《电子技术课程设计》简易交通信号灯控制器

第 1 页 共 20 页 南华大学电气工程学院 电子技术课程设计 设计题目： 简易交通信号灯控制器 专 业： 电力系统及其自动化 学生姓名: 学 号: 起迄日期: 2011 年 1 月 3 日 2011 年 1 月 14 日 指导教师: 教研室主任： 第 2 页 共 20 页 目 录 引言.3 1 设计任务 .3 1.1 设计任务 .3 2 模块的方案选择与论证 .5 2.1 显示模块 .5 2.2 交通灯控制模块 .5 3 系统硬件设计 .6 3.1 交通管理的方案论证 .6 3.2 硬件系统框图. .6 3.3 单片机的选取介绍 .6 3.4 显示模块原理图. .10 3.5 交通灯控制模块原理图.10 4 系统软件设计 .11 4.1 主程序设计 .11 5 心得体会 .13 6 参考文献 .13 附录 1 系统原理图 .16 附录 2 程序清单 .17 第 3 页 共 20 页 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。 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。 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 件结构软硬件相结合，加以完善。 交通信号灯控制方式很多。如采用 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）绿灯时间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。 第 4 页 共 20 页 1.1 设计任务 图 1.1 路况模拟图 (1)技术要求： 定周控制：主干道（东西）绿灯 45s，支干道（南北）绿灯 25s； 每次由绿灯变为红灯时，应有 5s 黄灯亮作为过渡； 分别用红、黄、绿色发光二极管表示信号灯； 设计计时显示电路。 (2)工作要求： 利用电子技术基础理论，分析系统工作原理，设计系统总体框图 和各功能模块的电路图； 掌握计算机辅助设计方法，利用 Multisim 对电路进行仿真设计； 第 5 页 共 20 页 熟悉常用的电子元器件操作使用和测试方法； 掌握电子电路安装调试技术，选择合适的元器件搭接实际电路， 掌握电路的测试和故障排除方法。 2 各模块的方案选择和论证 2.1 计时显示模块 根据作品的设计，显示器的选择有以下二种方案： 方案一：用 12864 液晶显示。12864 液晶可以清楚的显示汉字、字 符、 数字等，并且自带中文字库，能够很好 的显示所需的各项内容，并且电路连接比较简单。但是价格昂贵， 并且一般为蓝屏显示不是很醒目，不适合作交通灯的计时显示屏。 方案二：使用传统的数码管显示模块来显示。数码管的显示比较简 单，并且使用时不需要进行初始化的设置，且能够显示清楚。并且 在模拟交通灯控制系统时很形象且颜色为红色，很醒目。 基于以上二种方案，从作品的要求，性能，成本等多方面考虑，在 本作品中选用数码管很好的实现了设计要求。 2.2 交通灯控制模块 通过 51 单片机的三个 IO 口控制红黄绿三个发光二极管。 第 6 页 共 20 页 小结：经过一系列的论证，系统最终采用的模块如下： 显示模块：通过 51 单片机控制 2 位数码管 灯光控制模快：通过 51 单片机控制发光二极管 3 .系统硬件设计 3.1 交通管理的方案论证 东西、南北两干道交于一个十字路口，东西为主干道，南北为支干道，各 干道有一组红、黄、绿三色的指示灯。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，红灯时间短，绿灯时间 长。指示灯亮灭的方案： 表 3.1 3.2 硬件系统框 图 根据设计的要求，系统的硬件原理框图如图 3.2 所示： 单 片 机 键 盘 L E D 显 示 三 色 指 示 灯 图 3.2 25S 5S 45S 5S 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 第 7 页 共 20 页 3.3 单片的机选取及介绍 单片机可选用 AT89C51，它与 8051 系列单片机全兼容，但其内部带有 1*4 KB 的 FLASH ROM，设计时无需外接程序存储器，为设计和调试带来极大的 方便。南北向和东西向各采用 2 个数码管计时，同时需要对该方向的指示灯的 点亮时间进行倒计时。键盘系统可以根据系统的需要设置不同的键的个数，可 以选择线式键盘或矩阵式键盘，若单片机的 IO 口不够用时，可以考虑扩展 825 5 或 8155 满足系统的要求。 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 3.2 8051 内部结构 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。 第 8 页 共 20 页 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 第 9 页 共 20 页 图 3.3 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： 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： 第 10 页 共 20 页 图 3.4 Pin9: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 0000H，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，V cc 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 3.5 Pin30: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 第 11 页 共 20 页 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，对内部无程序存储器的 8031,EA 端必须接地。 在编程时，EA/V pp脚还需加上 21V 的编程电压 3.4 显示模块原理图： 图 3.6 3.5 交通灯控制模块原理图： 通过 P20, P20, P20 控制红绿蓝三个发光二极管： 第 12 页 共 20 页 图 3.7 与发光二极管相串联电阻阻值的计算：vcc：+5V，二极管管压降：1.7V，流过二极管电 流：约 3mA。由欧姆定律： R=（51.7）*1000/3=1K （式 3.1） 4.系统的软件设计： 4.1 主程序流程图 第 13 页 共 20 页 5 心得体会及总结 本系统要求对单片机的中断、定时器有较高级的应用。同时也需要设计者 开始考虑当多个模块特别是当对定时器，中断的使用时如何来分配时序的问题， 这也是今后做大系统所必须具备的软件思维能力。通过做本系统的锻炼，明白 了写复杂程序所必备的逻辑思维能力，是一次很好的锻炼机会。同时，在制作 过程中遇到的困难，以及解决的过程又使我们充分体会到了团队合作的重要性。 增强了解决困难的能力。 通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问 题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以 及在常用编程设计思路技巧（特别是 C 语言）的掌握方面都能向前迈了一大步， 为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。 最后要感谢指导老师的耐心答疑，身边同学的无私帮助，让我顺利完成设 计，并从中学到了许多课本上没有的知识，再次感谢他们! 初始化 数码管显示 开始 绿灯亮 45s 黄灯闪烁 5s 红灯亮 25s 黄灯闪烁 5 秒 第 14 页 共 20 页 参考文献 1安玉景,李雪莹.电子技术基础实验M. 北京：人民邮电出版社 ,1998, 1. 2杨元挺,唐果南.电子技术技能训练M. 北京：电子工业出版社 ,2002, 1. 3卢结成,高世忻,陈力生等.电子电路实验及应用课题设计 M.合肥：中国科学技术出版社, 2006, 3. 4黄仁欣.电子技术实践与训练M. 北京：清华大学出版社 ,2004, 9. 5何立民.单片机高级教程应用与设计：北京航空航天大学出版社，2007.1 第 15 页 共 20 页 附录 1 系统原理图 第 16 页 共 20 页 附录二 原程序 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar code table= 0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f, 0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07, 0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c, 0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71; uchar code table1= 0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7, 0 xef,0 xdf,0 xbf,0 x7f; uchar num=0,num1,shi,ge; void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); 第 17 页 共 20 页 void main() while(1) TMOD=0 x01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; num=45;/主干道绿灯亮支道红灯亮 45 秒 while(num!=0) P2=0X7b; P1=0 xfb; P0=tablege; delay(5); P1=0 xf7; P0=tableshi; delay(5); 第 18 页 共 20 页 TR0=1; num=5;/主干道支道黄灯亮 5 秒 while(num!=0) P2=0Xbd; P1=0 xfb; P0=tablege; delay(5); P1=0 xf7; / P0=tableshi; P0=0 x3f; delay(5); TR0=1; num=25;/主干道红灯亮支道绿灯亮 25 秒 while(num!=0) P2=0Xde; 第 19 页 共 20 页 P1=0 xfb; P0=tablege; delay(5); P1=0 xf7; P0=tableshi; delay(5); void T0_time() interrupt 1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; num1+; if(num1=20) num1=0; num=num-1; if(num=0) TR0=0; 第 20 页 共 20 页 shi=num/10; ge=num%10;