交通燈課程設(shè)計(jì)報(bào)告[1]

1、一 設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通燈控制器。模擬東西方向的十字路口交通信號(hào)控制情況。東西向通行時(shí)間為80s，南北向通行時(shí)間為60s，緩沖時(shí)間為3s。A方向紅燈時(shí)間=B方向綠燈時(shí)間+B方向黃燈緩沖時(shí)間，其中A為東西方向，B為南北方向。二 任務(wù)分析 2.1單片機(jī)交通控制系統(tǒng)的通行方案設(shè)計(jì)十字路口分為東西向和南北向，在任一時(shí)刻只有一個(gè)方向通行，另一方向禁行，持續(xù)一定時(shí)間，經(jīng)過(guò)短暫的過(guò)渡時(shí)間，將通行禁行方向?qū)Q。其具體狀態(tài)如下圖所示。說(shuō)明：黑色表示亮，白色表示滅。交通狀態(tài)從狀態(tài)1開(kāi)始變換，直至狀態(tài)4然后循環(huán)至狀態(tài)1，周而復(fù)始，即如圖1所示： 圖1 交通狀態(tài)通過(guò)具體的路口交通燈狀態(tài)的演示分析我們可以把這

2、四個(gè)狀態(tài)歸納如下： 本設(shè)計(jì)中共12只LED分別為東西向和南北向兩組，各組指示燈均有相向的2只紅色、2只黃色與2只綠色的LED，交通燈共四種狀態(tài)，分別設(shè)定為S1、S2、S3、S4，交通燈以這四種狀態(tài)為一個(gè)周期，循環(huán)執(zhí)行如圖1所示。通行時(shí)間通過(guò)4個(gè)2位數(shù)碼管以倒計(jì)時(shí)方式循環(huán)顯示。其中狀態(tài)S1:東西方向綠燈亮，允許通行，南北方向紅燈亮，禁止通行； 狀態(tài)S2:東西方向綠燈轉(zhuǎn)黃燈閃爍，允許通行，南北方向紅燈亮，禁止通行；狀態(tài)S3:東西方向紅燈亮，禁止通行，南北方向綠燈亮，允許通行；狀態(tài)S4:東西方向紅燈亮，禁止通行，南北方向綠燈轉(zhuǎn)黃燈閃爍，允許通行； 圖2 交通燈狀態(tài)循環(huán) 依據(jù)上述分析，東西的通行時(shí)間為

3、狀態(tài)S1和狀態(tài)S2的時(shí)間之和，南北的通行時(shí)間為狀態(tài)S3和狀態(tài)S4的時(shí)間之和，因此可以列出各個(gè)路口燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如表1所示（其中邏輯值“1”代表執(zhí)行通行，邏輯值“0”代表禁止通行，邏輯值“L”代表綠燈轉(zhuǎn)黃燈）：表1 交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換表順序時(shí)間東 西南 北綠燈黃燈紅燈 綠燈 黃燈 紅燈S177s100001S23s0L(閃爍)0001S357s001100S4 3s0010L(閃爍)02.2 單片機(jī)交通控制系統(tǒng)的功能要求 本設(shè)計(jì)能模擬基本的交通控制系統(tǒng)，用紅綠黃燈表示禁行，通行和等待的信號(hào)發(fā)生，還能進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示，通行時(shí)間調(diào)整和緊急處理等功能。程序就是上述四種狀態(tài)下循環(huán)轉(zhuǎn)化的，每四個(gè)狀態(tài)為一個(gè)周期，正

4、常情況下共花費(fèi)140S。三 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件框圖 本系統(tǒng)選用MSC-51系列單片機(jī)AT89C51為中心器件設(shè)計(jì)交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)了紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮，綠燈變紅燈中間為黃燈閃爍警示的功能。用共陰顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219芯片連接單片機(jī)與4個(gè)共陰數(shù)碼管，顯示十字路口兩個(gè)方向通行或禁止的剩余時(shí)間，減少了對(duì)單片機(jī)引腳和機(jī)器的占用時(shí)間。系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。圖3 系統(tǒng)硬件框圖3.2單元電路設(shè)計(jì)3.2.1時(shí)鐘電路取原選則：CPU的需要精確的定時(shí)，這是用一個(gè)晶體振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖來(lái)控制的。8051片內(nèi)有一個(gè)有高增益反相放大器所構(gòu)成的震蕩電路，XTAL1和XTAL2分別為震蕩電路的輸入和輸出端

5、，時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。在XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，組成并聯(lián)諧振回路，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激震蕩器。電容置在530PF之間選擇，電容的大小可起頻率微調(diào)作用。電容選取22uF，晶振為12MHZ。如圖4所示。圖4 時(shí)鐘電路3.2.2復(fù)位電路常見(jiàn)的復(fù)位電路有兩種，上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)中采用的是上電自動(dòng)復(fù)位。如圖5所示。圖5復(fù)位電路3.2.3交通燈電路本系統(tǒng)采用LED作為交通燈來(lái)使用，單片機(jī)的I/O口直接與LED連接。在十字路口的四組紅、黃、綠三色交通燈中，東西方向的同色燈連接在一起，南北方向的同色燈也彼此連接，受單片機(jī)AT89C51的P0.0P

6、0.5控制。12個(gè)LED指示燈采用共陽(yáng)極的連接方式，因此I/O口輸出低電平時(shí)，與之相連的LED會(huì)亮，輸出高電平時(shí)，LED熄滅。3.2.4倒計(jì)時(shí)顯示電路該交通燈控制系統(tǒng)在正常工作情況下，為方便提示路上行人及車輛交通燈轉(zhuǎn)換的剩余時(shí)間，專門為控制系統(tǒng)提供了一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示裝置。該裝置采用2位七段數(shù)碼管來(lái)顯示，每個(gè)路口需要1個(gè)，共4個(gè)，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，本系統(tǒng)采用用共陰顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219的DIG0DIG1控制4個(gè)數(shù)碼管的循環(huán)動(dòng)態(tài)顯示。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)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(gè)獨(dú)立的LED。其主要的特點(diǎn)是

7、有獨(dú)立的LED段控制。3.3 理論基礎(chǔ)知識(shí)3.3.1定時(shí)器原理定時(shí)器工作的基本原理其實(shí)就是給初值，讓它不斷加1直至減完為模值，這個(gè)初值是送到TH和TL中的。它是以加法記數(shù)的，并能從全1到全0時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生溢出中斷請(qǐng)求。因此，我們可以把計(jì)數(shù)器記滿為零所需的計(jì)數(shù)值，即所要求的計(jì)數(shù)值設(shè)定為C，把計(jì)數(shù)初值設(shè)定為TC 可得到如下計(jì)算通式：TC=M-C式中，M為計(jì)數(shù)器模值。計(jì)數(shù)值并不是目的，目的是時(shí)間值，設(shè)計(jì)1次的時(shí)間，即定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖的周期為T0，它是單片機(jī)系統(tǒng)主頻周期的12倍，設(shè)要求的時(shí)間值為T，則有C=TT0。計(jì)算通式變?yōu)椋篢=（MTC）T0模值和計(jì)數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式0時(shí)M為8192；在方式1時(shí)M

8、的值為65536；在方式2和3為256。就此可以算出各種方式的最大延時(shí)。如單片機(jī)的主脈沖頻率為12MHZ，經(jīng)過(guò)12分頻后，若采用方式最大延時(shí)只有8.129毫秒，采用方式最大延時(shí)也只有65.536毫秒。這就是為什么掃描周期為50ms的原因，若使用軟件則會(huì)耽擱程序流程，顯然不可行。相反，時(shí)間計(jì)時(shí)方面卻不可能只用計(jì)數(shù)器，因?yàn)轱@然秒鐘已經(jīng)超過(guò)了計(jì)數(shù)器的最大定時(shí)間，所以我們還必須采用定時(shí)器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個(gè)問(wèn)題。3.3.2軟件延時(shí)原理MCS-51的工作頻率為12MHZ，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*（1/12MHZ）=1us。我們可以知道具體每條指

9、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，但同時(shí)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)。3.3.3 中斷原理本系統(tǒng)主要使用了外部中斷，中斷信號(hào)有引腳INT0和INT1輸入，低電平有效，CPU每個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)檢測(cè)INT0和INT1上的信號(hào)，8051允許外部中斷以電平方式或負(fù)邊沿方式兩種中斷方式輸入中斷請(qǐng)求信號(hào)，可由用戶通過(guò)設(shè)置TCON中IT0和IT1位的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。以IT0為例，IT0=0，為電平觸發(fā)方式，IT0=1，為負(fù)邊沿觸發(fā)方式，本設(shè)計(jì)采用電平方式，IE0為其中斷標(biāo)志位，有中斷信號(hào)則置位，中斷服務(wù)子程序響應(yīng)后，IE0自動(dòng)清零。IE中的EA為允許中斷的總控

10、制位，為1開(kāi)啟，EX0為外部中斷允許控制位，為1開(kāi)啟。在優(yōu)先級(jí)的允許下，一旦有外部中斷信號(hào)產(chǎn)生，單片機(jī)CPU首先保護(hù)斷點(diǎn)，PC值進(jìn)棧，然后執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行完后，用RETI指令返回，此時(shí)CPU會(huì)從堆棧中取保存的斷點(diǎn)地址，送回PC，程序再正常執(zhí)行。 四 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用proteus軟件進(jìn)行電路仿真，芯片AT89C51還需要載入代碼文件來(lái)支持其正常工作以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能要求。程序代碼編寫是整塊設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，本系統(tǒng)中利用一個(gè)定時(shí)器T0完成了交通指示燈所有的切換過(guò)程和數(shù)碼管的倒計(jì)時(shí)功能，其中指示燈的切換有4種不同的操作，用變量Operation_Type表示當(dāng)前的操作類型，數(shù)碼管的切換有2

11、種不同的操作，用變量i表示狀態(tài)的切換。采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，下面簡(jiǎn)要介紹下各段程序代碼的意義和功能。4.1主程序框圖主程序?yàn)榻煌羲膫€(gè)狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換的死循環(huán)，主程序代碼和程序框圖如圖6所示。 void main()/主程序 Initialise(); TMOD = 0x01;/定時(shí)器0工作在方式1 IE=0x82;/允許定時(shí)器0中斷 TR0=1;/啟動(dòng)定時(shí)器 while(1); 全部控制程序?qū)嶋H上分為若干模塊：鍵盤設(shè)置處理程序，狀態(tài)燈控制程序，LED顯示程序緊停程序，中斷服務(wù)子程序，紅綠燈時(shí)間調(diào)整程序等。整個(gè)軟件程序方面主要分兩大部分：主程序部分和中斷處理程序。開(kāi)始系統(tǒng)初始化東西亮綠燈，南北亮紅燈

12、調(diào)顯示子程序（動(dòng)態(tài)顯示）東西，南北方向換向東西黃燈閃爍，南北亮紅燈燈中斷處理子程序處理返回圖6 主程序框圖 設(shè)計(jì)說(shuō)明：該智能交通燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用的是順序執(zhí)行并反復(fù)循環(huán)的方法。智能交通燈控制系統(tǒng)在正常工作的情況下，每140s循環(huán)變化一次。每個(gè)循環(huán)周期在還剩3s時(shí)，正在通行路口的黃燈同時(shí)點(diǎn)亮并開(kāi)始閃爍，以提醒路人上的行人及車輛，交通燈即將發(fā)生變化。4.2 過(guò)程流程圖 圖7 過(guò)程流程圖 五 調(diào)試分析及所用器件5.1 調(diào)試環(huán)境本設(shè)計(jì)使用仿真軟件Proteus和Keil C進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。原理圖在Proteus提供的模板中選擇恰當(dāng)?shù)脑骷M(jìn)行設(shè)計(jì)繪圖，完成電路的搭建，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤及時(shí)改正。所有

13、c語(yǔ)言源程序都在Keil C下編寫，對(duì)仿真軟件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置后，Keil C和Proteus能進(jìn)行通信，即在Keil C中全速運(yùn)行程序時(shí)，Proteus中的單片機(jī)系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)的軟件調(diào)試借助于TKS仿真器，在進(jìn)行系統(tǒng)軟件的連續(xù)調(diào)試之前要先進(jìn)行軟件的初調(diào)，就是要使各個(gè)子程序模塊運(yùn)行正確，程序的運(yùn)行流程正確。軟件調(diào)試主要分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：1 功能子程序的調(diào)試。能子程序的調(diào)試包括運(yùn)算、采樣、數(shù)字濾波以及PID運(yùn)算等子程序的調(diào)試。在調(diào)試功能子程序時(shí)，許多參數(shù)都是未知的，要根據(jù)其所需的條件，給出假定的數(shù)據(jù)，使其運(yùn)行，如果能完成預(yù)定的處理功能或與手工計(jì)算的結(jié)果相符，就說(shuō)明該子程序己調(diào)試通過(guò)。調(diào)試

14、時(shí)由小到大，由里到外。例如，調(diào)試PID算法子程序時(shí)，先調(diào)通其包含的各個(gè)運(yùn)算子程序和參數(shù)處理子程序，然后將它們連起來(lái)進(jìn)行通調(diào)。通調(diào)時(shí)，也是假定一些數(shù)據(jù)、參數(shù)和初始條件，然后運(yùn)行程序。當(dāng)運(yùn)算結(jié)果與手工計(jì)算的結(jié)果相同時(shí)，該算法子程序則調(diào)試完成，反之，就要進(jìn)行相應(yīng)的修改。其它子程序的調(diào)試同理；2 程序流程的調(diào)試。序流程的調(diào)試主要是查看程序運(yùn)行的步驟是否正確，在某時(shí)刻程序運(yùn)行所處的位置是否正確，是否能正確運(yùn)行各個(gè)中斷服務(wù)程序。在調(diào)試過(guò)程中，先將PID算法子程序屏蔽，輸出可控硅導(dǎo)通時(shí)間用一個(gè)固定的常數(shù)代替，在各個(gè)中斷服務(wù)子程序設(shè)置斷點(diǎn)，然后運(yùn)行程序，查看程序是否能運(yùn)行到所有的斷點(diǎn)，若所有斷點(diǎn)都能運(yùn)行到，則

15、程序流程基本正確。去掉所有斷點(diǎn)，再一次運(yùn)行程序，查看可控硅狀態(tài)，從而判斷程序流程正確，反之，若程序流程不正確，做相應(yīng)的修改后，重新調(diào)試；3 功能程序與算法程序的通調(diào)。完成整個(gè)程序流程的調(diào)試后，將PID等算法子程序加入，在算法子程序前或后設(shè)置斷點(diǎn)，運(yùn)行整個(gè)程序。當(dāng)程序在斷點(diǎn)處暫停時(shí)，查看PID計(jì)算的控制量與手工計(jì)算的值是否相同。多運(yùn)行幾次，若每次的結(jié)果都正確，則說(shuō)明程序各個(gè)部分互相沒(méi)有矛盾，反之，則說(shuō)明算法子程序和其它子程序之間有影響，需要做相應(yīng)的修改后重新調(diào)。5.2所用芯片及參數(shù) 表5-1 所用芯片及參數(shù)序號(hào)名稱元件編號(hào)參數(shù)數(shù)量1單片機(jī)AT89C5112顯示驅(qū)動(dòng)器MAX721913指示燈LED

16、-REDGREENYELLOW12（各4個(gè)）47段數(shù)碼管7SEG-MPX2-CC45電容CAP22pF26晶振 CRYSTAL12Mhz17電阻RES10k38電解電容CAP-ELEC10F1 六 心得體會(huì)這次是我認(rèn)為最有意義的一次課程設(shè)計(jì)，從原理圖設(shè)計(jì)到軟件仿真，我從中收獲了許多。設(shè)計(jì)剛開(kāi)始時(shí)，我就在學(xué)校中門仔細(xì)觀察路口交通燈，經(jīng)過(guò)研究思考最終得到了上述的交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。 對(duì)于交通燈這個(gè)題目，由于以前學(xué)單片機(jī)這個(gè)課程時(shí)，做過(guò)類似相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，覺(jué)得這個(gè)比較簡(jiǎn)單而且做出的東西也比較直觀，在確定題目之后，查閱了大量的資料，初步完成了電路設(shè)計(jì)方案。 我選擇了用c語(yǔ)言進(jìn)行編程，在編寫倒計(jì)時(shí)顯示遇到了困

17、難，因?yàn)椴涣私庑酒琈AX7219的顯示原理。通過(guò)查閱資料，克服了困難，很有成就感。在整個(gè)程序的編寫過(guò)程中，研究每個(gè)子程序是否好使，我是通過(guò)Keil 和proteus兩個(gè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Keil 則幫助我檢查程序是否存在語(yǔ)法錯(cuò)誤之類的問(wèn)題，還可以生成hex文件，供proteus軟件仿真使用。通過(guò)幾天的編寫，程序最終無(wú)誤并且在仿真中實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。 七 參考文獻(xiàn)1張毅坤. 單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社 1998 2夏繼強(qiáng). 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 20013彭偉. 單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)100例.北京：電子工業(yè)出版社, 20095雷麗文. 微機(jī)原理

18、與接口技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社, 20016于永. 51單片機(jī)C語(yǔ)言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社, 20077譚浩強(qiáng). C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社, 20058于永. 51單片機(jī)C語(yǔ)言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社, 2007八 程序代碼#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit RED_A = P00;sbit YELLOW_A = P01;sbit GREEN_A = P02;sbit RED_B = P10;sbit YELLOW_B =

19、P11;sbit GREEN_B = P12;sbit DIN=P30;sbit LOAD=P31;sbit CLK=P32;uchar Flash_Count = 0, Operation_Type = 1,Time_Count=0,hh=1,i=80,mm=1,tt=9; /寫數(shù)據(jù)void Write(uchar Addr,uchar Dat) uchar i; LOAD=0; for(i=0;i8;i+) CLK=0;Addr=1;DIN=CY; CLK=1;_nop_();_nop_(); CLK=0; for(i=0;i8;i+) CLK=0;Dat=1;DIN=CY; CLK=1;

20、_nop_();_nop_(); CLK=0; LOAD=1;/MAX7219初始化void Initialise() Write(0x09,0x3f);/編碼模式地址 Write(0x0a,0x07);/亮度地址 Write(0x0b,0x01);/掃描數(shù)碼管個(gè)數(shù)地址 Write(0x0c,0x01);/工作模式地址/T0中斷子程序void T0_INT() interrupt 1 TH0=-50000/256;/設(shè)定50ms定時(shí)初值TL0=-50000%256;if(tt-=0)/50ms*10=500mstt=9;if(hh- =0)/500ms*2=1shh=1;Write(1,i/0x0a);/數(shù)碼管寫數(shù)據(jù)Write(2,i%0x0a); if(i-=0)/初始化時(shí)定義i=80if(mm=0)/判斷語(yǔ)句 mm=1;i=80;else mm= 0; i=60; switch (Operation_Type) case 1:/東西向綠燈，南北向紅燈 RED_A = 1; YELLOW_A = 1; GREEN_A = 0; RED_B = 0; YELLOW_B = 1; GREEN_B = 1; if(+Time_Count!=155) return;/500ms*(2*77)=77s Time_Count = 0; O