單片機(jī)交通控制燈的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)

PAGE目錄TOC\o"1—3”\u摘要 關(guān)鍵詞 引言： 1.交通信號(hào)燈硬件電路的設(shè)計(jì) 11.1交通燈國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 11。2交通信號(hào)燈的作用及工作原理 11。2。1道路交通控制的作用主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面 11.2。2道路交通信號(hào)燈的工作原理如下 22。系統(tǒng)組成 32.1硬件控制線路圖 32。2器件和原理 42.2。1什么是單片機(jī) 42.2.2什么是單片機(jī)系統(tǒng) 52。3部分電路功能 72.3.1晶振電路 72.3。3信號(hào)燈控制電路，LED及顯示接口 72.4設(shè)計(jì)流程圖 93.交通信號(hào)燈軟件的系統(tǒng)編程 103。1信號(hào)燈亮滅的定時(shí)功能 103。1.1單片機(jī)的定時(shí)器 103.1.2定時(shí)器數(shù)值的設(shè)置應(yīng)該注意的事項(xiàng) 103.251單片機(jī)的中斷系統(tǒng) 113。2.1中斷系統(tǒng)的概念 113。2.2單片機(jī)的中斷系統(tǒng)的作用 123.2。3如何實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的中斷 123.3軟件流程圖 124.系統(tǒng)仿真 174。1proteus軟件介紹 175。調(diào)試功能說(shuō)明 235.1硬件調(diào)試 235.1。1最小系統(tǒng)調(diào)試 235.1.2故障點(diǎn)分析 235。2軟件調(diào)試問(wèn)題及解決 245.3拓展 25結(jié)束語(yǔ) 26文總結(jié) 26工作展望 26參考文獻(xiàn) 27致謝 28單片機(jī)交通控制燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電子工程專業(yè)學(xué)生宋克勇指導(dǎo)教師陳萬(wàn)平曾實(shí)現(xiàn)摘要:本系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)Intel8031和可編程并行I/O接口芯片8255A為中心器件來(lái)設(shè)計(jì)交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車流量通過(guò)8031芯片的PI口設(shè)置紅、綠燈燃亮?xí)r間的功能：為了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠采用了MAX629“看門狗”芯片，避免系統(tǒng)因?yàn)樗罊C(jī)而停止工作的情況發(fā)生;顯示時(shí)間直接通過(guò)8255的PA、PB口輸出；交通燈信號(hào)通過(guò)PC口輸出；交通燈的點(diǎn)亮采用VT雙向晶閘管來(lái)控制、直接采用220V交流電源驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)使用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī),交通燈，控制器，設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)引言：該設(shè)計(jì)是單片機(jī)控制交通燈，運(yùn)用s51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)交通燈的控制?，F(xiàn)今世界單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)一個(gè)重要部分，由于它具有抗干擾能力強(qiáng)、靈活性好、環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、開(kāi)放容易等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)一廣泛的應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等.PAGE51交通信號(hào)燈硬件電路的設(shè)計(jì) 1。1交通燈國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市現(xiàn)代化程度不斷提高,交通需求和交通迅速增長(zhǎng)，城市交通網(wǎng)絡(luò)中交通擁擠日益嚴(yán)重，道路運(yùn)輸所帶來(lái)的交通擁堵、交通事故和環(huán)境污染等負(fù)面效應(yīng)日益突出。逐步成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的全球性共同問(wèn)題。交通問(wèn)題已經(jīng)日益成為世界性的難題，城市交通事故、交通堵塞和交通污染問(wèn)題愈加突出。為了解決車和路的矛盾,常用的兩種方法：一是控制需求,最直接的辦法就是限制車輛的增長(zhǎng)：二是增加供給，也就是修路。但是這兩個(gè)辦法都有其局限性。交通是社會(huì)發(fā)展和人民生活水平提高的基本條件，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然帶來(lái)出行的增加而且在我國(guó)汽車工業(yè)正處在起步階段的時(shí)期。因此限制車輛的增長(zhǎng)不是解決問(wèn)題的好辦法.而采取增加供給，即大量修筑道路基礎(chǔ)設(shè)施的方法，在自愿、環(huán)境矛盾越來(lái)越突出的今天。面對(duì)越來(lái)越擁擠的交通，有限的財(cái)力是很難支持的!所以在道路管理方面就要加強(qiáng)交通安全,而在道路管理中最長(zhǎng)見(jiàn)的就是交通燈。因此交通燈是目前道路最為常見(jiàn)，也是最為廣泛的交通規(guī)范工具！1。2交通信號(hào)燈的作用及工作原理1。2。1道路交通控制的作用主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：改善交通秩序,增加交通安全。減少交通延誤，提高經(jīng)濟(jì)效益.降低污染程度,保護(hù)生態(tài)環(huán)境。節(jié)省能源和土地消耗。交通信號(hào)燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準(zhǔn)許通行,黃燈表示警示。交通信號(hào)燈分為機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、非機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、人行橫道信號(hào)燈、車道信號(hào)燈、方向指示信號(hào)燈、閃光警告信號(hào)燈、道路與鐵路平面交叉道口信號(hào)燈.交通信號(hào)燈用于道路平面交叉路口,通過(guò)對(duì)車輛、行人發(fā)出行進(jìn)或停止的指令，使各同時(shí)到達(dá)的人、車交通流盡可能減少相互干擾，從而提高路口的通行能力，保障路口暢通和安全。（1）機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈。由綠黃紅三種顏色的燈組成，綠燈亮?xí)r，準(zhǔn)許車輛通行，但轉(zhuǎn)彎車輛不得妨礙被放行的直行車輛、行人通行；黃燈亮?xí)r，已越過(guò)停止線的車輛可繼續(xù)通行;紅燈亮?xí)r，禁止車輛通行。（2)車道信號(hào)燈.車道信號(hào)燈由綠色箭頭燈和紅色叉形燈或紅色箭頭燈組成,綠色箭頭燈亮?xí)r，準(zhǔn)許本車道車輛按指示方向通行;紅色叉形燈或紅色箭頭燈亮?xí)r,禁止本車道車輛通行.（3）人行橫道信號(hào)燈。人行橫道信號(hào)燈由綠燈和紅燈組成，綠燈亮?xí)r，準(zhǔn)許行人通過(guò)人行橫道；紅燈亮?xí)r，禁止行人進(jìn)入人行橫道，但是已經(jīng)進(jìn)入人行橫道的,可以繼續(xù)通過(guò)或者在道路中心線處停留等候第一章交通信號(hào)燈硬件電路的設(shè)計(jì)1.2.2道路交通信號(hào)燈的工作原理如下：設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通燈自動(dòng)控制電路。設(shè):a—--—-—-—南北方向綠燈接通;b--——--—-東西方向綠燈接通；c———-南北方向紅燈接通；d——-——東西方向紅燈接通；e-—————--南北方向黃燈接通；f—--—-——-東西方向黃燈接通。工作順序?yàn)锳→B→C→D→A，要求各狀態(tài)的工作時(shí)間如下圖所示.綠燈—（25s)—黃燈——(5s)-紅燈—-（30s）—-綠燈--（循環(huán))2系統(tǒng)組成2。1硬件控制線路圖2.2器件和原理所需硬件電路的名稱規(guī)格數(shù)量單片機(jī)芯片MSC—521晶振12M1電容22pF2電解電容10uF2電阻2206排阻2201共陰數(shù)碼管共陰4發(fā)光二極管紅黃綠各兩個(gè)開(kāi)關(guān)1MAX2321電容1uF4串口1電阻10K12。2.1什么是單片機(jī)單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存.同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微控制器（Microcontroler），是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)提及要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器,從此以后,單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031,因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng).此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用.隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開(kāi)始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高.隨著INTELi960系列特別是后來(lái)的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍.目前,高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過(guò)300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號(hào)也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開(kāi)發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上.而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。單片機(jī)比專用處理器最適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī).手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1—2部單片機(jī).而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過(guò)PC機(jī)和其他計(jì)算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。2.2。2什么是單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō),最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。下面給出一個(gè)51單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖。_blank”圖3-1復(fù)位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合"電容電壓不能突變"的性質(zhì),可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電,RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平，并且，這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC值來(lái)決定。典型的51單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位，所以，適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。一般教科書(shū)推薦C

取10u,R取8。2K.當(dāng)然也有其他取法的，原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個(gè)機(jī)周期的高電平.至于如何具體定量計(jì)算，可以參考電路分析相關(guān)書(shū)籍。晶振電路：典型的晶振取11。0592MHz（因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場(chǎng)合)/12MHz（產(chǎn)生精確的uS級(jí)時(shí)歇，方便定時(shí)操作）2.3部分電路功能2.3。1晶振電路2.3.22。3。3信號(hào)燈控制電路,LED及顯示接口SEQ圖表\*ARABIC1發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱LED，采用砷化鎵、鎵鋁砷、和磷化鎵等材料制成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦援?dāng)在發(fā)光二極管PN結(jié)上加正向電壓時(shí),PN結(jié)勢(shì)壘降低，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)，致使P區(qū)的空穴注入到N區(qū)，N區(qū)的電子注入到P區(qū)，這樣相互注入的空穴與電子相遇后會(huì)產(chǎn)生復(fù)合,復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的能量大部分以光的形式出現(xiàn),因此而發(fā)光。當(dāng)所有二極管都發(fā)出光時(shí)，大多數(shù)都不是很有效的。在普通二極管里,半導(dǎo)體材料本身吸引大量的光能而結(jié)束。發(fā)光二極管是由一個(gè)塑性燈泡覆蓋集中燈光在一個(gè)特定方向。由于不同材料的禁帶寬度不同，所以由不同材料制成的發(fā)光二極管可發(fā)出不同波長(zhǎng)的光.另外，有些材料由于組分和摻雜不同，例如，有的具有很復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu),相應(yīng)的還有間接躍遷輻射等,因此有各種各樣的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管在制作時(shí)，使用的材料有所不同，那么就可以發(fā)出不同顏色的光。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色有:紅色光、黃色光、綠色光、紅外光等.發(fā)光二極管的外形有：圓形、長(zhǎng)方形、三角形、正方形、組合形、特殊形等.常用的發(fā)光二極管應(yīng)用電路有四種，即直流驅(qū)動(dòng)電路、交流驅(qū)動(dòng)電路、脈沖驅(qū)動(dòng)電路、變色發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路。使用LED作指示電路時(shí),應(yīng)該串接限流電阻，該電阻的阻值大小應(yīng)根據(jù)不同的使用電壓和LED所需工作電流來(lái)選擇。發(fā)光二極管的壓降一LED的光學(xué)參數(shù)與pn結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF＜10mA，或者10~20mA長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升不明顯。因此我們選的二極管顏色為紅色,黃色。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車輛可以直行紅燈是禁行信號(hào)，面對(duì)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(hào)，面對(duì)黃燈的車輛不能越過(guò)停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。2。4設(shè)計(jì)流程圖開(kāi)始開(kāi)始初始化A紅燈，B綠燈Time20sA紅燈，B黃燈Time5sA綠燈，B紅燈Time20sA黃燈，B紅燈Time5s圖2。4.13交通信號(hào)燈軟件的系統(tǒng)編程3。1信號(hào)燈亮滅的定時(shí)功能3.1.1單片機(jī)的定時(shí)器在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)定時(shí)的方法一般有以下三種：１：軟件定時(shí)：讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行一段程序來(lái)進(jìn)行事件延時(shí)。這個(gè)程序段本身份沒(méi)有安排其他的執(zhí)行目的，只是利用該程序段的執(zhí)行花費(fèi)的一個(gè)固定時(shí)間。通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇指令和安排循環(huán)次數(shù),可調(diào)節(jié)這段程序執(zhí)行所需花費(fèi)的時(shí)間的長(zhǎng)短.其特點(diǎn)是定時(shí)時(shí)間精確，不需外加硬件電路，但占用ＣＰＵ時(shí)間。因此軟件定時(shí)的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。２：硬件定時(shí)：利用硬件電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)。其特點(diǎn)是不占用ＣＰＵ時(shí)間，通過(guò)改變電路元器件參數(shù)調(diào)來(lái)節(jié)定時(shí)，但使用不夠靈活方便。對(duì)于時(shí)間較長(zhǎng)的定時(shí)，常用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn).３：可編程定時(shí)器：通過(guò)專用的定時(shí)計(jì)數(shù)器芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí),定時(shí)的時(shí)間可通過(guò)程序的設(shè)定的方法改變,使用靈活方便。也可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部脈沖的計(jì)數(shù)功能。單片機(jī)交通控制器的設(shè)計(jì)當(dāng)定時(shí)計(jì)數(shù)器設(shè)置為計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，技術(shù)器對(duì)來(lái)自輸入引腳T0和T1的外部信號(hào)計(jì)數(shù)，外部信號(hào)的下降沿將觸發(fā)計(jì)數(shù)。最高檢測(cè)頻率為振蕩頻率的二十四分之一。計(jì)數(shù)器對(duì)外部輸入信號(hào)的占空比沒(méi)有特別的限制，但必須保證輸入信號(hào)的高電平與低電平的持續(xù)時(shí)間在一個(gè)機(jī)器周期以上.當(dāng)設(shè)置了定時(shí)器的工作方式并啟動(dòng)定時(shí)器工作后，定時(shí)器就安倍設(shè)定的工作方式獨(dú)立工作，不在占用CPU的操作時(shí)間,只有在計(jì)數(shù)器計(jì)滿溢出時(shí)才能中斷CPU當(dāng)前的操作。5調(diào)試功能說(shuō)明5。1硬件調(diào)試5.1。1最小系統(tǒng)調(diào)試首先應(yīng)該確認(rèn)電源電壓是否正常。用電壓表測(cè)量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓，我們所用的電源電壓是5V。接下來(lái)就是檢查復(fù)位引腳電壓是否正常。分別測(cè)量按下復(fù)位按鈕和放開(kāi)復(fù)位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振是否起振了,一般用示波器來(lái)看晶振引腳的波形，注意應(yīng)該使用示波器探頭的“X10"檔。另一個(gè)辦法是測(cè)量復(fù)位狀態(tài)下的IO口電平，按住復(fù)位鍵不放，然后測(cè)量IO口（沒(méi)接外部上拉的P0口除外）的電壓,看是否是高電平，如果不是高電平，則多半是因?yàn)榫д駴](méi)有起振。另外還要注意的地方是，要將EA引腳拉高,因?yàn)槲覀冇玫氖瞧瑑?nèi)ROM,否則會(huì)出現(xiàn)程序亂跑的情況。有時(shí)用仿真器可以，而燒入片子不行,往往是因?yàn)镋A引腳沒(méi)拉高的緣故（當(dāng)然，晶振沒(méi)起振也是原因只一）.經(jīng)過(guò)上面幾點(diǎn)的檢查，一般即可排除故障了。如果系統(tǒng)不穩(wěn)定的話，有時(shí)是因?yàn)殡娫礊V波不好導(dǎo)致的。在單片機(jī)的電源引腳跟地引腳之間接上一個(gè)0。1uF的電容會(huì)有所改善。如果電源沒(méi)有濾波電容的話，則需要再接一個(gè)更大濾波電容，例如220uF的。遇到系