最新电子CAD与单片机综合课程设计.docx
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最新电子CAD与单片机综合课程设计
浙江工业职业技术学院
电子CAD与单片及综合课程设计
基于单片机的交通灯的设计
学生姓名xxxxxxxxxxxx
学号xxxxxxxxxxxx
分院电气工程分院
专业电子信息工程技术
指导教师xxx
完成日期xx年x月xx日
基于单片机的交通灯的设计
摘要近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测技术日益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构软硬件结合,加以完善。
十字路口车辆穿梭,行人熙攘,车行车道,人行人道,有条不紊。
那么靠什么来实现这井然秩序呢?
靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。
交通信号灯控制方式很多。
本系统采用MSC-51系列单片机ATSC51和非门7404为中心器件来设计交通灯控制器,,南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行,两个方向能根据车流量大小手动调节通行按键改变时间,车流量大,通行时间长,车流量小,通行时间短。
通过双位数码管显示。
本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。
关键词单片机交通灯闯红灯按键
引言
社会经济的发展,城市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。
城市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,它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
随着城市机动车量的不断增加,许多大城市出现了交通超负荷运行的情况,因此,有些城市纷纷修建城市高速道路。
然而,随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制,高速道路没有充分发挥出预期的作用。
所以,如何采用合适的控制方法,缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
本设计介绍了一种基于单片机控制的交通灯的设计。
系统采用了AT89S52单片机为处理核心来控制红绿灯,通过对车辆在各路口的数量进行计数,并用软件编程来实现控制,以7404来进行灯亮灭的控制,并用数码管进行计数,使交通灯更人性化。
第一章二次开发的现状
1.1二次开发的现实意义
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。
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,1914年始安装于纽约市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线后停车。
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。
1.2基于单片机交通灯的发展及前景
为了能在变频控制中方便使用单片机,形成最具经济效益的嵌入式控制系统。
有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路,这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列;Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。
在这些单片机中,脉宽调制电路有6个通道输出,可产生三相脉宽调制交流电压,并内部含死区控制等功能。
特别引人注目的是:
现在有的单片机已采用所谓的三核(TrCore)结构。
这是一种建立在系统级芯片(Systemonachip)概念上的结构。
这种单片机由三个核组成:
一个是微控制器和DSP核,一个是数据和程序存储器核,最后一个是外围专用集成电路(ASIC)。
这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。
虽然从结构定义上讲,DSP是单片机的一种类型,但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。
把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。
这是目前单片机最大的进步之一。
这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP;Hitachi公司的SH7410,SH7612等。
这些单片机都是高档单片机,MCU都是32位的,而DSP采用16或32位结构,工作频率一般在60MHz。
单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器,原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。
目前,把单片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋势。
但是,Internet一向是一种采用肥服务器,瘦用户机的技术。
这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的,但对于控制嵌入式器件就成了"杀鸡用牛刀"了。
要实现嵌入式设备和连接,就需要把传统的Internet理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。
为了使复杂的或简单的嵌入式设备,例如单片机控制的机床、单片机控制的门锁,能切实可行地和Internet连接,就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器,使嵌入式设备可以和Internet相连,并通过标准网络浏览器进行过程控制。
目前,为了把单片机为核心的嵌入式系统和Internet相连,已有多家公司在进行这方面的较多研究。
这方面较为典型的有EmWare公司和TASKING公司。
第二章整体设计方案
2.1单片机的选择
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。
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1、2、3、3代的发展,正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性方向发展。
其发展趋势不外乎以下几个方面:
(1)多功能
单片机中尽可能地把所需要的存储器和I/O口都集成在一块芯片上,使得单片机可以实现更多的功能。
比如A/D、PWM、PCA(可编程计数器阵列)、WDT(监视定时器---看家狗)、高速I/O口及计数器的捕获/比较逻辑等。
有的单片机针对某一个应用领域,集成了相关的控制设备,以减少应用系统的芯片数量。
例如,有的芯片以51内核为核心,集成了USB控制器、SMARTCARD接口、MP3解码器、CAN或者I*I*C总线控制器等,LED、LCD或VFD显示驱动器也开始集成在8位单片机中。
(2)高效率和高性能
为了提高执行速度和执行效率,单片机开始使用RISC、流水线和DSP的设计技术,使单片机的性能有了明显的提高,表现为:
单片机的时钟频率得到提高;同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升;由于集成度的提高,单片机的寻址能力、片内ROM(FLASH)和RAM的容量都突破了以往的数量和限制。
由于系统资源和系统复杂程度的增加,开始使用高级语言(如C语言)来开发单片机的程序。
使用高级语言可以降低开发难度,缩短开发周期,增强软件的可读性和可移植性,便于改进和扩充功能。
(3)低电压和低功耗
单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。
由于CMOS等工艺的大量采用,很多单片机可以在更低的电压下工作(1.2V或0.9V),功耗已经降低到uA级。
这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。
(4)低价格
单片机应用面广,使用数量大,带来的直接好处就是成本的降低。
目前世界各大公司为了提高竞争力,在提高单片机性能的同时,十分注意降低其产品的价格。
下面大致介绍一下单片机的主要应用领域和特点。
1.家用电器领域
用单片机控制系统取代传统的模拟和数字控制电路,使家用电器(如洗衣机、空调、冰箱、微波炉、和电视机等)功能更完善,更加智能化和易于使用。
2.办公自动化领域
单片机作为嵌入式系统广泛应用于现代办公设备,如计算机的键盘、磁盘驱动、打印机、复印机、电话机和传真机等。
3.商业应用领域
商业应用系统部分与家用和办公应用系统相似,但更加注重设备的稳定性、可靠性和安全性。
商用系统中广泛使用的电子计量仪器、收款机、条形码阅读器、安全监测系统、空气调节系统和冷冻保鲜系统等,都采用了单片机构成的专用系统。
与通用计算机相比,这些系统由于比较封闭,可以更有效地防止病毒和电磁干扰等,可靠性更高。
4.工业自动化
在工业控制和机电一体化控制系统中,除了采用工控计算机外,很多都是以单片机为核心的单片机和多机系统。
5.智能仪表与集成智能传感器
目前在各种电气测量仪表中普遍采用了单片机应用系统来代替传统的测量系统,使得测量系统具有存储、数据处理、查询及联网等智能功能。
将单片机和传感器相结合,可以构成新一代的智能传感器。
它将传感器变换后的物理量作进一步的变化和处理,使其成为数字信号,可以远距离传输并与计算机接口。
6.现代交通与航空航天领域
通常应用于电子综合显示系统、动力监控系统、自动驾驶系统、通信系统以及运行监视系统等。
这些领域对体积、功耗、稳定性和实时性的要求往往比商用系统还要高,因此采用单片机系统更加重要。
目前,我国生产很多型号的单片机,在此,我们采用型号为AT89C51的单片机。
因为:
AT89C51是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机,40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,AT89C51可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
2.2单片机的基本结构
2.2.1MCS-51单片机内部结构
8051单片机包含中央处理器、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:
(1)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(RAM)
8051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。
图2-1单片机8051的内部结构
(2)程序存储器(ROM)
8051共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。
(3)定时/计数器(ROM)
8051有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
(4)并行输入输出(I/O)口
8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。
(5)全双工串行口
8051内置一个全双工串行通信口,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。
(6)中断系统
8051具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/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。
(7)时钟电路
8051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8051单片机需外置振荡电容。
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,而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图。
图2-2MCS-51系列单片机的内部结构
(8)MCS-51的引脚说明
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构,右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,中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明:
MCS-51的引脚说明:
MCS-51系列单片机中的8051是采用40Pin封装的双列直接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,中断口线与P3口线复用。
图2-3单片机的引脚图
Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚,当8051通电,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。
初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0-P3输出口全部为高电平,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,8051的初始态。
8051的复位方式可以是自动复位也可以是手动复位,见下图2-4。
此外,RESET/Vpd还是一复用脚,Vcc掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
图2-4上电自动和手动复位电路图
图2-5内部和外部时钟方式图
Pin30:
ALE/
当访问外部程序器时,ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时,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,也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点,当访问外部程序存储器,ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM,在编程其间,
将用于输入编程脉冲。
Pin29:
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位地址数据将出现在P0和P2口上,外部程序存储器则把指令数据放到P0口上,由CPU读入并执行。
Pin31:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线,8051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。
第三章交通灯的硬件设计
3.1最小系统设计
图3-1单片机最小系统的结构图
单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、EA=1组成,下面介绍一下每一个组成部分。
1.电源引脚
Vcc 40 电源端
GND 20 接地端
工作电压为5V,另有AT89LV51工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。
2.外接晶体引脚(XTAL1 19/XTAL2 18)
图3-2晶振连接的内部、外部方式图
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端,XTAL2则是输出端,使用外部振荡器时,外部振荡信号应直接加到XTAL1,而XTAL2悬空。
内部方式时,时钟发生器对振荡脉冲二分频,如晶振为12MHz,时钟频率就为6MHz。
晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。
电容取30PF左右。
系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。
AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。
3.复位 RST 9
在振荡器运行时,有两个机器周期(24个振荡周期)以上的高电平出现在此引腿时,将使单片机复位,只要这个脚保持高电平,51芯片便循环复位。
复位后P0-P3口均置1引脚表现为高电平,程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。
当复位脚由高电平变为低电平时,芯片为ROM的00H处开始运行程序。
复位是由外部的复位电路来实现的。
片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期的S5P2,由复位电路采样一次。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式,此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。
当时钟频率选用6MHz时,C取22μF,Rs约为200Ω,Rk约为1K。
复位操作不会对内部RAM有所影响。
常用的复位电路如下图所示:
图3-3常用复位电路图
4.输入输出引脚
(1)P0端口[P0.0-P0.7]P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口,端口置1(对端口写1)时作高阻抗输入端。
作为输出口时能驱动8个TTL。
对内部Flash程序存储器编程时,接收指令字节;校验程序时输出指令字节,要求外接上拉电阻。
在访问外部程序和外部数据存储器时,P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线,访问期间内部的上拉电阻起作用。
(2)P1端口[P1.0-P1.7]P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时,接收低8位地址信息。
(3)P2端口[P2.0-P2.7]P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时,接收高8位地址和控制信息。
在访问外部程序和16位外部数据存储器时,P2口送出高8位地址。
而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
(4)P3端口[P3.0-P3.7]P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时,接控制信息。
除此之外P3端口还用于一些专门功能,具体请看下表。
表3-1 P3端口引脚兼用功能表
P3引脚
兼用功能
P3.0
串行通讯输入(RXD)
P3.1
串行通讯输出(TXD)
P3.2
外部中断0(INT0)
P3.3
外部中断1(INT1)
P3.4
定时器0输入(T0)
P3.5
定时器1输入(T1)
P3.6
外部数据存储器写选通WR
P3.7
外部数据存储器写选通RD
3.2LED显示电路
显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据,按照材料及产品工艺,单片机应用系统中常用的显示器有:
发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。
LED显示器是现在最常用的显示器之一,如下图所示。
图3-4LED显示器的符号图
发光二极管(LED)由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成,可以单独使用,也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件(半导体显示器)。
分段式显示器(LED数码管)由7条线段围成8字型,每一段包含一个发光二极管。
外加正向电压时二极管导通,发出清晰的光。
只要按规律控制各发光段亮、灭,就可以显示各种字形或符号。
LED数码管有共阳、共阴之分。
图是共阳式、共阴式LED数码管的原理图和符号.
图3-5共阳式、共阴式LED数码管的原理图和数码管的符号图
显示电路显示模块需要实时显示交通灯当前的剩余时间,因此需要5个两位的数码管,放在路口对应的方向,另一个放于按键控制的地方,并采用动态显示方式显示时间。
数码管使用条件:
a、段及小数点上加限流电阻
b、使用电压:
段:
根据发光颜色决定;小数点:
根据发光颜色决定
c、使用电流:
静态:
总电流80mA(每段10mA);动态:
平均电流4-5mA峰值电流100mA
数码管使用注意事项说明:
(1)数码管表面不要用手触摸,不要用手去弄引角;
(2)焊接温度:
260度;焊接时间:
5S
(3)表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。
3.3键盘控制电路
图3-6按键控制电路的硬件连接图
当用手按下一个键时,如图3-7所示,往往按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况,即为抖动。
抖动的持续时间随键盘材料和操作员而异,不过通常总是不大于10ms。
用软件方法可以很容易地解决抖动问题,这就是通过延迟10ms来等待抖动消失,这之后,在读入键盘码。
图3-7按键抖动信号波形
第四章交通灯的软件设计
4.1流程图如下
图4-1主流程图
图4-2子流程图
4.2交通灯的原理图
用DXP2004软件,根据要求画出交通灯的原理图如下所示。
图4-3交通灯的原理图
用DXP2004软件,根据要求画出交通灯的PCB图如下所示。
图4-4交通灯的PCB图
4.3主程序
voidmain(void)
{
Busy_LED=0;
Special_LED=0;
IT0=1;//INT0负跳变触发
TMOD=0x01;//定时器工作于方式1
TH0=(65536-50000)/256;//定时器赋初值
TL0=(65536-50000)%256;
EA=1;//CPU开中断总允许
ET0=1;//开定时中断
EX0=1;//开外部INTO中断
TR0=1;//启动定时
while
(1)
{/*******S0状态**********/
EW_ManGreen=0;//EW人行道禁止
SN_ManGreen=1;//SN人行道通行
Flag_EW_Yellow=0;//EW关黄灯显示信号
Time_EW=EW;
Time_SN=SN;
while(Time_SN>=5)
{P1=S[0];//SN通行,EW红灯
Display();}
/*******S1状态**********/
P1=0x00;
while(Time_SN>=0)
{Flag_SN_Yellow=1;//SN开黄灯信号位
EW_Red=1;//
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