关于用单片机控制交通灯的设计.docx

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关于用单片机控制交通灯的设计

南京化工职业技术学院

毕业设计

课题名称：

基于单片机的交通灯设计

+

学生姓名          

学   号   

专   业  

班   级      

指导教师           

基于单片机的交通灯设计

目录

目录……………………………………………………………………………….2

摘要……………………………………………………………………………….3

引言……………………………………………………………………………….4

1什么是单片机………………………………………….……………………….4

2芯片简介………………………………………………………………………..4

2.1MSC-51芯片简介…………………………………………………………5

2.28255芯片简介……………………………………………………………..7

3方案系统硬件设计…………………………………………………………......9

3.1交通管理的方案…………………………………………………...………9

3.2.系统总框图……………………………………………………..…………10

3.3交通灯硬件线路图…………………………………………..….….….…..11

3..4系统工作原理………………………………………………..………..…..12

4控制器的软件设计………………………………….……………..………….12

4.1每秒钟的设定…………………………………………………………..….12

4.2计数器硬件延时……………………………………………………...……12

4.2.1计数器初值计算…………………………………………………………12

4.2.2计算公式………………………………………………………....………12

4.2.3每秒的原理………………………………………………...….…………13

4.2.4部分程序显示…………………………………………...…….…………13

4.3软件延时…………………………………………………....….…………..13

4.4时间及信号灯的显示………………………………………..….…………13

4.4.18051并行口的扩展………………………………………..….…………13

4.4.2显示原理……………………………………………..…….…….………13

4.4.38255PA口输出信号接信号灯……………………………….….………13

4.4.48255输出信号与数码管的连接…………………………..…….………14

4.4.5两种芯片的连接……………...………………………………….………14

4.5程序设计…………………………………………………….……….…….15

4.5.1流程图…………………………………………………….….…….…….16

4.5.2控制程序……………………………………………………..…….…….17

结论…………………………………………………………………………………22

参考文献…………………………………………………………………………..23

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系列单片机和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过PA口输出，显示时间直接通过8255的PC口输出至双位数码管）；车辆闯红灯报警；绿灯时间可检测车流量并可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，检测车流量

引言

诞生

　　19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。

其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。

后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。

在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。

后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。

不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。

　　从此，城市的交通信号灯被取缔了。

直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。

稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。

　　随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红、黄、绿三种标志）于1918年诞生。

它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，它的诞生，使城市交通大为改善。

1什么是单片机

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

2芯片简介

图1.2芯片外观图

什么是芯片

　　就是IC，泛指所有的电子元器件，是在硅板上集合多种电子元器件实现某种特定功能的电路模块。

它是电子设备中最重要的部分，承担着运算和存储的功能。

集成电路的应用范围覆盖了军工、民用的几乎所有的电子设备。

2.1MSC-51芯片简介

MCS-51单片机内部结构

  MCS-51系列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：

·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2.1.18051内部结构框图

·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。

·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。

·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。

·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。

·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。

·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2.1.2。

图2.1.2单片机内部结构图

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：

（如图2.1.3引脚功能说明图）

图2.1.38051引脚功能说明图

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，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。

·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。

2.28255芯片简介

8255可编程并行接口芯片简介:

（如图2.2.18255芯片引脚图）

图2.2.18255芯片引脚图

特性

（1）一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口.

（2）具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口（高4位,PC4~PC7）,B组包括B口及C口（低4位,PC0~PC3）.A组可设置为基本的I/O口,闪控（STROBE）的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定.

引脚功能

RESET:

复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

　　CS:

芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.

　　RD:

读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

　　WR:

写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。

　　D0～D7:

三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

　　PA0～PA7:

端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

　　PB0～PB7:

端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。

　　PC0～PC7:

端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。

端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

'

　　A1,A0:

地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器.

　　当A1=0,A0=0时,PA口被选择;

　　当A1=0,A0=1时,PB口被选择;

　　当A1=1,A0=0时,PC口被选择;

　　当A1=1.A0=1时,控制寄存器被选择.

3方案系统硬件设计

3.1交通管理的方案

东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，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。

黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。

设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案如表3.1.1。

表3.1.1

60S

5S

80S

5S

……

东西道

红灯亮

黄灯亮

绿灯亮

黄灯亮

……

南北道

绿灯亮

黄灯亮

红灯亮

黄灯亮

……

表3.1.1说明：

（1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。

时间为60秒。

（2）黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。

（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行。

时间为80秒。

东西方向车流大通行时间长。

（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。

（5）此表可根据车流量动态设定红绿灯初始值。

3．2系统总框图如下：

图3.2.1.交通灯控制过程系统框图

3．3交通灯硬件线路图（图3.3.1）

图3.3.1

3．4系统工作原理

（1）开关键盘输入交通灯初始时间，通过8051单片机P1输入到系统

（2）由8051单片机的定时器每秒钟通过P0口向8255的数据口送信息，由8255的PA口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由8255的PC口显示每个灯的燃亮时间。

（3）8051通过设置各个信号等的燃亮时间、通过8031设置，绿、红时间分别为60秒、80秒循环由8051的P0口向8255的数据口输出。

（4）通过8051单片机的P3.0位来控制系统是工作或设置初值，当.牌位0就对系统进行初始化，为1系统就开始工作。

（5）红灯倒计时时间，当有车辆闯红灯时，启动蜂鸣器进行报警，3S后然后恢复正常。

（6）增加每次绿灯时间车流量检测的功能，并且通过查询P2.0端口的电平是否为低，开关按下为低电平，双位数码管显示车流量，直到下一次绿灯时间重新记入。

（7）绿灯时间倒计时完毕，重新循环。

4．控制器的软件设计

4.1每秒钟的设定

延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。

4.2计数器硬件延时

4.2.1计数器初值计算

定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。

他是以加法记数的，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设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式：

TC=M-C

式中，M为计数器摸值，该值和计数器工作方式有关。

在方式0时M为213；在方式1时M的值为216；在方式2和3为28

4.2.2计算公式

T=（M－TC）T计数

或ＴＣ＝Ｍ－Ｔ／T计数

　T计数是单片机时钟周期ＴＣＬＫ的１２倍；ＴＣ为定时初值

4.2.3每秒的原理

　　我们采用在主程序中设定一个初值为２０的软件计数器和使Ｔ０定时５０毫秒．这样每当Ｔ０到５０毫秒时ＣＰＵ就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。

在中断服务子程序中，ＣＰＵ先使软件计数器减１，然后判断它是否为零。

为零表示１秒已到可以返回到输出时间显示程序。

4.2.4部分程序显示

（１）主程序　

　　　定时器需定时５０毫秒，故Ｔ０工作于方式１。

　初值：

　　　　ＴＣ＝Ｍ－Ｔ／T计数　＝２１６　－５０ms/1us=15536=3CBOH

ORG1000H

START:

MOVTMOD,#01H;令ＴＯ为定时器方式１

MOVTH0,#3CH;装入定时器初值

MOVTL0,#BOH　　;

MOVIE,　　　#82H;开Ｔ０中断

SEBT　TＲO　　　　　　　；启动Ｔ０计数器

MOV　RO,　　#14H　　　;软件计数器赋初值

LOOP:

　SJMP$　　　　　　　　　；等待中断

（２）中断服务子程序

　　　　　ＯＲＧ　　０００ＢＨ

　　　　　ＡＪＭＰ　　ＢＲＴ０

　　　　　ＯＲＧ　００ＢＨ

　ＢＲＴＯ：

DJNZＲ０，ＮＥＸＴ

　　　　　　AJMPTIME;跳转到时间及信号灯显示子程序

DJNZ：

ＭＯＶ　ＲＯ，＃１４Ｈ　；恢复Ｒ０值

　　MOVTH0,#3CH;重装入定时器初值

MOVTL0,#BOH　　;

MOVIE,　　　#82H

　　　　　　ＲＥＴ１

ＥＮＤ

4.3软件延时

MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8051单片机的工作频率为6MHZ。

机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/6M）=2us。

我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。

具体的延时程序分析：

DELAY:

MOVR4,#08H延时1秒子程序

DE2:

LCALLDELAY1

DJNZR4,DE2

RET

DELAY1:

MOVR6,#0延时125ms子程序

MOVR5,#0

DE1:

DJNZR5,$

DJNZR6,DE1

RET

MOVRN，#DATA字节数数为2机器周期数为1

所以此指令的执行时间为2ms

DELAY1为一个双重循坏循环次数为256*256=65536所以延时时间=65536*2=131072us约为125us

DELAYR4设置的初值为8主延时程序循环8次，所以125us*8=1秒

由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。

4.4时间及信号灯的显示

4.4.18051并行口的扩展

8051虽然有4个8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因为P2和P0口通常用于传送外部传送地址和数据,P3口也有它的第二功能。

因此，8031通常需要扩展。

由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个I/O端口，显然8031的端口是不够，需要扩展。

扩展的方法有两种：

（1）借用外部RAM地址来扩展I/O端口；

（2）采用I/O接口新片来扩充。

我们用8255并行接口信片来扩展I/O端口。

4.4.2显示原理：

当定时器定时为1秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。

4.4.38255PA口输出信号接信号灯：

由于发光二极管为共阳极接法，输出端口为低电平，对应的二极管发光，所以可以用置位方法点亮红，绿，黄发光二极管。

4.4.48255输出信号与数码管的连接：

LED灯的显示原理:

通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点量而显示不同的字形如SP，g,f,e,d,c,b,a（表3.2）管角上加上７ＦＨ所以　ＳＰ上为０伏，不亮其余为ＴＴＬ高电平，全亮则显示为８

采用共阴级连接:

其中PC0\PB0-a,

PC1\PB1-b,

PC2\PB2-c,

PC3\PB3-d,

PC4\PB4-e,

PC5\PB5-f,

PC6\PB6-g

PC7\PB7-SP接地

表3.2驱动代码表

显示数值

dopgfedcba

驱动代码（16进制）

0

00111111

3FH

1

00000110

06H

2

01011011

5BH

3

01001111

4FH

4

01100110

66H

5

01101100

6DH

6

01111100

7DH

7

00000111

07H

8

01111111

7FH

4.4.58255与8051的连接：

用8051的P0口的p0.7连接8255的片选信号cs我们用8031的地址采用全译码方式，当p0.7=0时片选有效，其他无效，p0.1p0.1用于选择8255端口

P0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2P0.1P0.0

A7A6A5A4A3A2A1A0

1XXXXX0000H为8255的PA口

1XXXXX0101H为8255的PB口

1XXXXX1002H为8255的PC口

1XXXXX1103H为8255的控制口

由于8051是分时对8255和储存器进行访问所以8051的P0口不会发生冲突

4.5程序设计

4.5.1流程图

流程图如右图所示

图4.5.1.1流程图

图4.5.1.2程序流程图

4.5.2控制程序

ORG0000H;主程序的入口地址

LJMPMAIN;跳转到主程序的开始处

ORG0003H;外部中断0的中断程序入口地址

ORG000BH;定时器0的中断程序入口地址

LJMPT0_INT;跳转到中断服务程序处

ORG0013H;外部中断1的中断程序入口地址

MAIN:

MOVSP,#50H

MOVIE,#8EH;CPU开中断，允许T0中断，T1中断和外部中断1中断

MOVTMOD,#51H;设置T1为计数方式,T0为定时方式，且都工作于模式1

MOVTH1,#00H;T1计数器清零

MOVTL1,#00H

SETB