单片机课程设计论文十字路口交通信号灯控制器的设计.docx

目录1设计任务和内容11.1设计任务11.2 功能要求说明11.3 设计课题总体方案介绍及工作原理说明21.3.1 工作原理21.3.2 总体方案介绍22硬件设计42.1 设计课题硬件系统各模块功能简要介绍42.1.1晶振电路42.1.2 显示及显示驱动电路42.1.3 键盘控制电路52.1.4 复位电路52.1.5 指示灯控制电路62.2 电路原理图72.3 电路PCB图72.4 元器件布局图72.5 元器件清单图73、设计课题软件系统的设计83.1 单片机资源的使用情况83.2 软件系统各模块功能简要介绍83.3 软件系统程序流程框图83.4 程序清单114 设计总结134.1 使用说明134.2 仿真结果134.3 误差分析154.4 设计体会154.5 教学建议16参考文献17附 录18附录一 电路原理图18附录二 PCB图19附录三 元器件布局图20附录四 元器件清单21附录五 程序清单221设计任务和内容 1.1设计任务设计一个具有特定功能的十字路口交通灯。该交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”， 进入准备工作状态。按开始键则开始工作，按结束键则返回“P.”状态。要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，甲车道为主车道，每次通车时间为60秒，乙车道为次车道，每次通车时间为30秒，要求黄灯亮3秒，并且1秒闪烁一次。有应急车辆出现时，红灯全亮，应急车辆通车时间10秒，同时禁止其他车辆通过。1.2 功能要求说明 利用单片机完成交通信号灯控制器的设计，该交通信号灯控制器由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。用红、绿、黄发光二极管作信号灯。如图下图所示。设东西向为主干道，南北为支干道。（1）当交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。（2）干道亮绿灯时，支干道亮红灯；支干道亮绿灯时，主干道亮红灯。（3）灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮3秒黄灯作为过渡。黄灯亮时，原红灯按1Hz的频率闪烁。（4）应急车辆出现时，红灯全亮，应急车辆通车时间10秒，同时禁止其他车辆通过。北东南西图1.1 交通灯示意图1.3 设计课题总体方案介绍及工作原理说明1.3.1 工作原理 甲、乙两干道交于一个十字路口，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。黄灯闪亮提示人们注意绿、红灯的状态即将切换。指示灯燃亮的方案如表1。 表 1 交通灯状态转换图计时60s3s30s3s支道红灯亮红灯亮绿灯亮黄灯闪 亮.主道绿灯亮黄灯闪 亮红灯亮红灯亮.（1） 电源提供方面采用独立的稳压电源，此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供使用。（2） 显示方面完全采用数码管显示，用来显示有限符号和数码字符。（3）键盘输入方面直接在I/O口线上接按键开关，因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多。我们共用到了4个按键，分别为：K1、K2、K3、K4。1.3.2 总体方案介绍该交通灯电路由单片机AT89S52、键盘接口电路、显示接口电路、发光二极管控制电路、时钟电路和复位电路构成，原理框图如图1.2所示。图1.2 系统总体框图 单片机可选用AT89S52，它与8051系列单片机全兼容，但其内部带有4KB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。2硬件设计 2.1 设计课题硬件系统各模块功能简要介绍2.1.1晶振电路时钟电路用来产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。通过在芯片的外部XTAL1和XTAL2两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡电路。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，本设计中采用的晶振频率为12MHz，电容为33pF。图2.1.单片机系统的复位电路2.1.2 显示及显示驱动电路在本次课程设计中，为了使硬件电路更简单化，为了节省口线，我们采用的是八位一体共阳数码管，显示原理跟单个LED的显示原理完全相同， 由于七段数码显示器在显示字形代码时需要有足够的功率，所以需在显示器上加显示驱动，本设计的显示驱动是采用NPN三极管作为驱动，并且，无论是位控线上还是段控线上都串接一个电阻，以提高其输出功率，在这里采用470欧母电阻。显示及驱动电路图如图2.2。图2.2.单片机系统的复位电路2.1.3 键盘控制电路键盘是最常用的输入设备，是实现人机对话的纽带。按其结构形式可分为非编码键盘和编码键盘。编码键盘采用硬件方法产生键码。每按下一个键，键盘能自动生成键盘代码，键数较多，且具有去抖动功能。这种键盘使用方便，但硬件较复杂。非编码键盘仅提供按键开关工作状态，其键码由软件确定，这种键盘键数较少，硬件简单，广泛应用于各种单片机应用系统，在单片机控制电路中，可把单片机使用的键盘分为独立式和矩阵式两种。独立式实际上就是一组独立的按键，这些按键可直接与单片机的I/O口连接，即每个按键独占一条口线，这种接法简单。矩阵式键盘也称行列式键盘，因为键的数目较多，所以键按行列组成矩阵。本设计中键盘数目较少，且为安装方便，因此在本设计中采用独立式接法。如图2.3所示。图2.3独立式按键2.1.4复位电路复位电路用于产生复位信号，通过RST引脚送入单片机，复位是单片机的初始操作，其主要功能是:为一些专用寄存器设置初始状态、程序状态字PSW清0、程序计数器PC被赋值为0000H等，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需安装复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，完成复位操作共需要24个状态周期，复位结束后，单片机从地址0000H单元开始执行程序，SP为07H,其它寄存器大多数被置为00H,本设计使用频率为12MHz的晶振，所以复位信号持续时间应超过2s才能完成复位操作。复位电路分为上电复位、按键复位、按键脉冲复位三种，本次课程设计采用的是按键复位,接线图如图2.4。图2.4.单片机系统的复位电路2.1.5 指示灯控制电路 本次课程设计采用P1口控制二极管的发光情况，口线送低电平有效，具体设计如下:P1.2控制东西方向的绿灯，P1.3口控制东西方向的黄灯，P1.4控制东西方向的红灯，P1.5控制南北方向的红灯，P1.6控制南北方向的黄灯，P1.7控制南北方向的绿灯。如图2.5所示。 图2.5指示灯控制电路2.2 电路原理图电路原理图见附录一所示。2.3 电路PCB图PCB图见附录二所示。2.4 元器件布局图元器件布局图见附录三所示。2.5 元器件清单图元器件清单见附录四所示。3、设计课题软件系统的设计3.1 单片机资源的使用情况l P3口为二极管的控制端l P0口用作地址/数据总线l P2口用作数据总线l P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口线作为键盘输入端l 采用了INTO外部中断既在AT89S52的P0口用来接八个发光二极管的阳极，控制其亮与灭，P0口和P2口外接由8个LED数码管(LED1、LED0)构成的显示器，用P2口作LED的段码输出口（P2.0P2.7对应于LED的adp），P0口作LED的位控输出线（P0.1、P0.0分别对应于LED1、LED0），其中在P1的串行口外接2个三极管作为显示驱动，显示为2个数码管（LED0LED1）进行动态显示。P1口外接三个个按键K1、K2、K3、K4（分别对应于P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口）用于调整显示接口电路。 3.2 软件系统各模块功能简要介绍主程序模块的主要任务是程序的初始化显示“P.”，当没任何键按下时，显示模块将一直不变，交通灯全部是熄灭的，当K1键按下并松开后开始倒计时，其中在时间显示的过程中判断是否有键按下，当再次按下K1时，显示将重新开始倒计时，如果是K3按下，将显示“P.”，并且发光二极管全部熄灭，如果是K2按下，数码管将开始十秒倒计时，并且东西南北全部亮起红灯。显示模块包括送缓冲区模块，送显示等，通过这些模块完成了显示的功能，并能按照我们所熟悉的时钟时间进行显示。3.3 软件系统程序流程框图根据设计要求，程序框图如图1所示。由C语言完成。软件设计可以分为以下几个功能模块：主程序：初始化及调用控制灯的显示程序，主程序的流程图如图3.1所示。显示程序模块：完成交通灯的秒数显示，显示程序流程图如图3.2所示。按键判断模块：完成按键判断并还回键值，按键判断程序流程图如图3.3所示。定时器模块：完成交通灯秒数的的定时，定时器程序流程图如图3.4所示。交通灯模块：完成交通灯的状态转换，交通灯程序流程图如图3.5所示图3.1 主程序流程图图3.2 显示程序流程图图3.3 判断按键程序流程图图3.4 定时器中断程序流程图图3.5 交通灯状态转换流程图3.4 程序清单程序清单详见附录五 4 设计总结4.1 使用说明本实验主要是利用单片机AT89S52、数码管和发光二极管组成，整个电路结构比较简单，它能实现以下几个功能：l 时间的显示。l 红黄绿灯的发光与熄灭。具体操作说明如下： 当交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。当按下启动按钮K1并释放后，数码管显示将会从“60始倒计时，每隔一秒减1，此时南北方向开始一直亮绿灯，东西方向一直亮红灯，直到显示为“00”时，数码管将会从“03开始倒计时，每隔一秒减1，此时南北方向没隔一秒黄灯就闪烁一次，东西方向亮一直红灯，直到显示为“00”时，数码管将会从“30始倒计时，此时南北方向一直亮红灯，东西方向一直亮绿灯，直到显示为“00”时，数码管又将从“03开始倒计时，此时南北方向一直亮红灯，东西方向每隔一秒黄灯就闪烁一次；当没有其他键按下时，交通灯将这样一直循环下去。当按下结束键K3并释放后，数码管将显示“P.”,东西南北方向无灯亮，当有其它键按下时，就退出，去执行该键的键功能。当按下紧急键K2并释放后，数码管将显示“10”，并且每隔一秒就减1，东西南北方向全部红灯亮，当没亮到显示“00”就有其它键按下时，就退出，执行该键的键功能，当显示到“00”时，就会自动退出中断继续完成主程序。4.2 仿真结果当交通灯上电复位后，数码管显示“P.”，仿真结果如图4.1所示；当按下开始键K1后，南北方向就开始亮绿灯，东西方向开始亮红灯，显示器并开始从60s倒计时，仿真结果如图4.2所示；当按下紧急键K3后，南北方向和东西方向均亮红灯，显示器并开始从10s倒计时，其仿真结果如图4.3所示； 图4.1 上电显示图4.2 按下开始键后的显示（上）图4.2 按下开始键后的显示（下）图4.3 按下紧急键后的显示4.3 误差分析本次课程设计的误差就在于显示时间，我采用的是调用延时程序来让显示器上数字共显示一秒钟，而循环一次的时间并不仅仅只是2次调用延时程序的时间，其间CPU还执行其它指令，例如说将缓存区的内容送给累加器A、查表指令、将段控码送给P2口等等，因为它们都是微秒级的，而延时程序是毫秒级的，因此在计算的过程中就可以省略了，每次循环除两次调用延时程序外，所用时间为15微秒，一秒钟共循环了60次，此在显示器上只需要显示1秒数字，事实上多显示了900微秒，误差率=0.9%4.4 设计体会经过一个多星期的时间，终于完成了这次的课程设计，在这期间，我觉得这次课程设计的难点就在函数的调用以及在函数调用中跳出。程序编了很多遍，最后还是没有成功，最后勉强成功，但还有一点小问题。我觉得这次课程设计中的第二个难点就是：显示程序。送的数到显示器，然后调用延时程序（用的是1ms的延时），因为数的显示要用人感觉到需要几百毫秒这，而我用得延时程序只有1ms，所以我用了一个循环显示程序，让它循环显示80次即可，不能用在较正式的场合。关于PCB制作，我认真查阅资料，在上学期理论学习的基础上，经过几个星期的努力，又下了一次苦功夫，算是明白了制作一个系统的过程，也让我体会到要成功的设计出某个东西，光靠单一的知识是不够的，必须要系统的知识，对于这次的实物，我们采用的双面板制作，但是我是做了两次才成功的，第一次的问题主要是线设置的比较细，容易断掉，排列的比较紧，给人的感觉就是不美观，当我第二次再画PCB时，我就特意注意了这些细节，重新排了一下版，调整了元器件之间的距离，并加大了线的宽度，加大了焊孔的内外直径。但又出现了新的一些问题，线接错了，最后经过一天的修改终于弄好了总结这次实习，在理论课上的学到的知识在这一周充分的和实践结合了起来，发现了学习中遗漏的知识点，对于已经有所了解的知识有了更进一步认识。4.5教学建议对于这学期的单片机教学，我个人认为总体上教的比较成功的。老师上课讲得比较好。也比较负责。如果要说改进的话，我觉的这本教材有一点薄，上面的程序不是很多，比如那上面没有独立式按键的讲解以及程序。那上面没有C的讲解，虽然又发了另一本书，但是比较厚，很难看，我觉的选一本既有汇编又有C的比较好。还有一点我觉的书上还有一章没有讲（不过在这读书基本上没有那个老师把书讲完的）要是能讲完就好了。 参考文献 李广弟，朱月秀.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社， 2007. 李光飞.单片机课程设计实例指导M.北京:北京航空航天大学出版社，2004. 李东生，张勇，许四毛.protel99s电路设计与应用M.北京：电子工业出版社，2004. 张红润，马平安，张亚凡.单片机原理及应用M.北京：科学出版社，2002. 附 录附录一 电路原理图附录二 PCB顶层图 PCB底层图 附录三 元器件布局图附录四 元器件清单图 元器件及材料名称规格数目备注AT89S52加底座40P1四位一体共阳数码管加底座40P2晶振12MHz1发光二极管9单排插40脚1三极管90129蜂鸣器1小按键9下载口座子十芯1六脚按键开关1Usb电源线加接口1电阻2001电阻1K3电阻47024电解电容22uf1瓷片电容33pf2排阻10k2短路冒2杜邦线8P1PCB板子1元器件及材料清单附录五 程序清单本程序的相关设定：显示器的设定：P1.0P1.1制显示器的个位和十位的位选码P0.0P0.7控制显示器的段选码按键的设定： P1.0P1. 4控制交通灯的开启准备，返回准备，紧急事件状态/* *第一个状态：主干道、支干道均亮红灯10S *第二个状态：主干道亮绿灯60S、支干道亮红灯 *第三个状态：主干道绿灯闪3次转亮黄灯、支干道亮红灯3S *第四个状态：主干道亮红灯、支干道亮绿灯30S *第五个状态：主干道亮红灯、支干道绿灯闪3次转亮黄灯3S *返回到第二个状态 * */#include/头文件#include/头文件#define uchar unsigned char/宏定义#define uint unsigned int/宏定义sbit RED_ZHU = P30;sbit YELLOW_ZHU = P31;sbit GREEN_ZHU = P32;sbit RED_ZHI = P33;sbit YELLOW_ZHI = P34;sbit GREEN_ZHI = P35; sbit p3_0=P30;sbit p3_1=P31;sbit p3_7=P37;uint aa, bai,shi,ge,bb; /定义变量/*数码管显示0-9*/uint code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x0C,0xbf;/电子090313显示uint data table1=0,0,9,0,3,11,1,3;/*子函数声明*/void delay(uint z);void delay0(uint z);/void init(uint a);void display(uint shi,uint ge);void disp();void xtimer0();void init1();void init2();void init3();void init4();void init5();uchar keychuli();uchar key();/* 主函数*/void main()uchar m,n; uchar k,b;P0=0XFF;P1=0xFF; P2=0xFF;EA=1;/打开外部中断 while(1) k=key(); switch(k) case 0x00: while(1) display(10,10); b=P1;if(b!=0xff) break; case 0x01: while(1) if(P1!=0xff) break; Loop： init2();/第2个状态 init3(); /第3个状态 init4(); /第4个状态 init5();/第5个状态 break; case 0x02: init1();goto Loop； break; while(1) display(10,10); b=P1;if(b!=0xff) break; break; case 0x04: while(1) uchar i=80; b=P1; if(b!=0xff) break; dodisp();while(i-) ; m=table10; for(n=0;n7;n+) table1n=table1n+1; table17=m; break; case 0x08: while(1) uchar i=80; b=P1; if(b!=0xff) break; dodisp();while(i-) ; m=table10; for(n=0;n7;n+) table1n=table1n+1; table17=m; break; void init1()/第一个状态：主干道、支干道均亮红灯10S uint temp;temp=11;/变量赋初值TMOD=0x01;/定时器0工作于方式1TH0=0x4c;TL0=0x00;/定时器赋初值EA=1;/开外部中断ET0=1;/开定时中断TR0=1;/开定时器0while(1)RED_ZHU=0; /第一个状态主干道、支干道均亮红灯10S RED_ZHI=0;GREEN_ZHU=1;GREEN_ZHI=1;YELLOW_ZHU=1;YELLOW_ZHI=1;if(aa=10)/定时20*50MS=1Saa=0;/定时完成一次后清0temp-;/变量自增/delay(10);if(temp=1)/定时100Stemp=11;/变量清0break;shi=temp/10;/显示十位ge=temp%10;/显示个位 display(shi,ge); if(P1!=0xff) break; void init2()/第二个状态：主干道亮绿灯60S、支干道亮红灯uint temp;temp=61;/变量赋初值TMOD=0x01;/定时器0工作于方式1TH0=0x4c;TL0=0x00;/定时器赋初值EA=1;/开外部中断ET0=1;/开定时中断TR0=1;/开定时器0while(1) RED_ZHU=1;RED_ZHI=0;GREEN_ZHU=0; GREEN_ZHI=1;YELLOW_ZHU=1;/第二个状态：主干道亮绿灯60S、支干道亮红灯 YELLOW_ZHI=1;if(aa=20)/定时20*50MS=1Saa=0;/定时完成一次后清0temp-;/变量自增if(temp=1)/定时100Stemp=61;/变量清0break;shi=temp/10;/显示十位ge=temp%10;/显示个位display(shi,ge); if(P1!=0xff) break; void init3() /第三个状态：主干道绿灯闪3次转亮黄灯、支干道亮红灯3S uint temp;temp=7;/变量赋初值TMOD=0x01;/定时器0工作于方式1TH0=0x4c;TL0=0x00;/定时器赋初值EA=1;/开外部中断ET0=1;/开定时中断TR0=1;/开定时器0while(1)RED_ZHI=0;GREEN_ZHU=1;YELLOW_ZHU=0;/YELLOW_ZHU=YELLOW_ZHU;if(aa=10)/定时20*50MS=1Saa=0;/定时完成一次后清0temp-;/变量自增YELLOW_ZHU=YELLOW_ZHU;/delay(1);if(temp=1)/定时100Stemp=4;/变量清0break;shi=temp/10/2;/显示十位ge=temp%10/2;/显示个位 display(shi,ge);if(P1!=0xff) break; void init4()/第四个状态：主干道亮红灯、支干道亮绿灯30S uint temp;temp=31;/变量赋初值TMOD=0x01;/定时器0工作于方式1TH0=0x4c;TL0=0x00;/定时器赋初值EA=1;/开外部中断ET0=1;/开定时中断TR0=1;/开定时器0while(1)RED_ZHU=0; RED_ZHI=1;YELLOW_ZHU=1;/第一个状态主干道、支干道均亮红灯5S GREEN_ZHI=0;if(aa=20)/定时20*50MS=1Saa=0;/定时完成一次后清0temp-;/变量自增if(temp=1)/定时100Stemp=31;/变量清0break;shi=temp/10;/显示十位ge=temp%10;/显示个位 display(shi,ge);if(P1!=0xff) break; void init5()/第五个状态：主干道亮红灯、支干道绿灯闪3次转亮黄灯3S uint temp;temp=7;/变量赋初值TMOD=0x01;/定时器0工作于方式1TH0=0x4c;TL0=0x00;/定时器赋初值EA=1;/开外部中断ET0=1;/开定时中断TR0=1;/开定时器0while(1)RED_ZHI=1;RED_ZHU=0;GREEN_ZHU=1;GREEN_ZHI=1; YELLOW_ZHI=0;/YELLOW_ZHI=YELLOW_ZHI;if(aa=10)/定时20*50MS=1Saa=0;/定时完成一次后清0temp-;/变量自增 YELLOW_ZHI=YELLOW_ZHI;if(temp=1)/定时100Stemp=4;/变量清0break;shi=temp/10/2;/显示十位ge=temp%10/2;/显示个位 display(shi,ge); if(P1!=0xff) break; /*显示子函数*/void display(uint shi,uint ge)P2=0x01;P0=tableshi;/显示十位delay0(5);P2=0x02;P0=tablege;/显示个位delay0(5);void disp()P2=0x01; P0=tabletable10;delay0(1);P2=0x02; P0=tabletable11;delay0(1); P2=0x04; P0=tabletable12;delay0(1); P2=0x08;P0=tabletable13;delay0(1);P2=0x10; P0=tabletable14;delay0(1);P2=0x20; P0=tabletable15;delay0(1);P2=0x40; P0=tabletable16;delay0(1);P2=0x80; P0=tabletable17;delay0(1); /*定时中断子函数*/void xtimer0() interrupt 1TH0=0x4c;TL0=0x00;aa+;/*延时子函数*/void delay0(uint z)uint i,j;for(i=0;iz;i+)for(j=0;j0;j-) for(i=1250;i0;i-) for(k=180;k0;k-); uchar keychuli() uchar k; k=P1; k=k; return(k); uchar key() uchar keyzhi,keyzhii; keyzhi=keychuli(); if(keyzhi!=0) delay0(5); keyzhi=keychuli(); if(keyzhi!=0) keyzhii=keyzhi; while(keyzhi!=0) delay0(5); keyzhi=keychuli(); keyzhi=keyzhii; return(keyzhi);