《電子技術(shù)課程設(shè)計》簡易交通信號燈控制器

第 1 頁 共 20 頁 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 電子技術(shù)課程設(shè)計 設(shè)計題目： 簡易交通信號燈控制器 專 業(yè)： 電力系統(tǒng)及其自動化 學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 起迄日期: 2011 年 1 月 3 日 2011 年 1 月 14 日 指導(dǎo)教師: 教研室主任： 第 2 頁 共 20 頁 目 錄 引言.3 1 設(shè)計任務(wù) .3 1.1 設(shè)計任務(wù) .3 2 模塊的方案選擇與論證 .5 2.1 顯示模塊 .5 2.2 交通燈控制模塊 .5 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .6 3.1 交通管理的方案論證 .6 3.2 硬件系統(tǒng)框圖. .6 3.3 單片機的選取介紹 .6 3.4 顯示模塊原理圖. .10 3.5 交通燈控制模塊原理圖.10 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .11 4.1 主程序設(shè)計 .11 5 心得體會 .13 6 參考文獻 .13 附錄 1 系統(tǒng)原理圖 .16 附錄 2 程序清單 .17 第 3 頁 共 20 頁 引言 當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效 的手段, 但這一技術(shù)在 19 世紀就已出現(xiàn)了。 信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行 能力，減少交通事故有明顯效果。1968 年，聯(lián)合國道路交通和道路標志信號 協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以 直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必 須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行 信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面 對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可 以進入交叉路口。 近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應(yīng)用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng) 控制檢測技術(shù)日益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機 往往作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬 件結(jié)構(gòu)軟硬件相結(jié)合，加以完善。 交通信號燈控制方式很多。如采用 MSC-51 系列單片機 ATSC51 和可編程并行 I/O 接口芯片 8255A 為中心器件來設(shè)計交通燈控制器，實現(xiàn)了能根據(jù)實際車流 量通過 8051 芯片的 P1 口設(shè)置紅、綠燈燃亮?xí)r間的功能；紅綠燈循環(huán)點亮，倒 計時剩 5 秒時黃燈閃爍警示（交通燈信號通過 PA 口輸出，顯示時間直接通過 8255 的 PC 口輸出至雙位數(shù)碼管）綠燈時間通過雙位數(shù)碼管顯示。本系統(tǒng)實用 性強、操作簡單、擴展功能強。 第 4 頁 共 20 頁 1.1 設(shè)計任務(wù) 圖 1.1 路況模擬圖 (1)技術(shù)要求： 定周控制：主干道（東西）綠燈 45s，支干道（南北）綠燈 25s； 每次由綠燈變?yōu)榧t燈時，應(yīng)有 5s 黃燈亮作為過渡； 分別用紅、黃、綠色發(fā)光二極管表示信號燈； 設(shè)計計時顯示電路。 (2)工作要求： 利用電子技術(shù)基礎(chǔ)理論，分析系統(tǒng)工作原理，設(shè)計系統(tǒng)總體框圖 和各功能模塊的電路圖； 掌握計算機輔助設(shè)計方法，利用 Multisim 對電路進行仿真設(shè)計； 第 5 頁 共 20 頁 熟悉常用的電子元器件操作使用和測試方法； 掌握電子電路安裝調(diào)試技術(shù)，選擇合適的元器件搭接實際電路， 掌握電路的測試和故障排除方法。 2 各模塊的方案選擇和論證 2.1 計時顯示模塊 根據(jù)作品的設(shè)計，顯示器的選擇有以下二種方案： 方案一：用 12864 液晶顯示。12864 液晶可以清楚的顯示漢字、字 符、 數(shù)字等，并且自帶中文字庫，能夠很好 的顯示所需的各項內(nèi)容，并且電路連接比較簡單。但是價格昂貴， 并且一般為藍屏顯示不是很醒目，不適合作交通燈的計時顯示屏。 方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示模塊來顯示。數(shù)碼管的顯示比較簡 單，并且使用時不需要進行初始化的設(shè)置，且能夠顯示清楚。并且 在模擬交通燈控制系統(tǒng)時很形象且顏色為紅色，很醒目。 基于以上二種方案，從作品的要求，性能，成本等多方面考慮，在 本作品中選用數(shù)碼管很好的實現(xiàn)了設(shè)計要求。 2.2 交通燈控制模塊 通過 51 單片機的三個 IO 口控制紅黃綠三個發(fā)光二極管。 第 6 頁 共 20 頁 小結(jié)：經(jīng)過一系列的論證，系統(tǒng)最終采用的模塊如下： 顯示模塊：通過 51 單片機控制 2 位數(shù)碼管 燈光控制?？欤和ㄟ^ 51 單片機控制發(fā)光二極管 3 .系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 交通管理的方案論證 東西、南北兩干道交于一個十字路口，東西為主干道，南北為支干道，各 干道有一組紅、黃、綠三色的指示燈。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。黃 燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換，且黃燈燃亮?xí)r間為東西、南北兩 干道的公共停車時間。設(shè)東西道比南北道的車流量大，紅燈時間短，綠燈時間 長。指示燈亮滅的方案： 表 3.1 3.2 硬件系統(tǒng)框 圖 根據(jù)設(shè)計的要求，系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖 3.2 所示： 單 片 機 鍵 盤 L E D 顯 示 三 色 指 示 燈 圖 3.2 25S 5S 45S 5S 東西道 紅燈亮 黃燈亮 綠燈亮 黃燈亮 南北道 綠燈亮 黃燈亮 紅燈亮 黃燈亮 第 7 頁 共 20 頁 3.3 單片的機選取及介紹 單片機可選用 AT89C51，它與 8051 系列單片機全兼容，但其內(nèi)部帶有 1*4 KB 的 FLASH ROM，設(shè)計時無需外接程序存儲器，為設(shè)計和調(diào)試帶來極大的 方便。南北向和東西向各采用 2 個數(shù)碼管計時，同時需要對該方向的指示燈的 點亮?xí)r間進行倒計時。鍵盤系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的需要設(shè)置不同的鍵的個數(shù)，可 以選擇線式鍵盤或矩陣式鍵盤，若單片機的 IO 口不夠用時，可以考慮擴展 825 5 或 8155 滿足系統(tǒng)的要求。 MSC-51 芯片簡介 MCS-51 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8051 是 MCS-51 系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng) 的講解。 8051 單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定 時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線 和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明： 中央處理器： 中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能 處理 8 位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU 負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的 工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 數(shù)據(jù)存儲器(RAM) 8051 內(nèi)部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元，它們是 統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能 用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個，可存放讀寫的數(shù) 據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 圖 3.2 8051 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 程序存儲器(ROM)： 8051 共有 4096 個 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 第 8 頁 共 20 頁 定時/計數(shù)器(ROM)： 8051 有兩個 16 位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制 程序轉(zhuǎn)向。 并行輸入輸出(I/O)口： 8051 共有 4 組 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 全雙工串行口： 8051 內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行 口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 中斷系統(tǒng)： 8051 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行 中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。 時鐘電路： 8051 內(nèi)置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時 序，但 8051 單片機需外置振蕩電容。 單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈 佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲 器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL 的 MCS-51 系列單片機 采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS-96 系列單片機則采用普林 斯頓結(jié)構(gòu)。 下圖是 MCS-51 系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 第 9 頁 共 20 頁 圖 3.3 MCS-51 的引腳說明： MCS-51 系列單片機中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振 蕩器的時鐘線兩根，4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3 口線復(fù)用?，F(xiàn)在 我們對這些引腳的功能加以說明： MCS-51 的引腳說明： MCS-51 系列單片機中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振 蕩器的時鐘線兩根，4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3 口線復(fù)用?，F(xiàn)在 我們對這些引腳的功能加以說明： 第 10 頁 共 20 頁 圖 3.4 Pin9:RESET/Vpd 復(fù)位信號復(fù)用腳，當(dāng) 8051 通電，時鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后， 程序計數(shù)器 PC 指向 0000H，P0-P3 輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入 07H， 其它專用寄存器被清“0”。 RESET 由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的 狀態(tài)，8051 的初始態(tài)。 8051 的復(fù)位方式可以是自動復(fù)位，也可以是手動復(fù)位，見下圖 4。此外， RESET/Vpd 還是一復(fù)用腳，V cc 掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機 內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。 圖 3.5 Pin30:ALE/ 當(dāng)訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的 低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE 端將有一個 1/6 時鐘頻率的正脈沖 信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。 更有一個特點，當(dāng)訪問外部程序存儲器，ALE 會跳過一個脈沖。 如果單片機是 EPROM，在編程其間， 將用于輸入編程脈沖。 Pin29: 當(dāng)訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號，PC 的 16 位 地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 P0 和 P2 口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到 P0 口上， 由 CPU 讀入并執(zhí)行。 Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051 和 8751 單片機，內(nèi)置有 4kB 的程序存儲器，當(dāng) EA 為高電平并且程序地址小于 4kB 時，讀取內(nèi)部程序存儲器 第 11 頁 共 20 頁 指令數(shù)據(jù)，而超過 4kB 地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如 EA 為低電平，則不管地址 大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的 8031,EA 端必須接地。 在編程時，EA/V pp腳還需加上 21V 的編程電壓 3.4 顯示模塊原理圖： 圖 3.6 3.5 交通燈控制模塊原理圖： 通過 P20, P20, P20 控制紅綠藍三個發(fā)光二極管： 第 12 頁 共 20 頁 圖 3.7 與發(fā)光二極管相串聯(lián)電阻阻值的計算：vcc：+5V，二極管管壓降：1.7V，流過二極管電 流：約 3mA。由歐姆定律： R=（51.7）*1000/3=1K （式 3.1） 4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計： 4.1 主程序流程圖 第 13 頁 共 20 頁 5 心得體會及總結(jié) 本系統(tǒng)要求對單片機的中斷、定時器有較高級的應(yīng)用。同時也需要設(shè)計者 開始考慮當(dāng)多個模塊特別是當(dāng)對定時器，中斷的使用時如何來分配時序的問題， 這也是今后做大系統(tǒng)所必須具備的軟件思維能力。通過做本系統(tǒng)的鍛煉，明白 了寫復(fù)雜程序所必備的邏輯思維能力，是一次很好的鍛煉機會。同時，在制作 過程中遇到的困難，以及解決的過程又使我們充分體會到了團隊合作的重要性。 增強了解決困難的能力。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問 題全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在單片機的基本原理、單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，以 及在常用編程設(shè)計思路技巧（特別是 C 語言）的掌握方面都能向前邁了一大步， 為日后成為合格的應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。 最后要感謝指導(dǎo)老師的耐心答疑，身邊同學(xué)的無私幫助，讓我順利完成設(shè) 計，并從中學(xué)到了許多課本上沒有的知識，再次感謝他們! 初始化 數(shù)碼管顯示 開始 綠燈亮 45s 黃燈閃爍 5s 紅燈亮 25s 黃燈閃爍 5 秒 第 14 頁 共 20 頁 參考文獻 1安玉景,李雪瑩.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗M. 北京：人民郵電出版社 ,1998, 1. 2楊元挺,唐果南.電子技術(shù)技能訓(xùn)練M. 北京：電子工業(yè)出版社 ,2002, 1. 3盧結(jié)成,高世忻,陳力生等.電子電路實驗及應(yīng)用課題設(shè)計 M.合肥：中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2006, 3. 4黃仁欣.電子技術(shù)實踐與訓(xùn)練M. 北京：清華大學(xué)出版社 ,2004, 9. 5何立民.單片機高級教程應(yīng)用與設(shè)計：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.1 第 15 頁 共 20 頁 附錄 1 系統(tǒng)原理圖 第 16 頁 共 20 頁 附錄二 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 頁 共 20 頁 void main() while(1) TMOD=0 x01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; num=45;/主干道綠燈亮支道紅燈亮 45 秒 while(num!=0) P2=0X7b; P1=0 xfb; P0=tablege; delay(5); P1=0 xf7; P0=tableshi; delay(5); 第 18 頁 共 20 頁 TR0=1; num=5;/主干道支道黃燈亮 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;/主干道紅燈亮支道綠燈亮 25 秒 while(num!=0) P2=0Xde; 第 19 頁 共 20 頁 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 頁 共 20 頁 shi=num/10; ge=num%10;