基于单片机交通灯设计.doc

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1、摘要一个完整的交通灯相当于一个简单的单片机系统，该系统有交通灯设置电路、单片机、显示电路等构成。信号灯控制的实现是通过电路与汇编程序的结合来完成，其中信号灯的模拟采用了发光二极管，发光二极管有熄灭、点亮和闪烁三种信号，其中闪烁信号的产生运用了延时程序来实现，而时间倒数方面引进了LED数字显示，克服了人们在等待时的心急的心情，减少了红灯未灭，闯红灯的现象。电路部分原理图是通过用PROTEL软件绘制设计，汇编程序的设计与调试都在KEIL上完成。最后使用PROTEUS软件上的虚拟元件来代替所有的电路元件完成整个系统的调试和仿真，这样就大大保证了焊制硬件实物能正常运行。 本系统功能设计完善，采用AT8

2、9C51单片机为核心，具有实用，方便，灵活的特点。随着电子技术的广泛应用，车辆日益增多将成为一种发展趋势，所以要有一套安全可靠的交通指示灯。关键字：AT89C51；LED显示；交通灯AbstractA complete traffic signal equivalent to a simple single-chip system, which has set up traffic lights circuit, microcontroller, display circuit, etc. The realization of the control signal through the ci

3、rcuit and the combination of the compilation process to complete, including analog signal using a light-emitting diodes, light emitting diodes are off, the three flashing lights and signals, flashing signals which have used the procedure to delay the realization of The last time the introduction of

4、LED digital display, to overcome the people anxiously waiting for the mood at the time, a decrease of red light did not eliminate, the phenomenon of red light running. Part of the circuit schematic diagram is drawn by using PROTEL software design, compilation and debugging of the design procedures a

5、re completed in KEIL. PROTEUS software on the final use of the virtual component to replace all the circuit elements to complete the testing and simulation systems, so much to ensure that the welding system to the normal operation of the physical hardware. The well-designed system using AT89C51 sing

6、le-chip microcomputer as the core, with practical, convenient and flexible. With the extensive application of electronic technology, an increasing number of vehicles will become a trend, so to have a safe and reliable indicator of the traffic.Keyword:TheAT89C51；LEDshow；trafficlights目录摘要。1.Abstract。2

7、1绪论。3 1.1 本课题的研究背景和意义。31.2 交通灯控制器的研究现状 。31.3 本课题研究的主要内容 。41.4 本文内容概述 。52 系统的硬件取向2系统的硬件设计。5 2.1 硬件取向。52.2 单片机的概述。62.2 MSC-51芯片简介。7。2.3 8255芯片简介。10。2.4 74LS373芯片简介。11 2.4 元件列表。12 2.5 所需原件电路图。12 3软件设计。123.1 程序流程图。133.2 程序清单。144调试与仿真。2o4.1 PROTUES的概述。204.2 调试、仿真。215总结。226参考文献。23 绪论1.1 引言 i贴吧 新浪微博 腾讯微博 Q

8、Q空间 人人网 豆瓣 MSN对我有帮助近年来随着科技快速的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统检测日新月异更新。在实验检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，针对具体应用对象的特点，配以其他器件来家以完善，伴随人口的日益增长，那么十字路口车辆穿梭，如何才能让交通井然有序呢？靠的就是交通信号的自动指挥系统。信号灯的出现，使交通得以有效的管制，对于交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显的效果。绿灯是通行信号，面对绿灯信号的车辆可以直行，左拐弯和右拐弯，除非另一种禁止转向。左右转弯车辆都必须让正在路口内直行的车辆和过人行横道行人优先通行。红灯是禁止信

9、号面对红灯的车辆必须停车。黄灯 是警告信号，面对黄灯信号的车辆不呢么好越过安全停车线，但是车辆十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。本系统采用MSC-51系列单片机来设计交通灯控制器，实现各个方向车辆、行人通行功能，此外还设计了倒计时显示。同时还具有南北、东西方向强制通行的功能。1.2本课题研究的目的和意义城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行,实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。所以，改善与提高

10、现有的交通系统的效率已成为当务之急，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。1.3 城市交通指挥系统的发展及研究现状主早在19世纪，人们就开始研究交通信号，用信号指挥车通行，控制车辆进出交叉口的次序。据文献记述，早在1868年，英国伦敦的威斯特明斯特(Westminster)街就安装了红、绿色两色的交通信号灯。到1917年，美国的盐湖城开始使用由人工控制的红、黄、绿3色的信号灯。1925年，这种由人工控制的3色信号灯也首次出现在英国伦敦的皮克的时路口。次年，英国人研制出了自己的自动控制信号机。道路通交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的

11、现代化管理水平。在这一系统中，道路不仅仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高澎路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。所以，如何采

12、用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。1.4本课题主要研究内容第二章硬件设计2.1硬件的取向与介绍目前设计交通灯的方案有很多，有CPLD实现信号灯控制的设计，有应用PLC实现对交通灯的设计。有应用单片机实现对交通灯控制系统的设计。在这里我选用单片机系统来实现交通灯的控制。单片机设计不但成本低，而且设计简单。一样可以完成交通灯的控制。本论文主要的工作就是通过一个交通信号灯系统的硬件、软件的设计来现红绿灯的正常工作，具体工作安排大概描述为：一是根据系统控制要求设计硬件电路,这里是用PROT

13、EUS软件来完成；二是根据硬件电路编写相应的程序流程图,然后编写相关程序,这里程序的编制主要是用KeilC51软件来完成；三是在KEIL上用已经编好的程序生成.hex文件载入到PROTEUS中，实现PROTEUS与KEIL的联调，完成调试和仿真，观察调试结果是否满足设计要求，若不满足需要继续检查程序和其他情况直至实现正确的仿真为止。完成设计使用PROTEL设计电路图根据电路图编写程序流程图使用KEIL编写程序调试在PROTEUS中仿真生成.HEX文件不成功成功不成功成功2.2单片机概述单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领

14、域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外 3部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。2.2.1MSC-51芯片简介MCS-51单片机内部结构 8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串

15、行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。图1程序存储器(ROM)： 48051共有409

16、6个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用

17、于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2。 图2MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源

18、和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图3 图3Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向000

19、0H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。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。 6 图4Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否

20、工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储

21、器的8031,EA端必须接地。在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。2.2.2 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

22、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： 表1D7D6D5D4D3D2D1D0D7：设定工作方式标志，1 7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

23、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。2.2.3 74LS373简介74LS373 是一种带三态门的8D锁存器，其管脚示意图如下示：其中：1D-8D为8个输入端。 1Q-8Q为8个输出端。 LE为数据打入端：当LE为“1”时，锁存器输出 状态同输入状态；当LE由“1”变“0”时，数据 打入锁存器 OE为输出允许

24、端：当OE=0时，三态门打开； 当OE=1时，三态门关闭，输出高阻。82.3原件列表。元件名称所属类所属子类AT89C51Microprocessor ICs8051 FamilyCAPCapacitorsGenericCAP-ELECCapacitorsGenericCRYSTALMiscellaneousGenericRESResistorsGenericLED_YELLOWOptoelectronicsLEDsLED_REDOptoelectronicsLEDsLED-GREENOptoelectronicSLEDs7405TTL 74seriesGates&Inverters74LS1

25、64TTL 74LS seriesRegister7SEG-COM-CAT-GRNOptoelectronicS7-Scgment Displays92.4 设计的电路图 10第三章软件设计3.1交通信号灯模拟控制系统设计程序流程图开始设置定时，显示初始化 处理初始状态时间显示 LED显示时间到？第四章 调试与仿真4.1 PROTEUS概述 Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机

26、教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加 Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 PROTEUS具有4大功

27、能模块：(1)智能原理图设计(ISIS)(2)完善的电路仿真功能(Prospice)(3)独特的单片机协同仿真功能(VSM)(4)实用的PCB设计平台Proteus提供了丰富的资源：(1)Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。(2)Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。(3)除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一 18个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地

28、显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。4)Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。4.2仿真电路图 19总结在学习单片机理论课时候就感觉到内容很多，知识点很杂，分繁琐。在老师的讲解下，在通过自己的努力也更进一步了解了单片机的内部构造和工作原理，以及接外部电路的情况。当然光有理论知识那只是“纸上谈兵”，还需要实际动手去实践。真正把所学的用到日常生活中，理论联系实际，做出实物模型。这次单片机实习，我选的

29、是交通灯设计，通过这次设计我感觉到要想做成功，必须花时间多准备，查阅大量资料，认证分析每一步每一个模块要实现的功能，然后分步进行，最后正和一个整体。 通过这次实习，我们要对所做的事情有耐性，在编程的时候会有困难，也可能变得不一定成功，所以要经过多次调试，分析，改正，反复去做。 在这次实习中，经历了多次失败的洗礼，我明白在以后学习和实践中，我要努力掌握知识，多动手，多思考，以免在以后的学习工作中犯同样的错误。 20谢 辞本文能够得以完成，非常感谢我的指导老师刘庆华副教授，他的渊博知识以及在治学过程中表现出来的严谨态度使我深受鼓舞，给予我极大的指导和帮助，在此向刘庆华副教授表示衷心的感谢！同时感谢

30、一直在我身边帮助我的同学，在我有疑问时给予了很多帮助，同学们的热情让我在挫折面前不断前行，我们经常一起讨论问题并从中一起进步，获益良多。在此向各位同学表示衷心的感谢！本次课设要感谢学院的安排，让我们在学习课本知识的同时，能够有这样的机会实践。感谢班干们的工作，为我们省去了不少的麻烦。同时在课程设计过程中我还参考了有关的书籍与论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。 参考文献1 肖洪兵著.跟我学用单片机.北京航空航天大学出版社:2006年 :36382 何立民著.单片机高级教程. 北京航空航天大学出版社:2007年 :4894943 周航慈著.单片机程序设计基础.北京航空航天大学出版社：2003年

31、 :p951034 张毅刚著.单片机原理及应用.高教出版社，2006年 :605 何立民著.单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社，2000年:1206 张鹏超、刘沛著.一种多功能信号发生器的设计与实现.现代电子技术出版社，2005年第20期总第211期 :1819 7 姜志海，刘连新著. 单片微型计算机原理接口与应用M.机械工业出版社，2007年 ： 6878 8 吴叶兰著. 微机原理与接口技术M.机械工业出版社，2009年 ：9095 9 胡健著. 单片机原理及接口技术M.机械工业出版社，2002年 ：5678附录SECOND1 EQU 30H;SECOND2 EQU 31H;DBUF

32、 EQU 40H;TEMP EQU 44H;LED_G1 BIT P2.1;LED_Y1 BIT P2.2;LED_R1 BIT P2.3;LED_G2 BIT P2.4;LED_Y2 BIT P2.5;LED_R2 BIT P2.6; ORG 0000H LJMP START ORG 0100HSTART: MOV TMOD,#01H; MOV TH0,#3CH; MOV TL0,#0B0H CLR TF0 SETB TR0; CLR A MOV P1,A;LOOP: MOV R2,#20; MOV R3,#20; MOV SECOND1,#25; MOV SECOND2,#25; LCAL

33、L DISPLAY LCALL STATE1;WAIT1: JNB TF0,WAIT1; CLR TF0 MOV TH0,#3CH; MOV TL0,#0B0H DJNZ R2,WAIT1; MOV R2,#2O; DEC SECOND1; DEC SECOND2; LCALL DISPLAY DJNZ R3,WAIT1; MOV R2,#5; MOV R3,#3; MOV R4,#4; MOV SECOND1,#5; MOV SECOND2,#5; LCALL DISPLAY;WAIT2: LCALL STATE2; JNB TF0,WAIT2; CLR TF0 MOV TH0,#3CH;

34、MOV TL0,#0B0H; DJNZ R4,WAIT2; CPL LED_G1; MOV R4,#4; DJNZ R2,WAIT2; MOV R2,#5; DEC SECOND1; DEC SECOND2; LCALL DISPLAY DJNZ R3,WAIT2; MOV R2,#20; MOV R3,#2; MOV SECOND1,#2; MOV SECOND2,#2; LCALL DISPLAYWAIT3: LCALL STATE3; JNB TF0,WAIT3; CLR TF0 MOV TH0,#3CH; MOV TL0,#0B0H DJNZ R2,WAIT3; MOV R2,#20H

35、; DEC SECOND1; DEC SECOND2; LCALL DISPLAY DJNZ R3,WAIT3; MOV R2,#20; MOV R3,#20; MOV SECOND1,#25; MOV SECOND2,#25; LCALL DISPLAYWAIT4: LCALL STATE4; JNB TF0,WAIT4; CLR TF0 MOV TH0,#3CH; MOV TL0,#0B0H DJNZ R2,WAIT4; MOV R2,#20; DEC SECOND1; DEC SECOND2; LCALL DISPLAY DJNZ R3,WAIT4; MOV R2,#5; MOV R4,

36、#4; MOV R3,#3; MOV SECOND1,#5; MOV SECOND2,#5; LCALL DISPLAYWAIT5: LCALL STATE5; JNB TF0,WAIT5; CLR TF0 MOV TH0,#3CH; MOV TL0,#0B0H; DJNZ R4,WAIT5; CPL LED_G2; MOV R4,#4; DJNZ R2,WAIT5; MOV R2,#5; DEC SECOND1; DEC SECOND2; LCALL DISPLAY DJNZ R3,WAIT5; MOV R2,#20; MOV R3,#2; MOV SECOND1,#2; MOV SECOND2,#2; LCALL DISPLAYWAIT6: LCALL STATE6; JNB TF0,WAIT6;