基于单片机的多功能交通灯系统设计Word文档格式.docx
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采用6个发光二极管来模拟各路交通信号红绿黄三种灯循环点亮,个LED七段数码2管以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行的信号灯剩余的时间,停10S,准备3S,之后通行10S。
另外,本系统还采用1602液晶显示器和580c喇叭SPEAKER实现在交通灯交替点亮的同时液晶显示英文字符和播放背景音乐的功能,液晶以滚动方式随着红绿灯的交替点亮循环显示相应的提示标识,实用性强、操作简单、扩展功能强。
本设计采用的程序编写语言为汇编语言,简单又便于阅读。
编写程序的原则是:
1.满足设计的要求。
2.尽量采用最好,最有效的算法。
3.编写时应尽量用最简洁的语言。
编写好源程序后,采用KeiluVision2软件对其进行编译,使其生成单片机可以识别的.hex文件,再把此文件导入单片机AT89S52中即可。
关键词:
单片机,交通灯,播放音乐,液晶显示
2
abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyinrecentyears,SCMapplicationsaredeepeningatthesametimepromotemoretraditionalcontroldetectionupdate.Inreal-timedetectionandcontrolofthemicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenusedasacorecomponent,onlytheSCMknowledgeisinadequateandshouldbebasedonspecifichardwarearchitecturehardwareandsoftware,tobeimproved.Withthecar'
stotalgrowingurbantrafficcongestionandjamsfrequentlyoccur,andthusbecomeimportanturbantrafficcontrol.Completesetofperformance,safetyandeffectivetrafficlightcontrolsystemisessentialforacity.Inthissystem,MSC-51SeriesMCUAT89S52todesignthetrafficsignalcontroller,realizedaccordingtotheactualtrafficflowthroughtheportP2AT89S52chipsetoftrafficlightsfunction;
with6alight-emittingdiodestosimulatevariousquartersred,greenandyellowlighttrafficsignalcycleoflight,twoseven-segmentLEDdigitaltubewithacountdowndisplayedtoallowaccessorprohibitthepassageofthesignalremainingtime,stop10S,ready3S,afterthepassage10S.Inaddition,thesystemalsousesliquidcrystaldisplayand580cspeakersSPEAKER1602toachievetheturnatthetrafficlightslitLCDdisplay,whileEnglishcharactersandplaybackgroundmusicfunction,liquidcrystalonarollingbasisalternatinglightcyclewithlightsdisplaythecorrespondingpromptidentification,practical,simpleandpowerfulextensions.Thedesignusedinassemblylanguageprogramminglanguage,simpleandeasytoread.Programmingprincipleis:
1.Tomeetthedesignrequirements.2.Asfaraspossiblethebestandmosteffectivealgorithm.3.Preparationshouldbekeptinthemostsimplelanguage.Afterthepreparationofagoodsource,usingKeiluVision2compiletheirsoftware,togeneratethemicrocontrollercanrecognize.Hexfile,thenimportthisfileinMCUAT89S52can.
Keywords:
SCM,trafficlights,playsmusic,LCD
3
目
录
绪论……5第一章单片机的基本知识……61.2单片机的发展概述……61.3单片机的特点……61.4单片机的内部结构……71.4.1AT89S52芯片简介……81.4.2AT89S52芯片的引脚排列及功能……91.4.3时钟电路……101.4.4复位电路……11第二章系统硬件设计……122.1交通灯显示模块……122.2数码管LED显示时间模块……132.2.1数码管LED显示器……132.2.2数码管LED时间显示……142.3液晶LCD1602显示模块……152.3.11602字符型LCD简介……152.3.21602LCD的指令说明及时序……162.3.31602LCD字符的显示……182.4音乐播放模块……192.4.1音调的确定……192.4.2节拍的确定……212.4.3编码的确定……21第三章系统软件设计……233.1设计程序流程图……233.2控制器的软件设计……233.2.1定时设定……233.2.21秒钟的设定……243.2.3软件延时……253.3交通灯和数码管LED倒计时的源程序……263.4液晶LCD1602显示字符源程序……273.5音乐播放源程序……30第四章结论……33致谢……34
参考文献……35附录……36
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绪论
随着社会经济的发展,交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者关系的协调,已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统,它是现代交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
当今,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
但这一技术在19世纪就已经出现了。
1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。
1869年1月2日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消。
1914年,电气启动的红绿灯出现在美国。
这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,安装在纽约5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。
1918年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯,一种是把压力探测器安在地下,车辆一接近红灯便变为绿灯;
另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下嗽叭,就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车放行,以免发生交通事故。
信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有明显效果。
1968年,联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号,面对绿灯的车辆可以直行,左转弯和右转弯,除非另一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。
红灯是禁行信号,面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车先后停车。
黄灯是警告信号,面对黄灯的车辆不能越过停车线,但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
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第一章单片机的基本知识
本章将首先介绍一些单片机的发展背景,以及单片机的基础知识,主要包括单片机的概念,芯片的简介等。
1.2
单片机的发展概述
随着集成电路技术的发展,单片微型计算机的功能也不断增强,许多高性
能的新型机种不断涌现出来。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件,在工业生产中称为必不可少的器件,尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。
自单片机诞生至今,已发展为上百种系列的近千个机种。
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机,特别适用于控制领域,故又称为微控制器。
通常,单片机由单块集成电路芯片构成,内部包含有计算机的基本功能部件:
中央处理器、存储器和I/O接口电路等,即在一块芯片上集成了CPU、振荡器电路、ROM和RAM存储器、定时器/计数器和并行/串行I/O接口。
因此,单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过3代的发展,目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展,它们的CPU功能在增强,内部资源在增多,引角的多功能化,以及低电压底功耗。
1.3
单片机的特点
单片机的发展日新月异,在硬件规模方面,单片机相当于将一个基本规模的
单板机所具有的资源复合在一块芯片上,因此具有相当的规模.在功能方面,单片机已经超过了单板机的功能.在指令系统方面,如果将单片机的指令系统与Z80的指令系统相比较,除单片机的数据传送能力较弱一点之外,单片机的指令系统已大大超过Z80。
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单片机具有以下几个特点:
(1)片内存储容量越来越大。
(2)抗干扰性好,可靠性高。
(3)芯片引线齐全,容易扩展。
(4)运行速度高,控制功能强。
单片机应用系统的特点有:
(1)单片机构成的应用系统可靠性高。
(2)系统配置规范。
(3)控制功能具有预想性,变动控制方案容易。
(4)具有较高的性价比。
1.4
单片机的内部结构
单片机由CPU、存储器(包括RAM和ROM)I/O接口、定时器/计、
数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上,片内各功能通过内部总线相互连接起来。
单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式。
图1.1
MCS-51结构框图
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1.4.1
AT89S52芯片简介AT89S52是MCS-51系列单片机的典型产品,我们以这一代表性的机型进行
系统的讲解。
内部包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,现在我们分别加以说明:
中央处理器:
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
数据存储器(内部数据存储器内部RAM):
AT89S52内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。
程序存储器(内部程序存储器内部ROM):
AT89S52共有4KB个8位掩膜ROM,用于存:
放用户程序,原始数据或表格。
定时/计数器:
定时计数器:
AT89S52有3个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数器计数产生中断用于控制程序转向。
并行输入输出(I/O)口:
AT89S52共有4组8位I/O口(P0、P1、或P3),口P2并行输入输出用于对外部数据的传输。
全双工串行口:
AT89S52内置一个UART全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。
中断系统:
AT89S52具备较完善的中断功能,有两个外中断、三个定时/中断系统:
计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。
时钟电路:
AT89S52内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但AT89S52单片机需外置振荡电容。
8
1.4.2
AT89S52芯片的引脚排列及功能AT89S52芯片有40个引脚,有3种封装形式,一种是DIP(DualInline
Package)封装形式,这是普通40脚双列直插形式;
一种是LCC(LeadedChipCarrier)封装形式,还有一种是QFP(QuadFlatPackage)封装形式。
本设计采用40Pin封装的双列直插DIP结构,下图是它们的引脚配置,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断线与P3口线复用。
其引脚排列和逻辑符号框图为
图1.2
AT89S52引脚和逻辑符号图
Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚,当芯片通电时,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现2个机器周期以上的高电平,系统即初始复位。
初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0-P3输出全部为高电平,堆栈指针写入07H,其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序。
然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态。
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AT89S52芯片的复位方式可以是自动复位,也可以使手动复位,见下图1.3。
此外,RESET/Vpd还是一个复用脚,VCC掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机内部RAM的数据不会丢失。
Pin29:
PSEN当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号,PC的16位地址数据将通过P0和P2口输出,在执行片内程序存储器取指令时,不产生PSEN信号;
在访问外部程序存储器时,亦不产生PSEN信号。
Pin30:
ALE/PROG当访问外部存储器,ALE(地址锁存信号)的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问非外部程序存储器时,ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号,这个信号可以用于识别单片机是否工作,可以作为外部时钟或定时信号用。
当访问外部数据存储器时,将以1/12振荡频率输出。
PROG为编程脉冲输入端,即当选用8751单片机时,对片内程序存储器进行编程时,由此引脚输入编程脉冲。
Pin31:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线,8051和8751单片机,内置有4KB的程序存储器,当EA为高电平并且程序地址小于4KB时,读取内部程序存储器指令数据,而超过4KB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程序存储器指令。
显然,对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。
在编程时,EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。
1.4.3时钟电路
AT89S52虽然有内部振荡器,但要形成时钟,必须外部附加电路。
AT89S52单片机的时钟产生方法有两种:
内部时钟方式和外部时钟方式。
图1.3
AT89S52内部和外部两种时钟方式
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本设计采用最常用的内部时钟方式,即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。
电容值无严格要求,但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响,CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值,但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。
所以本设计中,振荡晶体选择12MHZ,电容选择20pF。
在设计印刷电路板时,晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装,以减少寄生电容,更好的保证振荡器稳定和可靠的工作。
1.4.4复位电路AT89S52的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个施密特触发器用来抑制噪声,在每个机器周期的S5P2,施密特触发器的输出电平有复位电路采样一次,然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
如图1.3所示
图1.3AT89S52上电和按钮两种复位方式最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
时钟频率用12MHZ时C取10uF,R取1K欧姆。
本设计采用的是上电自动复位方式,但除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位时通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
11
第二章系统硬件设计
在单片机的人机交流界面中,一般的输出方式有以下几种:
发光管、LED数码管、液晶显示器。
根据设计控制要求,我们选用P0~P2口作输出LED数码管和液晶LCD1602显示控制口,用P3口作音乐播放的输出控制口。
LED数码管通过静态显示方式实现倒计时读秒。
液晶LCD1602要根据交通灯的的变化规律以英文字符的形式相应的显示红黄绿三种灯表示的含义,580c喇叭SPEAKER循环重复播放音乐作为背景音乐。
其中,单片机系统为系统的主控制器,以控制其他模块协调工作。
2.1
交通灯显示模块
交通灯采用三色LED,它由2个红色发光二极管、2个黄色发光二极管和2
个绿色发光二极管封装在一起,低电平有效。
发光二极管,是一种半导体固体发光器件,它是利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。
本设计将发光二极管连接到AT89S52的P1口上,由单片机P1口赋值控制交通灯的亮暗。
当发光二极管连接的P1引脚为低电平时,灯亮,反之,灯灭。
下面是单片机P1口与LED灯的连接图,P1.0~P1.7这8个引脚分别连接8个发光二极管,予以控制。
图2.1
交通灯的显示连接
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2.2
数码管LED显示时间模块
本设计利用AT89S52单片机的一个并行口实现多个LED数码管显示的简单
方法,将所有位的段选线并联在一起,由一个8位I/O口控制,而共阴极点或共阳极点分别由另一个8位I/O口控制;
也可采用并行扩展口构成显示电路,交通灯的倒计时时间显示是通过8位共阳数码管动态显示的,设计根据交通灯的红、绿三色灯的变换相应显示各自的倒计时显示时间,黄、给行人和车辆以指示。
2.2.1数码管LED显示器单片机中通常使用的是由7个发光二极管组成的显示字符段,一般为七段数码显示管(含小数点为八段),即七段LED按“日”字排列成的数码管。
这些显示二dp极管的一端连接在一起,形成公共端CC,端子a~g、则通过引脚与外部总线相连,如下图所示。
用LED显示红、黄、绿灯显示时间的倒计时,给行人和车辆以指示。
七段LED的阳极连在一起称为共阳
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