单片机控制交通灯控制电路设计毕业论文.doc

淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 毕业论文 设计 毕业论文 设计 论文题目 基于单片机的交通灯控制电路设计 学生姓名 董仁龙 学 号 1114010205 所在院系 电气信息工程学院 专业名称 自动化 届 次 2011 届 指导教师 井田 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 目 录 摘 要 1 1 设计目标 2 2 硬件设计 2 2 1 器件选择 2 2 2 MSC 51 芯片简介 2 2 3 8255 可编程并行接口芯片简介 6 2 4 74LS373 简介 7 3 系统硬件设计 8 3 1 交通管理的方案论证 8 3 2 设计其目的 8 3 3 设计与步骤 8 3 3 1 系统硬件设计 10 3 3 2 系统总框图 10 3 3 3 交通灯硬件线路图 11 3 3 4 系统工作原理 12 4 程序设计 14 4 1 流程图 14 4 2 程序源代码 16 5 设计结果分析 22 6 设计体会 22 7 致谢 23 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 0 基于单片机的交通灯控制电路设计 学生 董仁龙 指导老师 井田 淮南师范学院电气信息工程学院 摘要 在实时检测和自动控制的单片机应用系统中 单片机往往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软硬件结合 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 靠的就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 ATSC51 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 8051 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 交通灯信号通过 PA 口输出 显示时间直接通过 8255 的 PC 口输出至双位数码 管 车辆闯红灯报警 绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示 本系统 实用性强 操作简单 扩展功能强 当今 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 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 关键词 MSC 51 系列单片机 ATSC51 交通灯控制器 I O 接口芯片 双位数码管 1 1 设计目标 1 实现交通灯控制系统的基本功能 2 系统具有较强的稳定性 3 系统可根据需要附加一些功能 2 硬件设计 1 用单片机的定时器产生秒信号 控制十字路口的红绿黄灯交替点亮和熄灭 2 用实验箱上的发光二级管模拟十字路口交通灯信号 用可编程并行接口芯片 8255A来实现该设计 2 1 器件选择 元件名参数备注 MSC 51 8051 1 单片机 8255A2 可编程外设接口 LED RED GREEN YELLOW 3 红绿黄LED 74LS3736 锁存器 表1 2 2 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 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 2 图 1 下图是 MCS 51 系列单片机的内部结构示意图 2 图 2 3 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 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 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 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 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 5 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 2 3 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 方式控制字格式说明如表 1 表2 D7 设定工作方式标志 1 有效 D6 D5 A 口方式选择 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 8255A各口的应用 PA负责传输南北向数码管的值 PB负责传输东西向数码管的值 PC负责控制东西向 南北向数码的暗灭 控制寄存器 假设为PD 负责控制8255a的工 作方式 此系统中值为0 x80 即无条件传输方式 D7D6D5D4D3D2D1D0 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 6 图 5 2 4 74LS373 简介 74LS373 是一种带三态门的 8D 锁存器 其管脚示意图如下示 图 6 7 其中 1D 8D 为 8 个输入端 1Q 8Q 为 8 个输出端 LE 为数据打入端 当 LE 为 1 时 锁存器输出 状态同输入状态 当 LE 由 1 变 0 时 数据 打入锁存器 OE 为输出允许端 当 OE 0 时 三态门打开 当 OE 1 时 三态门关闭 输出高阻 因为P0口为数据线 地址线复用 所以用一个锁存器将8255a的地址所存 3 系统硬件设计 3 1 交通管理的方案论证 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 设计一个十字路口的交通灯控制系统 南北东西四个方向 南北口绿灯亮 东西红灯亮 南北方向通车 时间为 20 秒 南北口绿灯灭 黄灯开始闪烁 5 秒 红灯亮 东西口红灯灭 绿灯亮 东西口方向通 车 时间为 20 秒 东西口绿灯灭 黄灯闪烁 5 秒 红灯亮 南北口红灯灭 黄灯开始 闪烁 5 秒 绿灯亮 南北口通车 以此类推循环运行 按任意键停止 若有紧急情况 四个路口红灯全亮 紧急车通过时间为本 10 秒 3 2 设计其目的 应用 掌握接口芯片与中断技术的硬件电路组成及中断处理程序等软件的编制方 法内容 3 3 设计与步骤 用实验箱上的发光二级管模拟十字路口交通灯信号 用可编程并行接口芯片 8255A 来实现该设计 8255A 的 B 口和 C 口控制 12 个 LED 发光二极管的亮 灭 0 亮 1 灭 并行接口硬件连线 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 8 如图 7 所示 图 7 并行接口连线图 3 三个端口均工作于方式 0 处于输出状态 4 8255A A 口地址为 218H B 口地址为 219H C 口为 21AH 控制端口地址为 21BH 8255PA 口输出信号接信号灯 由于发光二极管为共阳极接法 输出端口为低电平 对应的二极管发光 所以可 以用置位方法点亮红 绿 黄发光二极管 8255 输出信号与数码管的连接 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 9 3 3 1 系统硬件设计 选用设备 8031 单片机一片选用设备 8031 单片机一片 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 3 3 2 系统总框图如下 图 8 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 10 3 3 3 交通灯硬件线路图 P1 0 TIM2 2 P1 1 TIM2EX 3 P1 2 4 P1 3 5 P1 4 6 P1 5 MOSI 7 P1 6 MISO 8 P1 7 SCK 9 RESET 10 P3 0 RXD 11 P3 1 TXD 13 P3 2 INT0 14 P3 3 INT1 15 P3 4 TIM0 16 P3 5 TIM1 17 P3 6 WR 18 P3 7 RD 19 X2 OUT 20 X1 IN 21 GND 22 P2 0 A8 24 P2 1 A9 25 P2 2 A10 26 P2 3 A11 27 P2 4 A12 28 P2 5 A13 29 P2 6 A14 30 P2 7 A15 31 PSEN 32 ALE PROG 33 VPP EA 35 P0 7 AD7 36 P0 6 AD6 37 P0 5 AD5 38 P0 4 AD4 39 P0 3 AD3 40 P0 2 AD2 41 P0 1 AD1 42 P0 0 AD0 43 VCC 44 NC 12 NC 23 NC 34 NC 1 AT89S52 24JI 0 43K white black 0 1K 0 1K 5V 12 11 0592MHz 30pF 30pF S1 0 3K 22uF 5V S2 4 3K 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 0 3K 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 0 3K 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 5V D2 7 O1 5 O3 9 GND 10 O5 15 D3 8 O4 12 O7 19 D0 3 D7 18 D5 14 O0 2 D4 13 D1 4 VCC 20 D6 17 OE 1 O2 6 LE 11 O6 16 SN74LS373N 5V RED1GREEN2YELLOW2RED2YELLOW1GREEN1 0 3K A1 1 A2 6 f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 1OE 1 1A1 2 1A2 4 1A3 6 1A4 8 GND 10 1Y4 12 1Y3 14 1Y2 16 1Y1 18 VCC 20 2Y4 3 2Y3 5 2Y2 7 2Y1 9 2A1 11 2A2 13 2A3 15 2A4 17 2OE 19 5V 5V 3 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 PA3 PA2 PA1 PA0 RD CS GND A1 A0 PC7 PC6 PC5 PC4 PC0 PC1 PC2 PC3 PB0 PB1 PB2PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 Vcc D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 RESET WR PA7 PA6 PA5 PA4 8255 5V A1 1 A2 6 RED 5V VCC 图 9 11 3 3 4 系统工作原理 1 开关键盘输入交通灯初始时间 通过 8051 单片机 P1 输入到系统 2 由 8051 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 PA 口显示红 绿 黄灯的燃亮情况 由 8255 的 PC 口显示每个灯的燃亮时间 3 8051 通过 设置 各个信号等的燃亮时间 通过 8031 设置 绿 红时间分别 为 60 秒 80 秒循环由 8051 的 P0 口向 8255 的数据口输出 4 通过 8051 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 红灯倒计时时间 当有车辆闯红灯时 启动蜂鸣器进行报警 3S 后然后恢复 正常 6 增加每次绿灯时间车流量检测的功能 并且通过查询 P2 0 端口的电平是否 为低 开关按下为低电平 双位数码管显示车流量 直到下一次绿灯时间重新记入 7 绿灯时间倒计时完毕 重新循环 8051 并行口的扩展 8051 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 由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值 数码管的输出显示 红绿黄信号灯 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 8255PA 口输出信号接信号灯 由于发光二极管为共阳极接法 输出端口为低电平 对应的二极管发光 所以可 以用置位方法点亮红 绿 黄发光二极管 8255 输出信号与数码管的连接 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 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 12 采用共阴级连接 其中 PC0 PB0 a PC1 PB1 b PC2 PB2 c PC3 PB3 d PC4 PB4 e PC5 PB5 f PC6 PB6 g PC7 PB7 SP 接地 显示数值 dop g f e d c b a 驱动代码 16 进制 00 0 1 1 1 1 1 13FH 10 0 0 0 0 1 1 006H 20 1 0 1 1 0 1 15BH 30 1 0 0 1 1 1 14FH 40 1 1 0 0 1 1 066H 50 1 1 0 1 1 0 06DH 60 1 1 1 1 1 0 07DH 70 0 0 0 0 1 1 107H 80 1 1 1 1 1 1 17FH 表 3 驱动代码表 8255 与 8051 的连接 用 8051 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 13 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 8051 是分时对 8255 和储存器进行访问所以 8051 的 P0 口不会发生冲突 4 程序设计 4 1 流程图如图所示 图 10 开始 初始化 等待键盘事件 键盘事件 处理 显示程序处 理 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 14 图 11 程序流程图 15 4 2 程序源代码 ORG 0000H 主程序的入口地址 LJMP MAIN 跳转到主程序的开始处 ORG 0003H 外部中断 0 的中断程序入口地址 ORG 000BH 定时器 0 的中断程序入口地址 LJMP T0 INT 跳转到中断服务程序处 ORG 0013H 外部中断 1 的中断程序入口地址 MAIN MOV SP 50H MOV IE 8EH CPU 开中断 允许 T0 中断 T1 中断和外部中断 1 中 断 MOV TMOD 51H 设置 T1 为计数方式 T0 为定时方式 且都工作于模 式 1 MOV TH1 00H T1 计数器清零 MOV TL1 00H SETB TR1 启动 T1 计时器 SETB EX1 允许 INT1 中断 SETB IT1 选择边沿触发方式 MOV DPTR 0003H MOV A 80H 给 8255 赋初值 8255 工作于方式 0 MOVX DPTR A AGAIN JB P3 1 N0 判断是否要设定东西方向红绿灯时间的初值 若 P3 1 为 1 则跳转 MOV A P1 JB P1 7 RED 判断 P1 7 是否为 1 若为 1 则设定红灯时间 否则设 定绿灯时间 MOV R0 00H R0 清零 MOV R0 A 存入东西方向绿灯初始时间 MOV R3 A 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 16 LCALL DISP1 LCALL DELAY AJMP AGAIN RED MOV A P1 ANL A 7FH P1 7 置 0 MOV R7 00H R7 清零 MOV R7 A 存入东西方向红灯初始时间 MOV R3 A LCALL DISP1 LCALL DELAY AJMP AGAIN N0 SETB TR0 启动 T0 计时器 MOV 76H R7 红灯时间存入 76H N00 MOV A 76H 东西方向禁止 南北方向通行 MOV R3 A MOV DPTR 0000H 置 8255A 口 东西方向红灯亮 南北方向绿灯亮 MOV A 0DDH MOVX DPTR A N01 JB P2 0 B0 N02 SETB P3 0 CJNE R3 00H N01 比较 R3 中的值是否为 0 不为 0 转到当前指令处执 行 黄灯闪烁 5 秒程序 N1 SETB P3 0 MOV R3 05H MOV DPTR 0000H 置 8255A 口 东西 南北方向黄灯亮 MOV A 0D4H MOVX DPTR A 17 N11 MOV R4 00H N12 CJNE R4 7DH 黄灯持续亮 0 5 秒 N13 MOV DPTR 0000H 置 8255A 口 南北方向黄灯灭 MOV A 0DDH MOVX DPTR A N14 MOV R4 00H CJNE R4 7DH 黄灯持续灭 0 5 秒 CJNE R3 00H N1 闪烁时间达 5 秒则退出 N2 MOV R7 00H MOV A R0 东西通行 南北禁止 MOV R3 A MOV DPTR 0000H 置 8255A 口 东西方向绿灯亮 南北方向红灯亮 MOV A 0EBH MOVX DPTR A N21 JB P2 0 T03 N22 CJNE R3 00H N21 黄灯闪烁 5 秒程序 N3 MOV R3 05H MOV DPTR 0000H 置 8255A 口 东西 南北方向黄灯亮 MOV A 0E2H MOVX DPTR A N31 MOV R4 00H CJNE R4 7DH 黄灯持续亮 0 5 秒 N32 MOV DPTR 0000H 置 8255A 口 南北方向黄灯灭 MOV A 0EBH MOVX DPTR A N33 MOV R4 00H 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 18 CJNE R4 7DH 黄灯持续灭 0 5 秒 CJNE R3 00H N3 闪烁时间达 5 秒则退出 SJMP N00 闯红灯报警程序 B0 MOV R2 03H 报警持续时间 3 秒 B01 MOV A R3 JZ N1 若倒计时完毕 不再报警 CLR P3 0 报警 CJNE R2 00H B01 判断 3 秒是否结束 SJMP N02 1 秒延时子程序 N7 RETI T0 INT MOV TL0 9AH 给定时器 T0 送定时 10ms 的初值 MOV TH0 0F1H INC R4 INC R5 CJNE R5 0FAH T01 判断延时是否够一秒 不够则调用显示子程序 MOV R5 00H R5 清零 DEC R3 倒计时初值减一 DEC R2 报警初值减一 T01 ACALL DISP 调用显示子程序 RETI 中断返回 显示子程序 DISP JNB P2 4 T02 DISP1 MOV B 0AH MOV A R3 R3 中值二转十显示转换 DIV AB MOV 79H A MOV 7AH B 19 DIS MOV A 79H 显示十位 MOV DPTR TAB MOVC A A DPTR MOV DPTR 0002H MOVX DPTR A MOV DPTR 0001H MOV A 0F7H MOVX DPTR A LCALL DELAY DS2 MOV A 7AH 显示个位 MOV DPTR TAB MOVC A A DPTR MOV DPTR 0002H MOVX DPTR A MOV DPTR 0001H MOV A 0FBH MOVX DPTR A RET 东西方向车流量检测程序 T03 MOV A R3 SUBB A 00H 若绿灯倒计时完毕 不再检测车流量 JZ N3 JB P2 0 T03 INC R7 CJNE R7 64H E1 MOV R7 00H 中断到 100 次则清零 E1 SJMP N22 东西方向车流量显示程序 T02 MOV B 0AH 淮南师范学院 2011 届本科毕业论文 20 MOV A R7 R7 中值二转十显示转换 DIV AB MOV 79H A MOV 7AH B DIS3 MOV A 79H 显示十位 MOV DPTR TAB MOVC A A DPTR MOV DPTR 0002H MOVX DPTR A MOV DPTR 0001H MOV A 0F7H MOVX DPTR A LCALL DELAY DS4 MOV A 7AH 显示个位 MOV DPTR TAB MOVC A A DPTR MOV DPTR 0002H MOVX DPTR A MOV DPTR 0001H MOV A 0FBH MOVX DPTR A LJMP N7 延时 4MS 子程序 21 DELAY MOV R1 0AH LOOP MOV R6 64H NOP LOOP1 DJNZ R6 LOOP1 DJNZ R1 LOOP RET 字符表 TAB DB 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH 6FH END 5 设计结果与分析 用单片机设计的结果实现了交通信号灯的控制以及特殊情况的信号处理 还充分 利用