基于單片機(jī)的交通燈控制

./WORD格式整理版計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表設(shè)計(jì)課題：基于單片機(jī)的交通燈控制學(xué)院名稱：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：王黎設(shè)計(jì)地點(diǎn)：中原路校區(qū)2號(hào)樓402設(shè)計(jì)時(shí)間：2011.6.27～2011.7.3指導(dǎo)教師意見(jiàn)：成績(jī):簽名：年月日.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱：基于單片機(jī)的交通燈控制專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)F0805學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)地點(diǎn)：中02課程設(shè)計(jì)時(shí)間：2011.6.27～2011.7.3計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)自動(dòng)F0805學(xué)號(hào)題目基于單片機(jī)的交通燈控制課題性質(zhì)工程設(shè)計(jì)課題來(lái)源自擬課題指導(dǎo)教師王黎主要內(nèi)容利用單片機(jī)完成交通信號(hào)燈控制器的設(shè)計(jì),該交通信號(hào)燈控制器由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口,在每個(gè)入口處設(shè)置紅、綠、黃三色信號(hào)燈,紅燈亮禁止通行,綠燈亮允許通行,黃燈亮則給行駛中的車輛有時(shí)間停在禁行線外。任務(wù)要求第1天：熟悉課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求,針對(duì)課題查閱技術(shù)資料。第2天：確定設(shè)計(jì)方案。要求對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、比較、論證,畫出方框圖,并簡(jiǎn)述工作原理。第3-4天：按照確定的方案設(shè)計(jì)單元電路。要求畫出單元電路圖,元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù),各單元電路的設(shè)計(jì)要有詳細(xì)論述。第5天：撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計(jì)正確,篇幅不少于5000字。主要參考資料[1].樓然苗.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[2]熊靜琪．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)．北京：電子工業(yè)出版社,2003[3]高金源．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2001[4]徐維祥.單片微型機(jī)原理及應(yīng)用XX理工大學(xué)出版社,2006.12[5]張晉格．計(jì)算機(jī)控制原理與應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社,1995審查意見(jiàn)系〔教研室主任簽字：年月日目錄1引言12總體方案設(shè)計(jì)22.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求22.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)22.3方案論證及其選擇33硬件電路設(shè)計(jì)43.1數(shù)碼管顯示電路43.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)53.3晶振電路設(shè)計(jì)73.4電源電路設(shè)計(jì)73.5時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)83.6單片機(jī)最小硬件電路設(shè)計(jì)83.7最小硬件系統(tǒng)電路圖設(shè)計(jì)93.8紅、綠、黃燈控制電路設(shè)計(jì)104程序設(shè)計(jì)114.1程序總體設(shè)計(jì)114.2主程序設(shè)計(jì)124.3顯示子程序設(shè)計(jì)124.4交通控制時(shí)間處理子程序設(shè)計(jì)135心得體會(huì)156參考文獻(xiàn)167附錄17.1引言現(xiàn)在的每個(gè)城市中,紅綠燈安裝在各個(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。但是這一技術(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。它由紅綠色兩以旋轉(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。1914年,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,安裝在紐約市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"。1918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)按一下喇叭,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。本文主要采用的是用數(shù)碼管與點(diǎn)陣LED相結(jié)合的方法因?yàn)樵O(shè)計(jì)既要求倒計(jì)時(shí)數(shù)字輸出,又要求有狀態(tài)燈輸出等,為方便觀看并考慮到現(xiàn)實(shí)情況,用數(shù)碼管與LED燈分別顯示時(shí)間與提示信息。2總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求〔1處于常允許通行的狀態(tài),支干道有車來(lái)時(shí)才允許通行。主干道亮綠燈時(shí),支干道亮紅燈；支干道亮綠燈時(shí),主干道亮紅燈?！?干道均有車時(shí),兩者交替允許通行,主干道每次放行30秒,支干道每次放行30秒,設(shè)立30秒計(jì)時(shí)、顯示電路?！?綠燈亮到紅燈亮的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,要亮5秒黃燈作為過(guò)渡。黃燈亮?xí)r,原紅燈按1Hz的頻率閃爍?！?支干道通行時(shí)間及黃燈亮的時(shí)間均可在0～99秒內(nèi)任意設(shè)置。2.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本文中用通用的LED數(shù)碼管作為時(shí)間顯示器件,二極管作為交通控制的指示燈。共需要8個(gè)數(shù)碼管、12個(gè)二極管〔紅、黃、綠各4個(gè)。其系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如下圖2.2所示,圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖整個(gè)系統(tǒng)中單片機(jī)可選用AT89S51,它與8051系列單片機(jī)全兼容,但其內(nèi)部帶有4KB的FLASHROM,設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需外接程序存儲(chǔ)器,為設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)極大的方便。南北向和東西向各采用2個(gè)數(shù)碼管計(jì)時(shí),同時(shí)需要對(duì)該方向的指示燈的點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。鍵盤系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的需要設(shè)置不同的鍵的個(gè)數(shù),可以選擇線式鍵盤或矩陣式鍵盤,若單片機(jī)的I/O口不夠用時(shí),可以考慮擴(kuò)展8255或8155滿足系統(tǒng)的要求。2.3方案論證及其選擇電源方案的選擇為使模塊穩(wěn)定工作,須有可靠電源,通常AT89S51單片機(jī)的工作電壓范圍：4.0V—5.5V,所以我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)中選用5V的直流外界電源即可。但是所提供的這個(gè)電源必須是穩(wěn)定且可靠的。2.3.2輸入方案的選擇方案一：采用AT89S51擴(kuò)展I/O口及鍵盤,顯示等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：使用靈活可編程,并且有RAM,及計(jì)數(shù)器。若用該方案,可提供較多I/O口,但操作起來(lái)稍顯復(fù)雜。方案二：直接在I/O口線上接上按鍵開(kāi)關(guān)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)精簡(jiǎn)和優(yōu)化了電路,所以剩余的口資源還比較多,由于該系統(tǒng)對(duì)于交通燈及數(shù)碼管的控制,只用單片機(jī)本身的I/O口就可實(shí)現(xiàn),且本身的計(jì)數(shù)器及RAM已經(jīng)夠用,故選擇方案二。顯示界面方案的選擇方案一：完全采用數(shù)碼管顯示。這種方案只顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符,無(wú)法勝任題目要求。方案二：完全采用LED顯示。這種方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,且須完成大量的軟件工作；但功能強(qiáng)大,可方便的顯示各種英文字符,漢字、圖形等。方案三：采用數(shù)碼管與LED相結(jié)合的方法因?yàn)樵O(shè)計(jì)既要求倒計(jì)時(shí)數(shù)字輸出,又要求有狀態(tài)燈輸出等,為方便觀看并考慮到現(xiàn)實(shí)情況,用數(shù)碼管與LED燈分別顯示時(shí)間與提示信息。這種方案既滿足系統(tǒng)功能要求,又減少了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。權(quán)衡利弊,第三種方案可互補(bǔ)一二方案的優(yōu)缺,我們決定采用方案三以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯示功能。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。指示燈燃亮的方案如下表2.3.5所示。表2.3.525S5S25S5S……東西道紅燈亮紅燈亮綠燈亮黃燈亮……南北道綠燈亮黃燈亮紅燈亮紅燈亮……表2.3.5的說(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30秒?！?黃燈5秒,警示車輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換?！?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30秒?！?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。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)采用共陽(yáng)型數(shù)碼管,P2口作為數(shù)碼管的輸入,0.4、P0.5、P0.6、P0分別作數(shù)碼管為東西南北四路數(shù)碼管的位選端。數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)電路圖如下圖3.1所示,圖3.1數(shù)碼管顯示電路3.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),使單片機(jī)從固定的起始狀態(tài)開(kāi)始工作,完成單片機(jī)的"啟機(jī)"過(guò)程。AT89S51單片機(jī)復(fù)位信號(hào)是高電平有效,通過(guò)RST/VPD<9腳輸入。復(fù)位電路連接方式有兩種。即硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。在本設(shè)計(jì)中我們采用的是硬件的復(fù)位方式,一共有以下三種。1上電復(fù)位單片機(jī)接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),完成單片機(jī)啟動(dòng),確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。其硬件電路圖如下圖所示。2手動(dòng)復(fù)位手動(dòng)按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),完成單片機(jī)啟動(dòng),確定單片機(jī)的初始狀態(tài)。通常在單片機(jī)工作出現(xiàn)混亂或"死機(jī)"時(shí),使用手動(dòng)復(fù)位可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)"重啟"。其硬件電路圖如下圖所示。3混合復(fù)位電路將上電復(fù)位電路和手動(dòng)復(fù)位電路結(jié)合到一起構(gòu)成,通常使用的都是這種混合復(fù)位電路,其硬件電路圖如下圖所示。3.3晶振電路晶振電路原理圖如下圖3.3所示,圖3.3晶振模塊原理圖選取原則：傳統(tǒng)做法,但能夠?qū)崿F(xiàn)所需,即最簡(jiǎn)單也最是實(shí)用。電容選取30pF,晶振為2MHz。3.4電源電路設(shè)計(jì)AT89S51單片機(jī)的工作電壓范圍：4.0V—5.5V,所以通常給單片機(jī)外接5V直流電源。連接方式如下圖所示,3.5時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路就是振蕩電路,向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn),決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。AT89S51單片機(jī)時(shí)鐘頻率范圍：0—33MHz。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)圖如下所示,3.5時(shí)鐘電路連接方式3.6單片機(jī)最小硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小硬件電路組成簡(jiǎn)述：要使單片機(jī)工作起來(lái),最基本的電路的構(gòu)成為本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī),程序量不大,使用內(nèi)部的存儲(chǔ)器。電源電路：向單片機(jī)供電。時(shí)鐘電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn),決定單片機(jī)工作速度。復(fù)位電路：確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài),完成單片機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。其單片機(jī)的最小硬件電路如下圖3.6所示,圖3.6單片機(jī)最小硬件電路3.7最小硬件系統(tǒng)電路圖設(shè)計(jì)<1>AT89S51芯片簡(jiǎn)介EA/VP<31腳接+5V。單片機(jī)的P0、P1、P2、P3四個(gè)端口用于輸入/輸出數(shù)字電信號(hào)。1電源引腳：連接電源Vcc<40腳：電源正極Vss<20腳：電源負(fù)極2時(shí)鐘引腳：連接時(shí)鐘電路XTAL1<19腳：輸入引腳XTAL2<18腳：輸出引腳3復(fù)位引腳：連接復(fù)位電路RST/VPD<9腳：復(fù)位引腳4控制引腳：輔助控制作用PSEN<29腳ALE/PROG<30腳EA/VPP<31腳:接高電平圖3.7最小硬件系統(tǒng)電路圖5I/O端口引腳：用來(lái)連接單片機(jī)和外部設(shè)備,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出。P0.0—P0.7<39腳—32腳：P0端口P1.0—P1.7<1腳—8腳：P1端口P2.0—P2.7<21腳—28腳：P2端口P3.0—P3.7<10腳—17腳：P3端口最小硬件電路圖設(shè)計(jì)如上圖3.7所示。3.8紅、綠、黃燈控制電路設(shè)計(jì)十字路口紅綠黃燈的硬件接線圖如下圖3.8所示,黃燈用P3口輸出,綠燈用P1口的高四位輸出,紅燈用P1口的低四位輸出,其控制電路設(shè)計(jì)如下圖3.8所示,圖3.8紅、綠、黃燈的接線圖4軟件設(shè)計(jì)4.1程序總體設(shè)計(jì)程序模塊包括：主程序〔系統(tǒng)初始化、顯示程序、外中斷服務(wù)程序、定時(shí)器服務(wù)程序〔倒計(jì)時(shí)處理等。主程序的框圖如下圖5.1所示。圖5.1主程序結(jié)構(gòu)框圖主程序包括對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、外部中斷的初始化,讀出系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),將交通燈時(shí)間參數(shù)送對(duì)應(yīng)的顯示緩沖區(qū),然后反復(fù)調(diào)用顯示子程序。并在現(xiàn)實(shí)過(guò)程中等待見(jiàn)哦按中斷處理功能,等待定時(shí)器中斷改變數(shù)碼管顯示指揮交通。系統(tǒng)用兩個(gè)定時(shí)器,一個(gè)用交通燈的計(jì)時(shí)處理,一個(gè)用來(lái)控制數(shù)碼管的閃爍顯示,結(jié)合顯示程序進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。其他與實(shí)踐有關(guān)的處理程序也用該定時(shí)器實(shí)現(xiàn),進(jìn)行多延時(shí)程序設(shè)計(jì)。4.2主程序設(shè)計(jì)定時(shí)器設(shè)置,交通燈控制需要產(chǎn)生秒信號(hào),定時(shí)器一半不能直接產(chǎn)生,如系統(tǒng)晶振才約6MHz,系統(tǒng)的機(jī)器中期是2um,最大定時(shí)約131ms,可以將定時(shí)器設(shè)置為反復(fù)定時(shí)125ms,數(shù)中斷的次數(shù),每8次就是1s。閃爍顯示定時(shí)的時(shí)間也可設(shè)置為125ms,1s亮滅幾次可以看出閃爍效果。兩個(gè)定時(shí)器都設(shè)置為方式1定時(shí),初值為：216-125*1000/2=0BDCH4.3顯示子程序設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示控制的原理：在顯示程序中判斷該數(shù)碼管的亮滅標(biāo)志決定是否跳過(guò)位開(kāi)通指令,從而達(dá)到控制數(shù)碼管亮和滅的控制,在定時(shí)器程序中判斷該位的閃爍標(biāo)志,決定是否對(duì)該數(shù)碼管亮滅標(biāo)志位的求反操作,實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的閃爍控制。以后只要對(duì)閃爍標(biāo)志設(shè)置就可控制數(shù)碼管的閃爍?？刂频姆椒ㄊ桥袛嚅W爍標(biāo)志位,通過(guò)對(duì)顯示緩沖區(qū)內(nèi)容的改變〔該位亮或滅信息,達(dá)到閃爍的效果。4.4交通控制時(shí)間處理子程序設(shè)計(jì)1軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)思想：由定時(shí)器產(chǎn)生0.05s定時(shí),軟件計(jì)數(shù)得到秒信號(hào),設(shè)30s計(jì)數(shù)器,30s計(jì)數(shù)器計(jì)滿,綠燈滅、黃燈閃爍5次,黃燈滅、紅燈亮；同時(shí),另兩路口紅燈滅、綠燈亮。2定時(shí)器T0工作方式1,產(chǎn)生0.05s定時(shí)。P0口及P2口的低4位輸出控制信號(hào)。30s計(jì)數(shù)器的地址為40H?？刂埔_與燈的關(guān)系如下表4.4〔a所示,表4.4〔a控制引腳與燈的對(duì)應(yīng)關(guān)系位置燈顏色控制引腳北口紅PA0<BRD>黃PA1<BYD>綠PA2<BLD>南口紅PB1<NRD>黃PB2<NYD>綠PB3<NLD>東口紅PA0<DRD>黃PA1<DYD>綠PA2<DLD>西口紅PA6<XRD>黃PA7<XYD>綠PB0<XLD>交通控制時(shí)間處理子程序的流程圖如圖4.4〔b所示。開(kāi)始開(kāi)始燈全滅……南北綠燈亮……東西紅燈亮……30s計(jì)數(shù)器清零……30s時(shí)間到…南北紅燈亮……東西綠燈亮……30s計(jì)數(shù)器清零……30s時(shí)間到…5s閃