C51單片機(jī)+MAX7219十字路口交通燈Proteus仿真程序設(shè)計(jì)

ID:739534 · 發(fā)表于 2020-4-28 10:32

設(shè)計(jì)要求：用單片機(jī)控制LED模擬交通燈。東西向通行時(shí)間為80s，南北向通行時(shí)間為60s，緩沖時(shí)間為3s。
本項(xiàng)目為典型的LED顯示和中斷定時(shí)電路。利用定時(shí)器T0產(chǎn)生每10ms一次的中斷，每100次中斷為1s。對(duì)兩個(gè)方向分別顯示紅、綠、黃燈，并顯示相應(yīng)的剩余時(shí)間。

本設(shè)計(jì)基于AT89C52單片機(jī)，可用單片機(jī)控制信號(hào)燈的狀態(tài)變化，基本可以指揮交通的基本通行。用單片機(jī)控制紅、黃、綠LED燈模擬指示，模擬東西方向的十字路口交通信號(hào)控制情況。東西向通行時(shí)間為80s，南北向通行時(shí)間為60s，緩沖時(shí)間為3s，并將時(shí)間倒計(jì)時(shí)輸出，方便行人的觀看。

本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：

紅綠燈狀態(tài)提示模塊。
T0定時(shí)器模塊，實(shí)現(xiàn)三種時(shí)間的定時(shí)。
驅(qū)動(dòng)顯示模塊，利用MAX7219驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示倒計(jì)時(shí)。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)正常運(yùn)行后，5V的穩(wěn)壓源給MAX7219芯片、LED信號(hào)燈和單片機(jī)供電，通過單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0產(chǎn)生每10ms一次的中斷，每100次中斷為1s。所計(jì)的時(shí)間以秒為單位，通過MAX7219驅(qū)動(dòng)七段顯示器倒計(jì)時(shí)輸出，計(jì)滿時(shí)間后產(chǎn)生中斷，中斷產(chǎn)生后信號(hào)燈發(fā)生相應(yīng)的變化，以達(dá)到自動(dòng)控制的目的。

2 理論分析與計(jì)算

定時(shí)器初值的計(jì)算，并掌握十進(jìn)制到十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)化。在進(jìn)行通行時(shí)間上的控制時(shí)應(yīng)注意生活中的常識(shí)。

2.1 定時(shí)器初值的計(jì)算

通過單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0產(chǎn)生每10ms一次的中斷，每100次中斷為1s。在本設(shè)計(jì)中所用的晶振為12MHZ，定時(shí)器 T0為工作方式一。其中初值為X，定時(shí)間為m us。

（1）

計(jì)算可得，定時(shí)m=10ms=10000us時(shí)，X=55536，轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制，X=D8F0H。即寫入定時(shí)器的初值TH0=0xD8,TL0=0xF0。

2.2 通行時(shí)間的計(jì)算

A方向紅燈時(shí)間=B方向綠燈時(shí)間+黃燈緩沖時(shí)間（2）

3 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)由MAX7219驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、晶振電路、復(fù)位電路、單片機(jī)供電電路、單片機(jī)電路組成。

3.1顯示電路

通過該電路，行人可以清楚的看見各路口狀態(tài)燈的亮滅情況，判斷是否通行。同時(shí)，數(shù)碼管顯示剩下通行的時(shí)間，提示行人。

數(shù)碼管顯示方面，東西南北各個(gè)方向分別用兩位7段數(shù)碼管，南北方向接DIG0、DIG1，東西方向接DIG2、DIG3，進(jìn)行位選控制，如圖2。

圖2 顯示電路1

紅綠燈采用三個(gè)共陽二極管作為指示燈，南北、東西方向各個(gè)一組，分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的倒計(jì)時(shí)。東西方向接單片機(jī)的P1^0 , P1^1 , P1^2口，南北方向接單片機(jī)的P0^0 , P0^1 , P0^2口，如圖3。

圖3 顯示電路2

首先東西方向通行時(shí)間為80s，東西綠燈亮，南北紅燈亮。時(shí)間到后，東西南北黃燈亮3s。然后南北方向通行時(shí)間為60s，南北綠燈亮，東西紅燈亮。時(shí)間到后3s，東西南北黃燈亮3s。

3.2MAX7219驅(qū)動(dòng)電路

采用專用數(shù)碼管顯示控制芯片MAX7219。MAX7219是美國MAXI生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，該芯片最多可驅(qū)動(dòng)8位7段數(shù)字LED顯示器或多個(gè)LED和條形圖顯示器。

圖4 MAX7219驅(qū)動(dòng)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

在硬件的基礎(chǔ)上對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，本程序由主程序，定時(shí)中斷子程序和顯示驅(qū)動(dòng)子程序組成。主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和等待中斷，以及紅黃綠燈各種狀態(tài)判斷。定時(shí)中斷子程序主要負(fù)責(zé)各個(gè)狀態(tài)的定時(shí)要求，以及狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。顯示驅(qū)動(dòng)子程序負(fù)責(zé)倒計(jì)時(shí)時(shí)間的顯示。

根據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求將軟件劃分為：延時(shí)模塊，狀態(tài)判斷模塊，中斷服務(wù)模塊，驅(qū)動(dòng)顯示模塊。

4.1 主程序

主程序完成MAX7219的初始化，定時(shí)器的初始化，狀態(tài)燈的初始化并進(jìn)行狀態(tài)的判斷。

圖 5 程序流程圖

進(jìn)入主程序后,先初始化并開啟定時(shí)器1和MAX7219芯片，再裝入初始狀態(tài)和初始值，然后等待中斷響應(yīng)。根據(jù)收到的中斷響應(yīng)，主程序依次判斷。首先南北綠燈亮，東西紅燈亮，倒計(jì)時(shí)60S；定時(shí)結(jié)束后，由中斷跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)，再東西南北黃燈亮，倒計(jì)時(shí)3S；定時(shí)結(jié)束后，由中斷跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)，東西綠燈亮，南北紅燈亮，倒計(jì)時(shí)80S；定時(shí)結(jié)束后，再由中斷跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)，東西南北黃燈亮，倒計(jì)時(shí)3S。依次循環(huán)執(zhí)行。

主要（關(guān)鍵）代碼：

void main()
{
T0_init();
MAX7219_init();
EA=1;
NS=60; //初始南北通行60秒
EW=63;
R2=0,G1=0; //南北綠燈亮，東西紅燈亮
while (1)
{
uint k;
display();
switch(i)
{
case 1: R2=1,G1=1; //關(guān)閉南北綠燈，東西紅燈
Y1=0,Y2=0; //黃燈閃爍
for(k=0;k<3;k++)
{
Y1=~Y1;
Y2=~Y2;
delay(10000);
}
break;
case 2: G2=0,R1=0; //東西綠燈亮,南北紅燈亮
break;
case 3: G2=1,R1=1;
Y1=0,Y2=0; //黃燈閃爍
for(k=0;k<3;k++) //循環(huán)三次進(jìn)行延時(shí)閃爍
{
Y1=~Y1;
Y2=~Y2;
delay(10000);
}
break;
case 4: R2=0,G1=0; //東西紅燈亮，南北綠燈亮
break;
}
}
}

復(fù)制代碼

此段程序是對(duì)狀態(tài)的判斷，利用switch()....case語句對(duì)狀態(tài)進(jìn)行判斷。

4.2 定時(shí)中斷子程序

定時(shí)器子程序是進(jìn)行時(shí)間的設(shè)定，并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的自動(dòng)跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)過后產(chǎn)生的中斷送入主程序進(jìn)行判斷并輸出。

圖 6 定時(shí)中斷子程序流程圖

設(shè)置通行時(shí)間，并利用定時(shí)器進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，其中狀態(tài)一60S，其中狀態(tài)二3S，其中狀態(tài)三80S，其中狀態(tài)四3S。

關(guān)鍵代碼介紹：

void T0_(void)interrupt 1

{

temp++;

TH0=0XD8;

TL0=0XF0;

if(temp==100)

{

temp=0;

NS--;

EW--;

if((NS==0)&&(EW==3))

{

NS=3;

EW=3;

i=1;

}

if((NS==0)&&(EW==0)&&(i==1))

{

NS=83;

EW=80;

i=2;

}

if((NS==3)&&(EW==0))

{

NS=3;

EW=3;

i=3;

}

if((NS==0)&&(EW==0)&&(i==3))

{

NS=60;

EW=63;

i=4;

}

display();

}

利用if語句對(duì)計(jì)時(shí)是否完畢進(jìn)行判斷，如計(jì)時(shí)完畢，執(zhí)行if中的內(nèi)容。

4.2 MAX7219驅(qū)動(dòng)程序

MAX7219采用串行尋址方式，在傳送的串行數(shù)據(jù)中包含內(nèi)部RAM的地址。加在DIN腳上的串行數(shù)據(jù)，必須在LOAD信號(hào)為高電平的前提下，以每個(gè)字節(jié)為一個(gè)數(shù)據(jù)包，在CLK信號(hào)上升沿移入16位的移位寄存器。然后在LOAD信號(hào)的上升沿鎖存進(jìn)數(shù)字或控制寄存器中。LOAD信號(hào)必須在第16個(gè)CLK信號(hào)上升沿的同時(shí)，或在下一個(gè)CLK信號(hào)上升沿之前升高，否則，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。DIN腳上的串行數(shù)據(jù)在16.5個(gè)CLK信號(hào)后出現(xiàn)在DOUT腳上，以便級(jí)聯(lián)應(yīng)用時(shí)傳到下一個(gè)MAX7219上。

圖 7 數(shù)據(jù)串行傳送時(shí)序圖

關(guān)鍵代碼介紹：

void MAX_write(uchar ch) //以8位一個(gè)字節(jié)進(jìn)行寫值
{
uchar j,ads;
for(j=0;j<8;j++) //8位
{
ads=ch&0x80; //取最高位
CLK = 0; //時(shí)鐘線置低
if(ads) DIN = 1;
else DIN = 0;
ch=ch<<1; //左移一位
CLK=1; //上升沿，DIN的數(shù)據(jù)寫入到7219
}
}
void MAX7219(uchar addr, uchar num) //寫地址，寫數(shù)據(jù)
{
LOAD = 0;
_nop_();
MAX_write(addr);
_nop_();
MAX_write(num);
_nop_();
LOAD = 1; //鎖存
}

復(fù)制代碼

系統(tǒng)測(cè)試

5.1 倒計(jì)時(shí)狀態(tài)測(cè)試

由Proteus仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

圖8 60S、80S計(jì)時(shí)

結(jié)論：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部定時(shí)器能夠進(jìn)行定時(shí)。

5.2 紅綠燈狀態(tài)測(cè)試

由Proteus仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

表1 紅綠燈狀態(tài)測(cè)試

	60S	3S	80S	3S
東西方向	紅燈亮	黃燈閃爍	綠燈亮	黃燈閃爍
南北方向	綠燈亮	黃燈閃爍	紅燈亮	黃燈閃爍

結(jié)論：每個(gè)狀態(tài)能夠正常的跳轉(zhuǎn)。

5.3 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測(cè)試

1、接硬件圖接線，為了確保東西南北紅黃綠燈能夠?qū)?yīng)顯示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)P1口的接線做了調(diào)整。即，P1.0接G2綠燈,P1.1接Y2黃燈,P1.2接R2紅燈,P0.1接G1綠燈,P0.2接Y1黃燈,P0.3接R1紅燈。

2、從第一個(gè)狀態(tài)開始連續(xù)運(yùn)行，觀察六個(gè)LED燈是否與交通顯示情況對(duì)應(yīng)，如果有偏差，則單步運(yùn)行或斷點(diǎn)運(yùn)行，進(jìn)行調(diào)試，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

3、調(diào)試完燈的顯示后，從第一個(gè)狀態(tài)開始連續(xù)運(yùn)行，觀察數(shù)碼管顯示的是否正常，如果不正常，則運(yùn)用單步運(yùn)行或斷點(diǎn)運(yùn)行進(jìn)行分析和調(diào)試，直至滿足要求。

4、整體運(yùn)行，觀察燈顯示和時(shí)間顯示是否都符合要求，如果不符合，則再調(diào)試。直至滿足要求

6 總結(jié)以及展望

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的時(shí)候主要是考慮到現(xiàn)有的條件，采用成熟度高的STC89C52作為CPU的解決方案，同時(shí)用LED燈和雙位數(shù)碼管作為顯示模塊，軟件則使用了移植性好的C語言。從功能需求上來看，已經(jīng)能夠滿足簡(jiǎn)單的應(yīng)用需要。

在設(shè)計(jì)過程中，從開始設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的功能，到方案的論證，再到最后的調(diào)試，每一步都顯得是那么的重要，在這個(gè)過程中學(xué)習(xí)到了比這次設(shè)計(jì)本身更多的知識(shí)，除此之外，在這次設(shè)計(jì)中也奠定了我對(duì)一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思維，收獲頗豐。

展望，由于時(shí)間有限，本設(shè)計(jì)還需要做很多的改進(jìn)才能作為產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，如：在對(duì)單片機(jī)供電方案中可以改為更簡(jiǎn)單的電容降壓電路；在狀態(tài)的多樣性方面還很單一，可以增加一些更加符合實(shí)際情況的狀態(tài)，如彎道時(shí)的狀態(tài)、擁堵時(shí)的狀態(tài)、應(yīng)急狀態(tài)；在PCB元器件布局還可以更科學(xué)使線的寬度做的更寬等元器件選擇方面的問題，使其能夠通過一些標(biāo)準(zhǔn)。