單片機課程設計控制交通信號燈

1、鹽城工學院課程設計說明書（2011）單片機課程設計說明書單片機控制交通燈設計專業(yè)學生姓名班級學號指導教師完成日期14目錄1.概述11.1交通燈設計的背景和意義11.1.1交通燈的背景11.1.2交通燈的意義11.2.交通燈的發(fā)展和現(xiàn)狀12課題方案設計22.1系統(tǒng)總體設計要求22.2系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)論證23.系統(tǒng)硬件設計23.1總體設計23.2單片機運行的最小系統(tǒng)33.2.1 at89c51簡介33.2.2、振蕩電路、時鐘電路和cpu時序53.2.3、復位狀態(tài)和復位電路設計63.3按鍵掃描控制電路74.系統(tǒng)軟件設計75.軟硬件聯(lián)調(diào)及調(diào)試結(jié)果95.1實物圖95.2調(diào)試結(jié)果105-3 演示效果圖106.

2、結(jié)論11參考文獻11附錄12附錄1：基于單片機的交通燈設計原理圖12附錄2：基于單片機的交通燈設計pcb圖12附錄3：proteus仿真圖13附錄4：基于單片機的交通燈設計c語言程序清單13附錄5：基于單片機的交通燈設計元器件目錄表15單片機控制交通燈設計1.概述1.1交通燈設計的背景和意義1.1.1交通燈的背景 1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，

3、綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。1914年，電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交

4、通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國道路交通和道路標志信號協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口1.1.2交通燈的意義在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強有力的保障。但是隨著社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，原先的交通燈控制系統(tǒng)

5、已經(jīng)不能適應現(xiàn)在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng)，使其適應現(xiàn)在的交通狀況，成為研究的課題1.2.交通燈的發(fā)展和現(xiàn)狀傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈，通常的做法是：事先經(jīng)過車輛流量的調(diào)查，運用統(tǒng)計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而，實際上車輛流量的變化往往是不確定的，有的路口在不同的時段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過長期運行、較適用的方案，仍然會發(fā)生這樣的現(xiàn)象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準確模型的，統(tǒng)計的方法已不能適應迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀，更為現(xiàn)實的需要是能有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應控制的交通燈。目前，大部分城市中十

6、字路口交通燈的控制普遍采用固定轉(zhuǎn)換時間間隔的控制方法。由于十字路口不同時刻車輛的流量是復雜的、隨機的和不確定的，采用固定時間的控制方法，經(jīng)常造成道路有效利用時間的浪費，出現(xiàn)空等現(xiàn)象，影響了道路的暢通。為此，采用不依賴數(shù)學模型的模糊控制方法設計交通燈控制器，能較好地解決這個問題。另外隨著眾多高科技技術(shù)在日常生活的普遍應用，城市空中各種電磁干擾日益嚴重，為保證交通控制的可靠、穩(wěn)定，選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的單片機是必要的。隨著科學技術(shù)的日新月異，自動化程度要求越來越高，原有的交通燈裝置遠遠不能滿足當前高度自動化的需要?？删幊炭刂破鹘煌艨刂葡到y(tǒng)集成自動控制技術(shù)、計量技術(shù)、新傳感器技

7、術(shù)、計算機管理技術(shù)于一體的機電一體化產(chǎn)品；充分利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點，采用標準化、模塊化、系統(tǒng)化設計，配置靈活、組態(tài)方便。2課題方案設計2.1系統(tǒng)總體設計要求（1)、熟悉keil 編程環(huán)境； （2）、熟悉有關探測器的理論知識； （3）、給出設計方案； 此次的設計先從硬件設計上著手。先要整理交通燈系統(tǒng)的整體思路。確定出方案設計中需要的硬件設備。我們在確定了大的方向基礎上，就應該對系統(tǒng)實現(xiàn)進行規(guī)劃2.2系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)論證用單片機控制一個交通燈系統(tǒng)，與以往用數(shù)字邏輯電路組成的控制系統(tǒng)相比，用單片機組成的交通燈系統(tǒng)，應具有更

8、大的靈活性，功能 也更強，并具有智能性, 在實際工作中是一種行之有效的方法。因此，從理論上分析利用單片機為核心設計一個交通燈系統(tǒng)是可行的。3.系統(tǒng)硬件設計3.1總體設計用單片機控制一個交通燈系統(tǒng)，與以往用數(shù)字邏輯電路組成的控制系統(tǒng)相比，用單片機組成的交通燈系統(tǒng)，應具有更大的靈活性，功能 也更強，并具有智能性, 在實際工作中是一種行之有效的方法。因此，從 理論上分析利用單片機為核心設計一個交通燈系統(tǒng)是可行的。 3.2單片機運行的最小系統(tǒng)3.2.1 at89c51簡介3-1 at89c52 3-2 c51系列(1)主電源引腳vcc（40腳）: 接+5 v電源正端; vss（20腳）: 接+5 v電

9、源地端。 (2)外接晶體引腳xtal1和xtal2xtal1（19腳）: 接外部石英晶體的一端。 在單片機內(nèi)部, 它是一個反相放大器的輸入端, 這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。xtal2（18腳）: 接外部晶體的另一端。 在單片機內(nèi)部, 接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。 xtal1與xtal2借外接晶體與片內(nèi)反相放大器構(gòu)成振蕩器。(3) 輸入/輸出（i/o）引腳：p0口、 p1口、 p2口及p3口p0口（39腳32腳）: p0.0p0.7統(tǒng)稱為p0口。雙向輸入輸出接口，在接有片外存儲器或擴展io接口時，p0口分時復用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 p1口（1腳8腳）: p1.0p1.7統(tǒng)稱為

10、p1口, 可作為準雙向i/o接口使用。 p2口（21腳28腳）: p2.0p2.7統(tǒng)稱為p2口。 準雙向輸入輸出接口，在接有片外存儲器或擴展io接口時，p2口用為高8位地址總線。 p3口（10腳17腳）: p3.0p3.7統(tǒng)稱為p3口。 準雙向輸入輸出接口， p3口的每一個引腳都有第二功能。 四個i/o端口p0、p1、p2、p3的作用：p2口負責輸出高8位地址，p0口以分時方式承擔輸出低8位地址信息和數(shù)據(jù)輸入/輸出的雙重任務 p3口則作為和外設溝通的控制線，p1口可隨意用作i/o口。 (4) 控制引腳rst/vpd（9腳）: rst即為reset, vpd為備用電源, 所以該引腳為單片機的上電

11、復位或掉電保護端。 (30腳):(address latch enable/programming) 當訪問外部存儲器時, ale（允許地址鎖存信號）以每機器周期兩次的信號輸出, 用于鎖存出現(xiàn)在p0口的低8位地址。 （29腳）:(program strobe enable)片外程序存儲器讀選通信號輸出端, 低電平有效。 (31腳):(enable address/voltage pulse of programing)為訪問外部程序存儲器控制信號。3.2.2、振蕩電路、時鐘電路和cpu時序（1）振蕩電路、時鐘電路。 3-3 時鐘電路如圖3-4所示，外部時鐘振蕩電路由晶體振蕩器和電容c1、c2構(gòu)

12、成并聯(lián)諧振電路，連接在xtal1、xtal2腳兩端。對外部c1、c2的取值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性。c1、c2通常取值c1=c2=30pf左右；8051的晶振最高振蕩頻率為12m，at89c51的外部晶振最高頻率可到24m。在單片機最小系統(tǒng)板上已經(jīng)提供了晶振電路，在使用該電路時，應加上跳線帽，并插入合適的晶振。3-4 片內(nèi)振蕩器等效電路和外接元件at89c51也可以采用外部時鐘方式，外部時鐘從xtal1腳輸入，xtal2腳浮空。可以采用我們板子上提供的外部時鐘源作為單片機外部時鐘輸入。（2）cpu時序晶振（或外部時鐘）的振蕩頻率的確

13、定，就確定了cpu的工作時序。這里介紹幾個重要的時序概念，我們在以后的實驗中還會經(jīng)常涉及到： 振蕩周期：是指為單片機提供定時信號的振蕩器的周期。 時鐘周期：振蕩周期的兩倍，前部分通常用來完成算術(shù)邏輯操作；后部分完成內(nèi)部寄存器和寄存器間的傳輸。 機器周期：在8051單片機中，一個機器周期由12個振蕩周期組成。 指令周期：是指執(zhí)行一條指令所占用的全部時間。一個指令周期通常含有14個機器周期。機器周期和指令周期是兩個很重要的衡量單片機工作速度的值。若外接12mhz晶振時，8051的四個周期的值為：振蕩周期=1/12us；時鐘周期=1/6us；機器周期=1us；指令周期=14us。在一些應用中，傳統(tǒng)的

14、8051的速度顯得有些慢，因此，當前很多采用8051內(nèi)核的新型單片機采用了加速處理器結(jié)構(gòu)，使機器周期提高到振蕩周期的6倍、4倍等等，risc（精簡指令集）的采用，更讓單片機在單個時鐘周期完成一條指令，使得單片機在處理速度上得到大大提高。3.2.3、復位狀態(tài)和復位電路設計（1）復位狀態(tài)在8051單片機中，只要在單片機的rst引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平，單片機就實現(xiàn)了復位。單片機在復位后，從0000h地址開始執(zhí)行指令。復位以后單片機的p0p3口輸出高電平，且處于輸入狀態(tài)，sp（堆棧寄存器棧頂指針）的值為07h（因此，往往需要重新賦值，其余特殊功能寄存器和pc（程序計數(shù)器）都被清為0。復位不

15、影響內(nèi)部ram的狀態(tài)。（2）復位電路3-5 復位電路單片機可靠的復位是保證單片機正常運行的關鍵因素。因此，在設計復位電路時，通常要使rst引腳保持10ms以上的高電平。當rst從高電平變?yōu)榈碗娖街?，單片機就從0000h地址開始執(zhí)行程序。8051單片機通常都采用上電自動復位和開關復位兩種方式。實際使用中，有些外圍芯片也需要復位，如8255等。這些復位端的復位電平要求與單片機的復位要求一致時，可以把它們連起來。在最小系統(tǒng)板上，提供了一個通用的復位電路，在使用該板之前，必須將該電路與單片機聯(lián)結(jié)起來。另外，還可以采用主板上的微處理器監(jiān)控模塊來控制復位腳，以便更加可靠地管理單片機的工作。3.3按鍵掃描

16、控制電路此部分為按鍵掃描控制部分，用來控制蜂鳴器和旋轉(zhuǎn)燈，因所用的按鍵較少，故采用獨立按鍵控制方式，且所用按鍵均為彈性小按鍵，即按下時為低電平接通，松手時即彈起變?yōu)楦唠娖?。單片機中的鍵盤通常由按鍵開關組成，按鍵開關的外形和參數(shù)如下圖所示，它是一種常開型按鍵開關，為了便于安裝固定，它有四個管腳，其管腳說明如下圖中的文字所示，在常態(tài)時開關觸點（1和2）處于斷開狀態(tài)，只有按下按鍵時開關觸點才閉合短路，所以可以用萬用表檢測開關的管腳排列、好壞和質(zhì)量。 3-6 按鈕4.系統(tǒng)軟件設計交通燈程序、#include <reg52.h>#define uint unsigned int#define

17、 uchar unsigned charsbit red_a = p00;sbit yellow_a = p01;sbit green_a = p02;sbit red_b = p03;sbit yellow_b = p04;sbit green_b = p05;uchar time_count = 0,flash_count = 0,operation_type = 1;void t0_int() interrupt 1 th0 = -50000/256;tl0 = -50000%256;switch(operation_type) case 1:red_a=0;yellow_a=0;gre

18、en_a=1;red_b=1;yellow_b=0;green_b=0;if(+time_count != 100) return;time_count=0;operation_type = 2;break;case 2:if(+time_count != 8) return;time_count=0;yellow_a=!yellow_a;green_a=0;if(+flash_count != 10) return;flash_count=0;operation_type = 3;break;case 3:red_a=1;yellow_a=0;green_a=0;red_b=0;yellow

19、_b=0;green_b=1;if(+time_count != 100) return;time_count=0;operation_type = 4;break;case 4:if(+time_count != 8) return;time_count=0;yellow_b=!yellow_b;green_b=0;if(+flash_count !=10) return;flash_count=0;operation_type = 1;break;void main() tmod = 0x01;ie = 0x82;tr0 = 1;while(1);5.軟硬件聯(lián)調(diào)及調(diào)試結(jié)果5.1實物圖 5.

20、2調(diào)試結(jié)果 6.結(jié)論這次的單片機課程設計我做的是交通燈設計，通過近兩個星期的努力，基本上可以說圓滿完成。這次單片機課程設計不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上沒有學到過的知識，掌握了一種系統(tǒng)的研究方法，可以進行一些簡單的編程。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，例如對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，學習了單片機c語言。經(jīng)過一周的努力，順利的完成了單片機課設。這是一個磨練意志的過程。從

21、課題的選擇開始，報警器和旋轉(zhuǎn)燈的設計、硬件和軟件系統(tǒng)的設計、到最后的 proteus 軟件仿真完成，這其中經(jīng)歷了很多困難，但是更重要的是在這個過程中我得到了很大的鍛煉。一方面通過 c51 單片機等一些器件的設計讓我學習和掌握了單片機技術(shù)的基礎知識和技術(shù)要點，也使以前學的很多知識都得到了運用；另一方面在用 proteus 軟件畫電路圖這個過程中讓我掌握了計算機輔助的設計技術(shù)。當然，這是一個需要不斷的嘗試，不斷的校核，不斷的修改，最后完成一個合理的設計的過程。需要的是細心和耐心。在很大程度上培養(yǎng)了我拼搏的工作精神。使我受益匪淺，更加明確了自己專業(yè)的方向。課程設計不光要懂得理論知識，更多的是要我們動

22、手做親自去設計程序和電路圖，好多東西看起來十分簡單，一看書上的程序都懂，但沒有親自去設計它，你就不會懂理論與實踐是有很大區(qū)別的。兩周的課程設計，讓我難忘的莫過于這最辛苦的程序設計，這些東西如果沒有一定的耐心和清晰的思路還真是棘手，這次的課程設計就是要我們打破理論和實踐之間的間隔，跨過理論和實踐之間的鴻溝，或許是我們學習生涯中的又一次飛躍。我覺得單片機課程設計是一個不錯的課程，或者說是一個必須的環(huán)節(jié)，它可以培養(yǎng)我們的動手能力，可以激發(fā)我們學生的學習興趣，也可以使我們掌握基本的理論知識，運用基本知識，訓練基本技能，增強實踐能力。這次課程設計雖然很辛苦，但我卻樂在其中。參考文獻1.單片機原理及應用技

23、術(shù) 陳益飛 編 國防工業(yè)出版社2·單片機實用系統(tǒng)設計技術(shù) 房小翠 編 國防工業(yè)出版社 3·單片機應用系統(tǒng)設計 何立民 編 北航出版社 4·單片機原理及接口技術(shù) 曹琳琳編 國防科技大學出版社附錄附錄1：基于單片機的交通燈設計原理圖附錄2：基于單片機的交通燈設計pcb圖附錄3：proteus仿真圖附錄4：基于單片機的交通燈設計c語言程序清單#include <reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit red_a = p00;sbit yellow_a = p01;sbit green_a = p02;sbit red_b = p03;sbit yellow_b = p04;sbit green_b = p05;uchar time_count = 0,flash_count = 0,operation_type = 1;void t0_int() interrupt 1 th0 = -50