畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-單片機(jī)控制交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、單機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 電氣1201班 鄧濤 李瑞 賈玉梅 孟豪 2105年11月20日單片機(jī)控制交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1章 概述1.1單片機(jī)認(rèn)識(shí)MCS-51單片機(jī)是Intel公司在1980年繼MCS-48系列8位單片機(jī)之后推出的高檔8位單片機(jī)。MCS-51單片機(jī)在性能和片內(nèi)功能方面大大優(yōu)于MCS-48系列單片機(jī)。MCS-51的典型產(chǎn)品有：8051、8031、8751、80C51、80C31、87C51等，8051內(nèi)部有4kB ROM，8751內(nèi)部有4kB EPROM，8031片內(nèi)無ROM。除此之外，三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。89S51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K 在系統(tǒng)可編

2、程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，AT89S51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。1.2 單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)是應(yīng)工業(yè)測控需要而產(chǎn)生的，最能反映其功能及形態(tài)的名稱是在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，Single-chip Micro-controller。按照測控系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，單片機(jī)的應(yīng)用可分為單機(jī)應(yīng)用和多機(jī)應(yīng)用兩大類。我們這次要完成的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)就是它的單機(jī)應(yīng)用，下面在介紹一下單片機(jī)在

3、單機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的主要內(nèi)容。（1）智能產(chǎn)品單片機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合，使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制智能化，購成新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品。目前，利用單片機(jī)構(gòu)成的智能產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械、工業(yè)設(shè)備等行業(yè)。（2）智能儀表目前，各種傳感器、變送器、控制儀表已普遍采用單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它集測量、處理、控制功能于一體，具有各種智能化功能，如存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、查找、判斷、聯(lián)網(wǎng)和語音等功能。單片機(jī)構(gòu)成的智能儀表，能使儀表具有數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化等優(yōu)點(diǎn)，賦予測量儀表以嶄新的面貌，使傳統(tǒng)的儀器、儀表發(fā)生根本性的變革，它代表了儀器儀表的發(fā)展趨勢。 （3）測控技術(shù)用單片機(jī)構(gòu)

4、成的各種工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，如爐溫恒溫控制系統(tǒng)、電鍍生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)等。（4）智能接口 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，特別是較大型的工業(yè)測控系統(tǒng)中，除通用外部設(shè)備外，還由許多外部通信、采集、多路分配管理、驅(qū)動(dòng)控制等接口。這些外部設(shè)備與接口如果完全由主機(jī)進(jìn)行管理，勢必會(huì)造成主機(jī)負(fù)擔(dān)過重，運(yùn)行速度降低，接口的管理水平也不可能提高。如果用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，單片機(jī)與主機(jī)可并行加工處理，可以大量降低接口的通信密度，極大的提高了接口控制管理水平。在一些通用計(jì)算機(jī)外部設(shè)備上，已實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的鍵盤管理、打印機(jī)控制、繪圖儀控制、硬盤驅(qū)動(dòng)控制等。1.3設(shè)計(jì)任務(wù)1） A道和B

5、道上均有車輛要求通過時(shí)，A ，B 道輪流放行。A 道放行5分鐘（調(diào)試時(shí)改為5秒鐘），B 道放行4分鐘（調(diào)試時(shí)改為4秒鐘）。2） 一道有車而另一道無車（實(shí)驗(yàn)時(shí)用開關(guān)K0 和K1 控制），交通燈控制系統(tǒng)能立即讓有車道放行。3） 有緊急車輛要求通過時(shí)，系統(tǒng)要能禁止普通車輛通行，A ，B 道均為紅燈，緊急車由 K2 開關(guān)模擬。4）綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時(shí)，黃燈亮1秒第2章 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì)2.1交通管理的方案A、B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A、B兩干道的公共停

6、車時(shí)間。設(shè)A道比B道的車流量大，指示燈燃亮的方案如表2-1-1。141514A道黃燈亮紅燈亮黃燈亮綠燈亮黃燈亮紅燈亮B道黃燈亮綠燈亮黃燈亮紅燈亮黃燈亮綠燈亮表2-1-1說明：（1）當(dāng)為黃燈時(shí) A、B兩道同時(shí)為黃燈；以提示行人或車輛下一個(gè)燈色即將到來 時(shí)間 1秒。 （2）當(dāng)A到為紅燈，A 道車輛禁止通行，A 道行人可通過；B 道為綠燈，B 道車輛通過，行人禁止通行。時(shí)間為4秒。（3）當(dāng)A道綠燈，A 道車輛通行；B 道為紅燈，B 道車輛禁止通過，行人通行。時(shí)間為5秒。 A道車流大 通行時(shí)間長（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

7、動(dòng)態(tài)設(shè)定在沒有特殊情況下，即在兩道均有車輛要求通過時(shí)，交通燈按常規(guī)運(yùn)行。通過控制開關(guān)可以輸入要模擬的其它狀態(tài)，交通燈將按照其輸入狀態(tài)的情況進(jìn)行運(yùn)行。2.2總體硬件設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2-1所示。總體設(shè)計(jì)方案共有五個(gè)部分組成，分別是：單片機(jī)AT89C51、紅、綠、黃燈顯示電路、LED數(shù)顯時(shí)間電路、晶振及復(fù)位控制電路、控制與調(diào)時(shí)開關(guān)電路。在進(jìn)行仿真調(diào)試過程中，程序運(yùn)行正確，五個(gè)部分就同時(shí)工作，從而實(shí)現(xiàn)了交通燈的基本功能及調(diào)時(shí)功能。系統(tǒng)的總的原理框圖如圖2-1所示。圖2-2-1 硬件設(shè)計(jì)方案 2.3系統(tǒng)時(shí)鐘電路 晶振采用了內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)源的方式。對(duì)于時(shí)間要求不是很高的系統(tǒng)，只要按圖進(jìn)行

8、設(shè)計(jì)就能使系統(tǒng)可靠起振并穩(wěn)定運(yùn)行。但由于圖中的C1、C2電容起著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率微調(diào)和穩(wěn)定的作用，因此，在本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中一定要注意正確選擇參數(shù)（30±10 PF），并保證對(duì)稱性（盡可能匹配）。圖2-3-1 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 2.4系統(tǒng)復(fù)位電路復(fù)位電路我采用上電+按鈕復(fù)位的方式。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，RST通過電阻接地，當(dāng)有開關(guān)閉合時(shí)由于電容的作用使電源VCC通過電阻施加在單片機(jī)復(fù)位端RST上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。只是可惜，在進(jìn)行仿真器調(diào)試過程中，該復(fù)位電路是不起作用的。具體電路如圖2-4-1所示。 圖2-4-1 系統(tǒng)復(fù)位電路 2.5數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管工作原理 這里我們介紹8段數(shù)碼管的工作原理。8段

9、數(shù)碼管又稱為8字型數(shù)碼管，分為8段：A、B、C、D、E、F、G、DP。其中，DP為小數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管常用的有10根管腳，每一段有一根管腳，另外兩根管腳為一個(gè)數(shù)碼管的公共段，兩根之間相互連通。 發(fā)光二極管的發(fā)光原理，我們已經(jīng)介紹過了，同理，8段LED數(shù)碼管，則是在一定形狀的絕緣材料上，利用不同形狀點(diǎn)劃的發(fā)光二極管組合，排列成“8”字型的數(shù)碼管，分別引出它們的電極，點(diǎn)亮相應(yīng)的點(diǎn)劃來顯示0-9的數(shù)字。 從電路上，按數(shù)碼管的接法不同又分為共陰和共陽兩種。圖2-5-1是共陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。圖2-5-1 數(shù)碼管的內(nèi)部電路接法在設(shè)計(jì)時(shí)，為了系統(tǒng)圖的美

10、觀，我采用了6個(gè)數(shù)碼管組成的數(shù)碼管組，采用共陰極接法。如圖2-5-2。圖2-5-2 系統(tǒng)數(shù)碼管電路2.6路燈指示電路在設(shè)計(jì)路燈時(shí)，采用了發(fā)光二極管代替路燈。先介紹一下二極管，見圖 2-6-1。二極管工作原理是單向?qū)?，即只有正極電壓高于負(fù)極電壓某特定值時(shí)才會(huì)導(dǎo)通，而負(fù)極電壓高于正極電壓是不導(dǎo)通的。圖 2-6-1 發(fā)光二極管示意圖發(fā)光二極管是一種特殊的二極管，導(dǎo)通時(shí)會(huì)發(fā)光（發(fā)光二極管導(dǎo)通壓降一般為1.7V1.9V）。此外，工作電流要滿足該二極管的工作電流。 發(fā)光二極管的正負(fù)極可以用萬用表進(jìn)行判斷，把萬用表撥至二極管檔或電阻擋，用兩個(gè)表筆分別接觸二極管的兩個(gè)引出腳。若發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，則與紅表筆相

11、接的引出腳為正極。從外觀上看，發(fā)光二極管的正極引腳的長度也比較長。 一般發(fā)光二極管與I/O端口之間都會(huì)再連接一個(gè)電阻，其作用在于限制通過二極管的電流，從而達(dá)到減少功耗或者滿足端口對(duì)最大電流的限制。一般發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流為5mA至10mA。 路燈設(shè)計(jì)時(shí)我采用了紅、黃、綠三種發(fā)光二級(jí)管。如圖2-6-2所示。 圖2-6-2 路燈設(shè)計(jì)電路2.7按鍵電路設(shè)計(jì)按鍵工作方式可以是中斷方式也可以是掃描方式，對(duì)掃描方式來說，掃描是一直調(diào)用按鍵掃描程序，也可以用定時(shí)調(diào)用按鍵掃描程序，不管哪一種，都需要占用系統(tǒng)寶貴的時(shí)間資源，相比較而言中斷就有優(yōu)勢，中斷鍵盤只有在有按鍵按下時(shí)才去執(zhí)行鍵盤程序，在沒有按鍵按下的情況

12、下，可以處理其他的事務(wù)，使資源得到充分的利用，故中斷鍵盤有占用資源少，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但在有按鍵按下時(shí)有數(shù)碼管閃爍的缺點(diǎn)，這是因?yàn)樘幚碇袛鄷r(shí)，數(shù)碼管停止了掃描，對(duì)顯示要求不高的場合下，這也是完全可以滿足要求的。但實(shí)際應(yīng)用中，為了保證安全查詢鍵值和響應(yīng)，通常還要進(jìn)行按鍵去抖和等待鍵釋放（查詢按鍵是否抬起）的動(dòng)作， 由于按鍵本身是機(jī)械開關(guān)，所以在觸點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)的現(xiàn)象。按鍵設(shè)計(jì)如圖2-7-1所示。圖2-7-1 按鍵電路第3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù) 一個(gè)完整的交通燈相當(dāng)于一個(gè)簡單的單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有交通燈設(shè)置電路、單片機(jī)、顯示電路等構(gòu)成。單片機(jī)是集成的IC芯片，

13、只需根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求選型。其他部分都需要根據(jù)應(yīng)用要求和性能指標(biāo)自行設(shè)計(jì)。首先了解實(shí)際交通燈的變化規(guī)律。假設(shè)一個(gè)十字路口為東西南北走向。初始狀態(tài)0為東西紅燈，南北紅燈。然后轉(zhuǎn)狀態(tài)1南北綠燈通車，東西紅燈。過一段時(shí)間轉(zhuǎn)狀態(tài)2，南北綠燈閃幾次轉(zhuǎn)亮黃燈，延時(shí)幾秒，東西仍然紅燈。再轉(zhuǎn)狀態(tài)3，東西綠燈通車，南北紅燈。過一段時(shí)間轉(zhuǎn)狀態(tài)4，東西綠燈閃幾次轉(zhuǎn)亮黃燈，延時(shí)幾秒，南北仍然紅燈。最后循環(huán)至狀態(tài)1。 3.2 軟件流程系統(tǒng)總體流程圖如圖3-2-1所示： 圖3-2-1整體軟件設(shè)計(jì)流程圖3.3 交通燈的設(shè)計(jì)程序說明這部分中定義了一些全局變量的數(shù)組和變量以及位標(biāo)志，只是些定義的東西不需要畫流程圖了。這

14、部分程序如下：#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit nom=P37;uchar code led_table10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/顯示數(shù)碼表uchar code light_state=0x21,0x12,0x0c,0x12;/交通燈狀態(tài)存儲(chǔ)表uchar code em_state3=0x24,0x21,0x0c;/緊急燈狀態(tài)顯示表uchar light_time2=0,4,0,1,0,5

15、,0,1;/顯示時(shí)間存儲(chǔ)表uchar statebef,time1s=100,state=0;/存儲(chǔ)緊急燈狀態(tài)，定時(shí)基數(shù)，狀態(tài)基數(shù)uint time;/顯示時(shí)間變量bit md_flag,state_flag=1,red;/顯示時(shí)間更改狀態(tài)，狀態(tài)切換標(biāo)志位，紅綠切換標(biāo)志位定義局部變量i，ji-j-j<100i=100j=100i<100yyNN3.4 延時(shí)函數(shù)延時(shí)函數(shù)的流程圖如圖3-4-1。延時(shí)程序如下：/*-延時(shí)函數(shù)-*/void delay(void) uchar i,j; for(i=100;i>0;i-) for(j=100;j>0;j-); /循環(huán)10000次

16、 圖3-4-1 延時(shí)函數(shù)的流程圖3.5 延時(shí)函數(shù)讀狀態(tài)函數(shù)的流程圖如圖3-5-1。 定義局部變量value讀P3口狀態(tài)value右移4位取value低三位狀態(tài)改變？return 0return 1YNstatebef=value讀狀態(tài)函數(shù)如下：/*-讀狀態(tài)函數(shù)：判斷是否有緊急燈狀況出現(xiàn)-*/uchar rd_emstate(void) uchar value; value=P3; value>>=4; value&=0x07; if(value!=statebef)statebef=value;return 1;/判斷是否有緊急燈狀況發(fā)生，/保存按鍵值，置返回標(biāo)志為1 el

17、se return 0; 3.6 顯示函數(shù)顯示函數(shù)如下：void display(void) if(md_flag=1)/顯示更改時(shí)間狀態(tài) if(1=red) / 南北方向紅燈時(shí)間顯示 P2=0xf6; P0=led_tablelight_time00;delay();/分鐘 P2=0xed; P0=led_tablelight_time01/10;delay();/秒的十位 P2=0xdb; P0=led_tablelight_time01%10;delay();/秒的個(gè)位 else /正常狀態(tài)，顯示時(shí)間 P2=0xf6; P0=led_tabletime/100; delay();/分鐘

18、P2=0xed; P0=led_tabletime/10%10;delay();/ 秒的十位 P2=0xdb; P0=led_tabletime%10; delay();/秒的個(gè)位 3.7定時(shí)器0中斷函數(shù)定時(shí)器0中斷函數(shù)如下：void Time0int(void) interrupt 1 EA=0; TH0=-10000/256; TL0=-10000%256; time1s-; if(time1s=0)/一秒中到，重新置數(shù) time1s=100;time-;/顯示時(shí)間自減if(time=0)/顯示時(shí)間減到0時(shí)切換顯示時(shí)間狀態(tài) state+;/四個(gè)狀態(tài)輪流切換 if(state=4) stat

19、e=0; state_flag=1;/置狀態(tài)切換標(biāo)志位 EA=1; - 16 -第4章Proteus軟件仿真4.1 Proteus軟件仿真Proteus軟件用于系統(tǒng)的仿真，編譯軟件采用keil UV3。程序的仿真用英國的labcenter公司的Protens V7.13。其果如下：加電后的結(jié)果如圖4-3-1。此時(shí)時(shí)間已經(jīng)走過一秒，南北是紅燈，東西是綠燈。圖4-3-1 加電后仿真4.2 南北路燈切換時(shí)仿真切換時(shí)，轉(zhuǎn)為黃燈亮，時(shí)間為一秒鐘。如圖4-2-1。圖4-2-1 黃燈亮?xí)r4.3 緊急情況下的仿真此時(shí)，全部為紅燈，所用車輛禁行，時(shí)間被鎖定，此時(shí)允許特殊車輛經(jīng)過。如圖4-3-1。圖4-3-1 緊急情況下的路燈顯示4.4東西緊急情況下的仿真此時(shí)