毕业设计单片机交通灯控制器设计制作.doc
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1、XXXX学院 学生毕业设计(论文)题 目: 单片机交通灯控制器设计制作 姓 名: XXX 学 号: 200XXXXXXXX 系 部: 电子信息工程系 专 业: 通信工程 指导老师: XXX 开题时间: 2011.11.28 完成时间: 2011.12.28 XXXX学院教务处制目录摘要31概述41.1单片机的定义41.2单片机介绍42.3.2 MCS-51单片机的逻辑结构52.3.3 MCS-51的信号引脚61.3.4 8255芯片简介91.3.5串口电平转换芯片MAX23293方案比较、设计与论证103.1电源提供方案113.2显示界面方案113.3输入方案:112.1总体设计132.2各功
2、能模块硬件设计及实现132.2.1交通灯四种通行模式及行车方向指示134.2.2 键盘与状态显示及其实现164.2.3数码管显示电路174.2.4交通灯系统硬件电路图193系统软件设计205.1软件总体流程图203.2软件主要程序流程215.2.1每秒钟的设定215.2.2 按键中断程序215.2.3数码管显示程序225.3程序源代码236系统调试与测试结果306.1软件调试306.2硬件调试306.3软硬联调30参考文献31致 谢32摘要当今时代是一个自动化时代,交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此,一个好的交通灯控制系统,将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着大规模集
3、成电路及计算机技术的迅速发展,以及人工智能在控制技术方面的广泛运用,智能设备有了很大的发展,是现代科技发展的主流方向。本文介绍了一个智能交通灯系统的设计。该智能交通灯控制系统可以实现的功能有:对某市区的四个主要交通路口进行监控;各路口有固定的工作周期,并且在道路拥挤时中控中心能改变其周期。 交通事业蓬勃发展,交通流量年年增长,大、中、小城市的汽车、摩托车等各种车辆与日俱增,道路交通繁忙,经常有严重堵车现象,特别是在交叉口,机动车、非机动车、行人来往非常混乱,为了在叉口的各条干道实现合理的科学分流。本人根据单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点,提出了一种用STC89c51单片
4、机自动控制交通信号灯及时间显示的方法,同时给出了软硬件的实现方法,为交通指挥自动化提供了一种新的廉价手段,具有一定的推广意义。本文介绍了控制基本原理以及控制的表现,同时也介绍了城市交通信息系统的设计目标, 开发途径及其系统结构与功能和数据地理编码、建库, 同时, 论述了系统中交通现状、交通管理、交通规划及背景信息查询模块的建造及应用。介绍了用于城市交叉路口的三色程控交通信号时间显示器的研制方案,对其电源供电、发光二极管构成的负载结构、灯色时间检测都给出了精巧合理的优化结构,大幅度地提高了产品可靠性并降低了制造成本。关键词:8051单片机;交通灯;自动控制;时间显示器1概述1.1单片机的定义单片
5、机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:CPU、内存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。1.2单片机介绍单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。89C51单片
6、机的结构及信号引脚如图1.1所示。频率基准源振荡器及定时电路4KB程序储存器128B数据储存器2个16位定时器/事件计数据计数器CPU64KB总线扩展控制可编程I/O可编程串行口中断中断串行输入串行输出口I/O并行控制图1.1 89C51单片机的结构及信号引脚2.3.2 MCS-51单片机的逻辑结构(1)中央处理器(CPU)中央处理器简称CPU,是单片机的核心,完成运算和控制操作。按其功能,中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。(2)运算器电路功能:单片机的运算部件,用于实现算术和逻辑运算。(3)控制器电路功能:单片机的指挥控制部件,保证单片机各部分能自动而协调地工作。(4)内部数据存储器组
7、成:RAM(1288)和RAM地址寄存器等。功能:用于存放可读写的数据。(5)内部程序存储器组成:ROM(4K8))和程序地址寄存器等。功能:用于存放程序和原始数据。(6)定时器计数器80C51共有两个16位的定时器计数器。功能:实现定时或计数功能,并以其定时或计数结果对单片机进行控制,以满足控制应用的需要。(7)并行I/O口MCS-51共有4个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)功能:实现数据的并行输入输出。(8)串行口MCS- 51单片机有一个全双工的串行口。功能;以实现单片机和其它数据设备之间的串行数据传送。(9)中断控制系统80C51共有5个中断源,即外中断2个,定时计数中断2个,
8、串行中断1个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。(10)时钟电路MCS- 51芯片的内部有时钟电路,但石英晶体和微调电容需外接。功能:时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。典型的晶振频率:6MHz、11.0592MHz、12MHz。(11)位处理器位处理器称为布尔处理器。功能:以状态寄存器中的进位标志位C为累加位,可进行各种位操作。(12)总线总线:连接计算机各部件的一组公共信号线。分类:地址总线、数据总线和控制总线。 作用:减少了单片机的连线和引脚,提高了集成度和可靠性。2.3.3 MCS-51的信号引脚80C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片,引脚排列如图所示。(1)信号引脚介绍图
9、1.2 80C51芯片引脚排列图输入输出口线 P0.0P0.7 P0口8位双向口线 P1.0P1.7 P1口8位双向口线P2.0P2.7 P2口8位双向口线P3.0P3.7 P3口8位双向口线ALE 地址锁存控制信号功能:a)在系统扩展时,ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。如图所示。74LS373 G P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 P0.7P0.0 ALE -PSEN80C51-CEA10A9A8A7A0O7O0-OE2716图1.3单片机程序存储器扩展连接图b)ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲,可作为外部时钟或
10、外部定时脉冲使用。/PSEN 外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时/PSEN有效(低电平),以实观外部ROM单元的读操作。/EA 访问程序存储器控制信号当/EA信号为低电平时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器;当/EA信号为高电平时,对ROM的读操作是从内部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储器。RST 复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效,用以完成单片机的复位操作。XTAL1和XTAL2外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时,此二引线端用于外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时,用于接外部时钟脉冲信号。VSS地线Vcc5V电源(2)信号引脚的第二功能 “复用”
11、即给一些信号引脚赋予双重功能。第二功能信号定义主要集中在P3口线中,另外再加上几个其它信号线。常见的第二功能信号P3口线的第二功能P3口8条口线都定义有第二功能,如表所示。口线第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0申请P3.3INT1外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通表1.1 P3口的第二功能EPROM存储器程序固化所需要的信号编程脉冲:30脚(ALE/PROG)编程电压(25V):31脚(/EA/Vpp)备用电源引入备用电源是通过
12、9脚(RST/VPD)引入的。当电源发生故障,电压降低到下限值时,备用电源经此端向内部RAM提供电压,以保护内部RAM中的信息不丢失。说明:a)第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号,因此不会发生使用上的矛盾。b)P3口线先按需要优先选用它的第二功能,剩下不用的才作为I/O口线使用。(3)89C51的复位电路8051的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,见下图4。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。图1.4复位电路1.3.4 8255芯片简介8255可编程并行接口芯片简介:8255可编程并行接口芯
13、片有三个输入输出端口,即A口、B口和C口,对应于引脚PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。其内部还有一个控制寄存器,即控制口。通常A口、B口作为输入输出的数据端口。C口作为控制或状态信息的端口,它在方式字的控制下,可以分成4位的端口,每个端口包含一个4位锁存器。它们分别与端口A配合使用,可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。8255可编程并行接口芯片方式控制字格式说明:8255有两种控制命令字;一个是方式选择控制字;另一个是C口按位置位复位控制字。其中C口按位置位复位控制字方式使用较为繁难,说明也较冗长,故在此不作叙述,需要时用户可自行查找有关资料方式控制字格式说明如表1.2所示。D7D
14、6D5D4D3D2D1D0图1.2 D7:设定工作方式标志,1有效。 D6、D5:A口方式选择 0 0 方式0 0 1 方式1 1 方式2 D4:A口功能 (1=输入,0=输出) D3:C口高4位功能 (1=输入,0=输出) D2:B口方式选择 (0=方式0,1=方式1) D1:B口功能 (1=输入,0=输出)D0:C口低4位功能 (1=输入,0=输出) 8255可编程并行接口芯片工作方式说明: 方式0:基本输入输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端口都可以用作输入或输出。输出可被锁存,输入不能锁存。 方式1:选通输入输出方式。这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出,C口的4条线中三
15、条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。方式2 :双向总线方式。只有A口具备双向总线方式,8位外设线用作输入或输出,此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。1.3.5串口电平转换芯片MAX232MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。内部结构基本可分三个部分:第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(
16、T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头;DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC(+5v)。图1.5 MAX232芯片各管脚解法图3方案比较、设计与论证 此交通灯方案实现了基本的交通工作原理,并且加入了禁左行车时间,有两种工作模式,白天的时候车流量比较大启动模式1,当到了晚上车
17、流量相对少了启动模式2,这样就避免了晚上没车时候等候时间过长的因素。3.1电源提供方案为使模块稳定工作,须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案方案一:采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠,且有各种成熟电路可供选用;缺点是各模块都采用独立电源,会使系统复杂,且可能影响电路电平。方案二:采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要,节约成本;缺点是输出功率不高。综上所述,我们选择第二种方案。3.2显示界面方案该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因,我们考虑了三种方案:方案一:完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字苻,无法胜任题目要求。方案二:完全采用点阵式LE
18、D 显示。这种方案实现复杂,且须完成大量的软件工作;但功能强大,可方便的显示各种英文字符,汉字,图形等。方案三:采用数码管与点阵LED 相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出,又要求有状态灯输出等,为方便观看并考虑到现实情况,用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求,又减少了系统实现的复杂度。权衡利弊,第三种方案可互补一二方案的优缺,我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。3.3输入方案:题目要求系统能手动设灯亮时间、夜间模式处理,我们讨论了两种方案:方案一:采用8155扩展I/O 口及键盘,显示等。该方案的优点是: 使用灵活可编程,并且有RAM,及计数器。若用该
19、方案,可提供较多I/O 口,但操作起来稍显复杂。方案二:直接在IO口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路,所以剩余的口资源还比较多,我们使用两个按键,分别是K1、K2由于该系统对于交通灯及数码管的控制,只用单片机本身的I/O 口就可实现,且本身的计数器及RAM已经够用,故选择方案二。2 系统硬件设计 硬件设计是整个设计的基础,要考虑的方方面面很多,除了实现交通灯的基本功能外,主要还要考虑如下几个因素:系统稳定度;器件的通用性或易选购性;软件编程的易实现性;系统其他功能及性能指标;因此硬件设计至关重要。先从各功能模块的实现之歌进行分析探讨。2.1总体设计本设计一单片机为控制核心,采用单M
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