单片机交通灯课程设计.docx
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单片机交通灯课程设计.docx
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单片机交通灯课程设计
摘要
单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
科技越发达,智能化的东西就越多,使用的单片机就越多。
看来学单片机是社会发展的需求。
据统计,我国的单片机年容量已达1-3亿片,且每年以大约16%的速度增长,但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。
特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机,并不断地辐射向内地,这说明单片机应用在我国才刚刚起步,有着广阔的前景。
培养单片机应用人才,特别是在工程技术人员中普及单片机知识有着重要的现实意义。
面对着学习单片机一个终生受用的职业,不受年龄的限制。
同时面对着生活的现代化,我们衣、食、住、行也就越来越依赖各式各样的“高科技”了,也就有很多地方都用到高集成电路IC和单片机。
关键词单片机;交通灯;AT89S52;LED显示
ABSTRACT
SCMpenetrateintoallareasofourlives,almostdifficulttofindwhichareasthereisnotraceofmicrocontrollers.Missiles,navigationdevices,in-flightcontrolofavarietyofinstruments,computernetworkcommunicationsanddatatransmission,industrialautomation,real-timeprocesscontrolanddataprocessing,widelyusedinavarietyofsmartICcards,civilluxurycarssecuritysystem,videorecorder,cameras,automaticwashingmachinecontrol,andprogram-controlledtoys,electronicpets,etc.,whichareinseparablefromthemicrocontroller.Nottomentionthefieldofroboticautomation,intelligentinstrumentation,medicaldeviceshad.Therefore,theMCUlearning,developmentandapplicationswillbealargenumberofcomputerapplicationsandintelligentcontrolofthescientists,engineers.Themoredevelopedscienceandtechnology,themoreintelligentthings,usingthemoremicrocontroller.ItseemsscienceofsocialdevelopmentneedsofSCM.
Accordingtostatistics,China'sannualcapacityhasreached1-3microcontroller100million,andanannualgrowthrateofabout16%,butcomparedtotheworldmarketshareinChinaislessthan1%.Especiallyincoastalareasofproductionsuchasatoyfactoryinthemajorityofproductsusedinsingleandcontinuousradiationtothemainland,indicatingSCMapplicationinChinahasjustbegun,hasbroadprospects.SCMapplicationtrainingpersonnel,especiallyintheengineeringandtechnicalpersonnelinthepopularizationofknowledgeofSCMhasimportantpracticalsignificance.
Thefaceofalifetimetolearnmicrocontrollerprofession,noagerestrictions.Atthesametimethefaceofmodernlife,wehaveclothing,food,shelter,thusincreasinglydependentonawiderangeof"hightech",andalsothereisalotofhighintegratedcircuitsusedinICandMCU.
Keywordsscm;trafficlights;at89s52;leddisplay
目录
1设计要求及总体方案介绍………………………………………………………4
1.1设计课题任务………………………………………………………………4
1.2功能要求说明………………………………………………………………4
1.3设计总体方案介绍及工作原理说明………………………………………5
2硬件系统的设计…………………………………………………………………7
2.1硬件系统各模块功能介绍…………………………………………………7
2.2电路原理图………………………………………………………………10
2.3电路PCB图………………………………………………………………10
2.4元器件布局图……………………………………………………………10
2.5元器件清单………………………………………………………………10
3软件系统的设计…………………………………………………………………11
3.1单片机的使用资源情况…………………………………………………11
3.2软件模块功能介绍………………………………………………………12
3.3程序流程图………………………………………………………………12
3.4程序清单…………………………………………………………………14
4设计总结…………………………………………………………………………15
4.1使用说明…………………………………………………………………15
4.2仿真结果…………………………………………………………………15
4.3误差分析…………………………………………………………………17
4.4设计体会…………………………………………………………………18
4.5教学建议…………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………20
致谢………………………………………………………………………………21
附录………………………………………………………………………………22
附录一电路原理图……………………………………………………………22
附录二电路PCB图……………………………………………………………23
附录三元器件布局图…………………………………………………………24
附录四元器件清单……………………………………………………………25
附录五程序清单………………………………………………………………26
1设计要求及总体方案介绍
1.1设计课题任务
设计一个具有特定功能的十字路口交通灯。
该交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
按开始键则开始工作,按结束键则返回“P.”状态。
要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行,甲车道为主车道,每次通车时间为60秒,乙车道为次车道,每次通车时间为30秒,要求黄灯亮5秒,并且1秒闪烁一次。
有应急车辆出现时,红灯全亮,应急车辆通车时间10秒,同时禁止其他车辆通过。
1.2功能要求说明
本次课程设计在硬件方面的接法如下:
P2口接二极管,P2.0、P2.1、P2.2口线分别来控制东西方向的绿灯、黄灯和红灯;P2.3、P2.4、P2.5口线分别控制南北方向的红灯、黄灯和绿灯。
P0口作为数码管的位控(这里只用到了P0.0、和P0.1两根口线),P1口作为数码管的段控,P3口作为输入部分(这里用到了P3.0、P3.1、P3.2口线),控制数码管的显示情况和二极管的亮灭情况。
当交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
当按下启动按钮K1并释放后,数码管显示将会从“55”开始倒计时,每隔一秒减1,此时南北方向开始一直亮绿灯,东西方向一直亮红灯,直到显示为“00”时,数码管将会从“05”开始倒计时,每隔一秒减1,此时南北方向每隔一秒黄灯就闪烁一次,东西方向亮一直红灯,直到显示为“00”时,数码管将会从“25”开始倒计时,此时南北方向一直亮红灯,东西方向一直亮绿灯,直到显示为“00”时,数码管又将从“05”开始倒计时,此时南北方向一直亮红灯,东西方向每隔一秒黄灯就闪烁一次;当没有其他键按下时,交通灯将这样一直循环下去。
当按下结束键K2并释放后,数码管将显示“P.”,东西南北方向无灯亮。
当按下紧急键K3并释放后,数码管将显示“09”,并且每隔一秒就减1,
东西南北方向全部红灯亮。
单片机采用AT89S52,fosc=12MHZ。
其按键功能如表1.1所示。
表1.1按键功能
按键
键名
功能
P3.4
K1键
启动键
P3.7
K2键
结束键
P3.6
K3键
紧急键
1.3设计总体方案介绍及工作原理说明
1.3.1总体方案介绍
该交通灯电路由单片机AT98S52、键盘接口电路、显示接口电路、发光二极管控制电路、时钟电路和复位电路构成,原理框图如图1.1所示。
图1.1原理框图
(1)电源提供方面
采用独立的稳压电源,此方案的优点是稳定可靠,且有各种成熟电路可供使用。
(2)显示方面
完全采用数码管显示,用来显示有限符号和数码字符。
(3)键盘输入方面
直接在I/O口线上接按键开关,因为设计时精简和优化了电路,所以剩余的口资源还比较多。
我们共用到了4个按键,分别为:
K0、K1、K2、K3。
1.3.2工作原理
首先时钟电路产生单片机工作时所需要的时钟信号,这是单片机能够正常工作的前提,而单片机有无定时的基础以及定多长的时间,这些还需要我们人为的确定。
我是采用10ms延时程序来反复调用来定时,在我们的硬件电路中,按键的键功能程序在中断服务中,在正常情况下会不断运行主程序,当有键按下时,CPU去转去执行中断程序,而中断程序可以执行三种键功能:
第一个是十秒倒计时紧急红灯亮;第二个是结束倒计时,显示P.;第三个是重新开始倒计时。
其原理是INTO=P3.4&P3.6&P3.7,当有键按下时,外部中断0口线就会变成低电平,通过键扫程序来具体判断到底是哪个键按下,CPU才会去执行中断里面的某个键功能。
12个发光二极管是由P0口控制的,P0口与二极管之间串接一个限流电阻使二极管不易烧坏,采用送低电平有效。
2硬件系统的设计
2.1硬件系统各模块功能介绍
2.1.1显示及显示驱动电路
在本次课程设计中,为了使硬件电路更简单化,为了节省口线,我们采用的是二位一体共阳数码管,显示原理跟单个LED的显示原理完全相同,由于七段数码显示器在显示字形代码时需要有足够的功率,所以需在显示器上加显示驱动,本设计的显示驱动是采用74LS245芯片作为驱动,并且,无论是位控线上还是段控线上都串接一个电阻,以提高其输出功率,在这里采用220欧母电阻。
显示及驱动电路图如图2。
图2.1显示及驱动电路
2.1.2指示灯控制电路
本次课程设计采用P2口控制二极管的发光情况,口线送低电平有效,具体设计如下:
P0.2控制东西方向的绿灯,P0.3口控制东西方向的黄灯,P0.4控制东西方向的红灯,P0.5控制南北方向的红灯,P0.6控制南北方向的黄灯,P0.7控制南北方向的绿灯。
如图2.2所示。
图2.2指示灯控制电路
2.1.3键盘控制电路
键盘是最常用的输入设备,是实现人机对话的纽带。
按其结构形式可分为非编码键盘和编码键盘。
编码键盘采用硬件方法产生键码。
每按下一个键,键盘能自动生成键盘代码,键数较多,且具有去抖动功能。
这种键盘使用方便,但硬件较复杂。
非编码键盘仅提供按键开关工作状态,其键码由软件确定,这种键盘键数较少,硬件简单,广泛应用于各种单片机应用系统,在单片机控制电路中,可把单片机使用的键盘分为独立式和矩阵式两种。
独立式实际上就是一组独立的按键,这些按键可直接与单片机的I/O口连接,即每个按键独占一条口线,这种接法简单。
矩阵式键盘也称行列式键盘,因为键的数目较多,所以键按行列组成矩阵。
本设计中键盘数目较少,且为安装方便,因此在本设计中采用独立式接法。
如图2.3所示。
图2.3键盘控制电路
按从一个键到键的功能被执行主要应包括两项工作:
一是键的识别,即在键盘中找出被按的是哪个键,另一项是键功能的实现。
第一项工作是使用接口电路实现的,而第二项工作则是通过执行中断服务程序来完成。
具体来说,键盘接口应完成以下操作功能:
(1)键盘扫描,以判定是否有键被按下(称之为“闭合键”)。
(2)键识别,以确定闭合键的行列位置。
(3)产生闭合键的键码。
(4)排除多键、串键(复键)及去抖动。
以上这些内容通常是以软硬件结合的方式来完成的,即在软件的配合下由接口电路来完成。
但具体哪些由硬件哪些由软件完成,要看接口电路的情况。
总的原则是,硬件复杂软件就简单,硬件简单软件就得复杂一些。
2.1.4时钟电路
时钟电路用来产生单片机工作所需要的时钟信号,单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
通过在芯片的外部XTAL1和XTAL2两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容,形成反馈电路,就构成了一个稳定的自激振荡电路。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列,本设计中采用的晶振频率为12MHz,电容为33pF。
2.1.5复位电路
复位电路用于产生复位信号,通过RST引脚送入单片机,复位是单片机的初始操作,其主要功能是:
为一些专用寄存器设置初始状态、程序状态字PSW清0、程序计数器PC被赋值为0000H等,除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需安装复位键以重新启动。
RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效,完成复位操作共需要24个状态周期,复位结束后,单片机从地址0000H单元开始执行程序,SP为07H,其它寄存器大多数被置为00H,本设计使用频率为12MHz的晶振,所以复位信号持续时间应超过2μs才能完成复位操作。
复位电路分为上电复位、按键复位、按键脉冲复位三种,本次课程设计采用的是按键复位。
2.2电路原理图
电路原理图见附录一所示。
2.3电路PCB图
电路PCB图见附录二所示。
2.4元器件布局图
元器件布局图见附录三所示。
2.5元器件清单
元器件清单见附录四所示。
3软件系统的设计
3.1单片机的使用资源情况
3.1.1硬件资源使用说明
●P0口为二极管的控制端
●P1口用作地址/数据总线
●P2口用作地址/数据总线
●P3.4、P3.6、P3.7口线作为键盘输入端
●采用了INTO外部中断
既在AT89S52的P0口用来接十二个发光二极管的阴极,控制其亮与灭,P1口和P2口外接由2个LED数码管(LED1、LED0)构成的显示器,用P2口作LED的段码输出口(P2.0~P2.7对应于LED的a~dp),P1口作LED的位控输出线(P1.1、P1.0分别对应于LED1、LED0),其中在P1的串行口外接2个三极管作为显示驱动,显示为2个数码管(LED0~LED1)进行动态显示。
P3口外接三个个按键K1、K2、K3(分别对应于P3.4、P3.7、P3.6口)用于调整显示接口电路。
3.1.2交通灯的分配表
交通灯的口线分配如表3.1所示,“1”表示送高电平,“0”表示送低电平。
表3.1交通灯分配表
P0.2
东西绿灯
1
1
0
1
P0.3
东西黄灯
1
1
1
0
P0.4
东西红灯
0
0
1
1
P0.5
南北红灯
1
1
0
0
P0.6
南北黄灯
1
0
1
1
P0.7
南北绿灯
0
1
1
1
控制码
6FH
AFH
DBH
D7H
状态说明
南北放行,东西禁止
南北警告,东西禁止
南北禁止,东西放行
南北禁止,东西放行
3.2软件模块功能介绍
主程序模块的主要任务是程序的初始化显示“P.P.”,当没任何键按下时,显示模块将一直不变,交通灯全部是熄灭的,当K0键按下并松开后开始倒计时,
其中在时间显示的过程中判断是否有K0、K1和K2键按下,当再次按下K0时,显示将重新开始倒计时,如果是K1按下,将显示“P.P.”,并且发光二极管全部熄灭,如果是K2按下,数码管将开始十秒倒计时,并且东西南北全部亮起红灯。
显示模块包括送缓冲区模块,BCD码转换和送显示等,通过这些模块完成了显示的功能,并能按照我们所熟悉的时钟时间进行显示。
3.3程序流程图
主程序的流程图如图3.1所示,按键判断程序流程图如图3.2所示
图3.1主程序流程图
图3.2判断按键程序流程图
3.4程序清单
程序清单详见附录五
4设计总结
4.1使用说明
本实验主要是利用单片机AT89S52、数码管和发光二极管组成,整个电路结构比较简单,它能实现以下几个功能:
●时间的显示。
●红黄绿灯的发光与熄灭。
具体操作说明如下:
当交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
当按下启动按钮K1并释放后,数码管显示将会从“55”开始倒计时,每隔一秒减1,此时南北方向开始一直亮绿灯,东西方向一直亮红灯,直到显示为“00”时,数码管将会从“05”开始倒计时,每隔一秒减1,此时南北方向没隔一秒黄灯就闪烁一次,东西方向亮一直红灯,直到显示为“00”时,数码管将会从“25”开始倒计时,此时南北方向一直亮红灯,东西方向一直亮绿灯,直到显示为“00”时,数码管又将从“05”开始倒计时,此时南北方向一直亮红灯,东西方向每隔一秒黄灯就闪烁一次;当没有其他键按下时,交通灯将这样一直循环下去。
当按下结束键K2并释放后,数码管将显示“P.”,东西南北方向无灯亮,当有其它键按下时,就退出,去执行该键的键功能。
当按下紧急键K3并释放后,数码管将显示“10”,并且每隔一秒就减1,东西南北方向全部红灯亮,当没亮到显示“00”就有其它键按下时,就退出,执行该键的键功能,当显示到“00”时,就会自动退出中断继续完成主程序。
4.2仿真结果
当交通灯上电复位后,数码管显示“P.”,仿真结果如图4.1所示;当按下开始键K1后,南北方向就开始亮绿灯,东西方向开始亮红灯,显示器并开始从60s倒计时,仿真结果如图4.2所示;当按下紧急键K3后,南北方向和东西方向均亮红灯,显示器并开始从10s倒计时,其仿真结果如图4.3所示;当按下结束键K2后,显示器重新显示“P.”,南北方向和东西方向的灯全部熄灭,其仿真结果如图4.4所示。
图4.1上电显示
图4.2按下开始键后的显示
图4.3按下紧急键后的显示
图4.4按下结束键后的显示
4.3误差分析
本次课程设计的误差就在于显示时间,我采用的是调用延时程序来让显示器上数字共显示一秒钟,而循环一次的时间并不仅仅只是2次调用延时程序的时间,其间CPU还执行其它指令,例如说将缓存区的内容送给累加器A、查表指令、将段控码送给P2口等等,因为它们都是微秒级的,而延时程序是毫秒级的,因此在计算的过程中就可以省略了,每次循环除两次调用延时程序外,所用时间为22微秒,而显示一秒钟共循环了50次,因此在显示器上只需要显示1秒数字,事实上多显示了1100微秒,误差率=1.1%。
4.4设计体会
我们经过一个多星期的时间,终于完成了这次的课程设计,在这期间,通过同组成员的努力配合以及其他同学们的帮助,并提出了许多宝贵的意见,使这次设计终于完满成功了。
我觉得这次课程设计的难点就在于时间的定时,我原本是想用计数/定时器来定时100ms,再通过几次循环就可以使显示每个数在数码管上显示一秒,可是程序编了很多遍,最后还是没有成功,所以我采用延时的方法,让数码管上的数字显示一秒再递减,我延时的方法如下:
先送个位上的数到显示器,然后调用延时程序(用的是10ms的延时),再送上十位上的数到显示器,然后再调用这个延时程序,因为这两个数一共要显示1秒钟时间,而我送上去只花了20ms,所以我用了一个循环显示程序,让它循环显示50次即可。
这种方法没有采用定时器精确,不能用在较正式的场合。
关于交通灯的设计,我认真查阅资料,比如说要了解89S52各个芯片的引脚功能,怎样使用这个可编程芯片并行接口芯片,在上学期理论学习的基础上,又下了一次苦功夫,算是明白了设计一个系统的过程,也让我体会到要成功的设计出某个东西,光靠专业知识是不够的,必须要系统的知识,无论在哪个方面都要有个明白的概念,知道哪些是需要的资料。
对于这次的实物,我们采用的单面板制作,但是我们是做了两次才成功的,第一次的问题主要是线设置的比较细,容易断掉,排列的比较紧,给人的感觉就是不美观,当我第二次再画PCB时,我就特意注意了这些细节,重新排了一下版,调整了元器件之间的距离,并加大了线的宽度,加大了焊孔的内外直径。
虽然过程是辛苦的,但在这一个多星期的时间里我也学到了很多。
并让我对单片机产生了更大的兴趣。
参考文献
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北京航空航天大学出版社,2007.100~154
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西安电子科技大学出版社,1998.125~130
ZHANGYikun.Single
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