DZ154基于单片机的交通灯控制器的研究与设计
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DZ154基于单片机的交通灯控制器的研究与设计,毕业设计
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实践的目的及意义 一、实践的目的 本次设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上，通过完成一个涉及D8255芯片 单片机的资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排版调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高，为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础。 二、实践的意义 （ 1） 通过硬件实践达到巩固消化课程的内容； （ 2）进一步加强综合应用能力及单片机应用系统开发和设计能力的训练，启发创新思维； （ 3）使之具有独立单片机产品和科研的基本技能，是以培养学生综合运用所学知识的过程； （ 4）使知识转化为能力和能力转化为工程素质的重要过程。 三、课题研究的基本思路 设计并绘制交通灯控制系统原理图，动手制作电路板，编写控制程序，用仿真器对程序进行调试，最后用编程器把控制程序烧录到单片机中。 硬件电路原理 8255 端口分配： PA口 LED显示器段选口 PB口 LED显示器位选口 PC口高 4位 键盘列线输入 ntsPC口低 4位 键盘行 线输出 8255 端口地址 ： 7CH 7FH 片内数据存储器分配 40H 43H： 100MS，秒、分、时单元 45H：数码管闪烁位置暂存器 49H：各位允许最大值暂存单元 4AH， 4BH：修改后时间写回时 R0， R1暂存单元 4CH：闪烁时间计算器 50H 57H：显示缓冲区 位地址分配： 00H：设置时间标志， 0正常计时状态， 1修改时间状态 01H：数码管闪烁标志， 0亮， 1灭 端口地址： LED段选口地址： 8255APA 口， 7CH LED位选口地址： 8255APB 口， 7BH 8255A控制口地址： 7FH 电 路原理图： nts 当然，还有很多的 8255 芯片的知识需要了解。例如 8255 的基本功能：8255 具有 2 个独立的 8 位 I/O 口（ A 口和 B 口）和 2 个独立的 4位 I/O（ C 口上半部和 C 口下半部），提供 TTL 兼容的并行接口。作为输入时提供三态缓冲器的功能，作为输出时提供数据锁存功能。其中， A口具有双向传输功能。 8255有3 种工作方式，方式 0、方式 1 和方式 2，能使用多种数据传送方式完成 CPU 与I/O 设备之间的数据交换，如无条件方式、查询方式和中断方式。 B 口和 C 口的 引脚具有达林顿复合晶体管驱动能力，在 1.5V 时输出 1mA 电流，适于做输出端口。 C口除用做数据口外，当 8255工作在方式 1和方式 2时， C 口的部分引脚作为固定的联络信号线。 8255的三种工作方式：方式 0，为一种简单的输入/输出方式，在这种方式下， 3 个口中的任何一个都可提供简单的输入和输出操作，即前已介绍的无条件传送方式。它不需要应答式联络信号，外设总是处于准备好的状态。方式 0是单向传送，一次初始化只能设置在一个方向上传送数据。方式 0一般用于无条件传送的场合，也可以用做查询式传送。方式 1，是一种选通输入 /输 出方式。 A口和 B口均可工作在这种方式。在这种方式下， A口和 B口仍作为两个独立的 8位 I/O数据通道， C 口要有 6位分别作为 A口和 B口的应答联络线，其余 2 位仍可作为方式 0 的输入 /输出。方式 1 也是单向传送。方式 2，为双向选通 I/O 方式，只有 A 口才有此方式。这时， C 口有 5 根线用做 A口的应答联络信号，其余 3根线可用做方式 0，也可用做 B口方式 1 的应答联络线。方式 2实际上就是方式 1的输入与输出方式的组合，各应答信号的功能也相同。输入 /输出的先后顺序是任意的，根据实际传送数据的需要选定。 nts硬件调试过程中遇到的问题及解决方 法 （ 1） LED 显示屏不亮的问题 解决方法： 将系统的所有芯片插好（包括单片机和 存储器）， 反复检查联接线路并进行调试 （ 2）电路版上按键不灵敏的问题 解决方法：通过检查电路版后面的按键焊点，看是否是焊点漏焊或焊点脱焊 （ 3）测量电压的问题 解决方法： 用万用表的二极管挡测量系统电源端与接地端是否短路。若短路，必须先检查硬件电路，找出短路原因，否则不能上电。若不短路，进一步检查每块芯片的电源线、地线是否接好，尤其是 CPU 芯片 。 （ 4）是否能注入信号的问题 解决方法：将信号源加至输入端，然后依次往后测量各点的波形 ，看是否正常，以找到故障点。 当然，还有很多其它的寻找故障点的方法，例如看、听、闻、摸等。“看”就是看元件有无明显的机械损坏，例如破裂、烧黑、变形等；“听”就是听工作声音是否正常，例如一些不该响的东西在响，该响的地方不响或者声音不正常等；“闻”就是检查是否有异味，例如烧焦的味道、电容电解液的味道等，对于一个有经验的电子维修人员来说，对这些气味是很敏感的；“摸”就是用手去试探器件的温度是否正常，例如太热，或者太凉。一些功率器件，工作起来时会发热，如果摸上去是凉的，则基本上可以判断它没有工作起来。但如果不该热 的地方热了或者该热的地方太热了，那也是不行的。（注意要先试探性的去摸，千万别把手烫伤了）。 软件设计思想及流程图 假设： A、 B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 A、 B两干道的公共停车时间。设 A道比 B道的车流量大，指示灯燃亮的方案如表 nts说明： （ 1）当为黄灯时 A、 B两道同时为黄灯；以提示行人或车辆下一个灯色即将到来 时间 3秒。 （ 2）当 A到为红灯， A 道车辆禁止通行， A 道行人可通过； B 道为绿灯， B 道车辆通过，行人禁止通行。时间为 60秒。 （ 3）当 A道绿灯， A 道车辆通行； B 道为红灯， B 道车辆禁止通过，行人通行。时间为 80秒。 A道车流大 通行时间长 （ 4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。 （ 5）此表可根据车流量动态设定 一、系统的工 作原理 （ 1）开关键盘输入交通灯初始时间，通过 8031 单片机 P1 输入到系统 (2) 由 8031 单片机的定时器每秒钟通过 P0 口向 8255 的数据口送信息，由8255 的 PC 口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由 8255 的 PA、 PB 口显示每个灯的燃亮时间。 (3)8031 通过 设置 各个信号等的燃亮时间、通过 8031 设置，黄、绿、红时间依次为 3 秒、 60 秒、 3 秒、 80 秒、 3 秒循环由 8031 的 P0 口向 8255 的数据口输出。 （ 4） 通过 8031 单片机的 P3.0 位来控制系统是工作或设置初值，当 .牌位 0就对系统进行初始 化，为 1 系统就开始工作。 （ 5） 8255口用于输出时间的个位，口用于输出时间的十位，由747S07 驱动芯片驱动； 而口用于输出各个灯的情况， 它的末段连接双向晶闸管采用 220V交流电压驱动。 （ 6）在交通控制程序中加入看门狗指令，当系统出现异常看门狗将发出溢出中断。通过专用端口输入到 MAX692看门狗芯片的 WDI 引角引起 RESET 复位信号复位系统 1、控制器的软件设计 每秒钟的设定 延时方法可以有两种一中是利用 MCS-51 内部定时器才生溢出中断来确定 1秒的时间，另一种是采用软延时的方 法。 3 60 3 80 3 60 A 道 黄灯亮 红灯亮 黄灯亮 绿灯亮 黄灯亮 红灯亮 B 道 黄灯亮 绿灯亮 黄灯亮 红灯 亮 黄灯亮 绿灯亮 nts计数器硬件延时 （ 1） 计数器初值计算 定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到 TH 和 TL中的。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，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为 C和计数初值设定为 TC 可得到如下计算通式： TC=M-C 式中， M为计数器摸值，该值和计数器工作方式有关。在方式 0时 M 为 213 ；在方式 1时 M的值为 216；在方式 2和 3为 28 （ 2） 计算公式 T=（ M TC） T计数 或 T计数 T计数是单片机 时钟周期的倍；为定时初值 如单片机的主脉冲频率为 ，经过分频 方式 213 微秒毫秒 方式 216 微秒毫秒 显然秒钟已经超过了计数器的最大定时间，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 （ 3） 秒的方法 我们采用在主程序中设定一个初值为的软件计数器和使定时毫秒这样每当到毫秒时就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。在中断服务子 程序中，先使软件计数器减，然后判断它是否为零。为零表示秒已到可以返回到输出时间显示程序。 二、相应程序代码 1、主程序 定时器需定时毫秒，故工作于方式。 初值： T计数 ms/1us=15536=3CBOH ORG 1000H START: MOV TMOD, #01H ; 令为定时器方式 MOV TH0, #3CH ;装入定时器初值 MOV TL0, #BOH ; MOV IE, #82H ;开中断 SEBT T O ；启动计数器 MOV RO, #14H ;软件计数器赋初值 LOOP: SJMP $ ；等待中断 2、中断服务子程序 nts ： DJNZ ， AJMP TIME ; 跳转到时间及信号灯显示子程序 DJNZ： ， ；恢复值 MOV TH0, #3CH ;重装入定时器初值 MOV TL0, #BOH ; MOV IE, #82H 三、 软件延时 MCS-51的工作频率为 2-12MHZ，我们选用的 8031单片机的工作频率为 6MHZ。机器周期与主频有关，机器周期是主频的 12 倍，所以一个机器周期的时间为 12*（ 1/6M） =2us。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定 1秒的时间。 具体的延时程序分析： DELAY:MOV R4,#08H 延时 1秒子程序 DE2:LCALL DELAY1 DJNZ R4,DE2 RET DELAY1:MOV R6,#0 延时 125ms 子程序 MOV R5,#0 DE1: DJNZ R5,$ DJNZ R6,DE1 RET MOV RN， #DATA 字节数数为 2 机器周期数为 1 所以此指令的执行时间为 2ms DELAY1 为 一 个双 重循 坏 循环 次 数为 256*256=65536 所 以延 时 时 间=65536*2=131072us 约为 125us DELAY R4设置的初值为 8 主延时程序循环 8次，所以 125us*8= 1 秒 由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。 nts四、 时间及信号灯的显示 1、 8031 并行口的扩展 8031虽然有 4个 8位 I/O端口 ,但真正 能提供借用的只有 P1口 ,因为 P2和 P0口通常用于传送外部传送地址和数据 ,P3口也有它的第二功能。因此， 8031通常需要扩展。由于我们用外输出时间时，时间的个位、十位、信号灯的显示都要用到一个 I/O端口，显然 8031的端口是不够，需要扩展。 扩展的方法有两种：（ 1）借用外部 RAM 地址来扩展 I/O 端口；（ 2）采用 I/O接口新片来扩充。， 我们用 8255并行接口信片来扩展 I/O端口。 2、显示原理： 当定时器定时为 1 秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间 ，同时一直显示信号灯 的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值 ，重新进入循环。 3、 8255 输出信号的放大： 要使行人能看见信号灯的情况，必须把 8255 输出的信号进行放大，这里我们用VT 为双向晶闸管，当门极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当门极为低电平时关断，该支路指示灯灭。如图 2 我们用连接 7段数码管的方法来连接晶闸管 4、 8255 输出信号与信号灯的连接： LED 灯的显示原理 :通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极 管是否点量而显示不同的字形如 SP， g,f,e,d,c,b,a 管角上加上所以 上为伏，不亮其余为高电平，全亮则显示为 采用共阴级连接 : 其中 PA0PB0-a, PA1PB1-b, PA2PB2-c, PA3PB3-d, PA4PB4-e, PA5PB5-f, PA6PB6-g PA7PB7 -SP接地 显示数值 dop g f e d c b a 驱动代码（ 16进制） 0 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH 1 0 0 0 0 0 1 1 0 06H 2 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH nts3 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH 4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 5 0 1 1 0 1 1 0 0 6DH 6 0 1 1 1 1 1 0 0 7DH 7 0 0 0 0 0 1 1 1 07H 8 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH 表 3 驱动代码表 （ 5） 8255 与 8031 的连接： 用 8031 的 P0 口的 p0.7 连接 8255 的片选信号 cs 我们用 8031 的地址采用全译码方式，当 p0.7 =0 时片选有效， 其他无效， p0.1 p0.1 用于选择 8255端口 P0.7 p0.6 p0.5 p0.4 p0.3 p0.2 P0.1 P0.0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 X X X X X 0 0 00H 为 8255 的 PA口 1 X X X X X 0 1 01H 为 8255的 PB口 1 X X X X X 1 0 02H 为 8255的 PC口 1 X X X X X 1 1 03H 为 8255的控制口 由于 8031是分时对 8255和储存器进行访问所以 8031的 P0口不会发生冲突 五、 程序设计 1、流程图如图所示 图 8 开始 初始化 等待键盘事件 键盘事件处理 显示程序处理 nts 图 9 程序流程图 六、软件设计过程中遇到的问题及解决方法 1键盘扫描中对于键位的设置问题？ 解决方法：从新理清顺序，参看书上的一些有关的程序，从键位的功能和要实现的效果来分析；从新定义键位，按照硬部件电路原理图上所给出的信息，自己先在纸上自己定义好相关键，然后在用程序具体的实现，最后，仔细检查编好的代码，反复的调试，直到能得到理想的效果。 七、系统测试数据及结 果分析 1 状态灯显示测试 当电路连接完毕后，将写好的测试程序刷写到芯片内， K1 和 K2分别给端口送高nts电平和低电平，通电即可检测。 输入数据：按 K1、 K2键 显示结果：当按 K1 键时，程序执行；当按 K2键时自动返回主程序。 正确性分析：通过反复测试， K1、 K2 定义功能基本实现； K1 通过送出的高电平来激活端口，使程序正常执行； K2 通过送出的低电平，来激活端口使其能从某一执行点处正常返回到主程序。 八、收获与体会 通过这次硬部件实践让我了解单片机的整体结构和它的核心原理及工作流程，还有它的中断系统和定时器的使用方法及 应用技巧；使我对单片机有了更进一步的认识和体会； 由于使用的是单片机作为核心的控制元件，使得电路的可靠性比较高，功能也比较强大，而且可以随时的更新系统，进行不同状态的组合；这使得我设计起来更加的灵活，从而给予了我很多的设计思路，可以从各个不同的方面进行考虑；从而达到更加完善。 但是在我们设计和调试的过程中，也发现了一些问题，譬如红灯和绿灯的切换还不够迅速，红绿灯规则 的 效率还不是很高，这需要在实践中进一步完善。 nts程序原代码 利用 P1 口输入开关量 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0100H MAIN: MOV DPTR,#0C63H MOV A,#82H LCALL 0F4E0H AGAIN: MOV P1,#80H MOV A,P1 JB ACC.7, NEXT0 AGAIN1: MOV P1,#40H MOV A,P1 JB ACC.6, RED MOV P1,#0FH MOV A,P1 ANL A,#0FH MOV R3,A AJMP AGAIN1 RED: MOV P1,#0FH MOV A,P1 ANL A,#0FH MOV R2,A AJMP AGAIN NEXT0: MOV R0,#03H NEXT1: MOV DPTR,#TAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#0C60H LCALL 0F4E0H MOV DPTR,#0C62H MOV A,#00H LCALL 0F4E0H ACALL DELAY DJNZ R0,NEXT1 MOV A,R3 MOV R0,A ntsNEXT2:MOV DPTR,#TAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#0C60H LCALL 0F4E0H MOV DPTR,#0C62H MOV A,#02H LCALL 0F4E0H ACALL DELAY DJNZ R0,NEXT2 MOV A,R2 MOV R0,A NEXT3:MOV DPTR,#TAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#0C60H LCALL 0F4E0H MOV DPTR,#0C62H MOV A,#04H LCALL 0F4E0H ACALL DELAY DJNZ R0,NEXT3 AJMP NEXT0 DELAY:MOV R4,#08H DE2:LCALL DELAY1 DJNZ R4,DE2 RET DELAY1:MOV R6,#0 MOV R5,#0 DE1: DJNZ R5,$ DJNZ R6,DE1 RET TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H END nts 重庆三峡学院毕业论文 论 文题目：基于单片机的交通灯控制器的研究与设计 专 业 : 计算机科学与技术 年 级 : 2001 级 学 号 : 42106042 作 者 : 唐 波 指导教师 : 蒋 万 君（副教授） 完成时间： 2005 年 6 月 nts 目 录 摘要 I Abstract II 1 引言 1 2 单片机概述 1 3 芯片的选者与简介 1 3.1 MSC-51芯片简介 1 3.2 8255 芯片简介 4 3.3 其他器件 5 4 控制器硬件的设计 5 4.1交通管理方案论证 5 4.2系统硬件设计 .6 4.2.1交通灯系统框图 .6 4.2.2交通灯控制线路图 7 4.2.3系统工作原理 .8 5控制器的软件设计 8 5.1每秒钟的设定 8 5.2计数器的硬件延时 .8 5.2.1计数器初值计算 8 5.2.2计算公式 8 5.2.3设置 1秒的方 法 8 5.2.4相应代码程序 9 5.3软件延时 9 5.4时间及信号灯的显示 .10 5.4.1 8031并行口扩展 10 5.4.2显示原理 . 10 5.4.3 8255输出信号的放大 . 10 5.4.4 8255输出信号与信号灯的连接 11 5.4.5 8255与 8031的连接 11 5.5程序 设计 11 5.5.1流程图如图所示 .11 5.5.2 程序源代码 . 12 nts 6看门狗硬件电路设计 16 6.1软件看门狗 . 17 6.2硬件看门狗 . 17 7单片机开发系统 19 8实验平台 20 8.1实验平台 .20 8.2实验步骤 .20 8.3 系统 编程信息 . 20 8.3.1 系统内存分配和 I/0接口使用 . 21 8.3.2 实验程序原代码 . 21 9结论 . .26 10致谢 .26 参考文献 . . 27 ntsI 基于单片机的交通灯控制器的设计与实现 唐 波 （ 重庆三峡学院数学与计算机科学学院计算机科学与技术专业教育专业 2001级，重庆万州 404000） 摘要 : 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 日新月异更新 。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。 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？靠的是交通 信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多 。 本系统采用 MSC-51 系列单片机 Intel8031 和可编程并行 I/O 接口芯片 8255A 为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过 8031 芯片的 P1 口设置红、绿灯燃亮时间的功能；为了系统稳定可靠采用了MAX629“看门狗 ”芯片，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生；显示时间直接通过 8255 的PA、 PB 口 输出；交通灯信号通过 PC 口输出；交通灯的点亮采用 VT 双向晶闸管来控制，直接采用 220V 交流电源驱动， 系统 实用性强 、 操作简单 、扩展性强 。 关键词 ： 单片机 交 通灯 控制器 设计 实现 ntsII Based on the design of the controler of traffic lights of single flat machine with realization TANG Bo (Grade 2001 ,Computer Science and TechnologyEducational direction, College of Mathematics and Computer Science， Chongqing Three Gorges University ， Wanzhou, Chongqing 404000) Abstract: In recent years along with science and technology develop fast, the application of single flat machine is moving towards thorough continuously, at the same time drive traditional control detection day the benefit of new moon update. In the only flat machine application system of the automatic control and detection of real time, only flat machine is often to use as a key parts, only single flat machine aspect knowledge is insufficient , return should basis specificly hardware structure, as well as aim at the software that applies object characteristic specificly combination, perfect. Crossroads vehicle wear comb, pedestrian Xi Rang, turn to be all right lane, person pedestrian says , methodically. Do you lean what to realize this orderly order? What lean is that the automatic command system of traffic signal lamp. Traffic signal lamp control way is many . This system adopts MSC-51 series only flat machine Intel8031 with but programming parallel interface chip 8255 A of I/O is central device the design controler of traffic lights, haverealized can measure according to actual wagon flow the P1 installation bonus and green light that passes through 8031 chips burn to light the function of time; For system stabilize reliable have adopted MAX629 the chip dog looks after the house , have avoided that system stops working condition because of halting to occur; Show that time is directly exported through PB and PA of 8255; The signal of traffic lights is exported through usually PC mouth; The point of traffic lights light to adopt VT two-way Jing floodgate pipe come to control, directly drive with the alternating current source of 220 V, practicality is strong, operating is simple. Keywords: Only flat machine Traffic lights Controler Design Realizents2001 级计算科学与技术 (教育 )专业毕业论文 第 1 页 共 27 页 1 引言 再今天，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。它由红绿两以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。 2 单片机概述 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简 称单片机，特别适用于控制领域，故又称为 微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过 1、 2、 3、 3代的发展，目前单片机正朝 着高性能和多品种方向发展，它们的 CPU 功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。 3 芯片的选择与简介 3.1 MSC-51 芯片简介 MCS-51 单片机内部结构 8051 是 MCS-51 系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行 系统的讲解。 8051 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： nts唐波：基于单片机的交通灯控制器的研究与设计 第 2 页 共 27 页 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。 图 1 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： 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。 全双工串行口： 8051 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 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。 时钟电路： 8051 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 8051 单片机需外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型，一种是程 序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛 (Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。 INTEL 的 MCS-51 系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的MCS-96 系列单片机则采用普林斯顿结构。 下图是 MCS-51 系列单片机的内部结构示意图 2。 nts2001 级计算科学与技术 (教育 )专业毕业论文 第 3 页 共 27 页 图 2 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 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： 如图 3 图 3 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）nts唐波：基于单片机的交通灯控制器的研究与设计 第 4 页 共 27 页 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 4 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/V pp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。 在编程时， EA/Vpp脚还 需加上 21V 的编程电压。 3.2 8255 芯片简介 8255可编程并行接口芯片简介 : 8255可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即 A口、 B口和 C口，对应于引脚 PA7 PA0、PB7 PB0和 PC7 PC0。其内部还有一个控制 寄存器，即控制口。通常 A 口、 B 口作为输入输出的数据端口。 C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成 4 位的端口，每个端口包含一个 4位锁存器。它们分别与端口 A配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。 8255可编程并行接口芯片方式控制字格式说明 : 8255 有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是 C 口按位置位复位控制字。其中 C口按位置位复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故在此不作叙述，需要时用户可自行查找有关资料。 方式控制字格式说明如表 1： 表 1 D7：设定工作方式标志，1 有效。 D6、 D5： A口方式选择 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 nts2001 级计算科学与技术 (教育 )专业毕业论文 第 5 页 共 27 页 0 0 方式 0 0 1 方式 1 1 方式 2 D4： A口功能 （ 1=输入， 0=输出） D3： C口高 4位功能 （ 1=输入， 0=输出） D2： B口方式选择 （ 0=方式 0， 1=方式 1） D1： B口功能 （ 1=输入， 0=输出） D0： C口低 4位功能 （ 1=输入， 0=输出） 8255可编程并行接口芯片工作方式说明 : 方式 0：基本输入输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端口都可以用作输入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。 方式 1：选通输入输出方式。这时 A口或 B 口的 8 位外设线用作输入或输出， C口的 4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。 方式 2 ：双向总线方式。只有 A口具备双向总线方式， 8位外设线用作输入或输出，此时 C口的 5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。 3.3 其他器件 数共阴极的七段数 码管。 如图 5 图 5 VT为双向晶闸管，当门极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当门极为低电平时晶闸管关断，该支路指示灯灭。 4 控制器硬件系统设计 4.1 交通管理的方案论证 A、 B 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 A、 B两干道的公共停车时间。设 A道比 B道的车流量大，指示灯燃亮的方案如表 2。 nts唐波：基于单片机的交通灯控制器的研究与设计 第 6 页 共 27 页 表 2 此表 2 说明：（ 1）当为黄灯时 A、 B 两道同时为黄灯；以提示行人或车辆下一个灯色即将到来 时间 3 秒。 （ 2）当 A 到为红灯， A 道车辆禁止通行， A 道行人可通过； B 道为绿灯， B 道车辆通过，行 人禁止通行。时间为 60 秒。 （ 3）当 A 道绿灯， A 道车辆通行； B 道为红灯， B 道车辆禁止通过，行人通行。时间为 80 秒。 A 道车流大 通行时间长 （ 4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。 （ 5）此表可根据车流量动态设定 4.2 系统硬件设计 选用设备 8031 单片机一片 选用设备： 8031 弹片机一片， 8255并行通用接口芯片一片，74LS07两片， MAX692看门狗一片， 共阴极的七段数码管两个 双向晶闸管 若干， 7805三端稳压电源一个，红、黄、绿交通灯各 两个，开关键盘、连线若干。 4 2 1 系统总框图如下 ： 图 6 3 60 3 80 3 60 A 道 黄灯亮 红灯亮 黄灯亮 绿灯亮 黄灯亮 红灯亮 B 道 黄灯亮 绿灯亮 黄灯亮 红灯亮 黄灯亮 绿灯亮 nts2001 级计算科学与技术 (教育 )专业毕业论文 第 7 页 共 27 页 4 2 2 交通灯控制线路 图 nts唐波：基于单片机的交通灯控制器的研究与设计 第 8 页 共 27 页 4 2 3 系统工作原理 （ 1）开关键盘输入交通灯初始时间，通过 8031 单片机 P1 输入到系统 (2) 由 8031 单片机的定时器每秒钟通过 P0 口向 8255 的数据口送信息 ，由 8255 的 PC 口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由 8255 的 PA、 PB 口显示每个灯的燃亮时间。 (3)8031 通过 设置 各个信号等的燃亮时间、通过 8031 设置，黄、绿、红时间依次为 3 秒、60 秒、 3 秒、 80 秒、 3 秒循环由 8031 的 P0 口向 8255 的数据口输出。 （ 4） 通过 8031 单片机的 P3.0 位来控制系统是工作或设置初值，当 .牌位 0 就对系统进行初始化，为 1 系统就开始工作。 （ 5） 8255口用于输出时间的个位，口用于输出时间的十位，由 747S07 驱动芯片驱动； 而口用于输出各个灯的情况 ， 它的末段连接双向晶 闸管采用 220V交流电压驱动。 （ 6）在交通控制程序中加入看门狗指令，当系统出现异常看门狗将发出溢出中断。通过专用端口输入到 MAX692看门狗芯片的 WDI 引角引起 RESET 复位信号复位系统 控制器的软件设计 5.1 每秒钟的设定 延时方法可以有两种一中是利用 MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定 1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。 5.2 计数器硬件延时 5.2.1 计数器初值计算 定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到 TH 和 TL中的。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，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为 C和计数初值设定为 TC 可得到如下计算通式 ： TC=M-C 式中， M为计数器摸值，该值和计数器工作方式有关。在方式 0时 M 为 213 ；在方式 1时 M的值为 216；在方式 2和 3为 28 5.2.2 计算公式 T=（ M TC） T 计数 或 T 计数 T 计数 是单片机时钟周期 的倍；为定时初值 如单片机的主脉冲频率为 ，经过分频 方式 213 微秒毫秒 方式 216 微秒毫秒 显然秒钟已经超过了计数器的最大定时间，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 5.2.3 秒的方法 我们采用在主程序中设定一个初值为的软件计数器和使定时毫秒这样每当到毫秒时就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。在中断服务子程序中，先使软件计数器减，然后判断它是否为零。为零表示秒已到可以返回到输出时间显示程nts2001 级计算科学与技术 (教育 )专业毕业论文 第 9 页 共 27 页 序。 5.2.4 相应程序代码 （） 主程序 定时器需定时毫秒，故工作于方式。 初值： T 计数 ms/1us=15536=3CBOH ORG 1000H START: MOV TMOD, #01H ; 令为定时器方式 MOV TH0, #3CH ;装入定时器初值 MOV TL0, #BOH ; MOV IE, #82H ;开 中断 SEBT T O ；启动计数器 MOV RO, #14H ;软件计数器赋初值 LOOP: SJMP $ ；等待中断 （）中断服务子程序 ： DJNZ ， AJMP TIME ; 跳转到时间及信号灯显示子程序 DJNZ： ， ；恢复 值 MOV TH0, #3CH ;重装入定时器初值 MOV TL0, #BOH ; MOV IE, #82H 5.3 软件延时 MCS-51的工作频率为 2-12MHZ，我们选用的 8031单片机的工作频率为 6MHZ。机器周期与主频有关，机器周期是主频的 12 倍，所以一个机器周期的时间为 12*（ 1/6M） =2us。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行 条数来确定 1秒的时间。 具体的延时程序分析： DELAY:MOV R4,#08H 延时 1秒子程序 DE2:LCALL DELAY1 DJNZ R4,DE2 RET DELAY1:MOV R6,#0 延时 125ms 子程序 MOV R5,#0 DE1: DJNZ R5,$ nts唐波：基于单片机的交通灯控制器的研究与设计 第 10 页 共 27 页 DJNZ R6,DE1 RET MOV RN， #DATA 字节数数为 2 机器周期数为 1 所以此指令的执行 时间为 2ms DELAY1 为一个双重循坏 循环次数为 256*256=65536 所以延时时间 =65536*2=131072us 约为125us DELAY R4设置的初值为 8 主延时程序循环 8次，所以 125us*8= 1秒 由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。 5.4 时间及信号灯的显示 5.4.1 8031 并行口的扩展 8031 虽然有 4 个 8 位 I/O 端口 ,但真正能提供借用的只有 P1 口 ,因为 P2 和 P0 口 通常用于传送外部传送地址和数据 ,P3 口也有它的第二功能。因此， 8031 通常需要扩展。由于我们用外输出时间时，时间的个位、十位、信号灯的显示都要用到一个 I/O 端口，显然 8031 的端口是不够，需要扩展。 扩展的方法有两种：（ 1）借用外部 RAM 地址来扩展 I/O 端口；（ 2）采用 I/O 接口新片来扩充。， 我们用 8255 并行接口信片来扩展 I/O 端口。 5.4.2 显示原理： 当定时器定时为 1 秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间 ，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一 秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值 ，重新进入循环。 5.4.3 8255 输出信号的放大： 要使行人能看见信号灯的情况，必须把 8255 输出的信号进行放大，这里我们用 VT 为双向晶闸管，当门极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当门极为低电平时关断，该支路指示灯灭。如图 2 我们用连接 7段数码管的方法来连接晶闸管 5.4.4 8255 输出信号与信号灯的连接： LED 灯的显示原理 :通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点量而显示 不同的字形如 SP， g,f,e,d,c,b,a 管角上加上所以 上为伏，不亮其余为高电平，全亮则显示为 采用共阴级连接 : 其中 PA0PB0-a, PA1PB1-b, PA2PB2-c, PA3PB3-d, PA4PB4-e, PA5PB5-f, PA6PB6-g nts2001 级计算科学与技术 (教育 )专业毕业论文 第 11 页 共 27 页 PA7PB7 -SP 接地 显示数值 dop g f e d c b a 驱动代码（ 16进制） 0 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH 1 0 0 0 0 0 1 1 0 06H 2 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH 3 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH 4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 5 0 1 1 0 1 1 0 0 6DH 6 0 1 1 1 1 1 0 0 7DH 7 0 0 0 0 0 1 1 1 07H 8 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH 表 3 驱动代码表 5.4.5 8255 与 8031 的连接： 用 8031的 P0 口的 p0.7 连接 8255的片选信号 cs 我们用 8031的地址采用全译码方式，当 p0.7 =0 时片选有效， 其他无效， p0.1 p0.1 用于选择 8255端口 P0.7 p0.6 p0.5 p0.4 p0.3 p0.2 P0.1 P0.0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 X X X X X 0 0 00H 为 8255 的 PA口 1 X X X X X 0 1 01H 为 8255的 PB口 1 X X X X X 1 0 02H 为 8255的 PC口 1 X X X X X 1 1 03H 为 8255的控制口 由于 8031是分时对 8255和储存器进行访问所以 8031 的 P0 口不会发生冲突 5.5 程序设计 5.5.1流程图如图所示 图 8 开始 初始化 等待键盘事件 键盘事件处理 显示程序处理 nts唐波：基于单片机的交通灯控制器的研究与设计 第 12 页 共 27 页 图 9 程序流程图 5.5.2 程序源代码 R4 存放黄灯时间 3 03H （此时间可以动态设定） R5 存放红灯时间 60 3CH R6 存放绿灯时间 80 50H PC0 显示黄灯信号 PC1 显示红灯信号 PC2 显示黄灯信号 8255 工作于 方式 0 8255 PA、 PB、 PC 口输出 PC 控制字为 10000000B （ 80H） nts2001 级计算科学与技术 (教育 )专业毕业论文 第 13 页 共 27 页 程序源代码 ： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0100H MAIN: MOV R1,#03H 初始化 8255 MOV A,#80H MOVX R1,A AGAIN: MOV P3,#80H 设置初值 MOV A,P3 JB ACC.7, NEXT0 AGAIN1: MOV P3,#40H MOV A,P3 JB ACC.6, RED MOV P3,#0FH MOV A,P3 ANL A,#0FH MOV R3,A AJMP AGAIN1 RED: MOV P3,#0FH MOV A,P3 ANL A,#0FH MOV R2,A AJMP AGAIN NEXT0: MOV R1,#03H nts唐波：基于单片机的交通灯控制器的研究与设计 第 14 页 共 27 页 NEXT1: MOV DPTR,#TAB 显示黄灯个位 MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV R1,#00H MOVX R1, A MOV R1,#O MOV DPTR,#TAB 显示黄灯十位 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R1,#01H MOVX R1,A MOV DPTR,#0C62H 显示黄灯信号 MOV A,#00H LCALL 0F4E0H ACALL DELAY 延时 1 秒 DJNZ R0,NEXT1 MOV A,R3 MOV R0,A NEXT2:MOV DPTR,#TAB 显示红灯 个位 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R1,#00H MOVX R1,A nts2001 级计算科学与技术 (教育 )专业毕业论文 第 15 页 共 27 页 MOV DPTR,#TAB 显示红灯十位 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R1,#01H MOV A,R0 MOVX R1,R0 MOV R1,#02H 显示红灯信号 MOV A,#02H MOVX R1,A ACALL DELAY 延时 1 秒 DJNZ R0,NEXT2 MOV A,R2 MOV R0,A NEXT3:MOV DPTR,#TAB 显示绿灯个位 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R1,#00H MOVX R1,R0 MOV DPTR,#TAB 显示绿灯十位 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R1,#01H MOV A,R0 MOVX R1,R0 nts唐波：基于单片机的交通灯控制器的研究与设计 第 16 页 共 27 页 MOV R1,#02H 显示绿灯信号 MOV A,#02H MOVX R1,A ACALL DELAY 延时 1 秒 DJNZ R0,NEXT3 AJMP NEXT0 DELAY:MOV R4,#08H 延时 1 秒子程序 DE2:LCALL DELAY1 DJNZ R4,DE2 RET DELAY1:MOV R6,#0 MOV R5,#0 DE1: DJNZ R5,$ DJNZ R6,DE1 RET TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H 驱动代码表 END 6 看门狗硬件电路 由于单片机自身的抗干扰能力比较差，尤其在一些 条件比较恶劣、噪声大的场合，常会出现单片机因为受外界干扰而导致死机的现象，造成系统不能正常工作。设置看门狗是为了防止单片机死机、提高单片机系统抗干扰性的一种重要途径。 一个完整的单片机应用系统应该是一个软、硬件的结合体，在系统正常工作时，会受到各种外界干扰因素的影响。这种外界干扰轻者导致系统内部数据出错，重者将严重影响程序的运行。因此单片机应用系统的开发一定要考虑系统可靠性的设计，以满足系统在现场苛刻环境下的正常运行，nts2001 级计算科学与技术 (教育 )专业毕业论文 第 17 页 共 27 页 而“看门狗”则是系统可靠性设计的重要一环。
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