示 交通灯 课程设计说明书 第 II 页 目 录 1 概述 1 1 1 单片机的结构 1 1 2 单片机的分类 1 1 3 单片机的应用 1 2 系统总体方案及设计系统总体方案及设计 1 2 1 总体方案 1 2 1 1 交通灯状态设置 1 2 1 2 单片机选择及参数 1 2 2 系统硬件设计 1 2 3 软件设计 1 3 系统程序设计 1 总 结 1 参考文献 1 课程设计说明书 第 1 页 1 概述 当前 在世界范围内 一个以微电子技术 计算机和通信技术为先导的 以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾 为使我国尽快实现经济信 息化 赶上发 达国家水平 必须加速发展我国的信息技术和信息产业 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 本文主要从单片机的应用上来实 现十字路口交通灯的管理 用以控制过往车辆的正常运作 1 1 单片机的结构 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末 经历了 SCM MCU SOC 三大阶段 随着微电子技术 IC 设计 EDA 工具的发展 基于 SOC 的单片机应用系统设 计会有较大的发展 因此 对单片机的理解可以从单片微型计算机 单片微控 制器延伸到单片应用系统 单片机的发展 单片机作为微型计算机的一个重要分 支 应用面很广 发展很快 自单片机诞生至今 已发展为上百种系列的近千 个机种 近年 由于 CHMOS 技术的进步 大大地促进了单片机的 CMOS 化 CMOS 芯片除了低功耗特性之外 还具有功耗的可控性 使单片机可以工作在 功耗精细管理状态 这也是今后以 80C51 取代 8051 为标准 MCU 芯片的原因 因为单片机芯片多数是采用 CMOS 金属栅氧化物 半导体工艺生产 CMOS 电路的特点是低功耗 高密度 低速度 低价格 图 1 是单片机的管脚封装图 课程设计说明书 第 2 页 图 1 单片机的管脚封装图 1 2 单片机的分类 单片机作为计算机发展的一个重要领域 应用一个较科学的分类方法 根 据目前发展情况 从不同角度单片机大致可以分为通用型 专用型 总线型 非总 线型及工控型 家电型 1 3 单片机的应用 由于单片机具有显著的优点 它已成为科技领域的有力工具 人类生活的 得力助手 它的应用遍及各个领域 主要表现在以下几个方面 1 单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表 使仪器 仪表智能化 并可以提高测量的自动化程度和精度 简化仪器仪表的硬件结构 提高其性能价格比 2 单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是械工业发展的方向 机电 一体化产品是指集成机械技术 微电子技术 计算机技术于一体 具有智能化 特征的机电产品 例如微机控制的车床 钻床等 单片机作为产品中的控制器 能充分发挥它的体积小 可靠性高 功能强等优点 可大大提高机器的自动化 智能化程度 3 单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中 例 如 在工业测控 航空航天 尖端武器 机器人等各种实时控制系统中 都可 课程设计说明书 第 3 页 以用单片机作为控制器 单片机的实时数据处理能力和控制功能 可使系统保 持在最佳工作状态 提高系统的工作效率和产品质量 4 单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中 常采用分布 式多机系统 多机系统一般由若干台功能各异的单 片机组成 各自完成特定的 任务 它们通过串行通信相互联系 协调工作 单片机在这种系统中往往作为 一个终端机 安装在系统的某些节点上 对现场信息进行实时的测量和控制 单片机的高可靠性和强抗干扰能力 使它可以置于恶劣环境的前端工作 5 单 片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后 它就步入了人类生活 如洗衣 机 电冰箱 电子玩具 收录机 等家用电器配上单片机后 提高了智能化程度 增加了功能 倍受人们喜爱 单片机将使人类生活更加方便 舒适 丰富多彩 综合所述 单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面 另一方面 单片 机应用的重要意义还在于 它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计 方法 从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能 现在已能用单片机 通过软件方法来实现了 这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术 是 传统控制技术的一次革命 5 由单片机控制的交通灯 随着现代社会的发展 和交通设施的日益健 全 对交通的维持交通秩序的功能有了越来越高的要求 要求交通灯必须有一 定的反馈能力 和时间计时能力 这次设计的主要任务是设计一个单片机控制 的交通灯控制系统的设计 交通灯控制系统设计主要是利用 AT89C51 制作 2 2 系统总体方案及设计系统总体方案及设计 2 1 总体方案 2 1 1 交通灯状态设置 课程设计说明书 第 4 页 人行道 人行道 人行道 人行道 图 2 十字路口 首先了解实际交通灯的变化情况和规律 假设一个十字路口如图 2 所以 为东南西北走向 初始状态 0 为东西南北都红灯亮 然后转状态 1 东西绿灯通 车 南北红灯亮 过一段时间后 转状态 2 东西绿灯灭 黄灯闪几下 南北 还是红灯 再转状态 3 南北绿灯通车 东西红灯亮 过一段时间后转状态 4 南北绿灯灭 闪几个黄灯 东西还是为红灯亮 一段时间后 又循环至状态 1 列出交通信号灯的状态表如表 1 所示 其中 1 代表灯亮 0 代表灯灭 表 1 交通信号灯的状态表 北北西西南南东东状态 绿 黄 红绿 黄 红绿 黄 红绿 黄 红 0001001001001 1001100001100 2001010001010 3100001100001 4010001010001 对于交通信号灯来说 应该有东西南北共四组灯 但由于同一道上的两组 的信号灯的显示情况是相同的 所以只要用两组就行了 因此 采用单片机内 部的 I O 口上的 P1 口中的 6 个引脚即可来控制 6 个信号灯 通过编写程序 实 现对发光二极管的控制 来模拟交通信号灯的管理 每延时一段时间 灯的显 示情况都会按交通灯的显示规律进行状态转换 通过延时时间送显 可以在原 课程设计说明书 第 5 页 有的交通信号灯系统的基础上 增添其倒计时间的显示功能 实现其功能的扩 展 2 1 2 单片机选择及参数 这次设计用到了 AT89C51 单片机 如图 3 所示 采用这款芯片及克服了 采用 8031 需要添加外部外部程序存储器导致电路复杂的缺点 又克服了采用 8751 导致电路制作成本高的缺点 AT89C51 单片机芯片具有以下特性 1 指令集合芯片引脚与 Intel 公司的 8051 兼容 2 4KB 片内在系统可编程 FLASH 程序存储器 3 时钟频率为 0 33MHZ 4 128 字节片内随机读写存储器 RAM 5 6 个中断源 2 级优先级 6 2 个 16 位定时 记数器 7 全双工串行通信接口 8 监视定时器 9 两个数据指针 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U2 AT89C52 图 3 AT89C51 单片机引脚图 课程设计说明书 第 6 页 2 2 系统硬件设计 将 A 道上的两个同色灯连在一起 B 道上的同色灯也彼此相连 此处用发光 二极管模拟实际的交通灯 各发光二极管的阳极通过保护电阻接到十 5v 的电源 上 发光二极管的阴极接到单片机的 P1 口 用 89C51 单片机的 P1 0 P1 5 共六 根输出线控制各色交通灯的点亮与熄灭 A B 道上有无车辆的信号输入给 P1 6 P1 7 口 紧急车辆通过时 采用外部触发按键实时中断方式进行处理 根据该系统的功能要求及所用元器件 设计硬件电路 电路原理图如图 4 所示 图 4 交通灯控制系统原理图 课程设计说明书 第 7 页 2 3 软件设计 根据硬件电路原理图 并按系统的功能画出程序流程图 由于此系统较为 简单 故采用自上而下的设计方法 进行程序设计 对紧急车辆通过的处理 采 用中断的方法 由中断处理程序处理 程序流程如图 5 图 6 所示 图 5 主程序流程图 课程设计说明书 第 8 页 图 6 中断服务子程序流程图 P1 6 0 表示 A 道有车通过 Pl 6 1 表示 A 道无车通过 p1 7 o 表示 B 道有车通过 P1 7 1 表示 B 道无车通 设计中断处理程序时 最主要的地方是如何保护进入中断前的状态 信号灯 P 口 单片机寄存器的状态 使得中断程序执行完毕后能问到交通灯中断前的 状态 除了保护累加器 ACC 标志寄存器 PSW 外 还要注意主程序中的延时 程序和中断处理程序中的延时程序不能混用 3 系统程序设计 十字路口交通信号灯控制系统源程序如下 ORG 0000H 程序代码由地址 0 开始执行 LJMP START ORG 0003H LJMP TOINT 中断服务程序 ORG 1000H START SETB IE 0 SETB IP 0 CLR TCON 0 ENTER CLR EA MOV R4 60 设置 A 道总延迟时间 R4 2s 课程设计说明书 第 9 页 MOV P1 11110011B 设置 A 道亮绿灯 B 道亮黄灯 CLR F0 SETB EA LOOP1 ACALL DELAY DJNZ R4 PA1 AJMP LL1 PA1 MOV C P1 6 判断 A 道有没有车通过 JNC LOOP1 LL1 MOV P1 11110101B 设置 A 到亮黄灯 B 道亮红灯 ACALL DELAY CLR EA MOV R5 45 设置 B 道总延迟时间 R5 2s MOV P1 11011110B 设置 A 道亮红灯 B 道亮绿灯 SETB F0 SETB EA 允许外部中断 LOOP2 ACALL DELAY DJNZ R5 PB1 AJMP LL2 PB1 MOV C P1 7 判断 B 道有没有车通过 JNC LOOP2 MOV C P1 6 JC LOOP2 LL2 MOV P1 11101110B 设置 A 道亮红灯 B 道亮黄绿灯 ACALL DELAY AJMP ENTER DELAY MOV R1 14H 延迟子程序 总延迟时间 20 200 250 2 s MM1 MOV R2 0C8H R2 200 MM2 MOV R3 0FAH R3 250 MM3 DJNZ R3 MM3 DJNZ R2 MM2 课程设计说明书 第 10 页 DJNZ R1 MM1 RET END TOINT PUSH P1 存储 P1 口状态 PUSH ACC PUSH PSW MOV C F0 JNC PA SETB P1 5 CLR P1 4 ACALL DELAY MOV P1 11110110B 设置 A 道亮红灯 B 道亮红灯 SJMP LOOP PA SETB P1 2 CLR P1 1 ACALL DELAY MOV P1 11110110B 设置 A 道亮红灯 B 道亮红灯 LOOP MOV C P3 2 JNC LOOP MOV C F0 MOV P1 11110011B 设置 A 道亮绿灯 B 道亮红灯 LB MOV P1 11011110B 设置 A 道亮红灯 B 道亮绿灯 POP PSW POP ACC POP P1 RET 总 结 课程设计说明书 第 11 页 这次课程设计经过两周的反复琢磨与修改 终于完成了 从查资料 整理 资料到读程序 写程序 改程序 仿真直至通过老师的验收 一切都充满了刻 苦与艰辛 其间充满了挫折可是同时又伴随着欢乐 令我感触最深的就是同学们倾心的帮助 由于我的 单片机原理与应用技 术 学的并不是很好 所以对某些知识点并不是很清楚 可是同学们总是不厌 其烦的给我一遍又一遍的讲解 直到我弄清楚为止 他们的知识阅历另我打开 眼界 他们的无私精神更另我感动不已 另外 在重复修改与设计的过程中 我又重新把 单片机原理与应用技术 这本书仔细的看了一下 弄懂了一些以前一知半解的东西 进一次加强和巩固 了我的理论知识 在此次课程设计过程中 我把单片机的理论知识用于实践中 使理论与实 践相结合 使我的理论知识的到了巩固 在查资料翻阅资