交通信号灯模拟控制系统课程设计报告书Word格式文档下载.docx
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在大、中城市,十字道口的红绿灯是交通法规的无声命令,是司机和行人的行为准则。
十字道口的交通红绿灯控制是保证交通安全和道路畅通的关键。
当前,国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯,它具有固定的“红灯—绿灯”转换间隔,并自动切换。
它们一般由“通行与禁止时间控制显示、红黄绿三色信号灯和方向指示灯”三部分组成。
在交通灯的通行与禁止时间控制显示中,通常根据交通规律设置红绿黄三色信号的时间,时间控制都是固定的。
交通灯的时间控制显示,以固定时间值预先设置在单片机中,每次以一定周期交替变化。
(二)课程设计的性质和目的
本课程设计的主要目的是通过对电子技术及单片机原理的学习,综合掌握电子电路综合设计的过程,设计要求和具体的设计方法。
通过设计更好的复习、理解模拟电子、数字电子和单片机等课程内容,使理论和实际相结合,加强学生的动手能力以及查阅相关资料解决实际问题的能力,培养学生从事设计工作的整体观念。
二、设计任务
1、完成交通灯的变化规律,即一个十字路口为东西方向和南北方向,四个路口均有红黄绿三灯和两个LED数码管。
交通灯上电后进入初始状态即东西南北均为红灯亮。
5秒后转状态1:
南北绿灯亮通车,东西红灯亮,禁止通行,持续30秒;
30秒后转状态2:
南北绿灯灭转黄灯闪亮,延时5秒,东西仍红灯亮;
5秒后转状态3:
东西绿灯亮通车,南北转红灯,持续30秒;
30秒后转状态4:
东西绿灯灭转黄灯闪,延时5秒,南北仍红灯。
最后循环至状态1。
2、用8个LED数码管(各方向均两个,分别表示个位和十位),显示倒计时。
倒计时用于提醒驾驶员或行人信号灯发生改变的时间,以便他们在“停止”和“通行”两者作出合适的选择。
3、在紧急状态下,通过K1键手动设置,将所有路口的灯变为红灯;
再次按下此键后进入状态1,然后依次循环。
三、方案简介
通过网上查阅资料,最终确定以下几种方案:
(一)方案一
采用74HC573锁存器控制数码管显示,使用动态扫描方法,控制数码管位选和段选的通断来使数码管依次显示相应数值;
交通灯则可通过单片机的I/O口来直接控制其关断;
按键可通过对外部中断标志位的查询来控制紧急情况的相应动作。
此方案框图如下:
(二)方案二
为使数码管的控制简单、显示稳定,可以采用静态显示方法,使用CD4511译码器来控制数码管显示;
根据要求,显示部分为两位数,因此可将数码管分为四组:
南北个位,南北十位,东西个位,东西十位;
CD4511输入四位,输出七位,因此需16个I/O口便可控制四组数码管,再用4个I/O口控制数码管的公共极,其余I/O口足够交通灯和按键使用。
此方案的整体框图如下:
(三)方案三
在方案一、二的基础上,进一步简化电路,数码管采用静态显示方法,且将其分组减少到两组,十位为一组,个位为一组,使用共阴极数码管,将所有数码管位选通端接地,我们只需给十位组和个位组送不同的段选信号就行了,I/O口控制采用低电平灌电流方式,这样便会有足够电流驱动数码管显示;
此种方案既不需要再扩展I/O口,直接用单片机控制数码管显示和交通灯的亮灭,电路较为简单。
方案框图如下:
方案比较
以上三种方案各有利弊,但综合考虑,方案三的电路较为简单,使用器件少,成本低,且能完成设计要求的全部功能,因此其性价比较高,所以最终选择方案三进行设计。
四、设计详解
本方案使用AT89S51单片机,P0口和P1口控制数码管的段选,采用静态显示方法;
P2口和P3口的个别位用来控制交通灯(发光二极管)的亮灭;
定时采用定时器0的方式一,外接12MHz的晶振;
按键接INT0/P3.2(外部中断0),并设为高优先级中断,中断方式为电平中断,一旦有紧急情况发生,便按下按键进行中断,中断子程序便是使所有路口红灯亮,断开按键进入状态1。
(一)显示子程序
数码管显示数字为0—9,可以利用查表方式显示相应数字,将编辑好的数字显示代码存入表中,代码显示内容与其在表中位置相对应({0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}),将表中相应位置的代码送进数码管段选控制I/O口(P0,P1)便可使数码管显示相应数字。
(二)定时子程序
定时采用定时器0的方式一,外接12MHz的晶振,通过计算给定时器装入合适初值,为方便计算,可设定时器一次中断为50ms,这样中断20次即为1s,然后每个5s或30s便执行相应动作。
(三)总体程序流程
(分块流程图见“七、软件原理”)
五、元件清单及主要元件说明
表1元器件清单
名称
规格
数量
单片机
AT89S51
1
电阻
1KΩ
8
470Ω
晶振
12MHz
发光二极管
GREEN(触发电流10mA)
4
RED(触发电流10mA)
YELLOW(触发电流10mA)
数码管
共阴极
2K
按键
电解电容
22uF
电容
30pF
2
电源
+5V
译码器
74hc573
(一)AT89S51单片机
1)本次设计主要用到I/O口P0口、P1口、P2口和P3口,P3口的P3.2即外部中断0引脚,XTAL1和XTAL2两端口接12MHz晶振,选用定时器0的方式一进行定时,若有紧急情况,可通过按键(接P3.2)进行中断处理。
·
VCC:
电源电压
GND:
接地
P0口:
P0口是一组8位双向I/0口。
P0口即可作地址/数据总线使用,又可以作为通用的I/O口使用。
当CPU访问片外存储器时,P0口分时低8位地址总线,后作双向数据总线,此时,P0口就不能再作I/O口使用了。
在访问期间激活要使用上拉电阻。
单片机
P1口:
Pl是一个带内部上拉电阻的8准位双向I/O口,P1作为通用的I/O口使用。
P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口,P2即可作为通用的I/O口使用,
也可以作为片外存储器的高8位地址总线,与P0
口配合,组成16位片外存储器单元地址。
P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位准双向I/0口。
P3口除了作为通用的I/O口使用之外,每个引脚还具有第二功能,具体分配如表2
表2具有第二功能的P3口引脚
端口引脚
第二功能:
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
/INT0(外中断0)
P3.3
/INT1(外中断1)
P3.4
T0(定时/计数器0外部输入)
P3.5
T1(定时/计数器1外部输入)
P3.6
/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
/RD外部数据存储器读选通)
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRT0位(地址8EH)可打开或关闭该功能。
DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。
ALE/
:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对F1ash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
程序储存允许(
)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次
有效,即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器,没有两次有效的
信号。
/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接VCC端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
F1ash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程电压Vcc。
XTAL1:
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
5个中断源,它们是两个外中断INT0(P3.2)和INT1(P3.3)、两个片内定时/计数器溢出中断TF0和TF1,一个是片内串行口中断TI或RI,程序入口地址如表3:
表3中断源程序入口
中断源
入口地址
外部中断0
0003H
定时器T0
000BH
外部中断1
0013H
定时器T1
001BH
串行口
0023H
(二)共阴极数码管
表2数字对应数码管显示控制转换字节(共阴编码)
显示
Dp
G
F
E
D
C
B
A
编码
0x3F
0x06
0x5B
3
0x4F
0x66
5
0x6D
6
0x7D
7
0x07
0x7F
9
0x6F
(三)发光二极管(红绿黄三色)
发光二极管是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能,常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。
发光二极管和数码二极管一样分为共阴极和共阳极两种。
六、系统硬件设计
(一)单片机主电路
1、单片机系统的时钟电路
时钟振荡电路采用内部时钟产生方式,在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器,与内部反相器构成稳定的自击震荡。
其发出的时钟脉冲直接送入片内定时控制部件。
此设计中时钟电路晶振使用12MHz。
图5单片机系统的时钟电路
2、单片机系统的复位电路
复位电路采用上电+按钮电平复位方式,当按下按钮时,RST管脚高电平触发。
为保证复位可靠,RC时间常数应大于两个机器周期,电容取22uf,电阻取1000欧。
图6单片机系统的复位电路
3、单片机系统的电源电路
电源用5V直流变压器直接供电
(二)交通灯接口电路
南北和东西的交通灯显示相同,本系统较为简单,I/O口数量充分,使用了十二个I/O口来进行交通灯的控制,这样可以使用较小的限流电阻来提高交通灯亮度。
图7交通灯接口电路
(三)LED数码管显示电路
显示电路采用8个共阴数码管,P0,P1口作为数码管的段选输入,由于八个数码管位选端均接地,即八个数码管均被选通,因此我们只需给十位组和个位组送入不同段选信号即可。
图8LED数码管显示电路
(四)键盘口电路
该电路比较简单,紧急情况的处理我们采用的为外部中断的方式,P3.2随时处于被检测状态。
当按键按下后,进入外部中断程序,处理紧急情况代码。
在独立键盘检测中,要进行延时消抖和松手检测,防止因为键盘抖动而不断提起中断。
图9键盘接口电路
七、系统软件设计
(一)初始化程序
初始化,设定标志位初值,选择定时器及工作方式,装入定时器初值,开总中断,开定时器中断和外部中断0。
voidinit()
{
flag=0;
flag1=0;
num=5;
tt=0;
P0=0x00;
P1=0x00;
TMOD=0x10;
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
EA=1;
ET1=1;
TR1=1;
EX0=1;
IT0=1;
}
(二)显示子程序
LED计时每1秒都要刷新1次,采用的是静态显示,首先将时间(num)除以10,将整数对应的十位组显示转换为字节赋值给P0口,余数对应的个位组显示转换为字节赋值给P1口。
if(num>
0)
P0=table[num/10];
P1=table[num%10];
num--;
else
P0=table[0];
P1=table[0];
flag=2;
(三)定时中断处理程序
定时器工作的基本原理其实就是给初值,让它不断加1直至减完为模值,这个初值是送到TH和TL中的。
它是以加法记数的,并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。
因此,我们可以把计数器记满为零所需的计数值,即所要求的计数值设定为C。
模值和计数器工作方式有关。
在方式0时M为8192;
在方式1时M的值为65536;
在方式2和3为256。
就此可以算出各种方式的最大延时。
如单片机的主脉冲频率为12MHZ,经过12分频后,若采用方式0最大延时只有8.129毫秒,采用方式1最大延时也只有65.536毫秒。
这就是为什么扫描周期为50ms的原因,
图10定时中断流程图
在此次设计中,我选用定时器0的方式1进行定时,根据计算,设定初值X=15536D=03CB0H
voidexter0()interrupt3
tt++;
if(tt=20)
{
………………
(四)紧急中断处理程序
根据设计要求,系统在遇到特殊情况时,可以按下紧急开关K1使各个交通灯均发出红光,再次按下紧急开关K1后进入状态1,然后依次循环。
为了实现这一功能,可以采用外部中断方式使系统及时响应。
当应急开关被接到低电位时,产生的负跳变引起INT0中断。
进入中断程序后,执行相应的紧急状态代码。
voidinterrupt0_handler()interrupt0
EA=0;
delay(200);
flag1=~flag1;
if(flag1==1)
TR1=0;
P0=table[0];
P2=0xb6;
led2=0;
flag=7;
}
else
flag=1;
num=30;
(五)延迟程序
voiddelay(uintz)
uintx,y;
for(x=z;
x>
0;
x--)
for(y=110;
y>
y--);
八、设计心得
这学期我们学习了单片机这门课程,在过去的两周我们进行了单片机课程设计,此次课程设计的课题是“交通信号灯模拟控制系统”。
此次设计的任务并不太难,硬件电路的设计主要在于绘图软件的使用,我以前自学过protel,虽然不太熟练,但硬件设计比较容易上手,软件方面,我之前也学习了keil的使用,具有基本的c语言编程能力,但是这次调程序还是花费了大部分的时间,各个部分的程序容易编写但是融合在一起就有些困难。
其实学习也是这样,想要把所学的各科知识结合起来是需要下一番功夫的。
同时这次设计再次印证了学习好单片机的重要性,要想学好智能化单片机一定要熟练。
总而言之,这次课程设计虽然时间很短,但对我来说,还是获得了很大的收获。
感谢老师为我们提供了这次机会,让我们认识自己,加强学习,培养了我们的动手实践能力。
九、参考文献
1.张毅刚、彭喜元、彭宇《单片机原理及应用》高等教育出版社2011.12
2.赵建领、薛园园《51单片机开发与应用技术详解》电子工业出版社2009.1
3.周景润、张丽娜《基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真》北京航空航天大学出版社2006.5
十、附录
附录1:
程序清单
#include<
reg51.h>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uintnum;
uchartt,flag,i;
ucharcodetable[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f};
sbitled1=P3^0;
sbitled2=P3^1;
sbitled3=P3^4;
sbitled4=P3^5;
sbitkey=P3^2;
sbitled_yellow1=P2^1;
sbitled_yellow2=P2^7;
sbitled_yellow3=P2^4;
sbitflag1=P3^6;
/*延时子程序*/
voiddelay(uintz)
/*状态1*/
voidstate1(void)
led1=0;
led2=0;
led3=1;
led4=1;
P2=0xf3;
/*状态2*/
voidstate2(void)
led1=1;
P2=0x75;
/*状态3*/
voidstate3(void)
led2=1;
led4=0;
P2=0x9e;
/*状态4*/
voidstate4(void)
led3=0;
P2=0xae;
/*程序初始化*/
/*主程序*/
voidmain()
init();
while
(1);
/*利用独立键盘按键触发外部中断0,设置紧急状态*/
EA=
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