基于單片機(jī)的智能交通燈的設(shè)計(jì)說明

1、 PAGE19 / NUMPAGES191總體介紹1.1 芯片簡(jiǎn)介AT89C5X芯片簡(jiǎn)介,AT89C51是AT89C5X系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。AT89C51單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元與數(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(CPU)是整個(gè)單片機(jī)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(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。AT89C51部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單

2、元和128個(gè)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(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 AT89C51共有4096個(gè)8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。AT89C51有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。AT89C51共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。AT89C51置一個(gè)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。AT89

3、C51具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。AT89C51置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但AT89C51單片機(jī)需外置振蕩電容。1.2 技術(shù)指標(biāo)用AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)智能交通燈控制系統(tǒng)，使其能模仿城市十字路口交通燈的功能，并對(duì)滿足特殊的控制要求。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)現(xiàn)十

4、字路口自動(dòng)化。交通等示意圖如圖1-1所示圖1-1 交通燈示意圖1.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)該控制系統(tǒng)能控制東西南北四個(gè)路口的紅黃綠燈正常工作。東西和南北方向分時(shí)準(zhǔn)行和禁行。兩垂直方向的準(zhǔn)行時(shí)間均為60s或120s，可以進(jìn)行控制轉(zhuǎn)換。準(zhǔn)行方向亮綠燈與禁行方向亮綠燈55s后，四個(gè)產(chǎn)品同時(shí)加亮一黃燈進(jìn)行閃爍，以警告車輛與行人，準(zhǔn)行方向與禁行方向即將改變。四個(gè)道口用數(shù)碼管顯示路人行或禁行的剩余時(shí)間在交通情況特殊情況下可以通過K1、K2、K3按鍵對(duì)交通燈進(jìn)行控制。當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí)按下K1鍵四個(gè)路口同時(shí)加亮黃燈進(jìn)行閃燈且倒計(jì)時(shí)顯示關(guān)閉。黃燈閃爍完畢后四路口全變紅燈禁行，處理緊急情況。有某方向上車輛過多 ，可以使用K

5、2、K3鍵控制東西或南北方向通行，另一方向禁行。按下控制鍵后先在四個(gè)路口加5s的黃燈閃爍.2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)2.1 AT89C5X單片機(jī)部結(jié)構(gòu)與引腳在AT89C5X系列單片機(jī)中，有2個(gè)系列：子51系列和52子系列。每個(gè)系列有若干種型號(hào)。51系列有AT89C51、8751和8031。我們以AT89C5X系列單片機(jī)的典型型號(hào)AT89C51為例來介紹其結(jié)構(gòu)和功能。AT89C5X的部結(jié)構(gòu)框圖2-1如下： 圖2-1 AT89C51單片機(jī)部結(jié)構(gòu)分析上圖，并按其功能部件劃分可以看出，AT89C5X系列單片機(jī)是由8大部分組成的，分別為：一個(gè)8位中央處理器CPU（又成為微處理器）、128個(gè)字節(jié)的片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

6、RAM、4KB的片程序存儲(chǔ)器ROM或EPROM、18個(gè)特殊功能寄存器SFR、4個(gè)8位并行輸入輸出I/O接口、1個(gè)串行I/O接口，完成單片機(jī)與其他微機(jī)之間的串行通信、2個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1、一個(gè)具有5個(gè)中斷源，2 個(gè)可編程優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)。 它可以接收外部中斷申請(qǐng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷申請(qǐng)和串行口終端申請(qǐng)。AT89C5X系統(tǒng)的引腳說明：AT89C5X系列單片機(jī)中的8031、AT89C51與8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，圖二是它們的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和底線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。8951的復(fù)位方式可以自

7、動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位。除此之外，RESET是復(fù)用引腳，Vcc掉電其間，此引腳可以接備用電源，以保證單片機(jī)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。 在編程時(shí)，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。AT89C51的引腳圖如圖2-2所示圖2-2 AT89C51引腳圖振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除： 整個(gè)EPROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信

8、號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。2.2單片機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用單片機(jī)的特點(diǎn)：控制功能強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)，可靠性高，工作溫度圍寬、開發(fā)周期短，性價(jià)比高，易于產(chǎn)品化。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域：智能化儀表、實(shí)時(shí)工業(yè)控制、機(jī)電一體化產(chǎn)品、智能接口、辦公自動(dòng)化、商業(yè)營(yíng)銷、家用電器。2.3 主控制系統(tǒng)一個(gè)完整的交通燈控制系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有交通燈設(shè)置電路、單片機(jī)、顯示電路、復(fù)位電路和震蕩電路等構(gòu)成。單片機(jī)是集成的IC芯片，只需根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求選型。其他部分都需要根據(jù)應(yīng)用要求和性能指標(biāo)自行設(shè)計(jì)。

9、硬件電路圖如圖2-3所示圖2-3 智能交通燈系統(tǒng)的硬件電路單片機(jī)的P0口用于控制8255。8255的PA口和PB口用于控制南北與東 西的通行燈。PC口與P3.0到P3.2口用于4組2位LED計(jì)時(shí)器的控制，特種車通過時(shí)使用外中斷0口（P3.3），手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換采用PC口按鍵。選擇8255的工作方式0，在這種情況下三個(gè)端口都可以由程序設(shè)置為輸入和輸出。2.3.1系統(tǒng)時(shí)鐘、復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的Vcc引腳接+5V 的電源，Vss引腳接地。復(fù)位電路為獨(dú)立的復(fù)位電路。RC上電復(fù)位電路接施密特電路輸入端，施密特電路輸出接AT89C51和外圍復(fù)位電路，這樣可是系統(tǒng)可靠的復(fù)位。給RST端持續(xù)高電平，超過兩個(gè)時(shí)鐘周

10、期，則AT89C51單片機(jī)復(fù)位。其復(fù)位電路如圖2-4所示圖2-4 系統(tǒng)的復(fù)位電路時(shí)鐘電路由兩個(gè)30PF的微調(diào)電容和一個(gè)晶振組成。AT89C51部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。2.3.2系統(tǒng)計(jì)時(shí)顯示模塊的設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)顯示模塊顯示PB、P1、P2的輸出數(shù)據(jù)，用于顯示通行或禁行時(shí)間，且可以實(shí)現(xiàn)60秒和120秒的交替顯示。控制開關(guān)由PC0、PC1控制。用軟件編程，采用中斷、查詢的方法檢測(cè)按鍵按下的位置，全采用外部尋址方式。數(shù)碼顯示硬件采用高亮7段LED發(fā)光數(shù)碼管顯示，驅(qū)動(dòng)電流由

11、單片機(jī)與8255共同提供。PA口輸出控制交通燈的紅綠燈的交替亮滅。用軟件編程對(duì)外部I/O口送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)交通燈的控制。2.3.3緊急狀況模塊的設(shè)計(jì)當(dāng)特種車輛到來時(shí)能自動(dòng)關(guān)閉所有綠燈，所有交通燈顯示黃色閃爍狀態(tài)，讓特種車通過。設(shè)計(jì)中采用外部中斷的方式作為特種車通行的狀況，使用外部中斷0來影響特種車的通行要求。當(dāng)有特種車輛通過時(shí)，按下K1鍵，低電平經(jīng)與門連接到外部中斷引腳P3.2，是系統(tǒng)進(jìn)入中斷過程，在中斷服務(wù)程序中，使交通燈顯示黃色閃爍的狀態(tài)。某方向上車輛過多，可以使用K2、K3鍵控制東西或南北方向通行，另一方向禁行。按下控制鍵后先在四個(gè)路口加5s的黃燈閃爍。K2、K3鍵也通過與門連接到外部中

12、斷引腳P3.2，采用鍵盤查詢的方式檢測(cè)哪個(gè)按鍵按下。當(dāng)K2鍵按下時(shí)，東西方向直亮綠燈，南北方向直亮紅燈。K3鍵按下時(shí)，南北方向直亮綠燈，東西方向直亮紅燈。用以模擬某個(gè)方向車輛過多的狀態(tài)。3 軟件設(shè)計(jì)流程與描述3.1軟件設(shè)計(jì)先了解實(shí)際交通燈的變化規(guī)律，假設(shè)一個(gè)十字路口為東西南北走向。初始狀態(tài)0為東西紅燈，南北綠燈；然后轉(zhuǎn)狀態(tài)1，南北綠燈滅黃燈閃，延時(shí)5秒，東西仍然紅燈。再轉(zhuǎn)狀態(tài)2，東西綠燈通車，南北紅燈。過一段時(shí)間轉(zhuǎn)狀態(tài)3，東西綠燈滅黃燈閃，延時(shí)5秒，南北仍然紅燈，最后回到狀態(tài)1，不斷循環(huán)。通過外部尋找的方式，將數(shù)據(jù)送至PA口，PA口接交通燈，通過對(duì)PA口的賦值，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈的控制。數(shù)碼顯示的個(gè)

13、位和十位的數(shù)據(jù)通過P2口和P1口傳送，百位數(shù)據(jù)傳送用PB口。軟件調(diào)試：軟件調(diào)試是通過對(duì)程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯(cuò)誤與邏輯錯(cuò)誤并加以排除糾正的過程。3.2主程序的設(shè)計(jì)思路程序的設(shè)計(jì)流程圖反映了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，此交通燈控制器的程序流程圖如圖3-1所示開始初始化程序東西道口紅燈亮，南北道口綠燈亮，55秒倒計(jì)時(shí)顯示東西南北5秒倒計(jì)時(shí)顯示，黃燈閃爍東西南北5秒倒計(jì)時(shí)顯示，黃燈閃爍東西道口綠燈亮，南北道口紅燈亮55秒倒計(jì)時(shí)顯示圖3-1 主程序流程圖3.3程序設(shè)計(jì)思路3.3.1每秒鐘的設(shè)定延時(shí)方法可以有兩種一種是利用MCS-51部定時(shí)器才生溢出中斷來確定1秒的時(shí)間，另一種是采用軟延時(shí)的方

14、法。我們采用在主程序中設(shè)定一個(gè)初值為10的軟件計(jì)數(shù)器和使1定時(shí)1000毫秒這樣每當(dāng)1到1000毫秒時(shí)CPU就響應(yīng)它的溢出中斷請(qǐng)求，進(jìn)入他的中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中，CPU先使軟件計(jì)數(shù)器減1，然后判斷它是否為零。為零表示1秒已到可以返回到輸出時(shí)間顯示程序。其程序流程圖如圖3-2所示YYYYY延時(shí)R0減1R7是否為1（60H）是否為0開始給TH1,TL1重新賦初值B減1后是否為0R0是否為0R0是否為0給R0賦初值為10R1減1R1是否為0給R1賦值為9，R7減1R7的值從B口讀出中斷返回NNNNN圖3-2 定時(shí)中斷流程圖3.3.2軟件延時(shí)MCS-51的工作頻率為2-12MHZ，我們選用

15、的8051單片機(jī)的工作頻率為6MHZ。機(jī)器周期與主頻有關(guān)，機(jī)器周期是主頻的12倍，所以一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間為12*（1/6M）=2us。我們可以知道具體每條指令的周期數(shù)，這樣我們就可以通過指令的執(zhí)行條數(shù)來確定1秒的時(shí)間。DEL為一個(gè)雙重循壞 循環(huán)次數(shù)為126*2=252次，所以延時(shí)時(shí)間=0.1s ，由于單片機(jī)的運(yùn)行速度很快其他的指令執(zhí)行時(shí)間可以忽略不計(jì)。該程序的流程圖如圖3-3所示。NN開始給R6賦初值為2給R5賦初值為126R5減1后是否為0YR6減1后是否為0Y子程序返回圖3-3 延時(shí)程序的程序流程圖3.3.3外部中斷控制當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí)按下K1鍵，進(jìn)而產(chǎn)生外部中斷，改變程序入口控制值，則

16、四個(gè)路口同時(shí)加亮黃燈進(jìn)行閃燈（閃燈時(shí)間為5s）且倒計(jì)時(shí)顯示關(guān)閉。黃燈閃爍完畢后四路口全變紅燈禁行，處理緊急情況有某方向上車輛過多 ，可以使用K2、K3鍵產(chǎn)生外部中斷控制東西或南北方向通行，另一方向禁行。按下控制鍵后先在四個(gè)路口加5s的黃燈閃爍。該程序的流程圖如圖3-4所示。NNNYNNY中斷開始將C口的值讀入并給AA是否為7FH給R2，B,60H,61H分別賦值為01H，01H，00H,00HA是否為BFHA是否為DFH給R2，B,60H,61H分別賦值為03H，01H，00H,01H給R2，B,60H,61H分別賦值為02H，01H，00H,01HA是否為FEH給R2，B,60H,61H分別

17、賦值為00H，00H，01H,01HA是否為FDH給R2，B,60H,61H分別賦值為00H，01H，00H,01HYYYR3賦值為0，中斷返回圖3-4 外部中斷流程圖3.3.4 時(shí)間與信號(hào)燈的顯示8051雖然有4個(gè)8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因?yàn)镻2和P0口通常用于傳送外部傳送地址和數(shù)據(jù),P3口也有它的第二功能。因此，8051通常需要擴(kuò)展。由于我們用外部輸入設(shè)定紅綠燈倒計(jì)時(shí)初值、數(shù)碼管的輸出顯示、紅綠黃信號(hào)燈的顯示都要用到一個(gè)I/O端口，顯然8051的端口是不夠，需要擴(kuò)展。 擴(kuò)展的方法有兩種：（1）借用外部RAM地址來擴(kuò)展I/O端口；（2）采用I/O接口新片來擴(kuò)充。我們用8

18、255并行接口信片來擴(kuò)展I/O端口。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)為1秒時(shí)程序跳轉(zhuǎn)到時(shí)間顯示與信號(hào)燈顯示子程序，它將依次顯示信號(hào)燈時(shí)間 ，同時(shí)一直顯示信號(hào)燈的顏色，這時(shí)在返回定時(shí)子程序定時(shí)一秒，在顯示黃燈的下一個(gè)時(shí)間，這樣依次把所有的燈色的時(shí)間顯示完后在重新給時(shí)間計(jì)數(shù)器賦初值 ，重新進(jìn)入循環(huán)。由于發(fā)光二極管為共陰極接法，輸出端口為高電平，對(duì)應(yīng)的二極管發(fā)光，所以可以用置位方法點(diǎn)亮紅，綠，黃發(fā)光二極管。LED 燈的顯示原理:通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二極管是否點(diǎn)量而顯示不同的字形如SP，g,f,e,d,c,b,a 管角上加上7FH所以SP上為0伏，不亮其余為TTL高電平，全亮則顯示為8。4 硬件調(diào)試與軟

19、件仿真系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)，當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，東西紅燈，南北綠燈。系統(tǒng)顯示狀態(tài)如圖4-1所示圖4-1 東西紅燈南北綠燈時(shí)系統(tǒng)的顯示結(jié)果此種狀態(tài)下，數(shù)碼管從55倒計(jì)時(shí)顯示到1，然后黃燈閃爍5秒鐘圖途中藍(lán)點(diǎn)表示低電平，紅點(diǎn)表示高電平。東西綠燈結(jié)束后，黃燈閃爍，已警示車輛與行人，通行方向與禁行方向即將改變。其系統(tǒng)顯示狀態(tài)如圖4-2所示圖4-2 黃燈閃爍時(shí)系統(tǒng)的顯示結(jié)果此時(shí)，南北綠燈即將變紅，東西紅燈即將變綠，以警告車輛與行人，通行與禁行方向即將改變。黃燈閃爍時(shí)間5秒鐘。黃燈閃爍結(jié)束后，禁行與通行方向改變，變?yōu)槟媳奔t燈，東西綠燈。系統(tǒng)顯示狀態(tài)如圖4-3所示圖4-3 東西綠燈南北紅燈時(shí)系統(tǒng)的顯示結(jié)果此種狀態(tài)

20、下，南北方向紅燈禁行，東西方向綠燈通行。持續(xù)時(shí)間55秒鐘。數(shù)碼管顯示數(shù)字從55遞減到1。數(shù)碼管遞減到1后，黃燈開始閃爍，其顯示結(jié)果如圖4-4所示圖4-4 黃燈閃爍時(shí)系統(tǒng)的顯示結(jié)果當(dāng)今有緊急狀況，如特殊車輛通過時(shí)，用外部中斷的方式模擬，按下K1鍵，其系統(tǒng)顯示結(jié)果如圖4-5所示圖4-5 按下K1鍵時(shí)系統(tǒng)的顯示結(jié)果此種狀態(tài)下，僅適用于緊急狀況。表示只有特殊車輛（如救護(hù)車）能夠通行，其他車輛全禁行。當(dāng)緊急狀態(tài)解除后，在摁下K1鍵，又回到系統(tǒng)原來的狀態(tài)。當(dāng)某個(gè)方向車輛或行人過多時(shí)，讓一方向通行，另一方向禁行，可通過K2，K3鍵控制，當(dāng)東西方向車輛多時(shí)，其系統(tǒng)顯示結(jié)果如圖4-6所示圖4-6 按下K2鍵時(shí)系統(tǒng)的顯示結(jié)果此時(shí)表示東西方向車輛多，通過按下K2鍵使東西方向通行，南北方向禁行，當(dāng)路口情況恢復(fù)正常后，按下 K2鍵回到原來的狀態(tài)。當(dāng)南北車輛較多時(shí)，其系統(tǒng)顯示結(jié)果如圖4-7所示圖4-7