毕业设计(论文)-基于单片机交通灯电路的设计.doc
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1、基于单片机交通灯电路的设计【摘 要】根据8051单片机的特点及交通灯在实际控制中的特点,本文提出一种用单片机自动控制交通灯及时间显示的方法。同时给出了软硬件设计方法,设计过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤,对在单片机应用中可能遇到的重要技术问题都有涉足。本文对十字路口状态预设为两种,一种是正常状态,另一种是故障或紧急状态,并分别用黄、红、绿色灯的不同组合来表示。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
2、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,软件,硬件AbstractAccording to the feature of SCM8051 and the characteristics of traffic lights in real control,the article puts forward the method of using sigle-chip microcomputer to control automatically the t
3、raffic signal lights and time-show.The method of realization of hardware has also been given,the whole process included hardware circuit designing and program designing,in which some important technique problem that may meet during the use of Singlechip involved.In this paper,the state of crossing w
4、as designed as two states.One is normal,another breackdown or urgent,which are expressed with different colour lamp named yellow、red and green.The basic principle and method of controlling are introduced.In this paper, the design goals, development ways, system structure, system functions, geographi
5、c codes and data base of the Urban Traffic Information System (U T IS) were presented. Furthermore, the development and the application tests of the traffic situation model, thetraffic management model, the traffic plan model and the background information inquirement model of U T IS were discussed.
6、This paper introduces the development scheme of three-colour programmable traffic signal time indicator used in the level-crossing of our city,and gives its power supply,load construction made by LED and time detection of traffic lamp colour a reasonable optimize structure.The reliability of Product
7、 is substantiallyimproved while the cost is reduced.Key Words:SCM8051, hardwore,softwore 目录摘 要1Abstract2引言5第1章 原理及其器件介绍71.1 工作原理71.2 器件71.2.1 单片机71.2.2 单片机系统101.2.3 数码管11第2章 系统组成122.1 硬件控制线路图122.2 晶振电路122.3 复位电路142.4 信号灯控制电路152.5 LED显示及显示接口17第3章 交通信号灯的C语言编程203.1 单片机的C语言程序设计203.2 C语言与 MCS51203.2.1 MC
8、S51酌编程语言203.2.2 C51编译器与程序开发过程213.2.3 C51程序结构213.3 利用C51程序编写延时程序223.4 信号灯亮灭的定时功能223.4.1 单片机的定时器233.4.2 如何使用MCS-51单片机的定时器呢?233.4.3 定时器数值的设置应该注意的事项253.4.4 定时1ms的程序代码253.5 51单片机的中断系统253.5.1 中断系统的概念253.5.2 单片机的中断系统的作用263.5.3 如何实现单片机的中断263.5.4 单片机系统的中断过程283.6 数码管显示程序功能293.7 软件流程图30第4章 系统的组装与调试314.1制板314.2
9、 组装及调试324.2.1 AT89S51单片机实验及实践系统板简介324.2.2 Keil C软件和AT89S51单片机下载器软件的使用334. 2. 3 调试过程35第5章 总结37谢 辞38参考文献39附 录40引言 交通的发达,标志着城市的发达,相对交通的管理则显得越来越重要。对于复杂的城市交通系统,为了确保安全,保证正常的交通秩序,十字路口的信号控制必需按照一定的规律变化,以便于车辆行人能顺利地通过十字路口。考虑到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,拟采用MCS - 51系列的单片机来实现十字路口交通信号灯的控制。 正常情况下,十字路口的红绿灯应交替变换,考虑紧
10、急情况下,如有救护车或警车到来时,应优先让其通过。 在本文中,用发光二极管来模拟信号灯,救护车的优先通过请求信号由外部中断技术来模拟。要求使用 8051定时器/ 计数器0作为定时器,假设南北和东西的通车时间都为30 s ,外部中断的延时为10 s ,要求对通行时间进行倒计时,从P1 口输出,在LED上显示并进行递减。以此来实现十字路口交通灯的指示功能。其设计要求为:首先,要了解实际交通灯的变化规律. 假设一个十字路口为东西南北走向. 初始状态0东西方向绿灯通车,南北方向红灯,延时30 s. 转状态1 ,东西方向黄灯亮,南北方向红灯按1HZ的频率闪烁,延时5s . 再转状态2 ,东西方向红灯亮,
11、南北方向绿灯通车,延时20 s. 转状态3 ,东西方向红灯按1HZ的频率闪烁,南北方向黄灯亮,延时5 s . 最后循环至状态0. 这里的延时采用定时器0延时. 其次,当有紧急救护车出现时,应使东西南北四个方向全亮红灯,并延时10 s , 以便急救车通过,同时对通行时间进行倒计时,从P1口及P3口输出在发光二极管,使用8051 定时器/ 计数器0作为定时器实现子程序延时.技术上可用外部中断0发出一单脉冲向CPU申请中断. 再次,一般交通信号灯控制程序中使用软件延时,软件延时是靠执行一个循环程序以进行时间延迟. 软件定时的特点是时间精确,且不需外加硬件电路. 但软件定时要占用CPU ,增加CPU
12、开销,因此软件定时的时间不宜太长.本程序使用定时器/ 计数器0来定时,定时电路已经集成在芯片中,这种由硬件电路完成,不占CPU 时间. 它通过对系统时钟脉冲的计数来实现,即每个机器周期产生一个计数脉冲,也就是每个机器周期计数器加1. 计数值通过程序设定,改变计数值,也就改变了定时时间,使用起来既灵活又方便.交通灯在安全行车过程中起着十分重要的作用, 现在交通灯一般设在十字路口, 在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯, 加上一个倒计时的显示计时器来控制行车, 对于一般情况下的安全行车、车辆分流发挥着作用, 但根据实际行车过程中出现的情况, 主要有如下几个缺点: 1两车道让车轮流放行时间相同且固
13、定, 在十字路口, 经常一个车道为主干道,车辆较多, 放行时间应该长些; 另一车道为副干道, 车辆较少,放行时间短些。2 没有考虑紧急车通过时, 两车道应采取的措施, 譬如, 有消防车通过执行紧急任务时, 两车道的车都应停止, 让紧急车通过。根据行车过程中出现的实际情况, 如何全面有效地利用交通灯指示交通情况, 本人尝试用单片机来控制交通灯, 在软、硬件方面采取一些改进措施, 使交通灯在控制中灵活而有效。 传统的交通灯控制系统, 采用的基本上是3种控制方式。手按: 交警在岗亭值守,人为进行红绿灯改变; 黄闪: 夜间无人值守时, 用每秒1次的黄灯闪亮, 提醒司机安全驾驶; 程控: 以60s 作为
14、一个时间单位。某一方面(例南北方向) 红黄绿三灯的工作程序分别是: 红灯先亮30s, 然后绿灯亮28s, 再绿灯闪亮3s (每秒1次) , 最后黄灯亮2s。此时, 另一方向(东西方向) 红黄绿三灯的工作顺序相应为: 绿灯亮25s, 绿灯闪亮3s (每秒1次) , 黄灯亮2s, 最后红灯亮30s。此后以60s 作为时间单位进行上述的反复循环, 较为合理地解决了十字路口的交通调度问题。但红绿灯的工作顺序及时间都是固定的, 缺乏灵活性。采用该3种方式能解决一般岗亭的交通灯控制。但重点岗亭仍需要有2人以上同时值班, 保证有事要处理时, 仍能保留一名交警负责对交通灯的控制。而此时若想采用程控方式, 交警
15、将无法对交通灯再人为地加以管理。难以再科学地指挥车辆的通行, 有效地解决交通堵塞问题。例如当南北方向车流量很大时, 程控方式下的南北方向绿灯无法保证开放更长的时间, 以缓解交通拥挤的问题。当前,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MCS-51单片机自动控制交通信号灯及时间显示的方法,具体如下:选用MCS-51单片机来实现,根据设计要求,交通信号
16、灯控制器的外部输出信号为主、副车道红、黄、绿灯共12个驱动信号;编程使相应位复/置位来实现信号灯的亮/灭控制,使得十字路口的红、绿灯交替点亮;在灯色交换时,黄灯闪烁提醒。设计要求有紧急车辆通过时,十字路口均显示红灯。可以通过软件中断来完成紧急任务,定义T0为计数中断并为下降沿触发,编写对应中断向量子程序和中断服务程序,完成中断处理。设计还对定时控制有所要求。对于精确定时,应该用计数器加以控制,硬件实现复杂度增加。考虑到该设计对时间精度要求不高,所以采用软件定时可以大大简化电路。先计算出程序单部执行的时间,设置循环参数,利用if语句按设计要求完成定时控制。 第1章 原理及其器件介绍1.1 工作原
17、理采用单片机的I/O口P1口和P3直接和交通灯连接, 控制程序放在MCS- 51单片机如8051的ROM中, 在十字路口的四组红、黄、绿交通灯中, 受单片机P1.0P1.7和P3.0、P3.1、P3.3、P3.7 控制, 由于交通灯为发光二极管且阳极通过限流电阻和电源正极连接, 因此I/O口输出低电平时, 与之相连的相应指示灯会亮, I/O口输出高电平时, 相应指示灯会灭。紧急车请求通过的信号由人工控制, 以中断方式输入单片机, 无紧急车通过时, 中断引脚INT0 通过电阻和电源正极连接为高电平, 不产生中断请求, 单片机执行主程序, 有紧急车通过时, 中断引脚采用人工方法接地为低电平, 产生
18、中断请求, 单片机执行中断服务程序, 让紧急车通过, 紧急车通过后, 中断引脚变为高电平, 返回主程序。由于倒计时显示装置已普遍采用, 因此本文未引入探讨。1.2 器件1.2.1.单片机 单片机是将中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM或EPROM)、定时器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器(Microcontroller)。 中央处理器包括运算器、控制器和寄存器3个主要部分,是单片机的核心。 存储器按工作方式可以分为两大类:随机存储器RAM和只读存储器ROM。RAM可被CUP随机地读写,断电后存储的内容消失;ROM中的信息只能被读取,一般用于存放固
19、定的程序。ROM中的内容只能用编程器专用设备写入。 输入/输出接口(I/O接口)是单片机的重要组成部分。程序、数据以及现场信息需要通过输入设备送到单片机,计算结果需要通过输出设备输出到外设。常用的输入有按键、键盘、A/D等,输出设备一般有LED、电机等。 为了方便理解,我们可以将单片机和PC机进行一个比较。一台能够工作的计算机要由CPU、RAM、ROM、输入/输出设备等几个部分组成。在PC机上这些部分被分成若干块芯片,安装在主板上。而单片机相当于集成了以上所有芯片的一块集成电路芯片。有一些单片机中除了上述基本的功能,还集成了其他部分功能,如A/D、D/A等。一个标准的89C51单片机的引脚功能
20、图如图3所示。图3 89C51单片机及其引脚1AT89C51单片机性能介绍 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。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,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。2主要特性:1.与MCS-51 兼容 2.4K字节可编程
21、闪烁存储器 3.寿命:1000写/擦循环4.数据保留时间:10年5.全静态工作:0Hz-24Hz6.三级程序存储器锁定7.128*8位内部RAM8.32可编程I/O线9.两个16位定时器/计数器10.5个中断源 11.可编程串行通道12.低功耗的闲置和掉电模式13.片内振荡器和时钟电路3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,
22、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
23、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2-1所示:口管脚备选功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3
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