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
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目录 1设计任务和内容 1 1.1设计任务 1 1.2 功能要求说明 1 1.3 设计课题总体方案介绍及工作原理说明 2 1.3.1 工作原理 2 1.3.2 总体方案介绍 2 2硬件设计 4 2.1 设计课题硬件系统各模块功能简要介绍 4 2.1.1晶振电路 4 2.1.2 显示及显示驱动电路 4 2.1.3 键盘控制电路 5 2.1.4 复位电路 5 2.1.5 指示灯控制电路 6 2.2 电路原理图 7 2.3 电路PCB图 7 2.4 元器件布局图 7 2.5 元器件清单图 7 3、设计课题软件系统的设计 8 3.1 单片机资源的使用情况 8 3.2 软件系统各模块功能简要介绍 8 3.3 软件系统程序流程框图 8 3.4 程序清单 11 4 设计总结 13 4.1 使用说明 13 4.2 仿真结果 13 4.3 误差分析 15 4.4 设计体会 15 4.5 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 22 1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 60s 3s 30s 3s 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2μs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(P2.0~P2.7对应于LED的a~dp),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(LED0~LED1)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 [1] 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. [2] 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. [3] 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. [4] 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 40P 1 四位一体共阳数码管加底座 40P 2 晶振 12MHz 1 发光二极管 9 单排插 40脚 1 三极管 9012 9 蜂鸣器 1 小按键 9 下载口座子 十芯 1 六脚按键开关 1 Usb电源线加接口 1 电阻 200 1 电阻 1K 3 电阻 470 24 电解电容 22uf 1 瓷片电容 33pf 2 排阻 10k 2 短路冒 2 杜邦线8P 1 PCB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:P1.0—P1.1制显示器的个位和十位的位选码P0.0——P0.7控制显示器的段选码 按键的设定: P1.0——P1. 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<reg51.h>//头文件 #include<intrins.h>//头文件 #define uchar unsigned char//宏定义 #define uint unsigned int//宏定义 sbit RED_ZHU = P3^0; sbit YELLOW_ZHU = P3^1; sbit GREEN_ZHU = P3^2; sbit RED_ZHI = P3^3; sbit YELLOW_ZHI = P3^4; sbit GREEN_ZHI = P3^5; sbit p3_0=P3^0; sbit p3_1=P3^1; sbit p3_7=P3^7; 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0903——13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; do{disp();}while(i--) ; m=table1[0]; for(n=0;n<7;n++) {table1[n]=table1[n+1]; } table1[7]=m; } break; case 0x08: while(1) { uchar i=80; b=P1; if(b!=0xff) break; do{disp();}while(i--) ; m=table1[0]; for(n=0;n<7;n++) {table1[n]=table1[n+1]; } table1[7]=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1 TH0=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0 while(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=1S { aa=0;//定时完成一次后清0 temp--;//变量自增 //delay(10); if(temp==1)//定时100S { temp=11;//变量清0 break; } 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1 TH0=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0 while(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=1S { aa=0;//定时完成一次后清0 temp--;//变量自增 if(temp==1)//定时100S { temp=61;//变量清0 break; } 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1 TH0=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0 while(1) { RED_ZHI=0; GREEN_ZHU=1; YELLOW_ZHU=0; //YELLOW_ZHU=~YELLOW_ZHU; if(aa==10)//定时20*50MS=1S { aa=0;//定时完成一次后清0 temp--;//变量自增 YELLOW_ZHU=~YELLOW_ZHU; //delay(1); if(temp==1)//定时100S { temp=4;//变量清0 break; } 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1 TH0=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0 while(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=1S { aa=0;//定时完成一次后清0 temp--;//变量自增 if(temp==1)//定时100S { temp=31;//变量清0 break; } 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1 TH0=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0 while(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=1S { aa=0;//定时完成一次后清0 temp--;//变量自增 YELLOW_ZHI=~YELLOW_ZHI; if(temp==1)//定时100S { temp=4;//变量清0 break; } 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=table[shi];//显示十位 delay0(5); P2=0x02; P0=table[ge];//显示个位 delay0(5); } void disp() { P2=0x01; P0=table[table1[0]];delay0(1); P2=0x02; P0=table[table1[1]];delay0(1); P2=0x04; P0=table[table1[2]];delay0(1); P2=0x08; P0=table[table1[3]];delay0(1); P2=0x10; P0=table[table1[4]];delay0(1); P2=0x20; P0=table[table1[5]];delay0(1); P2=0x40; P0=table[table1[6]];delay0(1); P2=0x80; P0=table[table1[7]];delay0(1); } /*定时中断子函数*/ void xtimer0() interrupt 1 { TH0=0x4c; TL0=0x00; aa++; } /*延时子函数*/ void delay0(uint z) { uint i,j; for(i=0;i<z;i++) for(j=0;j<110;j++); } /********************************************************* 500ms延时函数 *********************************************************/ void delay(unsigned char j) { uchar k; uint i; for(;j>0;j--) { for(i=1250;i>0;i--) { for(k=180;k>0;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); }- 配套讲稿:
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