电子线路课程设计基于单片机控制的交通灯.doc

课程设计报告书题目: 十字路口模拟交通灯基于单片机控制的交通灯摘 要本设计以单片机为核心，用4个74ls595芯片控制4个16×16LED点阵显示电路，模拟十字路口交通灯管理，并利用数码显示器进行倒计时显示（采用单片机内部定时器定时），实现了AT89C51芯片的P1口设置红、绿灯、黄灯燃亮时间的功能。显示时间直接通过AT89C51的P0口输出，东西路口的绿灯亮南北路口的红灯亮，东西路口方向通车。延时一段时间后东西路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪耀。闪耀若干次后，东西路口红灯亮，而同时南北路口的绿灯亮，南北路口方向开始通车，延时一段时间后，南北路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪耀。闪耀若干次后，再切换到东西路口方向，之后重复以上过程。通过外部中断能使交通灯暂停运行，并点亮4个红灯。通过16*16点阵中的图形模拟控制行人过马路的人形“走”、“停”指示灯。关键词：单片机、控制器、LED灯、点阵显示电路、定时器、C语言。目 录1 任务提出与方案论证.62 总体设计72.1控制方案的确定73硬件结构83.1硬件结构框图83.2交通灯控制系统的原理框图83.3 单片机的引脚功能介绍 83.4 8位输出锁存移位寄存器的结构.113.5译码器 134 软件部分144.1延时子程序的计算： 144.2 流程图.144.3 仿真图 15总结.16参考文献17前 言单片机是计算机的一个重要分支，也是颇具有生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机有单块集成电路芯片构成。在今天，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。但这技术在19世纪就已出现了。交通信号灯的出现，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。通过三个星期的学习，本人对单片机的结构和功能已有了初步的了解和认识。单片机在交通控制中起到了举足轻重的作用，掌握了单片机的工作原理也就基本了解了交通灯的运做原理。1 任务的提出与方案论证随着我国经济水平的高速发展，人们的消费水平的不断提高，在道路上行驶的各种机动车辆不断增多，给城市交通带来了巨大压力。为保证交通安全，防止交通阻塞，使城市交通井然有序，交通灯在大多数城市得到了广泛应用。本次设计就是模拟了实际生活中的十字路口交通灯。交通信号灯控制方式很多， 本文采用MSC-51 系列单片机AT89C51 为中心器件来设计交通灯控制器。2 总体设计本设计是模拟交通灯的控制实验，必须要先了解实际交通灯的变化规律。假设一个路口为东西南北走向，即十字路口，初始状态零为东西南北灯都熄灭。然后转状态一东西绿灯通车，南北为红灯。过段时间转状态二，东西绿灯闪几次转黄灯，延时几秒，南北仍为红灯。再转状态三南北绿灯通车，东西红灯。过段时间转状态四南北绿灯闪几次转黄灯，延时几秒，东西仍为红灯。最后循环至状态一。交通信号灯模拟控制系统设计利用单片机的定时器定时，控制十字路口红绿灯交替电亮和熄灭，并且用LED数码管显示时间。这次课题设计的意义在于通过具体的控制系统的设计，掌握电子线路系统设计的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术手段。使我们能在实践教学环境中累积设计经验，开拓思维空间，全面提高个人的综合能力。本文以AT89C51单片机为主控处理器为核心，设,计十字路口交通灯的控制系统，在该系统中，AT89C51和外围电路模块进行信息交流并控制。2.1 控制方案的确定交通灯控制系统的原理主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。如图1完整的电路图：图1 完整的电路图3硬件结构3.1 硬件结构框图（如图2所示）。数码LED显示器电路交通指示灯单片机点阵显示电 路图2硬件系统在该系统中的作用主要是进行数据的传送，有关逻辑的计算，并且提供显示，人为的进行数据的修改，系统的启动，停止等等。此外系统运行的安全可靠性要靠硬件系统来实现。3.2 交通灯控制系统的原理框图（如图3所示）。甲车道信号灯定时器TL STTY控制器译码器秒脉冲发生器乙车道信号灯图3交通灯控制系统的原理框图图中： TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。3.3 单片机的引脚功能介绍： 8951单片机的引脚图如图4所示：图4 8951单片机的引脚及外围电路图AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示主要特性： ·与MCS-51 兼容 ·4K字节可编程闪烁存储器 ·寿命：1000写/擦循环 ·数据保留时间：10年 ·全静态工作：0Hz-24MHz ·三级程序存储器锁定 ·128×8位内部RAM ·32可编程I/O线 ·两个16位定时器/计数器 ·5个中断源 ·可编程串行通道 ·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.4 8位输出锁存移位寄存器的结构74LS595(8位输出锁存移位寄存器)的使用方法74ls595引脚图如图5所示： 图5 74ls595引脚图74595的数据端：QA-QH: 八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。QH': 级联输出端。我将它接下一个595的SI端。SI: 串行数据输入端。74595的控制端说明：/SCLR(10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常我将它接Vcc。SCK(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。QA->QB->QC->.->QH；下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了）RCK(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。通常我将RCK置为低点平，当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了），更新显示数据。/G(13脚): 高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。比通过数据端移位控制要省时省力。注释：1)74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74164的驱动电流(25mA)比74595(35mA)的要小,14脚封装，体积也小一些。2)74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。3)595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，它的使用方法很简单，在正常使用时SCLR为高电平， G为低电平。从SER每输入一位数据，串行输595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，它的使用方法很简单，如下面的真值表，在正常使用时SCLR为高电平， G为低电平。从SER每输入一位数据，串行输入时钟SCK上升沿有效一次，直到八位数据输入完毕，输出时钟上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。入时钟SCK上升沿有效一次，直到八位数据输入完毕，输出时钟上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。 图6 74ls595内部结构图3.5译码器 74LS138译码器引脚图如图所示： 图7 74LS138译码器74LS138译码器有3个输入端，组成8种输入状态，输出端有8个，每个输出端对应8种输入状态的一种，低电平有效。此外还有3个使能端E3，E2，E1，这3个使能端必须同时输入有效电平，译码器才能工作，既E3=1，E2=0，E1=0。译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 12、4所示。电路图说明：1.这个数码管动态显示电路用了一个单片机的一个I/O口P0口。2.P0口的低四位输出显示数字的BCD码，输出的BCD码送到74LS138中进行译码。然后输出段代码经上拉电阻上拉后送到显示器的各显示段的引脚。3.P22、P23、P24这三个口输出位选信号。位选信号送到74LS138中经译码产生显示器的位选信号。4.当输出短代码后，低电平的端口将会把这个口的电平拉低。所以此时发光二极管将不发光，而高电平的端口则会向这个发光二极管的阳极提供一个高电平，只要这个位被选中，那么这个发光二极管将发光，在在段代码表找查找就能出现响应的数字。每一个位选电路由一个PNP三极管组成。当位选口发出低电平，那么这一位的三极管就会饱和导通，由于显示器是共阴的内部结构，所以当三极管饱和导通时相当于将显示器接地。5.当脉冲到MCS51单片机时，LED8位显示器就接收信号，并将信号储存到扩展寄存器中，当P0口的低四位输出显示数字的BCD码，输出的BCD码送到74LS138译码器译码，然后在显示提示符段码中查询显示数字。6.前面四位显示干道通行时间，后面四位显示支道时间，通过点阵显示电路的显示来控制车辆的放行、禁行情况。4 软件部分4.1延时子程序的计算： 采用寄存器R0、R1、R2作为记数值，R2中暂存1，R1中存0。当减1后变为255即R1中存数256。R0中存数#0B2H即178。各指令共占指令周期数为（见图延时程序后所附）DELAY2延时为：N=（2+2+2+1+1+2*178）+255*（1+1+2+2*178）=9164。共计9164个指令周期，而系统晶振为11.0592。所以T=12/11.0592=1.085（微秒）延时DELAY2为:t=9164*1.085/1000000=0.09996约等于0.1（秒）通过改变R2的值可以改变延时的秒数。4.2流程图（如图所示） 编写程序时，初始态为四个路口的红灯全亮之后，东西路口的绿灯亮南北路口的红灯亮，东西路口方向通车。延时一段时间后东西路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪耀。闪耀若干次后，东西路口红灯亮，而同时南北路口的绿灯亮，南北路口方向开始通车，延时一段时间后，南北路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪耀。闪耀若干次后，再切换到东西路口方向，之后重复以上过程。4.3 仿真图如下：总结通过这次的课程设计，让我对单片机有了更深一层的了解，也体会了单片机在现实生活中的重要性。在这次设计中遇到的很多问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力；从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，这不论是对我们以后就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的电子线路设计，在以后的学习中我会更加努力，特别是在编程上必须得加强了。参考文献1康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052孙晓艳. 基于8051单片机的交通灯控制系统设计与模拟J. 科技开发研究.2007.12（3）：108-1113庞前娟，李精华，李兴富. 基于AT8051单片机的交通灯控制器仿真及实现J. 信息技术.2009.12：33-354 张毅刚，彭喜元，彭宇.单片机原理及应用M . 北京：高等教育出版社，2010