基于单片机的交通灯设计.doc

课程设计(论文)题 目 名 称 基于单片机的交通灯设计 课 程 名 称 单片机原理及应在电气测控学科中的应用 学 生 姓 名 学 号 系 、专 业 电气工程系、09电气测控类 指 导 教 师 2011年6月26日邵阳学院课程设计（论文）指导书 年级专业 学生姓名 学号 题目名称 基于单片机的交通灯控制系统设计 设计时间 2011年6月7日2011年6月17日 课程名称单片机原理及其在电气与测控学科中的应用 课程编码 121200105 设计地点数字控制与PLC实验室（305） 一、课程设计（论文）的目的 课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。单片机课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计中普遍存在的缺乏动手能力的现象。单片机课程设计.是继电子技术，电路和单片机原理与应用.课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程“电子技术基础”，“单片机原理及应用”的基本知识，独立进行单片机应用技术可开发工作，掌握单片机程序设计，调试和应用电路设计，分析及调试检测。 二、已知技术参数和条件1.89C51系列单片机；2.KEIL软件；Wave软件；3.THKSCM-1型单片机实验系统。三、任务要求1.设计一个能够控制十二盏交通信号灯的模拟系统；2.利用单片机的定时器定时，令十字路口的红绿灯交替点亮和熄灭，并用LED灯显示倒计时间；3.用控制按钮控制三个中断：a 全部红灯，b 东西红南北绿灯，c 夜间模式，全部黄灯并闪烁；四、参考资料和现有基础条件（包括实验室，主要仪器设备等）1. 单片机课程设计指导，北京航空航天大学出版社，楼然苗等 2007年7月2. 单片机实验与实践教程，北京航空航天大学出版社，何立民等 2004年7月3. 童诗白，模拟电子技术基础【M】。北京高等教育出版社，20014. THKSCM-1型单片机试验系统实验指导书，KELL软件，WAVE软件 5. 数字控制与PLC实验室THKSCM-1型单片机实验系统。五、进度安排2011年6月七日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务和要求2011年6月8日-9日：总体设计方案2011年6月10日-11日：硬件电路设计2011年6月12日-13日：软件设计2011年6月14日-15日：系统调试改进2011你那6月16日：整理书写设计说明书 2011年6月17日：答辩并考核六、教研室审批意见 教研室主任（签名）： 年 月 日七、主管教学主任意见 主管主任（签名）： 年 月 日八、备注 邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 学 号 系 电气工程系 专业班级 题目名称 交通灯设计 课程名称 单片机原理及应用 一、学生自我总结经过此次的课程设计，我学会了很多，特别是独立思考能力和动手能力。这次的课程设计巩固了我的单片机的知识，通过这次课程设计我发现编程其实是一件很有意思的事，生活中有些看似复杂的东西其实原理很简单。总的来说，这次课程设计还是比较成功的，这远离不开我们组员的共同合作，老师的细心指导，还有其他同学的帮忙。我会在以后的学习中更加努力，把自己薄弱的方面补充上，为以后的工作打好基础。 学生签名： 2011年 6月26 日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权 重304030单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日目录 摘要I1 概述11.1 引言11.2本课题设计目的和意义11.3本课题设计的任务和要求11.4交通指挥系统的发展和状态12 交通灯系统的硬件设计32.1硬件的取向与介绍32.2单片机的概述42.3交通灯系统的外部框图72.4交通灯硬件资源及其分配72.5 交通灯硬件设计线路图93交通灯系统的软件设计103.1交通灯模拟控制系统设计程序流程图103.2程序源代码104 调试与仿真144.1软件调试144.2硬件调试144.3仿真运行14设计心得16参考文献17摘要一个完整的交通灯相当于一个简单的单片机系统，该系统有交通灯设置电路、单片机、显示电路等构成。信号灯控制的实现是通过电路与汇编程序的结合来完成，其中信号灯的模拟采用了发光二极管，发光二极管有熄灭、点亮和闪烁三种信号，其中闪烁信号的产生运用了延时程序来实现，而时间倒数方面引进了LED数字显示，克服了人们在等待时的心急的心情，减少了红灯未灭，闯红灯的现象。电路部分原理图是通过PROTEL软件绘制设计，汇编程序的设计与调试都在KEIL上完成。最后使用PROTEUS软件上的虚拟元件来代替所有的电路元件完成整个系统的调试和仿真，这样就大大保证了焊制硬件实物能正常运行。 本系统功能设计完善，采用AT89C51单片机为核心，具有实用，方便，灵活的特点。随着电子技术的广泛应用，车辆日益增多将成为一种发展趋势，所以要有一套安全可靠的交通指示灯。关键字： AT89C51 ； LED显示 ； 交通灯1概述1.1引言近年来随着科技的快速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统检测日新月异更新。在实验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，针对具体应用对象的特点，配以其他器件来加以完善，伴随人口的日益增长，那么十字路口车辆穿梭，如何才能让交通井然有序呢？靠的就是交通信号的自动指挥系统。信号灯的出现，使交通得以有效的管制，对于交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显的效果。绿灯是通行信号，面对绿灯信号的车辆可以直行，左拐弯和右拐弯，除非另一种禁止转向。左右转弯车辆都必须让正在路口内直行的车辆和过人行横道。1.2 本课题设计目的和意义 课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。单片机课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计中普遍存在的缺乏动手能力的现象。单片机课程设计是继电子技术，电路和单片机原理与应用.课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程“电子技术基础”，“单片机原理及应用”的基本知识，独立进行单片机应用技术可开发工作，掌握单片机程序设计，调试和应用电路设计，分析及调试检测。通过单片机课程设计，熟练掌握汇编语言的编程方法，将理论联系到实践中去，提高我们的动脑和动手的能力。通过交通信号灯控制系统的设计，掌握定时/计数器及中断的使用方法，和简单程序的编写，最终提高我们的逻辑抽象能力。1.3本课题设计的任务和要求利用单片机完成交通信号灯控制器的设计，该交通信号灯控制器由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。用红、绿、黄发光二极管作信号灯,设东西向为主干道，南北为支干道。1.4 交通指挥系统的发展和状态最早在19世纪，人们就开始研究交通信号，用信号指挥车辆进出交叉口得次序。据文献记述，早在1868年，英国伦敦的威斯特明斯特街就安装了红、绿色两色的交通信号灯。到1917年，美国盐湖城开始使用由人工控制的红、黄、绿3色的信号灯。1925年，这种由人工控制的3色信号灯也首次出现在英国伦敦的皮克的时路口。次年，英国人研究出了自己的自动控制信号机。 道路通交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部分，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。在这一系统中，道路不仅仅是易变化得部分，而其他组成部分则存在着较大的可变性和随机性。只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定上出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。 随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因些，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通的快速增长和缺乏对高速路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制办法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。2.交通灯系统的硬件设计2.1硬件的取向与介绍目前设计交通灯的方案有很多，有CPLD实现信号灯控制的设计，有应用PLC实现对交通灯得设计。有应用单片机实现对交通灯控制系统的设计。在这里我选用单片机系统来实现交通灯的控制。单片机设计不但成本低，而且设计简单。本设计主要的工作就是通过一个交通信号灯系统的硬件、软件的设计来实现红绿灯的正常工作，具体工作安排大概描述为：一是根据系统控制要求设计硬件电路，这里是用PROTEUS软件来完成；二是根据硬件电路编写相应的程序流程图，然后编写相关程序，这里程序的编制主要是用K eilC51软件来完成；三是在KEIL上用已经编好的程序生成hex文件载入到PROTEUS与KEIL的联调，完成调试和仿真，观察调试结果是否满足设计要求，若不满足需要继续检查程序和其他情况直至实现正确的仿真为止。2.2 单片机的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。2.2.1MCS-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/处理器、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总线，现在我们分别加以说明：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，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的字型表数据，运算的中间结果或用户的字型表。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具备较完整的中断功能，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： 图2MCS-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位共有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3Pin9：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.此处，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4Pin30：当访问外部程序器时，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，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，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：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，还需加上21V的编程电压。2.3交通灯系统的外部框图首先了解实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口如上图所以，为东南西北走向。初始状态0为东西南北都红灯亮。然后转状态1东西红灯亮，南北绿灯亮通行。过一段时间后，转状态2，东西红灯灭，南北绿灯灭，黄灯亮。再转状态3，东西绿灯通车，南北红灯亮。过一段时间后转状态4，东西绿灯灭南北红灯灭，黄灯亮。一段时间后，又循环至状态1。中间可通过中断按钮产生中断，跳入中断程序执行中断。外部框图如图2.3.1所示：图2.3.1 外部框图2.4交通灯硬件资源及其分配主要用到的硬件：P1口、P3口、LED数码管、LED发光二级管、定时器T0。硬件分配：（1）P1口做为输出口，与发光二极管相连接，其状态及对应的十六进制值如下表2.4.1：表2.4.1 P1口分布值 方向状态无南 北东 西十六进制值说 明P1.7 P1.6P1.5 P1.4 P1.3P1.2 P1.1 P1.000010010024H都为红灯亮1000011000CH东西红南北绿20001001012H东西南北黄灯亮0001001012H30010000121H东西绿南北红40001001012H南北东西黄亮0001001012H（2）P3口中的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)作特殊用途,数据(倒计时时间)从RXD端输入,TXD端输出。（3）LED发光二极管用来显示灯亮情况。（4）LED显示器十位与p0相连接，个位与p2连接用来显示时间，下面是LED显示接口及原理。1) LED是发光二极管的英文缩写，LED显示器是由发光二极管构成的，它在单片机中的应用非常普遍。通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，其排列形状如图所示。此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管以dp表示，用于小数点表示。通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。LED显示中的发光二极管共有两种连接方法。2) 共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5V。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不亮；共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地。这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不亮。本系统中我们采用共阳极接法。3) 控制数码管驱动级的控制电路有静态式和动态式两类。4) 静态驱动：它是指每个数码管都要用一个译码器译码驱动。5) 动态驱动：它是所的数码管使用一个专门的译码驱动器，使各位数码管逐个轮流显示，它的扫描速度极快，因此显示效果与静态驱动相同。6)采用动态数码管显示，可以大幅度地降低硬件成本和电源的功耗，因为某一时刻只有一个数码管工作，就是所谓的分时显示，显示所需要的硬件电路可分时复用。2.5交通灯硬件设计线路图 交通灯硬件设计线路图如图2.5.1所示：图2.5.1 硬件设计图3交通灯系统的软件设计3.1交通灯模拟控制系统设计程序流程图根据本课题的控制要求和安全要求，所设计的图按照图3.1所示的流程图运行。 图3.1 程序流程图3.2程序源代码 ORG 0000HAJMP A0 ORG 0003H AJMP INT ORG 0013H AJMP INT1 ORG 0100H A0:SETB EA SETB EX0 SETB IT0 SETB EX1 SETB IT1 MOV SP,#60H MOV R0, #24H MOV P1, R0 ;显示5秒 MOV R7,#05 ACALL xian ;调显示子程序 A1: MOV R0,#0CH MOV P1,R0 ;显示20秒 MOV R7,#20 ACALL xian ;调显示子程序 LOOP9: MOV R0,#12H MOV P1 ,R0 ;调显示子程序MOV R7,#5ACALL xian A2: MOV R0, #61H ;东西红灯亮，南北绿灯亮MOV P1,R0 MOV R7,#20 ; 显示20秒 ACALL xian ;调显示子程序 A3:MOV R0,#92H ;东西红灯亮，南北黄灯亮MOV P1,R0MOV R7,#5 ACALL xian ;调显示子程序JNB P3.5,A4AJMP A1 A4:MOV R0,#12HMOV P1,R0ACALL DELMOV R0,#00HMOV P1,R0ACALL DELJNB P3.5,A4JB P3.5,A0INT: CLR EAPUSH ACCPUSH PSWSETB RS0MOV P1,#24HMOV R3,#05H LOOP:ACALL DEL DJNZ R3,LOOPCLR RS0POP PSWPOP ACCSETB EAMOV P1,R0RETI INT1:CLR EAPUSH ACCPUSH PSWSETB RS1 MOV P1,#0CH MOV R3,#05H LOOP1:ACALL DEL DJNZ R3,LOOP1CLR RS1POP PSWPOP ACCSETB EAMOV P1,R0RETI DEL:MOV R6,#20 DEL1:MOV R5,#200 DEL2:MOV R4,#125 DEL3:DJNZ R4,DEL3 DJNZ R5,DEL2 DJNZ R6,DEL1RET DELAY:MOV R6,#10 DELAY1:MOV R5,#200 DELAY2:MOV R4,#125 DELAY3:DJNZ R4,DELAY3 DJNZ R5,DELAY2 DJNZ R6,DELAY1RET xian: Second EQU 30H ;显示子程序 START: MOV Second,R7 NEXT: MOV A,SecondMOV B,#10DIV AB MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTRMOV P0,AMOV A,B MOVC A,A+DPTRMOV P2,A ACALL DELY1SDEC Second MOV A,Second CJNE A,#00,NEXT DELY1S: MOV R5,#100 D2: MOV R6,#20 D1: MOV R7,#248DJNZ R7,$DJNZ R6,D1DJNZ R5,D2RET TABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90HEND:4调试与仿真 4.1软件调试 软件调试主要是利用proteus仿真软件完成电路的搭建，运行以发现设计中的错误及时改正。4.2硬件调试硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊等。具体步骤及测试结果如下：（1