單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程設(shè)計-基于單片機(jī)的現(xiàn)代交通燈的設(shè)計.doc

序 號11單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程設(shè)計說明書題 目： 基于單片機(jī)的現(xiàn)代交通燈的設(shè)計 學(xué) 院： 國際教育學(xué)院 班 級： 機(jī)電141班 學(xué) 號： 4 姓 名： 指導(dǎo)教師： 日 期： 2017年 9月 30 日 河南科技大學(xué)2017 至 2018 學(xué)年 第 一 學(xué)期課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名： 班級： 機(jī)電141班 學(xué)號：1414250101141、 設(shè)計題目基于單片機(jī)的現(xiàn)代交通燈的設(shè)計2、 設(shè)計要求設(shè)計任務(wù)：1. 設(shè)計一款帶左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)三種通行綠燈，參見實(shí)物效果圖； 2. 帶緊急按鈕功能，當(dāng)緊急按鈕按下時，所有方向均亮起紅燈； 3. 夜間運(yùn)行模式按鈕，按下時，所有方向黃燈閃爍； 4* 可更在線修改紅綠燈等待時間； 5* 實(shí)現(xiàn)顯示倒計時功能； 6 其他功能（創(chuàng)新部分）提示： 1. Proteus里的traffic模塊為傳統(tǒng)交通燈模型（只有紅、綠、黃三色）； 現(xiàn)可用單管LED（或LED點(diǎn)陣）來取代左右轉(zhuǎn)指示，或直行指示。2.實(shí)物效果圖 指導(dǎo)教師： 日期： 2017年 9月 4日目 錄課程設(shè)計任務(wù)書11設(shè)計目的12設(shè)計思路13設(shè)計過程13.1 硬件電路設(shè)計13.2 單片機(jī)電源電路23.3 振蕩電路設(shè)計33.4 復(fù)位電路設(shè)計33.5 顯示電路設(shè)計33.6 中斷系統(tǒng)43.7功能控制電路設(shè)計33.8初值輸入電路設(shè)計33.9報警電路設(shè)計34設(shè)計仿真74.1 Proteus仿真軟件簡介74.2 Proteus仿真軟件的使用84.3 Proteus仿真過程95 總結(jié)10參考文獻(xiàn)10附錄:單片機(jī)程序111設(shè)計目的1.每個方向具有綠燈左拐、右拐、直行，人行道藍(lán)燈，提示紅燈、黃燈6種通行指示；2.數(shù)碼管顯示倒計時；3.在緊急情況下按下緊急模式按鈕所有路口均亮紅燈，蜂鳴器報警提醒；4.夜間按下夜間模式按鈕，所有方向的黃燈閃爍；5.普通模式下按下初值設(shè)定按鈕可修改紅綠燈等待間隔時間；6.數(shù)碼管顯示紅燈倒計時；7.創(chuàng)新功能： （1）倒計時到3s時蜂鳴器鳴叫；（2）緊急模式下蜂鳴器報警；（3）普通模式、緊急模式、夜間模式可相互跳轉(zhuǎn)，不用重新復(fù)位。2設(shè)計思路1） 設(shè)計硬件電路2） 設(shè)計電源電路3） 設(shè)計振蕩電路4） 設(shè)計復(fù)位電路5） 設(shè)計顯示電路6） 設(shè)計中斷系統(tǒng)7） 設(shè)計功能控制電路8） 設(shè)計初值輸入電路9） 設(shè)計報警電路3設(shè)計過程3.1硬件電路設(shè)計硬件電路由AT89C51、MAX7219、4個2位共陰數(shù)碼管、LED燈、S8050三極管、44矩陣鍵盤等組成。主控制器采用AT89C51，是ATMEL公司生產(chǎn)的一款性能穩(wěn)定的8位單片機(jī)，AT89C51具有1個8KB的FLASH程序存儲器，1個512字節(jié)的RAM，4個8位的雙向可位尋址I/O端口，3個16位定時、計數(shù)器及1個串行口和6個二級中斷結(jié)構(gòu)。單片機(jī)的P0口用于控制南北及東西的通行燈， P1.0-P1.2口用于控制Max7219驅(qū)動4組2位LED數(shù)碼管，鍵盤賦值采用P2口，蜂鳴器報警使用P1.3,夜間模式使用P1.5。它們之間的聯(lián)系如（圖3-1）所示：AT89C51 南北通行燈(2組)東西通行燈(2組)2位LED燈顯示(4組)鍵盤輸入上電復(fù)位振蕩電路驅(qū)動MAX7219蜂鳴器報警電路圖3-1-1 硬件電路聯(lián)系圖 圖3-1-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)何謂單片機(jī)最小系統(tǒng)？實(shí)際上是以最小的外圍電路就能讓單片機(jī)正常工作，這樣的電路支持成為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。一般情況下，單片機(jī)的最小系統(tǒng)由電源供電、晶振電路及復(fù)位電路組成。3.2 單片機(jī)電源電路電源電路不單單是為單片機(jī)運(yùn)行提供工作電壓，還需要對單片機(jī)的外圍電路提供工作電源。這里提供2種電源供電方案：1) USB接口供電具有USB接口的設(shè)備一般工作電壓都為5V。計算機(jī)上的USB接口（圖3-2）可以輸出穩(wěn)定的+5V電壓，最大額定電流為500mA，足以滿足本設(shè)計的要求。需要注意電路不能出現(xiàn)短路，以免損壞電腦的USB接口。 圖3-2-1 USB接口要注意，接口上的電源為四只引腳的最旁邊的兩個，而中間的兩個引腳是USB的差分?jǐn)?shù)據(jù)線，在本設(shè)計中不需要使用。2) 7805穩(wěn)壓管電路電源電路的設(shè)計也可使用7805的穩(wěn)壓三極管IC，該IC只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。3.3 振蕩電路設(shè)計圖3-3振蕩電路 單片機(jī)的運(yùn)行需要一個時鐘頻率，類似我們的計算機(jī)的CPU主頻的高低，現(xiàn)在計算機(jī)的CPU一般用GHz來左單位。而我們的51單片機(jī)常用到的時鐘頻率有12MHz，11.0592MHz，這些時鐘頻率都是依靠外部晶振產(chǎn)生的。晶振連接到單片機(jī)的XTAL1、XTAL2引腳處。電路上的晶振旁有兩個無極性電容，容量為22PF。這兩個電容稱晶振的負(fù)載電容，分別接在晶振的兩個腳上和對地的電容，一般在幾十皮發(fā)，它會影響到晶振的諧振頻率和輸出幅度。 晶振的負(fù)載電容=(Cd*Cg)/(Cd+Cg)+Cic+C （3.1） 式中Cd,Cg為分別接在晶振的兩個腳上和對地的電容,Cic（集成電路內(nèi)部電容）+C（PCB上電容）經(jīng)驗(yàn)值為3至5pf。設(shè)計需要考慮到串行通信的使用，為了減少誤碼率提高通信質(zhì)量，因此選用11.059MHz晶振。3.4復(fù)位電路設(shè)計當(dāng)單片機(jī)上電后，通過復(fù)位電路（圖3-4）使得單片機(jī)的PC指針復(fù)位到0000H。這時，單片機(jī)就從0000H地址開始執(zhí)行代碼。理論上51單片機(jī)的復(fù)位需要12個時鐘周期的高電平，系統(tǒng)中使用一個0.1Uf極性電容和1K電阻組成的復(fù)位電路。系統(tǒng)通電后，電容開始充電，此時單片機(jī)復(fù)位引腳輸入的是高電平。當(dāng)電容充滿電后，復(fù)位引腳輸入變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)完成復(fù)位，開始從0000H執(zhí)行代碼。復(fù)位電路延時時間計算公式如下：T = C*R T = 10*(10-6) * (103) = 100 ms （3.2） 圖3-4 單片機(jī)復(fù)位電路3.5 顯示電路設(shè)計設(shè)計4組交通指示燈。紅燈表示停止通行；黃燈表示等一等，綠燈分別實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)，藍(lán)燈亮表示人行道通行；設(shè)計4組2位LED數(shù)碼顯示電路，用來表示允許停車或通行的時間，與MAX7219串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器相接的。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器,它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個獨(dú)立的LED。其上包括一個片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動器，而且還有一個8*8的靜態(tài)RAM用來存儲每一個數(shù)據(jù)。 圖3-5-1 Max7219引腳圖圖3-5-2 交通燈布局圖3.6 中斷電路89C51具備完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時器/計數(shù)器中斷，可以滿足不同的控制要求，并具有優(yōu)先級別選擇。3.7 功能控制電路的設(shè)計按鈕S1實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能；K3實(shí)現(xiàn)在線時間調(diào)整；按鈕K2實(shí)現(xiàn)夜間模式；K4實(shí)現(xiàn)緊急模式。 圖3-7 功能按鈕3.8 初值輸入電路的設(shè)計初始化的時候修改紅綠燈通行時間，使用4*4矩陣鍵盤進(jìn)行設(shè)置，接單片機(jī)P2口。圖3-8 4X4矩陣鍵盤3.9 報警電路的設(shè)計報警電路，使用5V有源蜂鳴器，采用S8050三極管驅(qū)動，原理電路如下； 圖3-9報警示意圖4設(shè)計仿真 通過Proteus軟件對系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計結(jié)合仿真，從仿真的效果檢查系統(tǒng)設(shè)計存在的錯誤或者缺陷，這樣可以比較有針對性地進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的修改。4.1 Proteus仿真軟件簡介Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。在PROTEUS繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理圖中看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過程。PROTEUS 是單片機(jī)課堂教學(xué)的先進(jìn)助手。PROTEUS不僅可將許多單片機(jī)實(shí)例功能形象化，也可將許多單片機(jī)實(shí)例運(yùn)行過程形象化。前者可在相當(dāng)程度上得到實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的效果，后者則是實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)硬件高度對應(yīng)。這在相當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果等。 課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于PROTEUS提供了實(shí)驗(yàn)室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。 隨著科技的發(fā)展，“計算機(jī)仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計手段。它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點(diǎn)?？墒乖O(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險。相信在單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應(yīng)用。 使用Proteus 軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計, 是虛擬仿真技術(shù)和計算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力及仿真軟件的操作能力；在單片機(jī)課程設(shè)計和全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，我們使用 Proteus 開發(fā)環(huán)境對學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映，對單片機(jī)的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識更容易接受，更容易提高。4.2 Proteus仿真軟件的使用運(yùn)行Proteus軟件后，新建一個仿真空白界面。按照在Protel軟件上設(shè)計的硬件原理圖重新在Proteus上搭建硬件電路。當(dāng)中有些元件是因仿真庫中不包含或者演示效果不理想的，需要使用其他器件替換。在Proteus搭建硬件電路的另一個好處是不需根據(jù)實(shí)際工作電路完成設(shè)計也可以正常工作，如單片機(jī)的最小系統(tǒng)可以在Proteus忽略搭建。只需要從元件庫中調(diào)用51系列的單片機(jī)，雙擊該單片機(jī)即可設(shè)置晶振頻率等參數(shù)。這個優(yōu)點(diǎn)同時也是Proteus不可忽視的弱點(diǎn)，在某些電路實(shí)際設(shè)計存在錯誤，但是在Proteus還是能進(jìn)行仿真并且將錯誤忽略。由此可見，仿真軟件上能正常運(yùn)行的系統(tǒng)，并不完全代表是沒有存在缺陷的系統(tǒng)。設(shè)計好的仿真電路如下：圖4-2 仿真電路圖4.3 Proteus仿真過程完成硬件電路的搭建，以及程序代碼的編寫后，可通過點(diǎn)擊單片機(jī)加載程序編譯后生成的二進(jìn)制文件999.hex，實(shí)現(xiàn)硬件與程序的結(jié)合仿真。具體過程如下：1) 雙擊仿真圖上的單片機(jī)，出現(xiàn)編輯元器件的對話框。2) 加載對應(yīng)的程序編譯后二進(jìn)制文件（999.hex）。 3) 點(diǎn)擊開始運(yùn)行仿真按鈕 若硬件設(shè)計沒有出現(xiàn)邏輯錯誤，開始運(yùn)行仿真，運(yùn)行的效果如下圖所示：圖4-3 普通模式仿真效果圖圖4-4 夜間模式仿真效果圖圖4-4 緊急模式仿真效果圖 圖4-4 PCB效果圖5 總結(jié)經(jīng)過這幾個星期的學(xué)習(xí)和設(shè)計，現(xiàn)代交通燈設(shè)計完畢。其功能基本滿足要求。但由于個人知識、能力、經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計時間等因素限制，這套系統(tǒng)還不是很完美，存在一定程度的不足，比如夜間模式不能設(shè)定初值，初值設(shè)定只能倒序輸入數(shù)字。在現(xiàn)實(shí)使用中，某些地方設(shè)置不夠靈活，比如四個交通燈顯示時間都一樣，這些問題將在后續(xù)時間開發(fā)工作中進(jìn)行補(bǔ)充。參考文獻(xiàn)1 余錫存,曹國華.單片機(jī)原理及接口技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社，2007.122 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程J.電子工業(yè)出版社，2009，13 潭浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計.清華大學(xué)出版社，2010.6.附錄:單片機(jī)程序#include /*獨(dú)立按鍵接口*/sbit key_1 = P14; sbit key_2 = P15; sbit key_3 = P16;sbit key_4 = P17;/*交通燈定義 */Unsigned char second,second2,count2=0,count1=0,flag1,flag2,flag3,flag4,shuru1,shuru2,shuru3,shuru4,night=0;data disdata4,i,num1,num2,num3,A,C;sbit buzzer = P13; /報警接口sbit redC1 = P00; /東西向：紅燈sbit yellowC2 = P01; / 黃燈sbit greenC3 = P02; / 直右轉(zhuǎn)綠燈sbit greenC4 = P03; /左轉(zhuǎn)綠燈sbit redB1 = P04; /南北向：紅燈sbit yellowB2 = P05; / 黃燈sbit greenB3 = P06; / 直右轉(zhuǎn)綠燈sbit greenB4 = P07; /左轉(zhuǎn)綠燈/*MAX7219*/#define DIG_0 0x01 /定義max7219數(shù)碼管*/#define DIG_1 0x02#define DIG_2 0x03#define DIG_3 0x04#define DIG_4 0x05#define DIG_5 0x06#define DIG_6 0x07#define DIG_7 0x08sbit CLK = P10; /max7219接口sbit LOAD = P11; sbit DIN = P12;#define DECODE_MODE 0x09 /max7219參數(shù)設(shè)置#define INTENSITY 0x0A#define SCAN_LIMIT 0x0B#define SHUT_DOWN 0x0C#define DISPLAY_TEST 0x0F void Write_Max7219_byte(unsigned char temp) /向max7219寫一字節(jié)unsigned char i;for (i=0;i8;i+)CLK=0;DIN=(bit)(temp&0x80);temp0;i-)for(j=123;j0;j-); /*定時器、中斷初始化*/void Init_Timer_interrupt() TMOD =0x11; /定時器0、1設(shè)置16位定時方式 10ms in 12M crystal TH0=0xd8; /定時器0賦初值 TL0=0xf0; TH1=0xd8; /定時器1賦初值 TL1=0xf0; IE =0x8f; /打開全部中斷（除串行口） IT0=0; /外部中斷設(shè)為電平出發(fā) IT1=0; /*鍵盤 */#define P P2unsigned char keyscan() unsigned char temp,key=16; P=0xfe; /將第一行線置為高電平，其余行線全部為高電平 temp=P; /讀取P3口當(dāng)前狀態(tài)值賦給臨時變量temp,用于后面計算 temp=temp&0xf0; /將temp與0xf0進(jìn)行與運(yùn)算，然后將結(jié)果賦給temp.if(temp!=0xf0)/如果temp不等于0xf0，說明有鍵按下delay(10);/延時去抖temp=P;/重新讀一次P3口數(shù)據(jù)temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)temp=P;/重新讀取一次P2口數(shù)據(jù)switch(temp)/判斷那個按鍵被按下case 0xee:key=1;break;case 0xde:key=2;break;case 0xbe:key=3;break;case 0x7e:key=10;break;while(temp!=0xf0)/等待按鍵釋放temp=P;temp=temp&0xf0; return(key);P=0xfd;temp=P;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)delay(10);temp=P;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)temp=P;switch(temp)temp=P;case 0xed:key=4;break;case 0xdd:key=5;break;case 0xbd:key=6;break;case 0x7d:key=11;break;while(temp!=0xf0)temp=P;temp=temp&0xf0; return(key);P=0xfb;temp=P;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)delay(10);temp=P;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)temp=P;switch(temp)case 0xeb:key=7;break;case 0xdb:key=8;break;case 0xbb:key=9;break;case 0x7b:key=12;break;while(temp!=0xf0)temp=P;temp=temp&0xf0;return(key);P=0xf7;temp=P;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)delay(10);temp=P;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)temp=P;switch(temp)case 0xe7:key=14;break;case 0xd7:key=0;break;case 0xb7:key=15;break;case 0x77:key=13;break;while(temp!=0xf0)temp=P;temp=temp&0xf0; return(key); return(key); /*模式*/void model_one() /模式一普通模式 if(key_1=0) delay(100); if(key_1=0) while(!key_1);/等待按鍵松開 night=0; /模式一處理邏輯 buzzer=0; Init_Max7219(); /max7219初始化 redC1=0,greenC3=1,greenC4=0,yellowC2=0; /普通模式，狀態(tài)設(shè)定 redB1=1,greenB3=0,greenB4=0,yellowB2=0; Init_Timer_interrupt(); TR0=1; /開定時器0 void model_two() /模式二夜間模式 if(key_2=0) delay(100); if(key_2=0) while(!key_2);/等待按鍵松開 buzzer=0; redC1=0,greenC3=0,greenC4=0,yellowC2=0; /關(guān)閉所有交通燈 redB1=0,greenB3=0,greenB4=0,yellowB2=0; night=1; /模式二處理邏輯 TR0=1; void model_three()/模式三初值設(shè)定模式 if(key_3=0) delay(100); if(key_3=0) while(!key_3);/等待按鍵松開 TR0=0; /模式三處理邏輯 buzzer=0; night=0; i=0; for(i=0;i4;i+) /輸入4位09的數(shù)，跳出循環(huán) while(1) A=keyscan(); if(A!=16) disdatai=A; break; num1=disdata3*10+disdata2; num2=disdata1*10+disdata0; shuru1=num1; /東西向通行時間賦初值 shuru2=num2; /南北向通行時間賦初值 TR0=1; second=shuru1; void model_four() /模式四緊急模式 if(key_4=0) delay(100); if(key_4=0) while(!key_4); /等待按鍵松開 /模式四處理邏輯 redC1=1,greenC3=0,greenC4=0,yellowC2=0;/緊急狀態(tài)，紅燈全亮 redB1=1,greenB3=0,greenB4=0,yellowB2=0; TR0=0; buzzer=1; /緊急狀態(tài)，蜂鳴器報警 /*主程序*/void main() shuru1=20,shuru2=10; /K1未按下，賦原始初值，東西20s，南北10s second=shuru1;buzzer=0; while(1) / RST_(); model_one(); model_two(); model_three(); model_four();/*定時中斷0服務(wù)程序*/void Interrupt_Timer0() interrupt 1 shuru3=shuru1+5;shuru4=shuru2+5;TH0=0xd8; /定時器0重新賦值TL0=0xf0;count1+;if (count1=100) /100次為1s count1=0; second-; /second 減1 if(night=0) if(second=3) /second3s時，綠燈滅，黃燈閃爍、蜂鳴器報警 switch(flag1) /flag1為黃燈閃爍標(biāo)志，為0東西黃燈閃爍，為1南北方向黃燈閃爍 case 0:greenC3=0;greenC4=0;yellowC2=!yellowC2;buzzer=!buzzer;break; case 1:greenB3=0;greenB4=0;yellowB2=!yellowB2;buzzer=!buzzer;break; if(second=0) /second讀盡時，依據(jù)flag2標(biāo)志，更改second值 switch(flag2) /flag2=0時，second=s