交通燈單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

1、1 序言1.1交通燈的形成當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)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(jì)就已出現(xiàn)了。1858年，在英國(guó)倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。1868年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩色旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號(hào)大街的一座高塔上。

2、紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)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(guó)道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定對(duì)各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一

3、種標(biāo)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(hào)，面對(duì)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(hào)，面對(duì)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(shí)可以進(jìn)入交叉路口。我們?cè)O(shè)計(jì)的單片機(jī)控制交通燈就是基于信號(hào)燈。1.2 技術(shù)指示設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口（方向?yàn)闁|西南北四個(gè)方向）的交通燈控制電路，每條道路上各配有一組紅、黃、綠交通信號(hào)燈，其中紅燈亮，表示該道路禁止通行；黃燈亮表示該道路上未過停車線的車輛禁止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行；綠燈表示該道路允許通行。該電路自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)

4、現(xiàn)十字路口自動(dòng)化。圖1.2為一十字路口交通燈控制圖的簡(jiǎn)化圖。 圖1.2 十字路口交通燈控制圖簡(jiǎn)化圖1.3任務(wù)和要求設(shè)計(jì)一個(gè)交通燈系統(tǒng)，通過單片機(jī)如AT89C51并接數(shù)碼管及發(fā)光二極管來模擬交通燈的變化規(guī)律，8個(gè)數(shù)碼管用來顯示秒值，東西南北各兩個(gè)，12個(gè)發(fā)光二極管，東西南北各三個(gè)，分為紅綠黃三種顏色。設(shè)計(jì)思路，首先東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，同時(shí)開始計(jì)時(shí)20s，在7段數(shù)碼管上顯示時(shí)間。當(dāng)20s倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，開始3s倒計(jì)時(shí)，并且東西方向綠燈開始閃爍，南北方向紅燈亮。當(dāng)3s倒計(jì)時(shí)結(jié)束后再開始2s倒計(jì)時(shí)，并且東西方向黃燈亮，南北方向還是紅燈亮。當(dāng)2s倒計(jì)時(shí)結(jié)束后開始20s的倒計(jì)時(shí)，此時(shí)是南北方向綠

5、燈亮，東西方向紅燈亮。接下來就是南北方向綠燈閃爍3s，再南北方向黃燈閃爍2s，接著又開始循環(huán)。要求設(shè)計(jì)出電氣原理圖、要求設(shè)計(jì)出程序流程圖、要求設(shè)計(jì)出程序。2 硬件電路的描述和設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)的簡(jiǎn)述單片機(jī)是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備以及輸出設(shè)備共五個(gè)基本部分組成的。單片機(jī)是把包括運(yùn)算器、控制器、少量的存儲(chǔ)器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時(shí)電路等都集成在一個(gè)尺寸有限的芯片上。通常，單片機(jī)由單個(gè)集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)經(jīng)過1、2、3

6、、4代的發(fā)展，目前單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的CPU功能在增強(qiáng)，內(nèi)部資源在增多，引腳的多功能化，以及低電壓、低功耗。單片機(jī)體積小、功能全、性價(jià)比等諸多優(yōu)點(diǎn)而獨(dú)具特色，在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、家用電器等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中獨(dú)占鰲頭。如果說C語言程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)課，那么單片機(jī)以其系統(tǒng)硬件構(gòu)架完整、價(jià)格低廉、學(xué)生能動(dòng)手等特點(diǎn)，成為工科學(xué)生硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課。2.2電源電路 穩(wěn)壓的穩(wěn)壓電源電路圖如圖2.2所示。220V電壓經(jīng)過降壓后得到12V交流電，經(jīng)二極管整流成脈動(dòng)直流電，經(jīng)過電容濾波后再又經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓得到5V的直流電供系統(tǒng)工作，后面的發(fā)光二極管是起一個(gè)電源指示的作用，4

7、70UF的電容是起一個(gè)再次濾波的作用。 圖2.2 電源電路2.3芯片的選擇與簡(jiǎn)單介紹此設(shè)計(jì)主控芯片采用AT89C51（如圖2.3）芯片。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)，亦稱單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、程序存儲(chǔ)器（ROM）、輸入/輸出端口（I/O）等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。 2.4單片機(jī)的最小系統(tǒng) 圖2.3 AT89C5

8、1芯片 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2.4所示是以89C51為核心，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，成本相對(duì)較低，非常符合本設(shè)計(jì)的所有要求。89C51單片機(jī)系列是MCS-51系列的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是當(dāng)前8位單片機(jī)的典型代表，采用CHMOS工藝，即互補(bǔ)金屬氧物的HMOS工藝。CHMOS是CMOS和HMOS的結(jié)合，具有HMOS高速度和高密度的特點(diǎn)，還具有C MOS低功耗的特點(diǎn)。時(shí)鐘電路在單片機(jī)的外部通過XTAL1、X TAL2這兩個(gè)引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。本系統(tǒng)采用的為12MHz 的晶振，一個(gè)機(jī)器周期為1us，C1、C2為30pF。 2.5 顯示電路因?yàn)橄到y(tǒng)要求南北和東西方向的信號(hào)

9、燈時(shí)間不一樣，所以就利用單片機(jī)的P0口送出數(shù)據(jù)的段碼，位選信號(hào)用 P2口送出，用動(dòng)態(tài) 圖2.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)掃描的方法顯示東西、南北的倒計(jì)時(shí)間。數(shù)碼管使用共陰數(shù)碼管，需要接上470歐上拉電阻以提供足夠大的電流來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，數(shù)碼管的每段的電流是約10毫安。顯示電路組件如圖2.5所示： 圖2.5 顯示電路2.6 信號(hào)燈電路本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)的P2口來驅(qū)動(dòng)和控制各種信號(hào)燈的燃亮和燃亮?xí)r間，在實(shí)際中，交通燈的信號(hào)燈需要用高電壓控制，在這里我們只是模擬一下它的控制信號(hào)，所以我們就只用單片機(jī)的信號(hào)引腳直接來控制發(fā)光二極管,如圖2.6所示。圖2.6 信號(hào)燈電路 2.7電路原理圖電路原理如圖2.6，此圖主要由

10、一塊主芯片AT89C51、四個(gè)7SEG-MPX2-CC、十二個(gè)發(fā)光二極管（分別為四個(gè)LED RED、四個(gè)LED YELLOW、四個(gè)LED GREEN）、一塊RESPACK-8組成。系統(tǒng)除具有基本交通燈功能外，還具有時(shí)間設(shè)置、LED信息顯示功能，是交通實(shí)現(xiàn)有效控制。詳圖見下一頁： 圖2.7 電路原理圖3 軟件設(shè)計(jì)流程及描述3.1設(shè)計(jì)方案思想先了解交通燈的變化規(guī)律，假設(shè)這個(gè)十字路口為東西南北走向。轉(zhuǎn)狀態(tài)1東西綠燈通行，南北紅燈禁行。過20s轉(zhuǎn)狀態(tài)2，南北仍然紅燈，東西綠燈閃爍3s后轉(zhuǎn)為黃燈亮2s。再轉(zhuǎn)狀態(tài)3，南北變?yōu)榫G燈通行，東西變?yōu)榧t燈禁行。過20s轉(zhuǎn)狀態(tài)4，東西仍然紅燈，南北綠燈閃爍3s轉(zhuǎn)黃燈

11、亮2s。最后回到狀態(tài)1，不斷循環(huán)。系統(tǒng)統(tǒng)采用MSC-51系列單片機(jī)為中心器件來設(shè)計(jì)交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車流量通過單片機(jī)芯片的P1口控制紅、黃、綠燈的燃亮與熄滅；P0口外接數(shù)碼管來顯示各個(gè)信號(hào)燈的時(shí)間。3.2設(shè)計(jì)要求流程圖 設(shè)計(jì)流程圖如圖3.2： 東西綠燈亮南北紅燈亮東西紅燈亮南北黃燈亮東西紅燈亮南北綠燈閃東西紅燈亮南北綠燈亮東西黃燈亮南北紅燈亮東西綠燈閃南北紅燈亮圖3.2 設(shè)計(jì)流程圖以上設(shè)計(jì)流程圖，在編制主程序流程圖和編寫程序源代碼的時(shí)候，以此作為參考。程序開始時(shí)狀態(tài)一為東西綠燈亮南北紅燈亮，延時(shí)并倒計(jì)時(shí)；然后進(jìn)入第二個(gè)狀態(tài)東西綠燈閃南北紅燈亮，延時(shí)倒計(jì)時(shí)結(jié)束后再改變狀態(tài)，第三個(gè)狀態(tài)

12、為東西黃燈亮南北紅燈亮，延時(shí)。第四個(gè)狀態(tài)東西變?yōu)榧t燈，南北變?yōu)榫G燈，這是東西禁行，南北通行。第五個(gè)狀態(tài)東西依然紅燈亮，南北綠燈閃爍，倒計(jì)時(shí)。第六狀態(tài)東西不變還是紅燈，南北黃燈亮。依次按照設(shè)計(jì)流程圖進(jìn)行下去，一個(gè)周期結(jié)束后馬上進(jìn)入現(xiàn)已周期，依次循環(huán)。3.3主程序流程圖主程序流程圖如圖3.3所示：開 始關(guān)閉T0設(shè)置時(shí)間初值初值送緩沖單元初值遞減初值減到0？返 回拆分程序調(diào)用顯示子程序 N Y 圖3.3 主程序流程圖4 仿真效果4.1仿真軟件利用wave軟件進(jìn)行編程，利用proteus軟件設(shè)計(jì)原理圖并接線。4.2系統(tǒng)仿真效果圖圖4.2（a）、（b）為用proteus軟件模擬交通燈的部分狀態(tài)仿真圖。圖

13、4.2（a）是在仿真電源接通之前的效果圖，此時(shí)處于初始狀態(tài)。當(dāng)接通電源的瞬間，東西方向從20s倒計(jì)時(shí)并且綠燈亮，南北方向從25s倒計(jì)時(shí)并且紅燈亮。圖4.2（a） 仿真效果圖圖4.2（b）為東西方向從20s倒計(jì)時(shí)至9秒時(shí)，南北方向從25s倒計(jì)時(shí)至14秒的狀態(tài)圖。并且在倒計(jì)時(shí)的同時(shí)東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮。圖4.2（b） 仿真效果圖4.2仿真結(jié)果分析從仿真的過程來看，在接通電源時(shí)仿真能夠正常運(yùn)行。紅燈、黃燈、綠燈狀態(tài)能夠符合要求轉(zhuǎn)換。仿真開始東西方向?yàn)榫G燈倒計(jì)時(shí)20s，南北方向紅燈25s，當(dāng)東西方向20s倒計(jì)時(shí)結(jié)束馬上轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈倒計(jì)時(shí)3s，南北方向仍然是紅燈倒計(jì)時(shí)，東西方向3s綠燈倒計(jì)時(shí)結(jié)束

14、后轉(zhuǎn)變?yōu)辄S燈倒計(jì)時(shí)2s。在東西方向黃燈倒計(jì)時(shí)2s結(jié)束的同時(shí)，南北方向也剛好結(jié)束了紅燈25s的倒計(jì)時(shí)，然后南北方向馬上轉(zhuǎn)變?yōu)?0s的綠燈倒計(jì)時(shí)，東西方向轉(zhuǎn)變?yōu)?5s的紅燈倒計(jì)時(shí)，循環(huán)下去。此程序仿真可以準(zhǔn)確顯示每個(gè)狀態(tài)所剩余的時(shí)間，可以自主的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。完成一個(gè)周期后此系統(tǒng)都將會(huì)進(jìn)入下一個(gè)周期的開始，實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制交通燈的變換，符合課程設(shè)計(jì)的要求。課程設(shè)計(jì)體會(huì)總結(jié)第一次做課程設(shè)計(jì)，剛拿到題目的時(shí)候很茫然，不知道從什么地方下手，也不知道該怎么做。通過對(duì)設(shè)計(jì)題目和要求的反復(fù)琢磨，咨詢了指導(dǎo)老師，參考了很多資料后，了解了設(shè)計(jì)的大概，并且對(duì)此次課程設(shè)計(jì)也有了大體的思路。在做的過程中，我遇到

15、了很多困難，比如對(duì)知識(shí)的不深入，讓我不得不查閱很多資料，花費(fèi)很多時(shí)間理解每一個(gè)難關(guān)。在不懈的努力下終于完成了此次課程設(shè)計(jì)。通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我思考、解決問題和動(dòng)手的能力。電路原理和連接，和芯片上的選擇,也懂得了一些。鞏固數(shù)字邏輯電路的理論知識(shí)，并對(duì)芯片有了新的認(rèn)識(shí)，懂得它的功能與其它芯片替換等。更重要的是如何將邏輯電路靈活運(yùn)用于實(shí)際生活。協(xié)作的重要性。我懂得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，很多問題都解決了，而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，主要是因?yàn)闆]有動(dòng)手實(shí)踐。這次的實(shí)踐后，讓我獲益匪

16、淺。經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，也讓我更加深刻的認(rèn)識(shí)到學(xué)好單片機(jī)的重要意義。當(dāng)今單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域比如從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置、飛機(jī)上各種儀表的控制、計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械、工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理等等到我們生活中接觸到的各種智能IC卡、民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)、錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。它主要是作為控制部分的核心部件。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)在各行各業(yè)異常重要。在今后的學(xué)習(xí)中，我會(huì)更加努力的學(xué)習(xí)鞏固單片機(jī)，為以后的工作打下堅(jiān)固的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：【1】樓然苗等單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M北京航空

17、航天大學(xué)出版社，2007.【2】何立民等單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程M北京航空航天大學(xué)出版社，2004.【3】張毅剛、彭喜源、譚曉昀、曲春波MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.【4】房小翠單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)M北京國(guó)防工業(yè)出版社，2003.【5】丁鎮(zhèn)生.傳感及遙控遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003附錄 源程序代碼源程序代碼： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH AJMP TIME0 ORG 0040HMAIN: MOV SP, #70H MOV 40H, #14H ；東西綠燈顯示時(shí)間20S MOV 41H, #14H ；南北綠燈顯示時(shí)間20S MO

18、V 42H, #02H ；黃燈顯示時(shí)間2S MOV 39H, #03H ；綠燈閃爍時(shí)間3SSTART: MOV A, 41H ADD A, 42H ADD A, 39H MOV 43H, A ；東西紅燈時(shí)間 MOV A, 40H ADD A, 42H ADD A, 39H MOV 50H, A ；南北紅燈時(shí)間 MOV TMOD, #01H ；開始正常工作狀態(tài) MOV TH0, #3CH MOV TL0, #0B0H ；定時(shí)50ms SETB EA ；開始計(jì)時(shí) SETB ET0 ；開T0中斷 SETB TR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器T0STATUS1: MOV P1, #84H ；東西綠燈亮20秒，南北紅

19、燈亮 MOV 44H, 40H MOV 45H, 50H J11: MOV R4, #14H J10: LCALL DISP MOV A, R4 JNZ J10 DEC 44H DEC 45H MOV A, 44H JNZ J11 STATUS2: MOV P1, #84H ；東西綠顯示3秒，南北紅燈亮 MOV R3, 39H J21: MOV 44H, R3 MOV R4, #0AH J20: LCALL DISP MOV A, R4 JNZ J20 MOV P1, #04H MOV R4, #0AH J23: LCALL DISP MOV A, R4 JNZ J23 MOV P1, #84

20、H LCALL DISP DEC 44H DEC 45H DJNZ R3, J21 STATUS3: MOV P1, #44H ；東西黃燈顯示2秒，南北紅燈亮 MOV R3, 42H MOV 44H, R3 J31: MOV R4, #14H J30: LCALL DISP MOV A, R4 JNZ J30 DEC 44H DEC 45H DJNZ R3, J31 STATUS11: MOV P1, #30H ；南北綠燈亮20秒，東西紅燈亮 MOV 44H, 43H MOV 45H, 41H J111: MOV R4, #14H J110: LCALL DISP MOV A, R4 JNZ

21、J110 DEC 44H DEC 45H MOV A, 45H JNZ J111 STATUS22: MOV P1, #30H ；南北綠閃爍3秒，東西紅燈亮 MOV R3, 39H J222: MOV 44H, R3 MOV R4, #0AH J220: LCALL DISP MOV A, R4 JNZ J220 MOV P1, #20H MOV R4, #0AH J221: LCALL DISP MOV A, R4 JNZ J221 MOV P1, #30H LCALL DISP DEC 44H DEC 45H DJNZ R3, J222 STATUS23: MOV P1, #28H ；南北

22、黃2秒，東西紅燈亮 MOV R3, 42H J232: MOV 44H, R3 MOV R4, #0AH J230: LCALL DISP MOV A, R4 JNZ J230 MOV P1, #20H MOV R4, #0AH J231: LCALL DISP MOV A, R4 JNZ J231 MOV P1, #28H LCALL DISP DEC 44H DEC 45H DJNZ R3, J232 AJMP STATUS1DISP: MOV A, 44H MOV B, #0AH DIV AB MOV 46H, A ；46H，47H存儲(chǔ)東西方向顯示的十位、個(gè)位數(shù) MOV 47H, B MOV A, 46H MOV DPTR, #TAB MOVC A, A+DPTR MOV 46H, A MOV A, 47H MOV DPTR, #TAB MOVC A, A+DPTR MOV 47H, A MOV A, 45H MOV B, #0AH DIV AB MOV 48H, A ；48H，4