交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、永城職業(yè)學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)題 目： 交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 部： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 機(jī)電一體化技術(shù) 班 級(jí)： 092班 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2011 年 05 月 21 日目 錄 第一章 引言4第二章 芯片簡(jiǎn)介52.1 MSC-51芯片簡(jiǎn)介52.2 8255芯片簡(jiǎn)介82.3 74LS373簡(jiǎn)介10第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)113.1交通管理的方案論證113.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12第四章 控制器的軟件設(shè)計(jì)144.1 軟件延時(shí)的設(shè)計(jì)144.2信號(hào)燈的顯示原理144.3 程序設(shè)計(jì)144.3.1程序流程圖144.3.2程序源代碼15致謝與結(jié)論17參考文獻(xiàn)18第一章 引言當(dāng)今，紅綠燈安裝在各

2、個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見(jiàn)和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。1858年，在英國(guó)倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。1868年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。191

3、8年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來(lái)啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺(jué)到有人要過(guò)馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國(guó)道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定對(duì)各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法

4、地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過(guò)人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號(hào)，面對(duì)紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號(hào)，面對(duì)黃燈的車輛不能越過(guò)停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。1.1 課程設(shè)計(jì)的意義 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)是一門理論和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,只依靠課堂教學(xué),而學(xué)生不親自動(dòng)手去做,學(xué)生只能略懂一些膚淺的理論知識(shí)，這樣，課堂教學(xué)就沒(méi)收到預(yù)期的效果。通過(guò)課程設(shè)計(jì)綜合利用所學(xué)單片機(jī)知識(shí)完成一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)，我們獲得初步的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)我們遇到問(wèn)題，就通過(guò)查書、上網(wǎng)找資料，或與老師和同學(xué)交流加以解決。在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題中，我們加深了對(duì)所學(xué)電子電

5、路、單片機(jī)軟硬件知識(shí)的理解，并可以窺見(jiàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的冰山一角，而且對(duì)我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)也進(jìn)行了預(yù)熱，為我們將來(lái)走出校門從事電子設(shè)計(jì)的相關(guān)工作打下基礎(chǔ)1.2智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程目前，國(guó)內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路門，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈。加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來(lái)控制行車。對(duì)于一般情況下的安全行車，車輛分流尚能發(fā)揮作用，但根據(jù)實(shí)際行車過(guò)程中出現(xiàn)的情況，還存在以下缺點(diǎn)：1兩車道的車輛輪流放行時(shí)間相同且固定， 在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車道為主干道，車輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些；另一車道為副干道，車輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短些。2沒(méi)有考慮緊急車通過(guò)時(shí)，兩車道應(yīng)采取的措施，臂如，消防車執(zhí)行緊急任務(wù)通

6、過(guò)時(shí)，兩車道的車都應(yīng)停止，讓緊急車通過(guò)。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)交通燈的任務(wù)系統(tǒng)完成內(nèi)容如下：正常情況下，A、B道（A、B道交叉組成十字路口，A是主道，B是支道）輪流放行，A道放行60秒（兩個(gè)數(shù)碼管從60秒開(kāi)始倒數(shù)，其中5秒用于警告），B道放行30秒（兩個(gè)數(shù)碼管從30秒開(kāi)始倒數(shù)，其中5秒用于警告）。3）、一道有車而另一道無(wú)車（用按鍵開(kāi)關(guān)S1、S2模擬）時(shí)，使有車車道放行。4）、有緊急車輛通過(guò)（用按鍵開(kāi)關(guān)S0模擬）時(shí)，A、B道均為紅燈（兩次按下S0后，回復(fù)正常狀態(tài)）。第二章 芯片簡(jiǎn)介2.1 MSC-51芯片簡(jiǎn)介MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8051是MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系

7、統(tǒng)的講解。 8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說(shuō)明中央處理器：中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)8051內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問(wèn)，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有

8、128個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字圖2.1：內(nèi)部結(jié)構(gòu)程序存儲(chǔ)器(ROM)：8051共有4096個(gè)8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時(shí)/計(jì)數(shù)器(ROM)：8051有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(I/O)口：8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：8051內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)

9、串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。 圖2.2：MCS-51結(jié)構(gòu)框圖MCS-51的引腳說(shuō)明：MCS-51系列單片機(jī)中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對(duì)這些引腳的功能加以說(shuō)明：MCS-51的引腳說(shuō)明：MCS-51系列單片機(jī)中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O

10、口，中斷口線與P3口線復(fù)用。 圖2.3：引腳功能圖Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)。8051的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，見(jiàn)下圖4。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保

11、證單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。圖2.4：功能方式圖Pin30:ALE/當(dāng)訪問(wèn)外部程序器時(shí)，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過(guò)一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。Pin29:當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。Pin31:EA/Vpp程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，

12、8051和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kB的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)，而超過(guò)4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。顯然，對(duì)內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器的8031,EA端必須接地。在編程時(shí)，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。2.2 8255芯片簡(jiǎn)介8255可編程并行接口芯片簡(jiǎn)介: 8255可編程并行接口芯片有三個(gè)輸入輸出端口，即A口、B口和C口，對(duì)應(yīng)于引腳PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。其內(nèi)部還有一個(gè)控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作為輸入輸出的數(shù)據(jù)端口。C口作為控制或狀態(tài)信息的端口，它

13、在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每個(gè)端口包含一個(gè)4位鎖存器。它們分別與端口A配合使用，可以用作控制信號(hào)輸出或作為狀態(tài)信號(hào)輸入。8255可編程并行接口芯片方式控制字格式說(shuō)明:8255有兩種控制命令字；一個(gè)是方式選擇控制字；另一個(gè)是C口按位置位復(fù)位控制字。其中C口按位置位復(fù)位控制字方式使用較為繁難，說(shuō)明也較冗長(zhǎng)，故在此不作敘述，需要時(shí)用戶可自行查找有關(guān)資料。D7D6D5D4D3D2D1D0表2.1：方式控制表D7：設(shè)定工作方式標(biāo)志，1有效。 D6、D5：A口方式選擇 0 0 方式0 0 1 方式1 1 方式2 D4：A口功能 （1=輸入，0=輸出） D3：C口高4位功能 （1=輸入，0=輸出

14、） D2：B口方式選擇 （0=方式0，1=方式1） D1：B口功能 （1=輸入，0=輸出）D0：C口低4位功能 （1=輸入，0=輸出） 8255可編程并行接口芯片工作方式說(shuō)明: 方式0：基本輸入輸出方式。適用于三個(gè)端口中的任何一個(gè)。每一個(gè)端口都可以用作輸入或輸出。輸出可被鎖存，輸入不能鎖存。 方式1：選通輸入輸出方式。這時(shí)A口或B口的8位外設(shè)線用作輸入或輸出，C口的4條線中三條用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆?lián)絡(luò)信號(hào)和中斷請(qǐng)求信號(hào)。方式2 ：雙向總線方式。只有A口具備雙向總線方式，8位外設(shè)線用作輸入或輸出，此時(shí)C口的5條線用作通訊聯(lián)絡(luò)信號(hào)和中斷請(qǐng)求信號(hào)。2.3 74LS373簡(jiǎn)介74LS373 是一種帶三態(tài)門的

15、8D鎖存器，其管腳示意圖如下示：其中：1D-8D為8個(gè)輸入端。 1Q-8Q為8個(gè)輸出端。 LE為數(shù)據(jù)打入端：當(dāng)LE為“1”時(shí)，鎖存器輸出 狀態(tài)同輸入狀態(tài)；當(dāng)LE由“1”變“0”時(shí)，數(shù)據(jù) 打入鎖存器 OE為輸出允許端：當(dāng)OE=0時(shí)，三態(tài)門打開(kāi)； 當(dāng)OE=1時(shí)，三態(tài)門關(guān)閉，輸出高阻。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1交通管理的方案論證東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口，各干道有一組紅、黃、綠三色的指示燈，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換，且黃燈燃亮?xí)r間為東西、南北兩干道的公共停車時(shí)間。設(shè)東西道比南北道的車流量大，指示燈亮的方案如表3.1。60S

16、5S80S5S東西道紅燈亮黃燈亮綠燈亮黃燈亮南北道綠燈亮黃燈亮紅燈亮黃燈亮 表3.1：指示燈亮方案表表3.1說(shuō)明： （1）當(dāng)東西方向?yàn)榧t燈，此道車輛禁止通行，東西道行人可通過(guò)；南北道為綠燈，此道車輛通過(guò)，行人禁止通行。時(shí)間為60秒。（2）黃燈閃爍5秒，警示車輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。 （3）當(dāng)東西方向?yàn)榫G燈，此道車輛通行；南北方向?yàn)榧t燈，南北道車輛禁止通過(guò)，行人通行。時(shí)間為80秒。 東西方向車流大 通行時(shí)間長(zhǎng)。（4）這樣如上表的時(shí)間和紅、綠、黃出現(xiàn)的順序依次出現(xiàn)這樣行人和車輛就能安全暢通的通行。（5）此表可根據(jù)車流量動(dòng)態(tài)設(shè)定紅綠燈初始值。3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選用設(shè)備8031單片機(jī)一片選用設(shè)

17、備：8031彈片機(jī)一片，8255并行通用接口芯片一片，74LS07兩片，MAX692看門狗一片，共陰極的七段數(shù)碼管兩個(gè)雙向晶閘管若干，7805三端穩(wěn)壓電源一個(gè)，紅、黃、綠交通燈各兩個(gè)，開(kāi)關(guān)鍵盤、連線若干。圖3.1系統(tǒng)框圖 圖3.2接線圖3.2.1系統(tǒng)工作原理（1）開(kāi)關(guān)鍵盤輸入交通燈初始時(shí)間，通過(guò)8051單片機(jī)P1輸入到系統(tǒng) (2) 由8051單片機(jī)的定時(shí)器每秒鐘通過(guò)P0口向8255的數(shù)據(jù)口送信息，由8255的PA 口顯示紅、綠、黃燈的燃亮情況；由8255的PC口顯示每個(gè)燈的燃亮?xí)r間。 (3)8051通過(guò) 設(shè)置 各個(gè)信號(hào)等的燃亮?xí)r間、通過(guò)8031設(shè)置，綠、紅時(shí)間分別為60秒、80秒循環(huán)由8051

18、的 P0口向8255的數(shù)據(jù)口輸出。（4） 通過(guò)8051單片機(jī)的P3.0位來(lái)控制系統(tǒng)是工作或設(shè)置初值，當(dāng).牌位0就對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，為1系統(tǒng)就開(kāi)始工作。（5）紅燈倒計(jì)時(shí)時(shí)間，3S后然后恢復(fù)正常。（6）綠燈時(shí)間倒計(jì)時(shí)完畢，重新循環(huán)第四章 延時(shí)軟件的設(shè)計(jì)4.1 軟件延時(shí) MCS-51的工作頻率為2-12MHZ，我們選用的8051單片機(jī)的工作頻率為6MHZ。機(jī)器周期與主頻有關(guān)，機(jī)器周期是主頻的12倍，所以一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間為12*（1/6M）=2us。我們可以知道具體每條指令的周期數(shù)，這樣我們就可以通過(guò)指令的執(zhí)行條數(shù)來(lái)確定1秒的時(shí)間。 具體的延時(shí)程序分析：MOV R3, #20 ;延時(shí) CALL DE

19、LAY SJMP ST1 RetDELAY: MOV R1, #0 ;延時(shí)子程序DELAY1: MOV R0, #0DELAY2: DJNZ R0, DELAY2 DJNZ R1, DELAY1 DJNZ R3, DELAY RET MOV RN，#DATA 字節(jié)數(shù)數(shù)為2 機(jī)器周期數(shù)為1所以此指令的執(zhí)行時(shí)間為2ms DELAY1 為一個(gè)雙重循壞 循環(huán)次數(shù)為256*256=65536 所以延時(shí)時(shí)間=65536*2=us 約為125us DELAY R4設(shè)置的初值為8 主延時(shí)程序循環(huán)8次，所以125us*8= 1秒 由于單片機(jī)的運(yùn)行速度很快其他的指令執(zhí)行時(shí)間可以忽略不計(jì)。4.2信號(hào)燈的顯示原理當(dāng)定

20、時(shí)器定時(shí)為1秒，時(shí)程序跳轉(zhuǎn)到時(shí)間顯示及信號(hào)燈顯示子程序，它將依次顯示信號(hào)燈時(shí)間 ，同時(shí)一直顯示信號(hào)燈的顏色，這時(shí)在返回定時(shí)子程序定時(shí)一秒，在顯示黃燈的下一個(gè)時(shí)間，這樣依次把所有的燈色的時(shí)間顯示完后在重新給時(shí)間計(jì)數(shù)器賦初值 ，重新進(jìn)入循環(huán)。 4.3程序設(shè)計(jì)4.3.1程序流程圖 4.3.2程序源代碼 SR EQU P1.0 ;南北紅燈 SY EQU P1.1 ；南北黃燈 SG EQU P1.2 ；南北綠燈 ER EQU P1.3 ；東西紅燈 EY EQU P1.4 ；東西黃燈 EG EQU P1.5 ；東西綠燈 ORG 00HST1: SETB SG ；南北方向綠燈亮CLR SY CLR SR CLR EGCLR EY SETB ER ；東西方向紅燈亮 MOV R3, #20 ；長(zhǎng)延時(shí) CALL DELAY MOV R4, #8 ；南北方向綠燈閃4次ST2: CPL SG MOV R3,#2 ；短延時(shí) CALL DELAY DJNZ R4,ST2 CLR SG ；南北方向綠燈亮 SETB SY ；南北方向黃燈滅 MOV R3,#20 ；延時(shí) CALL DELAYST3: CLR SY ；南