毕业设计论文基于单片机的交通灯设计.doc
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1、南京化工职业技术学院毕业设计(论文) 基于单片机的交通灯设计姓 名:XXX所在系部:自动控制系专业班级:自动化XXX指导教师:XXX2011年12月Nanjing College of Chemical TechnologyGraduation project:Based on SCM traffic light designCandidate:XXXSupervisor:QXXXDec,2011 目 录摘 要4第一章 引言5第二章交通管理方案论证62.1设计任务62.2方案介绍6第三章 交通灯系统硬件设计73.1单片机概述73.2芯片选择与介绍73.2.1 MCS-51芯片的简介73.2.2
2、 8255芯片简介103.2.3 74LS373芯片简介11第四章 控制器的软件设计124.1 每秒钟的设定124.2 计数器硬件延时124.3 软件延时144.4 时间及信号的显示154.5 程序设计17第五章 结论26第六章 参考文献27摘 要近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时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,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构软硬件结合,加以完善。十字路口车辆穿梭,行人熙攘,车行车道,人行人道,有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢?靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交
3、通信号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器,实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能;红绿灯循环点亮,倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示(交通灯信号通过PA口输出,显示时间直接通过8255的PC口输出至双位数码管);车辆闯红灯报警;绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。 关键词:单片机 交通灯 闯红灯 检测车流量 第一章 引言当今,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。但这一技术在19世纪就已出现了。1858年,
4、在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红,蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。1869年1月2日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消。电气启动的红绿灯出现在美国,这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。1918年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯,一种是把压力探测器安在地下,车辆一接
5、近红灯便变为绿灯;另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下嗽叭,就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车放行,以免发生交通事故。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。1968年,联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号,面对绿灯的车辆可以直行,左转弯和右转弯,除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号,面对红灯的车辆必须在交叉路口的
6、停车线后停车。黄灯是警告信号,面对黄灯的车辆不能越过停车线,但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。第二章 交通管理方案论证2.1设计任务:东西、南北两干道交于一个十字路口,各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯,指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换,且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。设东西道比南北道的车流量大,指示灯燃亮的方案如表2。表2 亮灯顺序和间隔时间60S5S100S5S东西道红灯亮黄灯亮绿灯亮黄灯亮南北道绿灯亮黄灯亮红灯亮黄灯亮2.2方案介绍: (1)当东西方向为红灯,此道车辆禁止通行,东西道行人
7、可通过;南北道为绿灯,此道车辆通过,行人禁止通行。时间为60秒。(2)黄灯闪烁5秒,警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。 (3)当东西方向为绿灯,此道车辆通行;南北方向为红灯,南北道车辆禁止通过,行人通行。时间为100秒。 东西方向车流大 通行时间长。(4)这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。(5)此表可根据车流量动态设定红绿灯初始值。第三章 交通灯系统硬件设计3.1单片机的概述:单片机是一块集成电路芯片上集中了控制器、存储器、运算器和输入输出端口的单片微型计算机,它体积小,耗电省,主要用于构成工业控制单元,在过程控制、智能仪表、机电一体化和家用电
8、器等领域起着重要的控制作用,所以准确反映单片机本质的叫法应是微控制器(Micro Controller Unit,MCU)。通常,单片机由单个集成电路芯片构成,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部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。单片机自1976年由美国Inter公司推出MCS-48系列以来,从技术到应用都有了相当大的发展。经过4个阶段的发展,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,引脚的多功能化,以及低电压、低功耗。可以说,二十一世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代
9、和现已进入的电脑时代。不过,这种电脑通常是指个人计算机,简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。现在,单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。3.2芯片的选择与介绍3.2.1 MSC-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
10、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4。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4。图1 8051内部结构图程序存储器(ROM):8051共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格4。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
11、或计数产生中断用于控制程序转向4。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4。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4。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2。时钟电路:8051内置最高频率达12MHz的时钟电路,用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
12、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7。下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图3.2.2 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
13、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/B配合使用,可以用作控制信号输出或作为状态信号输入6。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:表1、方式选择控制格式D7D6D5D4D3D2D1D0D7:设定工作方式标志,1有效。D6、D5:A口方式选择 0 0 方式00 1 方式11 方式2D4:A口功能 (1=输入,0=输出)D3:C口高4位功能
14、 (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6。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6。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6。2.3.3 74LS373简介74L
15、S373 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为输出允许端:当OE=0时,三态门打开; 当OE=1时,三态门关闭,输出高阻。第四章 控制器的软件设计4.1每秒钟的设定延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间,另一种是采用软延时的方法。4.2计数器硬件延时4.2.1 计数器初值计算定时器工作时必须给计数器送计数器初值,这个值是送到TH和TL中的。他是以加法记数的,并能从全1到全0时自动
16、产生溢出中断请求。因此,我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC 可得到如下计算通式: TC=M-C式中,M为计数器摸值,该值和计数器工作方式有关。在方式0时M为213 ;在方式1时M的值为216;在方式2和3为28。4.2.2 计算公式 T=(MTC)T计数或TCM-TT计数T计数是单片机时钟周期TCLK的12倍;TC为定时初值如单片机的主脉冲频率为TCLK12MHZ,经过12分频方式0TMAX2131微秒8.192毫秒方式1TMAX2161微秒65.536毫秒显然1秒钟已经超过了计数器的最大定时间,所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题1。4.2.
17、3 1秒的方法我们采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使TO定时50毫秒这样每当TO到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求,进入他的中断服务子程序。在中断服务子程序中,CPU先使软件计数器减1,然后判断它是否为零,为零表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序1。4.2.4 相应程序代码()主程序定时器需定时50毫秒,故T0工作于方式1。初值:TCM-T T计数21650ms/1us=15536=3CBOHORG 1000HSTART: MOV TMOD, #01H ; 令T0为定时器方式1 MOV TH0, #3CH ; 装入定时器初值 MOV TL0, #BOH ; MOV IE,
18、#82H ; 开T0中断 SEBT TRO ; 启动T0计数器 MOV RO,#14H; 软件计数器赋初值LOOP:SJMP $; 等待中断()中断服务子程序 ORG 000BH AJMP BRTO ORG 00BH BRTO:DJNZ RO,NEXT AJMP TIME ; 跳转到时间及信号灯显示子程序 DJNZ:MOVRO,#14H; 恢复RO值 MOV TH0, #3CH ; 重装入定时器初值MOV TL0, #BOHMOV IE, #82HRET1END4.3 软件延时MCS-51的工作频率为2-12MHZ,我们选用的8051单片机的工作频率为6MHZ。机器周期与主频有关,机器周期是主
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