交通灯控制器设计

1、 课程设计报告课程名称课程名称:单片机原理及应用课程设计设计题目设计题目： 交通灯控制器 系系 别：别： 通信与控制工程系 专专 业：业： 电子信息工程 班班 级：级： 电信二班 学生姓名学生姓名: 学学 号号: 起止日期起止日期:指导教师指导教师: 教研室主任：教研室主任： 指导教师评语指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日成绩成绩项项 目目权重权重1、设计过程中出勤、学习态度等方面0.22、课程设计质量与答辩0.53、设计报告书写及图纸规范程度0.3成成绩绩评评定定总 成 绩 教研室审核意见：教研室主任签字： 年 月 日教学系审核意见： 主任签字： 年 月 日 2摘 要近年来随着科技的

2、飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。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 STC89C52 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

3、秒时灯闪烁警示（交通灯信号通过 PA 口输出，显示时间直接通过 8255 的 PB 口输出至双位数码管） ，遇紧急情况可手动控制交通灯进入特殊状态。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。关键词：STC89C52；I/O 扩展芯片 8255；数码显示管；LED 显示 3目 录1 设计要求.12 方案论证与对比.12.1 方案一.12.2 方案二.12.3 方案对比与选择.13 系统硬件电路的设计.13.1 芯片的选择.13.2 STC89C52 引脚功能.23.3 8255 片.33.4 8255 芯片引脚功能.43.5 复位电路.43.6 数码管显示电路.54 系统软件的程序设计.64.1 软

4、件程序内容.64.2 主程序流程图.64.3 定时程序设计.64.4 实时时钟程序设计步骤.74.5 系统主要程序的设计理.74.5.1 初始化程序.74.5.2 主程序.84.5.3 外中断 0 中断服务程序.84.5.4 定时服务中断程序.84.5.5 交通灯 18s 显示原理.95 详细仪器清单.9 46 总结与思考及致谢.9参考文献.11附录一 原理图 .12附录二 程序清单.13 1基于 STC89C52 的交通灯控制器设计1 设计要求本课题以单片机为核心，设计交通灯控制器，具有以下功能：1、东西方向为红灯时，南北方向为绿灯；东西方向为绿灯时，南北方向为红灯。2、每个方向的通车时间为

5、 20S。3、当倒计时至 5S 时，灯开始闪烁。4、外部有一个按键可以控制交通灯进入特殊状态 10S，及 10S 灯全亮的状态，10S后恢复正常运行。2 方案论证与对比2.1 方案一：为了实现 LED 数码管的数字显示，采用静态扫描实现，此方法操作复杂，并且一个端口只能对应一个数码管。2.2 方案二：采用动态扫描实现 LED 数码管的数字显示，能有效的节省端口资源，并且操作也相对简单。2.3 方案对比与选择：根据以上方案的介绍与对比，显然选择方案二。 3 系统硬件电路的设计3.1 芯片的选择STC89C52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-

6、system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 STC 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构。 STC89C52RC 具有如下特点：40 个引脚（引脚图如图 1 所示） ，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，STC89C52RC 设计和配置

7、了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作， 2而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM 的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。图 1 STC89C52 芯片引脚图3.2 STC89C52 2 引脚功能VCC（40）：5V。 GND（20）：接地。 P0口（3932）：P0口为8位漏极开路双向 I/O 口，每引脚可吸收8个 TTL 门电流。 P1口（18）：P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向 I/O 口，P1口缓冲器能接收和输出4个 TTL 门电流。 P2口（2128）：P2口为内部上拉电阻器的8位

8、双向 I/O 口，P2口缓冲器可接收和输出4个 TTL 门电流。 P3口（1017）：P3口是8个带内部上拉电阻器的双向 I/O 口，可接收和输出4个TTL 门电流，P3口也可作为 AT89C51的特殊功能口。 RST（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持 RST 引脚2个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG（30）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地 3址的低位字节，在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时

9、，将跳过1个 ALE 脉冲。 PSEN（29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期2次 PSEN 有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的 PSEN 信号将不出现。 EA/VPP（31）：当 EA 保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000HFFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源（VPP） 。 XTAL1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出。3.3 8255芯片单片机系统里常用的8255芯片如图2是一个典型的可编程通用并行接口芯片，用来扩展单

10、片机的端口，它具有三个8位的并行口，有三种工作方式，可作为单片机与各种外部设备连接的接口电路。 4图 2 8255 芯片引脚图3.4 8255 芯片引脚功能RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有 I/O 口均被置成输入方式。 CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与 CPU 进行通讯;/CS=1时,8255无法与 CPU 做数据传输. RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向 CPU 发送数据或状态信息，即 CPU 从8255读取

11、信息或数据。 WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许 CPU 将数据或控制字写入8255。 D0D7:三态双向数据总线，8255与 CPU 数据传送的通道，当 CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。 PA0PA7:端口 A 输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 PB0PB7:端口 B 输入输出线，一个8位的 I/O 锁存器， 一个8位的输入输出缓冲 5器。PC0PC7:端口 C 输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口 C 可

12、以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口 A 和端口 B 配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。A0,A1:地址选择线,用来选择8255的 PA 口,PB 口,PC 口和控制寄存器。当 A0=0,A1=0时,PA 口被选择。当 A0=0,A1=1时,PB 口被选择。当 A0=1,A1=0时,PC 口被选择。当 A0=1.A1=1时,控制寄存器被选择。3.5 复位电路 MCS-51 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的 S5P2，斯密特触发

13、器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。上电复位：上电复位电路是种简单的复位电路，只要在 RST 复位引脚接一个电容到 VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到 RST 复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着 VCC 对电容的充电过程而回落，所以 RST 引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST 引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。上电自动复位电路图如图 3 所示： S1SW-PB2.2uFC1VCC1KR1图 3 上电自动复位图 6上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来

14、实现的。只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位。3.6 数码管显示电路显示电路采用 6 个 LED 数码管。单片机通过 8255 芯片的扩展端口驱动 LED 数码管（STC89C52 输出口能吸收 20mA 电流） ，用动态扫描法实现 LED 显示。数码管显示器成本低，配置灵活在单片机应用系统中广泛应用。数码管电路图如图 4 所示：图 4 数码管电路图4 系统软件的程序设计4.1 软件程序内容本设计的软件程序包括主程序、中断子程序、键盘处理程序和时钟显示子程序等。4.2 主程序流程图此设计的主程序流程图如图 5 所示： 7开始南北红东西绿延时 15s灯闪烁 5s南北绿东

15、西红灯闪烁 5s延时 15s图 5 主程序流程图4.3 定时程序设计单片机的定时功能也是通过计数器的计数来实现的，此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每经过 1 个机器周期的时间，计数器加 1。如果 MCS-51 采用的 11.092MHz 晶体，则计数频率为 1MHz，即每过 1us 的时间计数器加 1。这样可以根据计数值计算出定时时间，也可以根据定时时间的要求计算出计数器的初值。MCS-51 单片机的定时器/计数器具有 4 种工作方式，其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对特殊功能寄存器的编程，可以方便的选择定时器/计数器两种工作模式和 4 种工作方式

16、。定时器/计数器工作在方式 0 时，为 13 位的计数器，由 TLX(X=0、1)的低 5 位和THX 的高 8 位所构成。TLX 低 5 位溢出则向 THX 进位，THX 计数溢出则置位 TCON中的溢出标志位 TFX。当定时器/计数器工作于方式 1，为 16 位的计数器。本设计单片机多功能定时器，所以 MCS-51 内部的定时器/计数器被选定为定时器工作模式，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增 1。4.4 实时时钟程序设计步骤紧急情况灯全亮延时 10s 81、选择工作方式，计算初值；2、采用中断方式进行溢出次数累计，溢出一次为 50ms，20 次为 1s；3、从

17、 18 秒倒计时是通过溢出次数累加和数值比较实现的；4、主程序：主要进行定时器/计数器的初始化编程，然后反复调用显示子程序的方法等待中断的到来；5、中断服务程序：进行计时操作；4.5 系统主要程序的设计原理4.5.1 初始化程序初始化程序主要完成内存划，定时器的工作模式、中断方式等的设定。由于子程序调用较多，因此初始化时。定时器 T0 设为 16 位定时器模式，即定时器设置为工作方式 1，定时时间位 50ms,为秒计时用。分别给定时器的高八位和低八位赋初值，使定时器记满一次的时间为 50ms。如下所示式子：TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256

18、;子程序如下：void init() TMOD=0X01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; 4.5.2 主程序主程序要负责总体程序管理功能，实现人机交换设定。由于采用动态扫描方式显示时间，因此主程序大部分时间要调用扫描显示程序。当 P1=0 x99 时，南北亮红灯，东西为绿灯；当 P1=0 x66 时，南北亮绿灯，东西亮红灯。4.5.3 外中断 0 中断服务程序 9外部中断程序用于发生紧急情况时，使东西南北各个方向的灯全亮。按外部中断INT0 键，四个方向的发光二极管全亮，待 12s 以后恢复正

19、常工作。程序如下：int0() interrupt 0 j=1; while( j ) P1=0 x00; delay(12000); j=0; 4.5.4 定时服务中断程序定时器 T0 设为 16 位定时器模式，即定时器设置为工作方式 1，定时时间位 50ms,为秒计时用。分别给定时器的高八位和低八位赋初值，使定时器没记忆次数的时间为50ms。如下所示式子：TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;子程序如下：void init() TMOD=0X01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256;

20、EA=1; ET0=1; TR0=1; 4.5.5 交通灯 18s 显示原理设置 num 为 T0 累计溢出的次数，当 num360)&(num=720)时，即计时时间 t 在下一 10个 18 秒之内，交通灯南北亮红灯，东西亮绿灯；当 num=720 时，通过软件将 num 置0。5 详细仪器清单 表格 1 元器件种类及数量元件名称数量PCB 板122UF 电容130PF 电容2发光二极管13 位数码管2三极管 9015811.0592 晶振1轻触开关161K 电阻22STC89C52 芯片18255 芯片 1 220 电阻 106 总结与思考及致谢我们进行了为期两周的课程设计。通过

21、这次课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高，尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力。作为整个学习体系的有机组成部分，课程设计虽然安排在两周进行，但并不具有绝对独立的意义。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。对我们通信专业的本科生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课

22、堂教学是远远不够的，必须从课 11堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。课程设计促进了我系人才培养计划的完善和课程设置的调整。近年来，我系为适应学生的实践需要陆续增设与调整了一系列课程，受到同学的欢迎，其中这次的设计很受同学们的喜欢。课程设计达到了专业学习的预期目的。在两个星期的课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对软件开发流程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在

23、专业领域内进行更深入的学习。并且在这次课程设计的过程中，我真正接触到了硬件，经历从对硬件方面知识的欠缺到熟悉的过程，通过这次实验，第一次觉得原来硬件并不像我想象中的那样难，相反地，它是一门很有意思的课程，那么多不同的小小的芯片组合在一起竟然可以实现你想象不到的效果，真的是很神奇！以前只是觉得软件里的程序很神奇，因为就是那些密密麻麻的代码组合在一起也可以实现很特别的功能，现在看来硬件也蛮有意思的，总的说来，计算机真的是一门很神奇的课程，不管在哪些方面，都起着举足轻重的作用，想想现在的各行各业，哪个不用到微型机，对于学习通信专业的我来说，这应该是个警示，在剩下的大学生活里，我应该好好珍惜，好好学习

24、各方面的知识，这样以后在工作中也不至于落下笑话，至少要让别人觉得自己确实是学通信工程专业出去的。至少在单片机方面也是了解了一些些，我相信这次课程设计会对我以后的工作会有很大程度的益处，在此还要谢谢谭老师和田老师两位的用心指导！ 12参考文献1张鑫,华臻,陈书谦.单片机原理及应用(A). 北京电子工业出版社,2005.2朱定华,戴汝平.单片微机原理与应用.(M) 北京:清华大学出版社.,2003.3楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导.(B).北京航空航天大学出版社,2007.4康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.北京.华中科技电子技术组,2007.5严天峰.单片机应用系统设计与仿真调试.北京

25、：北京航空航天大学出版社,2002. 13附录一 原理图EA/VP31X119X218RESET9INT012INT113P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728ALE/P30VCC40GND20U289C52S1S2S3S4S5S6D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12R1R7510R12R165.1KR19+5+5VA1A2A3A4A5A6A1A2A3A4A5A6A3A2A1A4A5A6D1D

26、2D3D4D5D6D7D1D2D3D4D5D6D1D2D3D4D5D6D7D1D2D3D4D5D6D7D1D2D3D4D5D6D7D1D2D3D4D5D6D7GNDR20 510R23+5V+5VE1E2E3E4E5E6510E7E8E9E10E11E12E7E2E9E6E5E4E3E8E1E12E11E10GNDS7R255.1KR26 R27R28+5VGNDY1C120PFC220PFC322uFS8+5VGNDGNDQ1Q2Q3Q49013D7abfcgdeDPY1234567a b c d efg8comdpDS2abfcgdeDPY1234567a b c d efg8comdpDS1abfcgdeDPY1234567a b c d efg8comdpDS3abfcgdeDPY1234567a b c d efg8comdpDS4 14附录二 程序清单#include#include #define uint unsigned int