能力拓展训练-交通灯控制器设计课件

1、学 号： 能力拓展训练题 目交通灯控制器设计学 院自动化学院专 业自动化专业班 级自动化1102班姓 名指导教师孙晓明 2014年6月22日武汉理工大学能力拓展训练说明书能力拓展训练任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1102班 指导教师： 孙晓明 工作单位： 自动化学院 题 目: 交通灯控制器设计 初始条件：计算机、Max+plus、EDA实验箱。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）实现南北和东西方向的交通控制，利用控制键对通行时间进行控制，可更改方向与通行时间的调整。分别显示东西、南北方向的红、黄、绿指示灯，并且显示通行与等待时间。提高部分：设

2、置交通管制开关，选择规定方向的绿灯，其他方向为红灯，不显示通行与等待时间。任务安排：（1) 设计任务及要求分析（2) 方案比较及认证说明（3) 系统原理阐述，写出设计方案结构图。（4) 软件设计课题需要说明：软件思想，流程图，源程序及程序注释（5) 调试记录及结果分析、（6) 总结（7) 参考资料5篇以上（8) 附录：程序清单时间安排：D1：安排设计任务；收集资料；方案选择D2：程序设计D3：实验室内调试程序并演示D4：撰写报告D5：交能力拓展训练报告主要参考资料：1 谭会生，张昌凡EDA 技术及应用西安：西安电子科技大学出版社20042 孙晓明EDA实验指导书武汉：武汉理工大学教材中心，20

3、071指导教师签名： 孙晓明 2014 年 6 月 24 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要单片机采用编程控制的方式，主要用以实现各种测试和控制功能。单片机的引入使控制系统大大“软化”，相比其他计算机应用问题，单片机控制应用中的硬件内容较多，所以单片机控制应用有软硬结合的特点。单片机应用现场的环境比较恶劣，电磁干扰、电源波动、冲击振动、高低温等因素都会影响系统的工作的稳定。此外，无人值守的环境也会对单片机系统的稳定性和可靠性提出更高的要求。所以稳定和可靠在单片机的应用中具有格外重要的意义。单片机应用广泛。在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现，其应用

4、领域包括工业自动化方面、仪器仪表方面、家用电器方面、信息和通信产品方面以及军事装备方面。本次课程设计用单片机来实现，其模型可以由电源电路、单片机主控电路、无线收发控制电路四部分组成。在电源电路中，需要用到+5v的直流稳压电源，无线收发控制电路和显示电路可由编码芯片和数据发射模块两部分组成，主控电路元件为AT89C51，硬件设计完成后还要利用计算机软件进行软件部分设计才能够实现相应的功能。单片机性能稳定，可靠性高，也具有一定的精度，且低电压、低功耗。从经济方面考虑，也最为合适。所以此次设计选用单片机为核心控制器。在本系统的开发和设计中，选择ATMEL公司的AT89C51单片机最合适。关键词：单片

5、机 交通灯 EDA目录1 设计任务及要求分析11.1 设计任务11.2 提高部分11.3 任务要求分析12 方案设计22.1 设计思路22.2 单片机设计方案22.3 FPGA设计方案22.4 方案选择23 交通灯控制器硬件电路设计33.1 交通灯控制器系统分析33.2 交通控制器硬件电路图53.3 数码管及LED显示模块63.4键盘输入电路63.5 单片机控制电路74交通灯控制器软件设计84.1主程序流程图84.2黄灯亮子程序84.3数码管显示流程94.4定时器流程图104.5按键输入中断105调试记录与仿真结果分析126 心得体会16参考文献17附录118源程序18本科生能力拓展训练成绩评

6、定表231 设计任务及要求分析伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高,汽车的数量在不断增加，交通事业得以蓬勃发展，而随之引起的安全问题已经不容忽视。EDA技术的发展和应用领域也在不断的扩大与深入，机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域的重要性日益突出。为了确保十字路口的行人和车辆顺利，畅通的通过，往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。利用EDA技术设计交通灯来完成这个需求就显的更加迫切，同样也是非常的实用和合理。1.1 设计任务实现南北和东西方向的交通控制，利用控制键对通行时间进行控制，可更改方向与通行时间的调整。分别显示东西、南北方向的红、黄、绿指示灯，并且显示通

7、行与等待时1.2 提高部分设置交通管制开关，选择规定方向的绿灯，其他方向为红灯，不显示通行与等待时间。1.3 任务要求分析在十字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯和倒计时显示器，用以指挥车辆和行人有序地通行。其中，红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮，表示停车；绿灯亮，表示可以通行。倒计时显示器是用来显示允许通行或禁止通行时间。交通灯控制器就是用来自动控制十字路口的交通灯和计时器，指挥各种车辆和行人安全通行。交通灯控制器的核心范围是一个计数范围为049共（50秒）的计数器和一个根据计数值做出规定反映的控制器。另外，作者所用的实验仪配备的晶振为20MHZ,因此还需要一个分频电路。最后，要驱动七段

8、数码管，显然还需要一个译码电路。2 方案设计2.1 设计思路交通灯原理示意图如图2-1所示。要实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、单片机和可编程序控制器等方法。图2-1 交通灯原理示意图2.2 单片机设计方案若用单片机来实现，其模型可以由电源电路、单片机主控电路、无线收发控制电路四部分组成。在电源电路中，需要用到+5v的直流稳压电源，无线收发控制电路和显示电路可由编码芯片和数据发射模块两部分组成，主控电路元件为AT89C51，硬件设计完成后还要利用计算机软件进行软件部分设计才能够实现相应的功能。2.3 FPGA设计方案若采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器，可以实

9、现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集中在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可一应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。2.4 方案选择FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理优势得不到充分体现，并且由于起集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。单片机采用编程控制的方式，主要用以实现各种测试和控制功能。单片机的特点如下：（1）控制系统在线作用。单片机的控制作用可分为两个方面：一是离线控制，二是在线控制。

10、（2）软硬件结合。单片机的引入使控制系统大大“软化”，相比其他计算机应用问题，单片机控制应用中的硬件内容较多，所以单片机控制应用有软硬结合的特点。（3）应用现场环境恶劣。通常单片机应用现场的环境比较恶劣，电磁干扰、电源波动、冲击振动、高低温等因素都会影响系统的工作的稳定。此外，无人值守的环境也会对单片机系统的稳定性和可靠性提出更高的要求。所以稳定和可靠在单片机的应用中具有格外重要的意义。（4）应用的广泛性。在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现。其应用领域包括工业自动化方面、仪器仪表方面、家用电器方面、信息和通信产品方面以及军事装备方面。综上所述，单片机的稳定

11、性，可靠性都有着很好的保证，它也具有一定的精度，且低电压、低功耗。从经济方面考虑，也最为合适。所以此次设计选用单片机为核心控制器。在本系统的开发和设计中，选择ATMEL公司的AT89C51单片机最合适。3 交通灯控制器硬件电路设计3.1 交通灯控制器系统分析交通灯控制系统框图如图3-1所示。计数器红绿灯发光二极管控制器分频器分位译码器扫描显示电路七段数码管显示器T1 CLK 1HZCLK 1HZ图3-1 交通灯控制系统框图交通灯控制器计数值与交通灯亮灭关系图如图3-2所示。A G40s Y5s L15s Y5s R55sB R65s G30s Y5s L15s Y5s图3-2 交通灯控制器计数

12、值与交通灯亮灭关系图东西、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。黄灯亮并闪烁提示人们注意红、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A道比B道的车流量大，绿灯亮的时间长，指示灯亮灭的方案如表3-1所示。表3-1 指示灯亮灭方案表45S5S60S5S45S5S东西红灯亮黄闪烁绿灯亮黄闪烁红灯亮黄闪烁南北绿灯亮黄闪烁红灯亮黄闪烁绿灯亮黄闪烁说明：（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5秒。 （2）当东西道到红灯，东西道车辆禁止通行，东西道行人可通

13、过；南北道为绿灯，南北道车辆通过，行人禁止通行。时间为45秒。（3）当东西道亮绿灯，东西道车辆通行，行人禁止通行；南北道为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行。时间为60秒。东西道车流大，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）此表红绿灯亮时间的可根据车流量动态设定。3.2 交通控制器硬件电路图图3-3 交通灯控制器硬件电路图3.3 数码管及LED显示模块数码管进行倒计时显示，LED显示交通灯亮的情况，提示路人。由于数码管显示数据中，位选线需要较大的电流驱动，而实际上89C51单片机管脚输出拉电流一般为十几到二十mA，不足以驱动数码管

14、，因此在位选线上要接驱动电路，起电流放大作用。LED显示采用共阳极接法，采用串联200电阻限流。数码管及LED显示模块图如图3-4所示。图3-4 数码管及LED显示模块3.4键盘输入电路键盘输入电路图如图3-5所示。键盘输入电路采用中断输入方式，当按下调节红绿灯计时时间开关及交通管制开关，就会产生中断，进而判断哪个按键按下，处理相关的程序。按下红灯调节按钮RED，再按下INCREASE按键几下，使红灯通行时间增加几秒，再按下DECREASE按键几下，使红灯通行时间减少几秒，松开RED，则返回正常交通灯显示，绿灯GREEN功能相同。按下WEST，东西道绿灯亮，南北道红灯亮，NORTH功能则相反。

15、其中WEST和NORTH具有优先控制权，WEST级别最高。图3-5 键盘输入电路图3.5 单片机控制电路整个控制系统的核心是单片机，单片机P3口采集键盘输入信号，P2口低4位作为数码管的位选线，控制数码管的导通与关断，P1口输出数码管将要显示的数据，采用BCD码输出。P0口控制LED灯的通断。单片机控制电路图如图3-6所示。图3-6 单片机控制电路图4交通灯控制器软件设计4.1主程序流程图主程序功能是完成数码管倒计时以及LED信号灯的循环显示提示信号其流程图如图4-1所示。图4-1 交通灯控制器主程序流程图4.2黄灯亮子程序黄灯亮子程序的功能是控制LED提示灯黄灯闪烁，同时数码管倒计时计数，其

16、流程图如图4-2所示。图4-2 黄灯子程序流程图4.3数码管显示流程图数码管采用动态扫描的方式进行显示，其流程图如图4-3所示。图4-3 数码管显示流程图4.4定时器流程图定时器采用中断方式进行1S计时，其流程图如图4-4所示。图4-4 定时器流程图4.5按键输入中断按键中断通过控制信号输入INT0进行中断控制，流程图如图4-5所示。图4-5 按键输入中断流程图5调试记录与仿真结果分析东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯，倒计时45S，单片机开始运行时的现象如图5-1所示。图5-1 东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯倒计时开始东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯，倒计时至8S时如图5-2所示。图5-2 东西方

17、向亮红灯，南北方向亮绿灯，倒计时至8S亮黄灯，倒计时5S仿真图形如图5-3所示。图5-3 黄灯闪烁5S仿真现象东西方向亮绿灯，南北方向亮红灯，倒计时60S.仿真图形如图5-4所示。图5-4 东西方向亮绿灯，南北方向亮红灯，倒计时60S按下NORTH键，东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯，如图5-5所示。图5-5 按下NORTH键现象按下红灯调节按钮，在按下3次INCREASE后松开红灯调节按钮的现象如图5-6所示。图5-6 按下红灯调节按钮，在按下3次INCREASE后现象按下绿灯调节按钮，在按下7次DECREASE后松开绿灯调节按钮的现象如图5-7所示。图5-7 按下绿灯调节按钮，在按下7次DE

18、CREASE后现象6 心得体会本次课程设计设计的题目是交通灯控制模拟系统，根据所学知识，可以用单片机、PLC、EDA等软件来完成。但由于没有系统学习过EDA的课程，通过比较，最终选择用单片机来完成。通过这次的毕业设计，基本上掌握了一般的设计步骤：首先明确设计任务，通过讨论思考及必要的简单实验和实际考查完成对总体设计指标的系统了解；进而要对整个设计系统经过深入的方案论证、计算以及联系实际的工作环境等一系列条件；最终确立自己的设计方案，并对自己确立的方案进行硬件实现，包括所用元器件选型，以及控制部分整个单片机系统的硬件选型与设计，Proteus绘制出整体的硬件原理图等。接下来进行了软件部分的设计，

19、经过流程图绘制，搞清楚各个部分实现的功能，进而对整个系统进行软件编程实现，并通过Proteus professional软件仿真，到此基本上这个系统设计已经完成大半，最后就是要经过实践的检验，确定我们的设计具有的运用价值。本设计系统是基于单片机的模拟交通灯控制系统，具有一定的实际意义。通过本次设计很好完成了以单片机为核心，通过LED数码管显示和LED灯完成了十字路口的工作状态的模拟，并且通过按键有效的控制等待时间的长短的目的.其运行可靠，操作方便，适用性强，可以广泛应用于城市路口，具有较大的推广价值。在课程设计中，我学到了很多东西，也弥补了以前的很多不足。希望以后能够多做一些这样的训练。参考文

20、献1 徐海军，叶卫东FPGA在高性能数据采集系统中的应用J计算机技术与应用，20055：44-612 辛君，黄松岭，刘立力基于FPGA的超多通道高速采集系统设计J电测与仪表，200812：125-1503 MEYERBAESE U，刘凌译数字信号处理的FPGA实现M北京：清华大学出版社，20064 郑燕，赫建国，党剑华基于VHDL语言与Quartus软件的可编程逻辑器件应用与开发北京：国防工业出版社，20075 黄科，艾琼龙EDA数字系统设计案例实践清华大学出版社，20106 Gottschalk，EShi Z. FPGA Curved Track Fitters and a Multipli

21、erless Fitter Scheme，2008附录17447功能表十进制DCBAabcdefg000000000001100011001111200100010010300110000110401001001100501010100100601101100000701110011111810000000000910010001100源程序STAND EQU 20HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP KEYORG 000BHAJMP TIMERMAIN:MOV SP, #50H SETB IT0;外部中断边沿处触发方式 SETB EX0;开放外部中断 MOV TM

22、OD,#01H MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0BH SETB ET0 SETB TR0 SETB EA MOV R1,#45H MOV R0,#60H MOV R2,#05H MOV R5,#00H CLR STAND ;东西方向通行FIRST:MOV 30H,R1 MOV P2,#00HHERE:JNB STAND,TED DEC 30H MOV R6,30H ACALL DAA MOV 30H,R6 CLR STAND MOV A,30H JZ SECOND ;此处少若30H位0，则挑下一步TED:MOV P0,#2EH MOV P1,30H;JIANHUA MOV P2,

23、#0AH ACALL DELAY MOV P2,#00H MOV A,30H SWAP A MOV P1,A MOV P2,#05H ACALL DELAY MOV P2,#00H SJMP HERE ;黄灯闪烁5秒SECOND:ACALL YELLOWTHERE:MOV 32H,R0 MOV P2,#00HHERE2:JNB STAND,TED2 DEC 32H MOV R6,32H ACALL DAA MOV 32H,R6 CLR STAND MOV A,32H JZ FOUR ;此处少若30H位0，则挑下一步TED2:MOV P0,#35H MOV P1,32H;JIANHUA MOV

24、P2,#0AH ACALL DELAY MOV P2,#00H MOV A,32H SWAP A MOV P1,A MOV P2,#05H ACALL DELAY MOV P2,#00H SJMP HERE2 FOUR:ACALL YELLOW AJMP FIRSTDELAY: MOV R4,#100 E: MOV R3,#100 D: DJNZ R3,D DJNZ R4,E RETDAA:MOV A,R6;bcd码减法调整指令 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,OUT2 MOV A,R6 ANL A,#0F0H CJNE A,#0F0H,NEXT MOV R6,#99H SJMP

25、 OUT2NEXT:ADD A,#09H MOV R6,AOUT2:RET;黄灯闪烁5秒子程序YELLOW:MOV 31H,R2 MOV P2,#00H MOV P0,#1BHHERE1:JNB STAND,TED1 DEC 31H CLR STAND MOV A,31H JZ TOOUT CPL P0.2 ;此处少若30H位0，则挑下一步TED1: MOV P1,31H;JIANHUA MOV P2,#0AH ACALL DELAY MOV P2,#00H MOV A,31H SWAP A MOV P1,A MOV P2,#05H ACALL DELAY MOV P2,#00H SJMP HERE1TOOUT:RETTIMER:MOV TH0,#30H;定时器1秒中断 MOV TL0,#0B0H INC R5 MOV A,R5 CJNE A,#28H,OUT1 SETB STAND MOV R5,#00H OUT1:RETIKEY:JNB P3.0,WEST;键盘扫描中断 J