基于MCS-51系列單片機的交通燈控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)—計算機科學與技術(shù)畢業(yè)論文

1、基于MCS-51系列單片機的交通燈控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)計算機科學與技術(shù)畢業(yè)論文 基于MCS-51系列單片機的交通燈控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)內(nèi) 容 摘 要 近年來隨著科技的飛速發(fā)展,單片機的應用正在不斷地走向深入,同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月異更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中,單片機往往是作為一個核心部件來使用,僅單片機方面知識是不夠的,還應該根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu),以及針對應用對象特點的軟件結(jié)合,加以完善。 十字路口車輛穿梭,行人熙攘,車行車道,人行人道,有條不紊。那么靠什么來實現(xiàn)這井然秩序呢?靠的是交通信號燈的自動指揮系統(tǒng)。交通信號燈控制方式很多。本系統(tǒng)采用MSC-51系列單片機AT89S5

2、1為中心器件來設計交通燈控制系統(tǒng)。本文介紹的交通控制系統(tǒng)除了具有一般的紅綠燈顯示功能外,還具有時間顯示功能,以及倒計時功能,以方便人們出行,此系統(tǒng)實用性強、操作簡單、擴展性強。設計中首先運用KeilC51對編寫的程序進行調(diào)試,并利用Proteus7軟件對交通燈控制器進行了仿真,實現(xiàn)系統(tǒng)運行所要求的功能。該設計方法對學習單片機設計開發(fā)具有代表性。 關鍵詞:單片機交通燈控制器定時Based on MCS-51 series microcontroller traffic light control system design and implementationAbstract With the

3、rapid development of science and technology in recent years, the application of the microcontroller is constantly deepening, while driven by the traditional control to detect the rapid update.In real-time detection and automatic control of microcomputer application system, the microcontroller is oft

4、en a core component to use only SCM knowledge is not enough, you should also be improved according to the structure of the specific hardware and software combination for the application object characteristicsCrossroads shuttle vehicles, pedestrians bustling Dealers lane, methodical. Rely on to achie

5、ve this orderly order? Rely on automatic command system of traffic lights. Traffic signal control. The system uses the MSC-51 series microcontroller AT89S51-centric devices to design a traffic light controller. This article describes the traffic control system in addition to general traffic light di

6、splay also has a time display function, countdown function to facilitate the travel of people, this system practical, simple operation, and scalability. First use of KeilC51 design debugging of programs written in, and use Proteus7 software simulation of the traffic light controller to achieve the r

7、equired functions of the system is running. The design method to study single-chip design and development representative.Keywords: Single-chip microcomputerTraffic lightsControllerTiming目 錄序言1一、緒 論2(一)開發(fā)交通燈控制系統(tǒng)的目的和意義2(二)選題背景2(三)國內(nèi)外交通控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀31.交通控制存在的問題32.交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向43.PLC交通燈系統(tǒng)與單片機交通燈系統(tǒng)的比較4二、交通燈系統(tǒng)方

8、案論證6(一)設計任務6(二)方案選擇6三、交通燈系統(tǒng)硬件設計9(一)系統(tǒng)構(gòu)成9(二)芯片選擇101.AT89S51芯片102.LED數(shù)碼管顯示123.交通燈控制線路圖13四、交通燈系統(tǒng)軟件設計14(一)顯示數(shù)字模塊14(二)延時模塊15(三)中斷模塊16(四)循環(huán)模塊17五、交通燈系統(tǒng)的實現(xiàn)21(一)實驗平臺21(二)實驗步驟22(三)仿真調(diào)試22六、設計總結(jié)26致謝27參考文獻28附錄29序言 由于單片機技術(shù)在各個領域正得到越來越廣泛的應用,在單片機家族的眾多成員中,MCS-51系列單片機以其優(yōu)越的性能,成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比,迅速占領了工業(yè)測控和自動化工程應用的主要市場,成為

9、國內(nèi)單片機應用領域中的主流。目前,可用于MCS-51系列單片機開發(fā)的硬件越來越多,語氣配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善。因此,可以極方便的利用現(xiàn)有資源,開發(fā)出用于不同目的的各類應用系統(tǒng)。 今天,紅綠燈安裝在各個路口上,已經(jīng)成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀就已經(jīng)出現(xiàn)了。 1914年,電氣啟動的交通燈出現(xiàn)在美國。這種交通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”。信號燈的出現(xiàn),使交通得以有效管制,對于疏導交通流量、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

10、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,如果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。 當今時代是一個自動化時代,交通燈控制等很多行業(yè)的設備都與單片機密切相關。因此,一個好的交通燈控制系統(tǒng),將給道路擁擠、違章控制等交通管理方面帶來技術(shù)革新。隨著大規(guī)模集成電路和單片機技術(shù)的迅速發(fā)展,以及人工智能在控制技術(shù)方面的廣泛運用,交通燈智能控制是現(xiàn)代

11、交通管理發(fā)展的一個主流方向。 中國車輛數(shù)量不斷增加,交通控制在未來的交通管理中起著越來越重要的作用。智能交通燈的管理比重修一條馬路無論在經(jīng)濟、交通運行速率上都有很好的效益,而且更加節(jié)約資源,使交管人員有更多的精力投入到管理整個城市交通控制,帶來更大的經(jīng)濟和社會效益,為創(chuàng)造美好的城市交通形象發(fā)揮更多的作用。 一、緒 論(一)開發(fā)交通燈控制系統(tǒng)的目的和意義 隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,人們對私家車、公交車的需求越來越大。相應地,我國進入WTO以后,我國經(jīng)濟貿(mào)易與世界接軌,汽車業(yè)關稅大大降低,使很多人都能負擔得起,買私家車不再是夢想。但是,私家車、公交車的大增無疑會對我國交通系統(tǒng)帶來沉重的壓力。放眼現(xiàn)在

12、的中國,如廣州、北京、上海等大都市,無不受到交通堵塞的困擾。中國要發(fā)展,交通事業(yè)決不能停步不前。有及于此,我國交通管制系統(tǒng)應當以人性化、智能化為目的,作出相應的改善。本論文正是以此為出發(fā)點,對單片機控制的交通信號燈模型作了較詳盡的介紹。單片機的應用正在不斷地走向深入,同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中,單片機往往是作為一個核心部件來使用,僅單片機方面知識是不夠的,還應根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu),以及針對具體應用對象特點的軟件結(jié)合,加以完善。交通信號燈的出現(xiàn),使交通得以有效管制,對于疏導交通流量、提高道路通行能力,減少交通事故有明顯效果。兼于此,特用單片機設計此電路。

13、 交通信號燈是城市交通有序、安全、快速運行的重要保障,而保障交通信號燈正常工作就成了保障交通有序、安全、快速運行的關鍵。為此,采用MCS-51系列單片機AT89S51為中心器件來設計交通燈控制電路,實現(xiàn)了能根據(jù)實際車流量通過8051芯片的PI口設置紅綠燈燃亮的時間的功能;紅綠燈循環(huán)點亮,倒計時剩5秒時黃燈閃爍警示,三種顏色燈交替點亮以及緊急情況下的中斷處理功能。(二)選題背景 由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展從而導致了汽車數(shù)量的猛增,大中型城市的城市交通,正面臨著嚴峻的考驗,從而導致交通問題日益嚴重,其主要表現(xiàn)如下:交通事故頻發(fā),對人類生命安全造成極大威脅;交通擁堵嚴重,導致出行時間增加,能源消耗加大;

14、空氣污染和噪聲污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成為人們司空見慣而又不得不忍受的問題。在這種背景下,結(jié)合我國城市道路交通的實際情況,開發(fā)出真正適合我們自身特點的智能信號燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當前的主要任務。 對交叉口實行科學的管理與控制是交通控制工程的重要研究課題,是保障交叉口的交通安全和充分發(fā)揮交叉口的通行能力的重要措施,是解決城市交通問題的有效途徑。所以,改變和完善我國現(xiàn)有的交通系統(tǒng)已成為當務之急。 交通燈信號燈的出現(xiàn)是人類歷史上的一次重大改革,使人類的聚居生活,產(chǎn)生了深遠的影響。使交通得以有效管制,對于疏導交通流量,提高道路通行能力,減少交通事故有明顯效果。如何采用合適的控制方法,最大限度利

15、用好耗費巨資修建的城市高速道路,緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況,越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,利用單片機技術(shù)對交通燈進行智能化管理,已成為目前廣泛采用的方法。 在今天,紅綠燈安裝在各個道口上,已經(jīng)成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀就已出現(xiàn)了。 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

16、表示“停止”,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C5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”,綠燈亮表示“通行”。而中國最早的馬路交通燈卻是誕生于1928年的上海英租界。從最早的手牽皮帶到20世紀50年代的電氣控制。(三)國內(nèi)外交通控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 當前世界各國廣泛使用的最具代表性卻有實施的城市交通控制系統(tǒng)有英國的TRANSYT與SCOOTS交通控制系統(tǒng)和澳大利亞的SCATS系統(tǒng)。 在信號機的發(fā)展歷程中,自適應理論一直受到各研究機構(gòu)的歡迎,比如上面所述的SCOOT

17、S和SCATS系統(tǒng)。最近幾年,國內(nèi)外仍偏向于引進自適應理論來對交通燈控制系統(tǒng)進行研制,特別是美國有十幾個大學或研制機構(gòu)正在研制自適應交通信號控制系統(tǒng),具有代表性的有美國亞利桑那大學研制的PHODES。 我國交通領域的發(fā)展起步較晚,基本上從新中國建國以后,隨著各方面的條件的成熟以及社會發(fā)展的要求,才建立及健全交通控制系統(tǒng)的,主要引用國外的交通控制系統(tǒng)。各級交通管理部門通過技術(shù)引進和自主創(chuàng)新,在中國部分大中城市里,摒棄就有的控制方式,一些先進的控制技術(shù)得到應用。雖然在整體規(guī)模和層次上與世界發(fā)達國家還有不少差距,但部分領域技術(shù)水平已經(jīng)處于世界先進位置。目前,我國交通控制系統(tǒng)已不單單是對交叉口信號燈進

18、行控制,而是集交叉口信號的控制盒干線控制以及現(xiàn)代城市高速公路交通控制于一體的混合型交通燈,實現(xiàn)區(qū)域信號控制盒城市高速公路集成控制。1 交通控制存在的問題 目前,城市交通控制還存在如下問題: (1)隨著城市機動車增長速度加快的同時,城市道路建設規(guī)模也在加大,我國城市普遍存在道路密度,道路面積率偏低的問題,這是我國城市尤其是大城市道路交通出現(xiàn)問題的一個重要原因。我國城市道路的密度只有6.8km每平方千米,而在20世紀80年代,世界發(fā)達國家就已到達20km每平方千米。20世紀90年代,我國部分城市道路面積率,北京為5.9%,上海為6.4%,而國外東京為13.8%,巴黎為25%,普遍高于我國。近幾年,

19、國家雖不斷加大城市道路建設的力度,但仍趕不上車輛的增長速度,且與世界其他國家相比,差距仍很大。 (2)出租車以及公交的發(fā)展運營情況并不盡如人意,雖然車輛和線路長度增長,但運營速度成了瓶頸,新增的運力被運輸效率低下所抵消。 (3)交通管理方面水平還欠發(fā)展,隨著交通需求越來越旺盛,而我國城市中小交通管理和交通安全的現(xiàn)代化設施卻做得不足。在車輛、道路和交通管理系統(tǒng),城市交通信號控制系統(tǒng),城市交通管制中應用人工智能技術(shù)、信息采集和信息提供技術(shù)等方面都與發(fā)達國家有很大差距。近幾年,雖然有部分城市研究和引進一些國外先進的交通信號管理系統(tǒng),但是由于交通管理設施不足等原因,我國交通事故率居高不下。城市車流行駛

20、速度逐年下降,目前不少城市交通運量年年增長,但運輸速度普遍下降,這都源于交通通行不佳。 針對我國城市交通運輸?shù)默F(xiàn)狀和存在的問題,應采取如下對策:借鑒國外城市交通管理的先進經(jīng)驗,強調(diào)建立城市交通管理體制的重要性,提出加強城市交通研究的交通規(guī)劃,建立穩(wěn)定的交通基礎設施建設的資金出道,實行公交優(yōu)先政策,建立先進的交通信息系統(tǒng)等。2 交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向 綜合分析國內(nèi)外先進的城市交通控制系統(tǒng),結(jié)合我國城市道路及交通的實際情況,同時也對今后城市交通與道路建設的發(fā)展的前瞻性考量,我國道路智能交通控制系統(tǒng)的發(fā)展模式應具有如下功能: (1)多模式化。首先從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上吸收集中式SCOOT、分布式SCAT等智能

21、交通系統(tǒng)的長處,在控制范圍內(nèi)各個區(qū)域采用靈活可轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)交通流的區(qū)域變化而改變。此外,充分根據(jù)不同地區(qū)實時交通情況,對路口能力最大、延遲時間最短等作為遴選不同系統(tǒng)的參考標準。 (2)智能化。隨著信息技術(shù)的高度發(fā)展,作為道路交通控制系統(tǒng)所承擔的工作不僅僅是對交通流的引導,更承擔了諸如為車輛提供道路交通信息的職能,利用對車輛的CPS誘導,使道路通行更加順暢。 (3)最優(yōu)化。隨著計算機技術(shù)和優(yōu)化理論的發(fā)展,模型算法的求解和交通模型的建立就有可能獲得最優(yōu)解并建立最佳模型。當我們建立整個交通路網(wǎng)的動態(tài)交通分配模型和整體優(yōu)化模型并求最優(yōu)解,從而達到對路口的控制參數(shù)進行調(diào)整進而實現(xiàn)某個地

22、域范圍內(nèi)對交通流進行動態(tài)協(xié)調(diào)控制就成為可行。 (4)規(guī)整化。任何控制系統(tǒng)都是立足于具體的道路和交通條件,所以采用道路的方法和疏導交通流的方法對控制系統(tǒng)會有很大的參考作用。我國在建立完整的道路交通控制系統(tǒng)之前,必須針對道路狀況和交通流做出若干種交通疏導預案和道路使用預案,從而使交通和道路更加規(guī)整。 (5)通用性和模塊化。根據(jù)計算科學的發(fā)展,我國在制定和實施智能交通控制系統(tǒng)時必須在硬件設計和軟件編程上采用通用化和模塊化,有利于將來的逐步升級和換代。3 PLC交通燈系統(tǒng)與單片機交通燈系統(tǒng)的比較交通控制系統(tǒng)有許多方案:PLC交通控制系統(tǒng)、單片機交通控制系統(tǒng)等。(1)PLC具有以下特點 PLC (Pro

23、grammable Logic Controller)可編程邏輯控制器,是工業(yè)控制計算機。采用梯形圖、助記符、功能圖等編程語言,完成邏輯運算、順序控制、記數(shù)、定時、計算及模擬量處理等功能。具有光電隔離的輸入輸出端子,可代替大量的定時器、記數(shù)器、繼電器,具有極高的可靠性。通過各種擴展模塊,可增加輸入/輸出點數(shù),增加模擬量功能如可直接接熱電偶等,增加通信功能及特殊通信協(xié)議等,具有較高的使用靈活性。PLC包括操作系統(tǒng)及強電的光電隔離的輸入/輸出,方便應用并具有極高的可靠性與抗干擾能力、擴展能力及使用方便性。但是相對于它強大的功能而言,價格也是十分昂貴的。(2)單片機具有以下特點 單片計算機是將電子計

24、算機的基本環(huán)節(jié),如:CPU,存儲器,總線,輸入輸出接口等,采用集成電路技術(shù)集成在一片硅基片上。由于單片計算機體積很小僅手指般大小,功能強控制功能強大、指令簡單等,它還具有抗干擾性強、可靠性高、電磁輻射小、更新?lián)Q代速度慢等優(yōu)點,因而廣泛用于電子設備中作控制器之用。 城市交通是一個高度綜合而又復雜的問題,必須從政策、機構(gòu)、體制、管理、收費價格、基礎設施建設和投資各個方面同時入手解決。單片機具有抗干擾性強、可靠性高、電磁輻射小等優(yōu)點,但是它的價格相對于PLC來說就便宜的多。因此,本文中采用單片機作為交通燈控制系統(tǒng)。 二、交通燈系統(tǒng)方案論證(一)設計任務 東西、南北兩干道交于一個十字路口,各干道有一組

25、紅、左轉(zhuǎn)綠、綠三個指示燈指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮表示禁止通行,綠燈亮表示允許通行。紅燈的設計時間為60秒,綠燈的設計時間為40秒,左轉(zhuǎn)綠燈的計時時間為20秒。本系統(tǒng)利用單片機的定時器定時,控制十字路口的紅綠燈交替點亮和熄滅,并且用LED數(shù)碼管顯示時間。把設計任務細化為四個狀態(tài),其對應狀態(tài),如圖2-1所示: 圖2-1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 整個交通燈設計任務由四個狀態(tài)組成,可以用程序設計實現(xiàn)。(二)方案選擇 方案一:采用分模塊設計思想,程序設計實現(xiàn)的基本思想是一個計數(shù)器,選用一個單片機,其內(nèi)部為一個十六位計數(shù)器,模塊化后,通過設置和程序清除來實現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,由于每一個模塊的計數(shù)都不相同,各個模塊是以

26、預置數(shù)和計數(shù)器計數(shù)共同來實現(xiàn)的,所以要考慮增加一個置數(shù)模塊。置數(shù)模塊的主要功能為:對不同的狀態(tài)輸入要產(chǎn)生相應狀態(tài)的下一個狀態(tài)的預置數(shù),如表2.1中東西道和南北道,分別為主干道的置數(shù)選擇和次干道的置數(shù)選擇。以主干道為例,簡述其設計思想。如前分析,已經(jīng)確定該系統(tǒng)有四個狀態(tài),而置數(shù)子模塊要將下一狀態(tài)的預置數(shù)準備好,所以很容易得到主干道的置數(shù)表,如表2-1所示:表2-1 置數(shù)表狀態(tài)主干道預置數(shù)次干道預置數(shù)006040012020(左轉(zhuǎn))1040601120(左轉(zhuǎn))20 通過表2-1得出可以利用程序循環(huán)的方法設計該模塊,主要思想是通過數(shù)據(jù)判斷指令和跳轉(zhuǎn)指令實現(xiàn),由主控制器計時和中斷產(chǎn)生的四個狀態(tài)去譯碼,

27、從而得到不同的輸出,也就是預置數(shù)。由上分析得出可以用一個計數(shù)器和跳轉(zhuǎn)指令去完成預置數(shù),而紅綠燈的顯示也是一樣,由狀態(tài)分析可以得出紅綠燈的變化表,如表2-2所示:表2-2 紅綠燈變化表狀態(tài)主干道燈顯示次干道燈顯示00紅燈綠燈01紅燈左轉(zhuǎn)綠燈10綠燈紅燈11左轉(zhuǎn)綠燈紅燈 通過表2-2可以得出用組合電路能實現(xiàn)該功能。使用數(shù)據(jù)選擇器的思想,在本系統(tǒng)中,直接通過門電路的譯碼。接下來就是計數(shù)模塊,它主要的功能為:要從預置數(shù)開始遞減計數(shù),一個狀態(tài)結(jié)束,通過判斷,通知主控制模塊,使之進入下一模塊。還有一個必須考慮到的就是預置數(shù)必須在下一個狀態(tài)來之前準備好,而紅綠燈的狀態(tài)變化,必須和計數(shù)狀態(tài)同步,于是引起預置數(shù)

28、變化的程序要超前于系統(tǒng)本身的狀態(tài)變化。所以,系統(tǒng)中的兩個狀態(tài)轉(zhuǎn)換時,在上一狀態(tài)結(jié)束時設置預置數(shù),而控制紅綠燈的是隨著系統(tǒng)本身狀態(tài)的變化而變化,體現(xiàn)在要有兩組電路去判斷符合的狀態(tài)。方案二:方案二設計狀態(tài)的轉(zhuǎn)換表,如表2-3所示:表2-3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)主干道燈顯示次干道燈顯示00紅燈綠燈01紅燈黃燈10綠燈紅燈11黃燈紅燈本方案分三步: (1)要建立三路信號燈的控制系統(tǒng),本設計采用7408芯片通過組合邏輯控制三路燈的顯示關系。 (2)建立顯示控制系統(tǒng),本設計采用74190芯片倒計時控制,每個方向用兩片來相連實現(xiàn)。另外使用74153芯片,因為設置的時間末位均為5,所以只要用一片74153 對高位置

29、位,將低位的初值預置鎖定為5,而高位則根據(jù)需要由反饋部分提供預置值。 (3)建立反饋和細節(jié)連接部分,本部分主要解決顯示和燈控的同步問題。本系統(tǒng)采用倒計時系統(tǒng)減為0,如當系統(tǒng)減為0時通過兩個D觸發(fā)器得到兩個變量,也就是前面分析中的狀態(tài),通過它的變化可以得到不同的邏輯關系來驅(qū)動74153控制哪組燈亮(對應關系如表2.3所示),另外它還要同步反饋到顯示系統(tǒng)的置數(shù)環(huán)節(jié)。 綜上所述,方案一采用了分模塊設計,在設計上顯得較簡單,設計純樸,便于測試。方案二采用的是一般設計,首先將許多邏輯關系簡化到極點,而后將其一起集成用較少的芯片去完成所需功能。相比之下方案一有較強的可讀性和較強的可修改性。因此,交通燈控制

30、系統(tǒng)最終的設計應該使用方案一所述的分模塊化設計。對工程設計人員來說,采取分模塊設計的產(chǎn)品無論從維修上還是升級上考慮都有好處。 三、交通燈系統(tǒng)硬件設計(一)系統(tǒng)構(gòu)成 單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支,也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機,特別適用于控制領域,故又稱為微控制器。 在MCS-51系列單片機中,有兩個子系列:51子系列和52子系列。每個子系列有諾干中型號。51系列有8051、8751和8031三個型號,后來經(jīng)過改進產(chǎn)生了80c51、87c51、80c31三個型號;52系列有5021、8752、8032三個型號,改進后的型號是80c52/87c52、80c32。改進

31、后的型號更加省電。52系列比對應的51系列增加了定時器T2并將內(nèi)部程序存貯器增加到8KB。Inter公司停止生產(chǎn)MCS-51系列單片機之后將生產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓給了許多其他公司,于是出現(xiàn)了許多與Mcs-51兼容的單片機?，F(xiàn)在生產(chǎn)mcs-51兼容單片機的公司對其進行了不同程度的改進和提高。我們現(xiàn)在使用比較的多的是AT89C51/AT89S51等2。 單片機是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備以及輸出設備共五個基本部分組成。它把運算器、控制器、少量的存儲器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。 通常,單片機由單個集成電路芯片構(gòu)成,內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件:

32、中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此,單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結(jié)合,便可以構(gòu)成一個單片機控制系統(tǒng)。 單片機經(jīng)過1、2、3代的發(fā)展,目前正朝著高性能和多品種方向發(fā)展。它的CPU功能在增強,內(nèi)部資源在增多,引腳越來越多功能化。 目前單片機滲透到我們生活的各個領域,幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置,飛機上各種儀表的控制,計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸,工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理,廣泛使用的各種智能IC卡,民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng),錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制,以及程控玩具、電子寵物等等,這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療

33、器械了。它主要是作為控制部分的核心部件。因此,單片機的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師3。 本系統(tǒng)的主要元件包括:電路板,AT89S51單片機,7SEG-MPX2-CC數(shù)碼管, 按鈕,二極管,LED燈,電阻,排阻,揚聲器,交通燈。交通燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,如圖3-1所示:圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)各部分工作: 1程序設置初始時間,通過AT89S51單片機內(nèi)部相應寄存器來實現(xiàn)。 2由AT89S51單片機的定時器每秒鐘通過P3.0口輸出顯示紅燈、綠燈、左轉(zhuǎn)綠燈的點亮時間情況;由AT89S51的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6口顯示每個

34、燈的點亮情況。 3AT89S51通過程序設置各個信號燈的點亮時間,通過程序設置紅燈、綠燈、左轉(zhuǎn)綠燈的時間依次為60秒、40秒、20秒循環(huán),由AT89S51的 P0口輸出。 4AT89S51本身集成了看門狗指令,當系統(tǒng)出現(xiàn)異常,看門狗將發(fā)出溢出中斷。通過專用端口輸出,引起RESET復位信號復位系統(tǒng)4。(二)芯片選擇選用的AT89S51用于實現(xiàn)系統(tǒng)的總的控制,其主要功能列舉如下: (1)、為一般控制應用的8位單片機; (2)、晶片內(nèi)部具有時鐘振蕩器(傳統(tǒng)最高工作頻率可至33MHz); (3)、內(nèi)部程式存儲器(ROM)為4KB; (4)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)為128B; (5)、外部程序存儲器可

35、擴充至64KB; (6)、外部數(shù)據(jù)存儲器可擴充至64KB; (7)、32條雙向輸入輸出線,且每條均可以單獨做I/O的控制; (8)、5個中斷向量源; (9)、2組獨立的16位定時器; (10)、1個全雙工串行通信端口; (11)、8751及8752單芯片具有數(shù)據(jù)保密的功能; (12)、單芯片提供位邏輯運算指令5。 圖3-2 AT89S51引腳圖主電源引腳(2根) VCC:AT89S51電源正端輸入,接+5V。 GND:接地線。外接晶振引腳(2根) XTAL1:片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2:片內(nèi)振蕩電路的輸出端控制引腳(4根) RST:復位引腳,引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復位。

36、 EA/Vpp:程序存儲器的內(nèi)外部選通,接低電平從外部程序存儲器讀指令,如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 ALE/PROG:地址鎖存允許信號。 PSEN:外部存儲器讀選通信號。可編程輸入/輸出引腳(32根) AT89S51單片機有4組8位的可編程I/O口,分別位P0、P1、P2、P3口,每個口有8位(8根引腳),共32根。 P0口(P0.0P0.7):端口0是一個8位寬的開路電極(Open Drain)雙向輸出入端口,共有8個位,P0.0表示位0,P0.1表示位1,依此類推。其他三個I/O端口(P1、P2、P3)則不具有此電路組態(tài),而是內(nèi)部有一提升電路,P0在當作I/O用時可以推動8個L

37、S的TTL負載。如果當EA引腳為低電平時(即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器),P0就以多工方式提供地址總線(A0A7)及數(shù)據(jù)總線(D0D7)。設計者必須外加一個鎖存器將端口0送出的地址鎖住成為A0A7,再配合端口2所送出的A8A15合成一組完整的16位地址總線,而定位地址到64K的外部存儲器空間。 P1口(P1.0P1.7):端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口,其輸出緩沖器可以推動4個LS的 TTL負載,同樣地,若將端口1的輸出設為高電平,便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話,P1.0又當作定時器2的外部脈沖輸入腳,而P1.1可以有T2EX功能,可以做外部中斷輸入的

38、觸發(fā)引腳。 P2口(P2.0P2.7):端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口,每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載,若將端口2的輸出設為高電平時,此端口便能當成輸入端口來使用。P2除了當作一般I/O端口使用外,若是在AT89S51擴充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時,也提供地址總線的高字節(jié)A8A15,這個時候P2便不能當作I/O來使用了。 P3口(P3.0P3.7):端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口,其輸出緩沖器可以推動4個TTL負載,同時還多工具有其他的額外特殊功能,包括串行通信、外部中斷控制、定時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。 考慮到成本問題,顯示電路采用

39、常用的74LS164驅(qū)動LED比較實用(74LS164是TTL八位串行入/并行輸出移位寄存器)。串入并出移位寄存器,在每個時鐘的上升沿采樣數(shù)據(jù)。使用的時候用一個I/O口做數(shù)據(jù)線串行輸入再用一個口做時鐘來拉高拉低控制采樣數(shù)據(jù)即可7。 LED(Light Emitting Diode),中文名發(fā)光二極管,從模擬電子技術(shù)的角度解釋,它是一種固態(tài)的半導體器件,可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片,晶片的一端附在一個支架上,一端是負極,另一端連接電源的正極,使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成,一部分是P型半導體,在它里面空穴占主導地位,另一端是N型半導體,在這邊主要是電

40、子。但這兩種半導體連接起來的時候,它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候,電子就會被推向P區(qū),在P區(qū)里電子跟空穴復合,然后就會以光子的形式發(fā)出能量,這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色,是由形成P-N結(jié)的材料決定的。 LED顯示屏是利用發(fā)光二極管點陣模塊或像素單元排列組成的平面式顯示屏幕。它具有發(fā)光率高、使用壽命長、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對室內(nèi)外環(huán)境適應能力強等優(yōu)點。較LCD顯示器相比, LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面,都更具優(yōu)勢8。 LED數(shù)碼管分共陽極與共陰極兩種,其工作特點是:共陰,輸出高電平數(shù)碼管為亮,而共陽則應輸出低電平使數(shù)碼管亮

41、。共陽需要把公共端接高電位,用低電平控制;共陰的則是把公共端接低電位,用高電平控制。當然,LED的電流通常較小,一般均需在回路中接上限流電阻。假如我們將"b"和"c"段接上正電源,其它端接地或懸空,那么"b"和"c"段發(fā)光,此時,數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“1”。而將"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正電源,其它引腳懸空,此時數(shù)碼管將顯示“2”。其它字符的顯示原理類同。 LED顯示圖,如圖3-3所示: 圖3-3

42、 LED顯示圖交通燈控制線路圖,如圖3-4所示:圖3-4 交通燈控制線路圖四、交通燈系統(tǒng)軟件設計(一)顯示數(shù)字模塊 顯示數(shù)字模塊包括發(fā)光二極管模塊和LED倒計時顯示子模塊。程序中開始是先定義發(fā)光二極管的I/O口,接著設定各個狀態(tài)量發(fā)光二極管的狀態(tài)數(shù)組。第三,運行main主函數(shù),調(diào)用主函數(shù)里的while循環(huán),while循環(huán)語句再通過display函數(shù)來顯示各個狀態(tài)下各個發(fā)光二極管的狀態(tài)。其流程圖如圖4-1所示:圖4-1 數(shù)字顯示模塊流程圖核心代碼如下:voidDisplayvoidP0tableTime_EW%10;/東西通行時間顯示EW_LED20;Delay2;EW_LED21;P0tabl

43、eTime_EW/10;EW_LED10;Delay2;EW_LED11;P0tableTime_SN%10;/南北通行時間顯示SN_LED20;Delay2;SN_LED21;P0tableTime_SN/10;SN_LED10;Delay2;SN_LED11;P0tableEW1%10;Time_Show_LED10;Delay2;Time_Show_LED11;P0tableEW1/10;Time_Show_LED20;Delay2;Time_Show_LED21;(二)延時模塊 在遇到緊急事件時,通過按鈕緊急情況們可以發(fā)出蜂鳴聲,同時通過按鈕時間加時間減來改變紅綠燈秒數(shù)。 圖4-2 緊

44、急情況,時間加時間減的按鈕的電路圖 相應代碼如下:voidDelayuchar auchari;ia;whilei-;void delay60s /進行緊急事件處理,數(shù)碼管顯示00,蜂鳴器發(fā)聲.unsigned char h,i,j,k; forh15;h0;h- fori20;i0;i- forj100;j0;j- fork5;k0;k- P20x11; /南北、東西方向紅燈均亮 Speaker!Speaker; P00x3f;/數(shù)碼管顯示00 P10xf0; (三)中斷模塊 定時中斷子程序是本設計的重點,負責完成數(shù)碼管輸出數(shù)據(jù)刷新和各個狀態(tài)的處理切換。中斷子程序包括數(shù)碼管輸出數(shù)據(jù)刷新程序和

45、各狀態(tài)處理程序。中斷時指中央處理器CPU正在執(zhí)行程序,處理某件事情的時候,外部發(fā)生了某一件事情,請求CPU馬上處理,CPU暫時中斷當前的工作,轉(zhuǎn)入處理所發(fā)生的事情,處理完了以后,再返回到原來被中斷的地方,繼續(xù)原來的工作。中斷系統(tǒng)一般應有的功能:(1)實現(xiàn)中斷及返回 當某一個中斷源發(fā)出中斷申請時,若允許響應這個中斷請求 ,CPU必須在現(xiàn)有的指令執(zhí)行完以后,把斷點處的PC值(即下一條應執(zhí)行的指令地址)壓入堆棧保存起來,稱為保護斷點,這是由硬件自動完成的。(2)保護現(xiàn)場 響應中斷請求后,將有關的寄存器內(nèi)容和標志位壓入堆棧保存起來,這稱為保護現(xiàn)場。(3)恢復現(xiàn)場 執(zhí)行中斷服務程序后,恢復原保留的寄存器

46、的內(nèi)容和標志位的狀態(tài),稱為恢復現(xiàn)場,并執(zhí)行返回指令。 圖4-3 中斷模塊流程圖相應的代碼如下:voidEXINT1voidinterrupt 2 uchar i;TR00;/關閉T0中斷 fori0;i10;i+ /緊急情況時,蜂鳴器響一段時間 / Display; delay60s;TR01;(四)循環(huán)模塊 八個狀態(tài)循環(huán)運行,先是東西紅燈60秒,南北綠燈40秒,接著有5秒的黃燈,再有東西方向20秒的綠燈左轉(zhuǎn),然后是南北紅燈60秒,東西40秒,接著有5秒的黃燈,再有南北方向20秒的左轉(zhuǎn)綠燈,一直這么循環(huán)著,相應代碼如下:圖4-4 循環(huán)模塊狀態(tài)圖while1 /*S0狀態(tài)*/ Flag_EW_Y

47、ellow0; /EW關黃燈顯示信號Time_EWEW;Time_SNSN;whileTime_SN5 P2S0; /SN通行,EW紅燈Display;/*S1狀態(tài)*/whileTime_SN0 Flag_SN_Yellow1; /SN開黃燈信號位燈Display;/*S2狀態(tài)*/Flag_SN_Yellow0; /SN關黃燈顯示信號Time_SN19;whileTime_SN5P2S1;/SN左拐綠燈亮Display;/*S3狀態(tài)*/whileTime_SN0 Flag_SN_Yellow1;/SN開黃燈信號位Display;/*賦值*/EWEW1;SNSN1; /*S4狀態(tài)*/Flag_S

48、N_Yellow0; /SN關黃燈顯示信號Time_EWSN;Time_SNEW;whileTime_EW5 P2S2; /EW通行,SN紅燈 Display;/*S5狀態(tài)*/whileTime_EW0 Flag_EW_Yellow1;/EW開黃燈信號位 Display;/*S6狀態(tài)*/Flag_EW_Yellow0; /EW關黃燈顯示信號Time_EW19;whileTime_EW5P2S3;/東西左拐綠燈亮,南北紅燈亮 Display;/*S7狀態(tài)*/whileTime_EW0 Flag_EW_Yellow1; /EN開黃燈信號位Display;/*賦值*/EWEW1;SNSN1;五、交通

49、燈系統(tǒng)的實現(xiàn)(一)實驗平臺 我們采用的是Keil Software生產(chǎn)的C51編譯器。運行在Windows 7操作平臺12。 開啟計算機進入Keil C51編譯器介面,如圖5-1所示:圖5-1 Keil C51編譯器介面(二)實驗步驟 1.編寫程序代碼 程序代碼分為4個模塊:中斷模塊,循環(huán)模塊,延時模塊,顯示數(shù)字模塊。 2.調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決問題 打開Keil軟件,新建工程; 選擇芯片; 新建文檔,把編寫好代碼寫入文檔并保存了ASM文件; 把保存的文檔加載到Source Group; 編譯程序; 調(diào)試程序; 運行程序的結(jié)果。(三)仿真調(diào)試 所用的軟件Proteus ISIS是英國Labcen

50、ter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上,可以仿真、分析SPICE各種模擬器件和集成電路,該軟件的特點是: 1.實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能;有各種虛擬儀器,如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。 2.支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有:68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。 3.提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調(diào)試功能,同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài),因此在該軟件仿真系統(tǒng)中,也必須具有這些功能;同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境,如Keil C5等軟件。 4.具有強大的原理圖繪制功能?？傊?該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件,功能極其強大。 單片機控制交通燈程序初