單片機(jī)交通燈課程設(shè)計(jì)1

1、目 錄一 引 言1二設(shè)計(jì)任務(wù)與要求12.1 設(shè)計(jì)任務(wù)12.2 設(shè)計(jì)要求1三 方案總體設(shè)計(jì)23.1 顯示時(shí)間方案的選擇23.2 總體設(shè)計(jì)23.3總體設(shè)計(jì)2四 硬件設(shè)計(jì)44.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)44.1.1 STC89C52單片機(jī)特性參數(shù)44.1.2 STC89C52RC主要引腳功能44.1.3 STC89C52RC的中斷源54.1.4 時(shí)鐘電路54.1.5 復(fù)位電路64.2 數(shù)碼換顯示電路64.3 紅綠燈顯示電路84.4 整體電路9五 軟件設(shè)計(jì)105.1 KEIL C簡(jiǎn)介105.2 程序流程圖105.3 keil調(diào)試過程11六 系統(tǒng)仿真136.1 proteus仿真軟件簡(jiǎn)介136.2 仿真調(diào)試過程

2、13七 設(shè)計(jì)總結(jié)15參 考 文 獻(xiàn)16基于單片機(jī)的交通燈設(shè)計(jì)一 引 言交通在人們的日常生活中占有重要的地位，隨著人們社會(huì)活動(dòng)的日益頻繁，這點(diǎn)更是體現(xiàn)的淋漓盡致。交通信號(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作用。本系統(tǒng)采用單片機(jī)89C52為中心器件來設(shè)計(jì)交通燈控制器，系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)就是采用單片機(jī)模擬十字路口交通燈的各種狀態(tài)顯示以及倒計(jì)時(shí)時(shí)間。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)I/O口擴(kuò)展系統(tǒng)、交通燈狀態(tài)顯示系統(tǒng)、LED數(shù)碼顯示系統(tǒng)、復(fù)位電路等幾大部分組成。系統(tǒng)除基本的交通燈功能外，還具有倒計(jì)時(shí)功能，較好的模擬實(shí)現(xiàn)了十字路口可能出現(xiàn)的狀況。

3、軟件上采用KEILC編程，主要編寫了主程序，LED數(shù)碼管顯示程序，中斷程序延時(shí)程序等。經(jīng)過整機(jī)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)十字路口交通燈的模擬。中國車輛數(shù)量不斷增加，交通控制在未來的交通管理中起著越來越重要的作用。智能交通燈的管理比重修一條馬路無論在經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)行速率上都有很好的效益、更加節(jié)約資源。使交管人員有更多的精力投入到管理整個(gè)城市交通控制，帶來更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,為創(chuàng)造美好的城市交通形象發(fā)揮更多的作用。二設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)通過單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，熟練掌握匯編語言的編程方法，將理論聯(lián)系到實(shí)踐中去，提高我們的動(dòng)腦和動(dòng)手的能力；通過交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握定時(shí)/計(jì)數(shù)器的使用方法，和簡(jiǎn)單程序

4、的編寫，把理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)相結(jié)合，充分發(fā)揮個(gè)人能力，并在實(shí)踐中得到鍛煉。2.2 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)能夠控制十二盞交通信號(hào)燈的模擬系統(tǒng)，：利用單片機(jī)的定時(shí)器定時(shí)，令十字路口的紅綠燈交替點(diǎn)亮和熄滅，并用LED燈顯示倒計(jì)時(shí)間。三 方案總體設(shè)計(jì)本次課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)復(fù)雜的十字路口交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。本模擬交通信號(hào)燈系統(tǒng)利用STC89C52單片機(jī)作為核心元件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈對(duì)路面交通的智能控制。從一定程度上解決了交通路口堵塞、車輛停車等待時(shí)間不合理等問題。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、實(shí)時(shí)性好、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。3.1 顯示時(shí)間方案的選擇方案一：采用數(shù)碼管顯示，半導(dǎo)體數(shù)碼管不

5、僅具有工作電壓低、體積小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而且響應(yīng)時(shí)間短（一般不超過0.1us），亮度也比較高。方案二：采用液晶顯示，液晶顯示器的最大優(yōu)點(diǎn)是功耗極小。但是，由于它本身不會(huì)發(fā)光，僅僅靠反射外界光線顯示字形，所以亮度很差。通過上述兩種方案的對(duì)比，顯然可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于交通燈時(shí)間的顯示，數(shù)碼管顯示更加適合，可靠，所以選擇方案一。3.2 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1 總體設(shè)計(jì)圖3.3總體設(shè)計(jì)首先了解實(shí)際交通燈的變化情況和規(guī)律。假設(shè)一個(gè)十字路口如圖(2)所示東西、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

6、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。初始狀態(tài)1東西綠燈通車，南北紅燈亮，禁止通車，人行道通行，行人可過。過一段時(shí)間(10秒)后，轉(zhuǎn)狀態(tài)2，東西方向還是綠燈亮，南北方向還是紅燈亮，黃燈開始閃爍，黃燈閃幾下（5秒），即提示紅綠燈狀態(tài)將發(fā)生轉(zhuǎn)換。再轉(zhuǎn)狀態(tài)3，南北方向綠燈亮通車，東西方向紅燈亮，即此方向禁止通車，人行道可通行。黃燈熄滅后轉(zhuǎn)狀態(tài)4，南北方向還是綠燈，東西方向還是為紅燈亮，閃幾下黃燈（5秒），提示紅綠燈顯示狀態(tài)將發(fā)生轉(zhuǎn)換。一段時(shí)間后，又循環(huán)至狀態(tài)1。列出交通信號(hào)燈的狀態(tài)表如表1所示（1表示燈亮，0表示燈滅）。圖2 十字路口示意圖表1 紅綠燈狀態(tài)表狀態(tài)

7、東西南北紅 黃 綠紅 黃 綠紅 黃 綠紅 黃 綠10 0 10 0 11 0 01 0 020 1 10 1 11 1 01 1 031 0 01 0 00 0 10 0 141 1 01 1 00 1 10 1 1對(duì)于交通信號(hào)燈來說，應(yīng)該有東西南北共四組燈，但由于同一道上的兩組的信號(hào)燈的顯示情況是相同的，而且，東西方向與南北方向顯示的狀態(tài)相反，所以只要用一組就行了，因此，可采用單片機(jī)內(nèi)部的I/O口上的P1口中的3個(gè)引腳即可來控制3個(gè)信號(hào)燈。通過編寫程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光二極管的控制，來模擬交通信號(hào)燈的管理。每延時(shí)一段時(shí)間，燈的顯示情況都會(huì)按交通燈的顯示規(guī)律進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。四 硬件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)最

8、小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)由一塊單片機(jī)、一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路組成。如圖3所示。圖3 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1.1 STC89C52單片機(jī)特性參數(shù)STC89C52RC單片機(jī)8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間；512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；內(nèi)帶2K字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)空間；可直接使用串口下載；8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間；256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。l 增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.l 工作電壓：5.5V3.3V（5V 單片機(jī)）/3.8V2.0V（3V 單片機(jī)）l 工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051的080MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz；l 用戶

9、應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)；l 片上集成512字節(jié)RAM；l 通用I/O口（32個(gè)），復(fù)位后為：P0/P1/P2/P3是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻，設(shè)計(jì)電路時(shí)需要注意這點(diǎn)。l 共3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，分別為T0，T1，T2.4.1.2 STC89C52RC主要引腳功能STC89C51引腳圖如圖4所示，其主要芯片功能如下所示。圖4 STC89C52引腳圖l VCC：電源電壓l GND：接地l P0口：P0口是一組8位雙向I/O口。P0口即可作地址/數(shù)據(jù)總線使用，又可以作為通用的I/O口使用。l P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上

10、拉電阻的8準(zhǔn)位雙向I/O口，P1作為通用的I/O口使用。l P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向I/O口l P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向I/0口l RST：復(fù)位輸入l 程序儲(chǔ)存允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)l /VPP：外部訪問允許l XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端l XTAL2：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸:出端4.1.3 STC89C52RC的中斷源89C52有6個(gè)中斷源，它們是兩個(gè)外中斷INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、三個(gè)片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器溢出中斷TF0，TF1，TF2、一個(gè)是片內(nèi)串行口中斷TI或RI，這

11、幾個(gè)中斷源由TCON和SCON兩個(gè)特殊功能寄存器進(jìn)行控制。4.1.4 時(shí)鐘電路此次設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路由一個(gè)12MHz的晶振和兩個(gè)22PF的陶瓷貼片電容組成。89C52芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。引線XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容就可構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。而電容器C1，C2起穩(wěn)定振蕩頻率，并對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用，C1和C2可在20-100PF之間取值,這里取22PF。電路如圖5所示。圖5 時(shí)鐘電路4.1.5 復(fù)位電路手動(dòng)按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下

12、按鈕時(shí)，則Vcc的+5V電平就會(huì)直接加到RST端。手動(dòng)按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。通常采用手動(dòng)復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位結(jié)合，其電路如圖6所示。圖6 復(fù)位電路4.2 數(shù)碼換顯示電路顯示電路既可以選用液晶顯示器，也可以選用數(shù)碼管顯示。我采用的是數(shù)碼管顯示電路。用1個(gè)二位共陰極數(shù)碼管顯示，LED是七段式顯示器，內(nèi)部有7個(gè)條形發(fā)光二極管和1個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。共陰數(shù)碼管的碼表為如表2所示。表2 共陰數(shù)碼管碼表01234567890x3f0x060x5b0x4f0x660x6d0x7d0x070x7f0x6

13、f在用數(shù)碼管顯示時(shí)，我們有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種選擇，靜態(tài)顯示程序簡(jiǎn)單，顯示穩(wěn)定，但是占用端口比較多；動(dòng)態(tài)顯示所使用的端口比較少，可以節(jié)省單片機(jī)的I/O口。LED數(shù)碼管的顯示原理：數(shù)碼管有段選與位選兩個(gè)使能端，由于采用共陰極數(shù)碼管，要把數(shù)碼管點(diǎn)亮，就必須給位選選通，至于顯示什么數(shù)字，只需給段選輸入數(shù)據(jù)即可。通過給52單片機(jī)P1口送入初始值，并用P1口來控制段選位，P3.5、P3.6口來控制位顯來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，來顯示各燈所在狀態(tài)的顯示時(shí)間。8052單片機(jī)的P3口的三個(gè)端口接主干道的紅、綠、黃燈，顯示燃亮情況，通過兩個(gè)八段顯示器顯示每個(gè)燈的燃亮?xí)r間，使燈和顯示器時(shí)間同步。在設(shè)計(jì)中，我們采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)

14、顯示，用P1口驅(qū)動(dòng)顯示。由于P1口的輸出級(jí)時(shí)，數(shù)碼管顯示的亮度不夠，根據(jù)以前學(xué)習(xí)的知識(shí)及學(xué)長們的經(jīng)驗(yàn)，只需給P1口強(qiáng)勢(shì)上拉1K排阻，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，P1口上拉1K排阻后，數(shù)碼管顯示較亮。電路圖如圖7所示。圖7 數(shù)碼管顯示電路其中單片機(jī)P口與數(shù)碼管各引腳之間的連接關(guān)系分別為：Ø P1.0-aØ P1.1-bØ P1.2-cØ P1.3-dØ P1.4-eØ P1.5-fØ P1.6-gØ P1.7-hØ P3.5-2Ø P3.6-1其中a,b,c,d,e,f,g,h在數(shù)碼管上的位置如圖8所示。圖8 數(shù)

15、碼管4.3 紅綠燈顯示電路在本次交通燈設(shè)計(jì)中，主干道上東西南北四個(gè)方向各三盞燈，分別是紅燈、黃燈、綠燈。由于東西方向與南北方向信號(hào)相反，紅燈與綠燈信號(hào)相反，故只需3個(gè)端口即可控制這12盞燈的亮滅。這些燈由三種顏色即紅、黃、綠發(fā)光二極管代替，采用共陽極接法，故只需選擇性的給這3個(gè)端口低電平，對(duì)應(yīng)的二極管就被點(diǎn)亮。顯示電路如圖9（當(dāng)然，其中的數(shù)碼管不包括在內(nèi)）所示。圖9 紅綠燈顯示電路4.4 整體電路將各模塊電路整合到一起就形成了系統(tǒng)工作電路，如圖10所示。在altium designer 中畫出電路原理圖，檢查電路沒有錯(cuò)誤后，可在proteus環(huán)境下進(jìn)行仿真，就可看到整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，即可模擬

16、出實(shí)際交通燈的工作狀態(tài)。圖10 整個(gè)電路工作原理圖五 軟件設(shè)計(jì)5.1 KEIL C簡(jiǎn)介KEILC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供C語言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng),使你可以更加貼近CPU本身,及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中,這個(gè)集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器,匯編  器,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),項(xiàng)目管理器,調(diào)試器。uVision2IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。C51V7版本是目前最高效、靈活的8051開發(fā)平臺(tái)。它可以支持所有8051的衍生產(chǎn)品,也可以支持所有兼容的仿真器,同時(shí)支持其它第

17、三方開發(fā)工具。5.2 程序流程圖l 主程序流程圖圖11 主程序圖如圖11所示，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)電路開始正常工作時(shí)，電路的運(yùn)行狀態(tài)將按照程序框圖的順序運(yùn)行下去，最后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，即可反映交通燈運(yùn)行的狀態(tài)。l 中斷服務(wù)程序流程圖當(dāng)系統(tǒng)電路上電后，系統(tǒng)初始化話后，程序從主程序開始進(jìn)入中斷程序，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，中斷產(chǎn)生，紅綠燈狀態(tài)將發(fā)生轉(zhuǎn)換，接著進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，最后進(jìn)入循環(huán)。中斷程序如圖12所示。圖12 中斷服務(wù)程序流程圖5.3 keil調(diào)試過程在Keil中將程序代碼編完后，點(diǎn)擊rebuild鍵，編譯看一開始，出現(xiàn)了好幾個(gè)錯(cuò)誤，經(jīng)過好久的調(diào)試與更改后，編譯時(shí)沒報(bào)錯(cuò)，但是有些電路功能還是沒弄出來，最后接近快三天

18、的時(shí)候才將整個(gè)程序編出，終于將程序調(diào)試出來了。編譯成功后，先在keil中進(jìn)行調(diào)試仿真。先點(diǎn)擊Start/Stop Debug Session 鍵后，顯示界面如圖13所示。圖13 調(diào)試第一步再點(diǎn)擊Peripherals鍵，選擇I/O-Ports->Port3,再點(diǎn)擊幾下Step鍵，顯示如圖14所示。圖14 調(diào)試第二步因?yàn)镻3.5，P3.6分別控制共陰數(shù)碼管的十位和個(gè)位，上圖顯示的是P3.6口的變化，說明數(shù)碼管的個(gè)位在發(fā)生變化,最后再連續(xù)點(diǎn)擊數(shù)下Step鍵，顯示如圖15，如上顯示的是P3.5的變化，即數(shù)碼管的十位數(shù)在變化。圖15 調(diào)試第三步在keil中調(diào)試完成后，接著進(jìn)一步軟件測(cè)試，即可進(jìn)行

19、電路仿真。六 系統(tǒng)仿真與實(shí)現(xiàn)6.1 proteus仿真軟件簡(jiǎn)介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(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了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。6.2 仿真調(diào)試過程在Keil中調(diào)

20、試完成后，再到proteus中進(jìn)行仿真。首先在proteus中需要的元件依次找出來，根據(jù)電路所需要實(shí)現(xiàn)的功能畫好電路原理圖，當(dāng)檢查電路完全沒有錯(cuò)誤后，雙擊芯片，再將在keil中生成的hex文件導(dǎo)入芯片，接著點(diǎn)擊play鍵開始進(jìn)行電路仿真。其中，此次的交通燈整個(gè)中循環(huán)共有四個(gè)工作狀態(tài)。狀態(tài)一：點(diǎn)擊play鍵，電路開始進(jìn)行仿真，此時(shí)紅綠燈顯示的情況為：東西方向?yàn)榫G燈亮，南北方向?yàn)榧t燈亮，即東西方向通行，南北方向禁止通行，交通燈顯示狀態(tài)如圖16所示。圖16 狀態(tài)一 狀態(tài)二：在開始仿真經(jīng)過10秒后，黃燈開始閃爍，紅綠燈的狀態(tài)將發(fā)生變化，即東西方向、南北方向的通行狀態(tài)即將發(fā)生變化，顯示情況如圖17。圖1

21、7 狀態(tài)二狀態(tài)三：在狀態(tài)二即黃燈開始閃爍5秒后，東西方向與南北方向的紅綠燈的狀態(tài)發(fā)生變化，即通行狀態(tài)發(fā)生變化，顯示情況如圖18。圖18 狀態(tài)三狀態(tài)四：在狀態(tài)三進(jìn)行10秒種的過程中，東西方向、南北方向紅綠燈顯示的狀態(tài)不變，10秒鐘之后，黃燈開始閃爍，即東西方向，南北方向的顯示狀態(tài)將發(fā)生變化，也就是說通車狀態(tài)將發(fā)生轉(zhuǎn)換。狀態(tài)四某一時(shí)刻的狀態(tài)如圖19所示。圖19 狀態(tài)四黃燈閃爍5秒后，現(xiàn)行狀態(tài)即將發(fā)生變化，將進(jìn)入狀態(tài)一，即開始進(jìn)入循環(huán)。七 設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過努力，終于將交通燈設(shè)計(jì)出來了。頓時(shí)，整個(gè)人感覺輕松多了?，F(xiàn)在回想起來，還真是別有一番滋味?？梢哉f，這一個(gè)星期，很辛苦，但收獲也很大。課程設(shè)計(jì)讓我把以前學(xué)習(xí)到的知識(shí)得到鞏固和進(jìn)一步的提高認(rèn)識(shí)，對(duì)已有知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解和認(rèn)識(shí)，動(dòng)手實(shí)踐能力也有了一定的提高。在此，由于自身能力有限，在課程設(shè)計(jì)中碰到了很多的問題，但通過查閱相關(guān)書籍、資料以及和周圍同學(xué)及學(xué)長們交流后都得以一一解決。由于使用的是單片機(jī)作為核心的控制元件，使得電路的可靠性比較高，功能也比較強(qiáng)大，而且可以隨時(shí)的更新系統(tǒng)，進(jìn)行不同狀態(tài)的組合。但是在我們?cè)O(shè)計(jì)和調(diào)試的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，譬如紅綠燈規(guī)則效率還不是很高，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路功能不是很健全等等，這都需要在實(shí)踐中進(jìn)一步完善。當(dāng)然，通過這次課程設(shè)計(jì)