单片机原理及应用-交通灯控制系统设计

1、 网络教育学院单片机原理及应用大作业 题 目： 交通灯控制系统设计 学习中心： 安徽滁州奥鹏学习中心层 次： 专升本 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 14 年 03 春季 学 号： 1 学生姓名： 董超 摘 要本设计主要研究最为典型的二车道的交通灯自动控制系统，它由晶振模块，定时模块，三色灯控制模块组成，并且利用三色灯（红，黄，绿）的指示和倒计时显示来实现功能，在设计中主要开放了外部中断EX0。一般情况下交通路口中的突发事件包括闯红灯和救护车通过。对于外部的所有突发事件都可以当中断处理。关键词： PROTEUS; 80C51; 三色灯；LED数码显示目录摘 要21 绪论22总体设计思路

2、、基本原理和框图221 设计思路222 基本原理223 总体设计框图32.4交通灯自动控制的设计程序流程框图33交通灯自动控制电路硬件设计33.1单片机的结构33.2 主要元器件选择43.3设计显示部分43.4交通路口模型43.5总电路图53.6显示原理：64 交通灯自动控制电路软件设计64.1单片机中断系统基本结构64.2每秒钟的设定84.3计数器初值计算85 系统仿真96总结与体会10参考文献111 绪论作为一种交通规则的指示，交通灯它起着及其重要的作用。从最初的单车道到现在的四车道八车道等，交通指示的自动控制也越来越完善。它不再仅仅拥有交通指示的作用，还有其它特殊情况的处理，比如对闯红灯

3、的肇事者进行的监督，紧急救护车的通过时保持道路畅通，等等都需要非常的处理，这也是对交通灯功能的新要求。而且，也从最初的只有红，黄，绿三种灯的指示到现在的倒计时电子显示，让人们从单一的信号判别到时间的准确明了有了进一步认知。这都表明交通灯的研究还具有它实际的意义。2总体设计思路、基本原理和框图21 设计思路交通灯的自动控制系统的主要功能包括：普通交通灯的显示、LED倒计时显示、突发事件的外部处理和交通路口的模拟。本设计的控制系统由以下电路模块组成： 振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断电路组成。设计显示部分：LED

4、数码显示部分。LED数码显示部分由七段数码显示管组成。22 基本原理主体电路：交通灯自动控制模块。这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等组成。本设计先是从普通三色灯的指示开始进行设计，用P1口作为输出。程序的初始化是东西南北方向的红灯全亮。然后南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，60秒后东西方向黄灯闪亮5秒后南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。重复执行。倒计时用到定时器T0，用P2口作为LED的显示。二位一体的LED重复执行60秒的倒计时。作为突发事件的处理，本设计主要用到外部中断EX0。用一模拟开关作为中断信号。实际中可以接其它可以产生中断信号的信号源。23 总体设

5、计框图 图 2.1 交通灯总体设计框图2.4交通灯自动控制的设计程序流程框图3交通灯自动控制电路硬件设计3.1单片机的结构 单片微机(Single-Chip Microcomputer)简称为单片机。它在一块芯片上集中成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数和多功能输入/输出I/O口,如并行口I/O、串行口I/O和转换A/D等。就其组成而言，一块单片机就是一台计算机。其典型结构如图所示。由于它具有体积小、功能强和价格便宜等优点，因而被广泛地应用于产品智能化和工业控制自动化上。3.2 主要元器件选择1 开关管的选择：BUTTON按钮2 LED发光二极管 LEDRED

6、 LEDYELLOW LDEGREEN 发光二极管的主要技术参数有额定电压和额定工作电流。LED显示电路如图3.1所示，图中限流电阻i是限制线路电流的，阻值的大小由I=U/R计算得到。例如发光二极管的额定电压为2V，额定工作电流为20mA，计算Ri(5-2)/0.02=150。3 二位一体数码管 7SEG-MPX2-CAT-RED:共阳数码管（红色）4 PN4249:驱动三极管5 AT89S51系列单片机 3.3设计显示部分LED数码显示部分。LED数码显示部分由七段数码显示管组成。1发光二极管显示原理发光二极管是采用砷化镓、镓铝砷和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。发

7、光二极管在制作时，使用的材料不同，那么就可以发出不同颜色的光。3.4交通路口模型 图1 交通路口模型3.5总电路图总电路功能介绍：设计主要研究二车道的交通灯自动控制。本次设计的内容包括四个方面，一是普通三色灯的指示；二是两位一体数码管的倒计时显示；三是对一此交通中的意外情况进行的处理。最后就是对交通灯的模拟设计。图2 总电路图3.6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。 图 3 L

8、ED与单片机连接电路4 交通灯自动控制电路软件设计 4.1单片机中断系统基本结构 中断是一项重要的计算机技术，是处理正常工作与紧急状态的好办法，是实现人机实时交互的重要途径，在单片机应用系统中，中断技术得到了广泛应用。下面详细介绍单片机中断系统基本结构、与中断相关的特殊寄存器的设置及中断应用系统编程方法。当CPU查询到系统有中断请求时，如果系统处于中断允许状态，CPU将停止当前的工作，响应中断请求，转向中断服务，中断服务完成后，返回原程序继续执行当前任务，这叫单片机中断。8051系列单片机中断系统结构如图3.7所示。能让CPU产生中断的信号源叫中断源。8051单片机有NT0、INT1、T0、T

9、1、TI、RI六个中断源，但只有EX0、ET0、EX1、ET1、ES五个向量,下面简要介绍六个中断源。图4 单片机中断系统基本结构INT0、INT1：外部中断源，由P3.2和P3.2引脚输入。具有低电平和脉冲两种触发方式，在每个机器周期的S5P2采样引脚信号，如有效则由硬件将它的中断请求标志IE置1，请求中断。当CPU响应中断时，由硬件复位。T0、T1：定时/计数器中断，当定时/计数器产生溢出时，置位中断请求标志TF请求中断处理。RI、TI：串行中断，RI是接收，TI为发送。单片机串行口接收到一个字符后RI置1，发送完一个字符TI置1。值得注意的是，RI、TI在响应中断后，必须由用指令将其复位

10、。 中断响应CPU在执行程序的过程中，在每个机器周期的S5P2对中断标志位按中断优先级进行查询，一旦查询到有中断请求，CPU只要不在执行同级或高级的中断服务程序和当前指令（RETI指令或访问IE、IP的指令除外）执行完毕两种情况，则响应中断。如果当前正在执行的指令是RETI或访问IE、IP的指令，则当前指令执行完毕后，CPU才可响应中断。中断响应时间可以从中断信号被查询开始算起，中断响应时间在以下三种情况下，响应时间还会更长： CPU正在执行一个比要响应的中断源优先级相等或更高的中断源的中断服务程序，此时须等到中断服务程序执行完毕才可中断响应。 正在执行的当前指令不是在最后一个机器周期，只有指

11、令执行完后才响应中断。 如果当前执行的是RETI或访问IE、IP的指令，则当前指令执行完毕后，CPU需再执行一条指令才可以中断响应，因此附加等待响应时间不会超过5个机器周期。中断入口单片机响应中断后，将转向特定的入口进行中断服务，单片机的中断入口地址如表4.1所示。表4.1 MCS-51单片机中断服务程序入口地址表中 断 源入 口 地 址IE0（外部中断0）0003HTF0（定时器0溢出中断）000BHIE1（外部中断1）0013HTF1（定时器1溢出中断）001BHRI+TI（串行口中断）0023H从表中可以看出，两相邻中断源的入口地址间隔为8个单元。这意味着如果要把中断源对应的中断服务程序

12、从入口地址开始存放，则程序的长度不能超过8个字节，否则会影响到下一个中断源的入口地址的使用。而通常的情况下，中断服务程序的长度不止8个字节，因此，常见的处理方法是：在入口地址处存放一条无条件转移指令，通过这条转移指令转向对应的中断服务程序入口，中断服务程序以RETI为结束。中断请求的撤销CPU响应中断请求，在中断返回（RETI）之前，该中断请求应被撤除，否则会引发另一次中断。定时/计数器中断请求撤销：CPU在响应中断后，由硬件自动清除中断请求标志TF。外部中断请求撤销：如果采用脉冲触发方式，CPU在响应中断后，由硬件自动清除中断请求标志IE；对于电平触发方式的外部中断请求，中断标志的撤销是自动

13、的，由于造成中断请求的低电平继续存在，所以在响应中断后再次会产生中断请求，为此响应中断后要撤销外部信号。单片机有INT0、INT1两个外部中断源，INT0对应单片机P3.0，INT1对应P3.2。单片机的外部中断与特殊寄存器IE、TCON、IP有关。INT0中断入口地址是0003H，INT1中断入口地址是000BH，下面介绍单片机外部中断的设置与应用。4.2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。 4.3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。我们可以把计数器记满为零所需的

14、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-C5 系统仿真由交通灯自动控制程序一开始可以看到，四个红灯很快闪亮，然后就是相应的二极管点亮情况。紧接着就是数码管的六十秒倒计时显示，二极管的点亮到倒计时之间时间很短暂，所以视觉可以是同时发生的。同样按中断控制键看到不同的结果。仿真结果如下所示。 交通灯运行仿真图 黄灯闪亮时的仿真图 外部中断的响应仿真图 6总结与体会 在此次设计过程中，通过查找大量相关资料，并且在动手设计和制作之前，我积极向电气智能化集成技术人员学习交流，通过合作，群策群力，在此次设计和制作过程中，不仅提升了我个人的专业素养和理论知识以及实践经历，更激发了我对电气工程自动化这个专业的兴趣。然而，本次设计本不是一帆风顺的，由于我是专科毕业层次的学生，专业技术水平有限，在原理图的制作设计过程中，我深深地感受并深刻体会到了理论知识及实践能力的不足。很多东西虽然已学过，有印象，但不深刻，只能是一边设计，一边查阅相关资料。最终，本次设计按要求已基本完成，自我感觉还是存在很多设计缺陷，然而奈何个人专业能力有限，只能止步于此，惭愧！希望在以后的学习中，不