MSP430交通灯电路设计.docx

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MSP430交通灯电路设计

1引言1

2系统方案2

2.1设计任务2

2.1.1方案介绍2

3交通灯硬件系统设计4

3.1单片机介绍4

3.1.1单片机的概念与特点4

3.1.2单片机的应用4

3.1.3单片机的发展趋势4

3.1.4主流单片机5

3.1.5MSP430系列单片机6

3.2交通灯设计的其他外设........................................................................................12

3.2.1显示译码器....................................................................................................12

3.2.2数码管的使用..............................................................................................14

3.2.3LED灯的选择...............................................................................................15

4交通灯系统的软件..............................................................................................................15

4.1程序设计.......................................................................................................................15

4.2交通灯主程序................................................................................................................20

5CCS使用介绍........................................................................................................................24

结论..........................................................................................................................................29

致谢..........................................................................................................................................30

参考文献..................................................................................................................................31

基于MSP430单片机的交通灯电路设计

房鹏飞

摘要：

近年来随着科技的飞速发展，一个以微电子技术、计算机技术和通信技术为先导的信息革命正在蓬勃发展。

计算机技术作为三者之一，怎样与实际应用更有效的结合并发挥其作用。

单片机作为计算机技术的一个分支，正在不断的应用到实际生活中，同时带动传统控制检测的更新。

在实时检测和自动控制的应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件使用，针对具体应用对象的特点,配以其它器件来加以完善。

十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。

那么靠什么来实现交通的井然秩序呢？

靠的是交通信号灯的自动指挥系统，来实现交通的井然有序。

交通信号灯控制方式很多。

本系统采用美国德州仪器公司生产的单片机MSP430，以及其它芯片来设计交通灯控制。

实现了通过MSP430G2553芯片的P2口设置红、绿灯点亮的功能。

交通灯的点亮采用发光二极管实现，时间的显示采用七段数码管实现。

单片机系统采用的直流供电。

为了系统稳定可靠，系统内集成了“看门狗”芯片，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生。

系统实用性强、功耗低操、作简单、扩展性好。

关键词：

单片机；交通灯系统；LED

1引言

今天，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。

它由红绿两块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，当车辆接近时,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喇叭，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。

随着经济的发展，交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题。

道路拥挤现象日趋严重，造成的经济损失越来越大，并一直保持大比例的增长。

现在交通系统已不能满足经济发展的需求。

由于生活水平的提高，人们对交通运输的安全性及服务水平提出了更高的要求。

在交通中管理引入单片机交通灯控制代替交管人员在交叉路口服务，有

助于提高交通运输的安全性、提高交通管理的服务质量。

并在一定程度上尽可能的降低由道路拥挤造成的经济损失，同时也减小了工作人员的劳动强度。

中国车辆数量不断增加，交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用。

智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很好的效益、更加节约资源。

使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通控制，带来更大的经济和社会效益,为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用。

2系统方案

2.1设计任务

东西（A）、南北（B）两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三个指示灯，指挥车辆和行人安全通行。

红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。

为20秒，信号灯的状态规则：

每一方向亮绿灯，而另一方向亮红灯，红灯时间比绿灯长3秒，当绿灯减到0时,到下一个状态，此时绿灯方向的变为黄色，依次循环。

设A道和B道的车流量相同。

2.2方案介绍

把设计任务细化为四个状态，其对应状态：

如图2-1

图2-1状态转换图

设计思想：

初始状态1为东西绿灯通车，延时17秒，南北红灯禁止，延时20秒。

然后转状态2为东西黄灯，延时3秒，南北仍然红灯禁止。

过一段时间转状态3，东西红灯禁止，延时30秒，南北绿灯，延时27秒。

再转状态4，东西仍然红灯，南北黄灯，延时3秒，最后循环至状态1。

状态流程图如图2-2所示

G1

G2

R2

Y2

G1

Y1

R1

Y1

R1

G2

Y2

R2

B

A

图2-2整体规划图

3交通灯硬件系统设计

3.1单片机介绍

3.1.1单片机的概念与特点

所谓单片机，就是把中央处理器CPU，存储器和定时器，及I/O接口电路等一些计算机的主要功能部件，集成在一块电路芯片上的微型计算机。

单片机从一出现就显示出强大的生命力，被广泛应用于各种控制系统﹑智能仪表、家用电器等设备里面，现在已经渗透到人类生活的各个领域。

单片机具有以下特点：

●小巧灵活、成本低、易于产品化。

他能方便地组装成各种智能式设备以及各种智能仪表。

●面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，从而获得最佳性价比。

●抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种条件下都能稳定工作，这是其他机型所无法比拟的。

●可以很方便的实现多机型和分布式控制，使整个系统的效率和可靠性大为提高。

3.1.2单片机的应用

20世纪80年代以来，单片机的应用已经深入到﹑交通﹑农业﹑国防﹑科研﹑教育以及日常生活用品等各种领域。

单片机的主要应用范围如下：

●工业控制。

单片机在工业的应用包括电机控制﹑数控机床﹑物理量的检测与处理，工业机器人﹑过程控制和智能传感器等。

●农业方面。

包括植物生长过程要素的测量与控制，智能灌溉和远程大棚控制等。

●仪器仪表。

智能仪器仪表﹑医疗器械﹑色谱仪﹑示波器等。

●通信方面。

调制解调器﹑网络终端﹑智能线路运行控制以及远程电话交换机。

●日常生活用品方面。

包括移动电话﹑照相相机﹑电子玩具﹑电子词典﹑空调机等。

●汽车控制方面。

门窗控制﹑音响控制﹑点火控制﹑变速控制﹑防滑刹车控制﹑排气控制﹑节能控制﹑安全控制﹑冷气控制﹑汽车报警控制以及测试设备。

3.1.3单片机的发展趋势

单片机的发展已经逐步走向成熟。

一方面，单片机的性能逐步提高，16位﹑32位单片机不断推出；另一方面，在目前的实际应用中还是以八位居多。

8位单片机也不断采用新技术，以取得更高的性价比，单片机技术的发展有以下几个方面特点。

1.集成度更高，功能更强

目前，已经有许多单片机不仅集成了构成微型计算机的中央处理单元CPU﹑存储器﹑I/O接口﹑定时器等传统功能单元，而且还集成了A/D转换模块﹑D/A转换模块﹑并支持多种通信方式（如UART﹑CAN﹑SPI﹑IIC）。

单片机技术正朝着片上技术发展。

许多单片机都集成了在线可编程功能，用户可以对已经焊接到电路板上的单片机进行编程，不需要专门的编程器。

2使用更加方便

许多单片机内部集成程序存储器和数据器，在实际应用中一般不需要外部扩展

程序存储器和数据存储器，从而不再需要外部扩展总线，构成系统的电路结构简单，体积小，稳定性提高。

3低电压，低功耗

使用CMOS的低功耗电路，具有省电工作状态，如等待状态，休眠状态，关闭状态等。

有些单片机的工作电压较低，为3.3V，甚至1.8V。

低电压，低功耗的单片机可以满足便携式或电池供电等仪器仪表应用的需求。

4价格更低

随着微电子技术的不断进步，许多公司陆续推出了价格更低的单片机，可以说，在相当一部分以单片机为核心的嵌入式产品中，单片机的硬件成本已经占很小的比例，更多的是系统设计，系统开发与维护成本。

3.1.4主流单片机

著名的半导体厂商——美国德州仪器在20世纪70年代首先推出了TMS1000系列4位单片机。

20世纪80—90年代，国内主要使用Intel公司的的MCS-51系列和Motorola公司的68HC系列8位单片机。

现在，通用性能单片机的厂家不下数十家，生产种类有几百种之多，从生产厂家来说，有Intel公司﹑美国国家半导体仪器公司﹑TI公司﹑Atmel公司﹑Motorola﹑美国微芯公司等等。

美国Intel公司是最早的处理生产厂商，8051单片机是它的典型产品。

由8051发展起来的MCS-51系列包含了很多品种，如8031﹑8051﹑8751﹑8032﹑8052﹑8752等，该系列其他单片机都是在8051的基础上进行功能的增减改变而来，人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。

MCS-51单片机由Intel公司推出后，多级公司购买了8052

图3-1定时器A的结构原理

的内核，并生产了以051为内核的单片机。

Motorola公司是世界上最大的单片机生产厂商，其产品特点品种齐全，选择余地大，新产品多，多年来一直雄踞单片机销量的榜首。

从M6800开始，开发了众多的品种，有4位，8位，16位和32位单片机。

其单片机的特点:

高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣环境。

Atmel公司是全球著名的半导体公司，它生产基于51内核的AT89系列单片机和基于精简指令集AVR系列单片机。

20世纪90年代初，Atmel率先把MCS-51内核与其擅长的Flash技术相结合，推出轰动业界的AT89系列单片机。

AT89C51系列单片机与Intel8051系列完全兼容，在MCS-51市场占据重要份额。

广泛应用于交通﹑农业﹑国防﹑科研﹑教育等领域。

TI公司主要生产MSP430单片机。

MSP430单片机系列是一种超低功耗的Flash

单片机，其技术特征代表了单片机的发展方向。

它的存储模块是目前业界所有内部集成Flash存储器产品中能耗最低的一种，功耗仅为其他的五分之一。

MSP430单片机具有高效的16位RSIC内核﹑27条指令﹑125ns指令周期，绝大多数指令在一个时钟周期内完成，供电电压在1.8~3.6V，程序代码加密后无法解密；只需外接一个电阻﹑一个电容即可实现高精度斜率A/D﹑待机激活时间仅为16ns，串行在线编程的并行开发方式可以迅速的开发新产品。

另外，MSP430系列具有强大的中断能力，10万次烧写，ESD保护和较强的抗干扰能力。

他广泛的应用于煤气表﹑电子电度表﹑火警智能接头﹑通信产品﹑家庭自动化产品。

3.1.5MSP430系列单片机

在结构上MSP430系列单片机集成了一部计算机的各个基本组成部分。

虽然其工作原

理与普通微机并无差异，但MSP430系列单片机在结构上更加突出了体积小、功能强、

面向控制的特点，具有很高的性能价格比。

表3-2定时器A的结构原理

MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集的宗旨来设计的。

具有丰富的寄存器资源、强大的处理控制能力和灵活的操作方式。

MSP430的存储器结构采用了统一编址方式，可以使得对外围模块寄存器的操作象普通的RAM单元一样方便、灵活。

MSP430存储器的信息类型丰富，并具有很强的系统外围模块扩展能力。

MSP430系列单片机由CPU、存储器和外围模块组成，这些部件通过内部地址总线、数据总线和控制总线相连构成单片微机系统。

●直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口。

●能够降低功耗，降低噪声对存储器存取的影响。

●16位数据宽度，数据处理更为有效。

●16位CPU通过总线连接到存储器和外围模块。

图3-2MSP430单片机的硬件结构

MSP430系列单片机包含以下主要功能部件：

CPU：

MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。

MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。

这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。

MSP430CPU的主要特征1）精简指令集高度正交化2）寄存器资源丰富3）寄存器操作为单周期4）16位地址总线5）常数发生器

存储器：

存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。

有程序存储器和数据存储器。

对程序存储器访问总是以字形式取得代码，而对数据可以用字或字节方式访问。

其中MSP430各系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。

外围模块：

经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。

MSP430不同系列产品所包含外围模块的种类及数目可能不同。

它们分别是以下一些外围模块的组合：

时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0、1、硬件乘法器、液晶驱动器、模数转换、数模转换、端口、基本定时器、DMA控制器等。

端口P1和P21）PxDIR输入/输出方向寄存器2）PxIN输入寄存器3）PxOUT输出寄存器4）PxIE中断使能寄存器5）PxIES中断触发沿选择寄存器

16位定时器A

具有以下特点：

●具有16位计数器，4种计数工作模式

●具有多种可选择的计数时钟源，可以灵活地选择低速时钟ACLK和高速时钟SMCLK以及外部时钟；

●具有多个可配置输入端的捕获/比较寄存器；

●支持多时钟控制，多个捕获/比较功能以及输出波形；

●具有异步输入，输出锁存器；

●能捕获外部世界发生的时间，锁定其发生时的高低电平；

●具有完善的中断服务功能；

●具有八种输出方式选择，3个可配置输出单元；

1）TACTL控制寄存器

TACTL控制寄存器

15--10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

未用

TASSEL1

TASSEL0

ID0

ID1

MC1

MC0

未用

CLR

TALE

TAIFG

表3-4

TASSEL1，TASSEL0选择定时器输入分频器的输入时钟源，如表3-5

表3-4Timer_A输入时钟源选择

TASSEL1

TASSEL0

输入时钟源

说明

0

0

TACLK

使用外部引脚作为输入

0

1

ACLK

辅助时钟

1

0

MCLK

系统主时钟

1

1

INCLK

外部输入时钟

表3—5

ID0,ID1选择输入分频器的分频系数。

由TASSEL0和TASSEL1两位选择时钟源，然后又ID0和ID1选择分频系数将输入信号分频，分频后的信号采用计数器计数。

在MSP430系列单片机中，INCLK信号经过反向驱动之后再送入，与其他器件有点差别。

00直通，不分频；

011/2分频；

101/4分频；

111/8分频；

MC0,MC1选择定时器工作模式

00停止模式，用于定时器暂停；

01增计数模式，计数器计数到CCR0,再清零计数；

10连续计数模式，计数器增计数到0FFFFH，再清零计数；

11增/减计数模式，增计数到CCR0，再减计数到0。

TACLR定时器清除位，计数内容清零。

TAIE中断允许位。

该位允许位定时器溢出中断。

TAIFG定时器溢出标志位。

在不同的定时器工作模式下，该位置条件不一样。

增计数模式，定时器由CCR0计数到0时,TAIFG置位；

连续计数模式，定时器由0FFFFH计数到0时，TAIFG置位；

增/减计数模式，定时器由1计数到0时，TAIFG置位。

MSP430的主要特点：

1）低电源电压范围，1.8～3.6V。

（2）超低功耗，拥有5种低功耗模式（以后会详细介绍）。

（3）灵活的时钟使用模式。

（4）高速的运算能力，16位RISC架构，125ns指令周期。

（5）丰富的功能模块，这些功能模块包括：

A：

多通道10－14位AD转换器；B：

双路12位DA转换器；C：

比较器；D：

液晶驱动器；E：

电源电压检测；F：

串行口USART（UART/SPI）；G：

硬件乘法器；H：

看门狗定时器，多个16位、8位定时器（可进行捕获，比较，PWM输出）；I：

DMA控制器。

（6）FLASH存储器，不需要额外的高电压就在运行种由程序控制写擦欧哦和段的擦除；（7）MSP430芯片上包括JTAG接口，仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；（8）快速灵活的变成方式，可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。

MSP430单片机的复位

MSP430的复位信号有2种：

上电复位信号（POR）、上电清除信号（PUC）。

还有能够触发POR和PUC的信号：

5种来在看门狗，1种来自复位管脚，1种来自写FLASH键值出现错误所产生的信号。

POR信号只在2种情况下发生：

（1）微处理上电；

（2）RST/NMI管脚上产生低电平时系统复位。

PUC信号产生的条件：

（1）POR信号产生；

（2）看门狗有效时，看门狗定时器溢出；（3）写看门狗定时器安全键值出现错误；（4）写FLASH存储器安全键值出现错误。

POR和PUC两者的关系：

POR信号的产生会导致系统复位并产生PUC信号。

而PUC信号不会引起POR信号的产生。

无论是POR信号还是PUC信号触发的复位，都会使MSP430从地址0xFFFE处读取复位中断向量，程序从中断向量所指的地址处开始执行。

触发PUC信号的条件中，除了POR产生触发PUC信号外，其他的豆科一通过读取相应的中断向量来判断是何种原因引起的PUC信号，以便作出相应的处理。

系统复位（指POR）后的状态为：

（1）RST/NMI管脚功能被设置为复位功能；

（2）所有I/O管脚被设置为输入；（3）外围模块被初始化，其寄存器值为相关手册上的默认值；（4）状态寄存器SR复位；（5）看门狗激活，进入工作模式；（6）程序计数器PC载入0xFFFE处的地址，微处理器从此地址开始执行程序。

典型的复位电路有一下3种：

（1） 在RST/NMI管脚上接100K欧的上拉电阻。

（2）在

（1）的基础上再接0.1uf的电容，电容的一端接地，可以使复位更加可靠。

（3）再

（2）的基础上，再在电阻上并接一个型号为IN4008的二极管，可以可靠的实现系统断电后立即上电。

MSP430单片机的时钟系统

MSP430根据型号的不同最多可以选择使用3个振荡器。

我们可以根据需要选择合适的振荡频率，并可以在不需要时随时关闭振荡器，以节省功耗。

这3个振荡器分别为：

（1）DCO 数控RC振荡器。

它在芯片内部，不用时可以关闭。

DCO的振荡频率会受周围环境温度和MSP430工作电压的影响，且同一型号的芯片所产生的频率也不相同。

但DCO的调节功能可以改善它的性能，他的调节分为以下3步：

a：

选择BCSCTL1.RSELx确定时钟的标称频率；b：

选择DCOCTL.DCOx在标称频率基础上分段粗调；c：

选择DCOCTL.MODx的值进行细调。

（2）LFXT1 接低频振荡器。

典型为接32768HZ的时钟振荡器，此时振荡器不需要接负载电容。

也可以接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器，此时需要接负载电容。

（3）XT2 接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器。

此时需要接负载电容，不用时可以关闭。

低频振荡器主要用来降低能量消耗，如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供CPU进行大量运算。

MSP430的3种时钟信号：

MCLK系统主时钟；SMCLK系统子时钟；ACLK辅助时钟。

（1）MCLK系统主时钟。

除了CPU运算使用此时钟以外，外围模块也可以使用。

MCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。

（2）SMCLK系统子时钟。

供外围模块使用。

并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。

SMCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。

（3）ACLK辅助时