唐 山 學(xué) 院

單片機與接口技術(shù)課 程 設(shè) 計

題    目  基于單片機的交通燈顯示系統(tǒng)

系   (部) 計算機科學(xué)與技術(shù)系

班    級  

姓    名

學(xué)    號

指導(dǎo)教師  

2016 年 7月 4 日至2016年 7 月10 日

共 1 周

2016年 7 月8 日

單片機與接口技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書

注：可以附頁

目錄

1.設(shè)計背景

2.需求分析

3.設(shè)計目的

4.設(shè)計要求

5.系統(tǒng)總體方案硬件設(shè)計

5.1設(shè)計思想及總體設(shè)計

5.2硬件設(shè)計

5.3復(fù)位電路

5.4數(shù)碼管顯示

5.5紅綠燈顯示

5.6鍵盤：獨立鍵盤+中斷

5.7系統(tǒng)原理圖

6.軟件設(shè)計

              6.1總體流程

6.2循環(huán)流程控制思路

6.3主要程序設(shè)計

7.調(diào)試運行

              7.1正常運行狀態(tài)

              7.2左右行顯示

              7.3黃燈閃爍顯示

              7.4中斷全紅燈顯示

8.設(shè)計心得體會

9. 系統(tǒng)的優(yōu)缺點

1.設(shè)計背景

交通在人們的日常生活中占有重要的地位,隨著人們社會活動的日益頻繁,這點更是體現(xiàn)的淋漓盡致.交通信號燈的出現(xiàn),使交通得以有效管制,對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯效果.本系統(tǒng)采用單片機AT89C51為中心器件來設(shè)計交通控制燈控制器,系統(tǒng)實用性強、操作簡單、擴張性強.本設(shè)計就是采用單片機模擬十字路口交通燈的各種狀態(tài)顯示以及倒計時時間.
本設(shè)計系統(tǒng)由單片機I/O口擴張系統(tǒng)、交通燈狀態(tài)顯示系統(tǒng)、LED數(shù)碼顯示管系統(tǒng)、緊急情況中斷系統(tǒng)、復(fù)位電路等幾大部分組成.系統(tǒng)除基本的交通燈功能外,還具有倒計時、緊急情況處理功能,較好的模擬實現(xiàn)了十字路口可能出現(xiàn)的狀況.
軟件上采用89C51編程,主要編寫了主程序,LED數(shù)碼顯示管程序,中斷程序延時程序等.經(jīng)過整機調(diào)試,實現(xiàn)了對十字路口交通燈的模擬.

2.需求分析

近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應(yīng)用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測技術(shù)日益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)軟硬件結(jié)合，加以完善。 十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實現(xiàn)這井然秩序呢？靠的就是交通信號燈的自動指揮系統(tǒng)。交通信號燈控制方式很多。本系統(tǒng)采用MSC-51系列單片機AT89C51為中心器件來設(shè)計交通燈控制器，實現(xiàn)了能根據(jù)實際車流量通過51芯片的P1口設(shè)置紅、綠燈燃亮?xí)r間的功能；紅綠燈循環(huán)點亮，倒計時剩3秒時黃燈閃爍警示；綠燈時間可檢測車流量并可通過雙位數(shù)碼管顯示。本系統(tǒng)實用性強、操作簡單、擴展功能強。

3.設(shè)計目的

3.1鞏固和加深對單片機原理和接口技術(shù)知識的理解；

3.2培養(yǎng)根據(jù)課題需要選學(xué)參考書籍、查閱手冊和文獻(xiàn)資料的能力；

3.3學(xué)會方案論證的比較方法，拓寬知識，初步掌握工程設(shè)計的基本方法；

3.4掌握常用儀器、儀表的正確使用方法，學(xué)會軟、硬件的設(shè)計和調(diào)試方法；

3.5能按課程設(shè)計的要求編寫課程設(shè)計報告，能正確反映設(shè)計和實驗成果，能用計算機繪制電路圖和流程圖。

4.設(shè)計要求

1）東西干道和南北干道的通行分左行、右行、直行，其中左行、右行固定15秒；直行固定30秒；

2）信號燈分綠燈（3種）、紅燈、黃燈，每次綠燈換紅燈時，黃燈亮3秒鐘；

3）東西干道和南北干道交替控制，每次干道綠燈交替時，有3秒鐘所有干道的交通燈都是黃燈閃爍3秒鐘，提示已經(jīng)進(jìn)入路口的車輛迅速通過；

4）其他創(chuàng)新內(nèi)容。

5.系統(tǒng)總體方案硬件設(shè)計

5.1設(shè)計思想及總體設(shè)計

1）分析目前交通路口的基本控制技術(shù)以及各種通行方案，并以此為基礎(chǔ)提出自己的交通控制的初步方案

2）確定系統(tǒng)交通控制的總體設(shè)計，包括，十字路口具體的通行禁行方案設(shè)計以及系統(tǒng)應(yīng)擁有的各項功能，在這里，本設(shè)計除了有信號燈狀態(tài)控制能實現(xiàn)基本的交通功能，還增加了倒計時顯示提示.

3）進(jìn)行智能傳感器的硬件電路、顯示電路等的設(shè)計和對各器件的選擇及連接，大體分配各個器件及模塊的基本功能要求。

4）進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計，對于本系統(tǒng)，本人采用單片機c語言編寫，對單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作情況做了充足的研究，了解定時器，中斷以及延時原理，總體上完成了軟件的編寫。

5.2硬件設(shè)計

1）單片機選型：AT89C51

AT89S51單片機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器，既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價AT89S51單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。

P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I／O口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。  在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。  在FIash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。

P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。  FIash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。

引腳號第二功能

P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出

P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）

P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）

P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）

P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）

P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個

TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。

在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR） 時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。

在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。

P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。

P3口亦作為AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。

   端口引腳 第二功能

   P3.0 RXD(串行輸入口)

   P3.1 TXD(串行輸出口)

   P3.2 INTO(外中斷0)

   P3.3 INT1(外中斷1)

   P3.4 TO(定時/計數(shù)器0)

   P3.5 T1(定時/計數(shù)器1)

   P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)

   P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)

此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。 RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。

ALE/PROG——當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。

對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。

如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。

PSEN——程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。

EA/VPP——外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。

FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

AT89C51引腳分布圖如圖1-2

5.3復(fù)位電路

圖1-3

當(dāng)8051的ALE及/PSEN兩引腳輸出高電平，RST引腳高電平到時，單片機復(fù)位。RST/VPD端的高電平，若直接由啟動瞬間產(chǎn)生，則為啟動復(fù)位，若通過按動按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱手動復(fù)位。如圖1-3所示，上電時，接通電源，電容器C相當(dāng)于瞬間短路，+5V加到了RST/VPD端，該高電平使8051全機復(fù)位。若運行過程中，需要程序從頭執(zhí)行，只需按動按鈕S，則直接把+5V加到了RST/VPD端，從而復(fù)位。顯然，該電路即可以上電復(fù)位，也可以手動復(fù)位，是常用復(fù)位電路之一。

5.4數(shù)碼管顯示

圖1-3.1

5.5  紅綠燈顯示

圖1-4

每個路口都采用了4個LED燈來顯示，分別代表紅綠(左綠)黃三種燈，來模擬路口交通的變換。如圖1-4

以南北方向舉例，正常狀況下，從30秒開始倒計時，南北方向可直行，即綠燈亮起，東西方向禁止通行，亮紅燈。當(dāng)顯示至15秒時，南北方向可直行和轉(zhuǎn)彎，即兩個綠燈亮起，東西方向禁止通行，亮紅燈。當(dāng)顯示至3秒時，通知車輛快速通過，南北黃燈閃爍，東西方向禁止通行，亮紅燈。

5.6鍵盤：獨立鍵盤+中斷

圖1-5

采用開關(guān)來控制進(jìn)入中斷，可以在路口出現(xiàn)緊急情況時，拉動開關(guān)。使紅綠燈發(fā)生相應(yīng)的改變，已處理緊急情況下車輛通行。如圖1-5所示

中斷有三個功能：

• 全體紅燈10s（由于數(shù)碼管不夠了，沒有計數(shù)顯示），防止突發(fā)情況比如救護(hù)車需要迅速通過。
• 時間加5s 防止高峰期某個方向路口車流嚴(yán)重負(fù)荷，增大通行時間。
• 時間減5s 防止高峰期某個方向路口車流嚴(yán)重負(fù)荷，而另一個路口路況資源浪費，可以合理利用路況資源。
  

5.7系統(tǒng)原理圖

總電路如圖1-6所示

圖1-6

6.軟件設(shè)計

6.1總體流程

6.2循環(huán)流程控制思路

流程控制圖

6.3主要程序設(shè)計

利用段碼位碼選址的方法，結(jié)合查表法調(diào)用數(shù)碼管顯示函數(shù)

7.調(diào)試運行

7.1正常運行狀態(tài)

7.2左右行顯示

7.3黃燈閃爍顯示

7.4中斷全紅燈顯示

8.設(shè)計心得體會

一周的單片機課程設(shè)計很快就結(jié)束了，在這一周當(dāng)中，雖然開始有點困難，但是經(jīng)過一次次的失敗，合理地進(jìn)行設(shè)計安排，再加上老師的耐心指導(dǎo)，終于順利地完成了本次單片機課程設(shè)計，同時也學(xué)到了很多東西。在本次課程設(shè)計中，通過動手實踐操作，進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握了單片機原理的有關(guān)知識，特別是程序的編程方面，加深了對單片機原理及應(yīng)用技術(shù)的認(rèn)識，進(jìn)一步鞏固了對單片機知識的理解，掌握簡單單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、制作、調(diào)試的方法。在設(shè)計時根據(jù)課題要求，復(fù)習(xí)相關(guān)的知識，查詢相關(guān)的資料。根據(jù)實驗條件，找到適合的方案，找到需要的元器件及工具，進(jìn)行實驗。

這次的單片機課程設(shè)計重點是通過實踐操作和理論相結(jié)合，提高動手實踐能力，提高科學(xué)的思維能力，更在一周的時間了解了更多的有關(guān)單片機的知識，使知識更加豐富，使自己更加充實。學(xué)會靜下心來自己學(xué)習(xí)，相信這對以后在社會上工作和學(xué)習(xí)會有很多幫助，讓我們能更好的進(jìn)入工作狀態(tài)。最重要的是，這次課程設(shè)計也增加了我們對問題的研究和探討，對以后的學(xué)習(xí)中會有更多的幫助。

單片機為我們的主要專業(yè)課之一，但要做好一個課程設(shè)計，就必須做到：在設(shè)計程序之前，對所用單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機內(nèi)有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的的軟件流程圖；在設(shè)計程序時，不能妄想一次就將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，一個程序的完美與否不僅僅是實現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在設(shè)計課程過程中遇到問題是很正常德，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題的課程設(shè)計結(jié)束了，但是從中學(xué)到的知識會讓我們受益終身。

在完成單片機課程設(shè)計后,我發(fā)現(xiàn)我還有許多不足,所學(xué)到的知識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,以至于還有一些功能不能被動完成。但通過學(xué)習(xí)這一次實踐,增強了動手能力,提高和鞏固了單片機方面的知識,特別是軟件方面。讓我們認(rèn)識到把理論應(yīng)用到實踐中去是多么重要。

9.系統(tǒng)的優(yōu)缺點

系統(tǒng)功能：1、程序初始化，所有燈都是紅燈的，3S

2、先南北通，東西不通，時間30S，其中30S是直行（27S綠+3S黃），15S左轉(zhuǎn)（12S綠+3秒黃）

          3、時間加減按鈕一次是5S，緊急情況是10S（數(shù)碼管不足，沒顯示）

系統(tǒng)優(yōu)點：1、系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確的實現(xiàn)十字路口交通燈的基本功能，并且擁有一種緊急情況處理系統(tǒng)（由中斷系統(tǒng)實現(xiàn)），當(dāng)南北方向綠燈亮?xí)r，南北方向車輛通行，同時倒計時30秒；當(dāng)?shù)褂嫊r到15秒時，指示轉(zhuǎn)向的路燈同時點亮；當(dāng)?shù)褂嫊r即將結(jié)束時，黃燈閃爍3秒，之后東西方向綠燈點亮，與南北方向運行方式相同。緊急情況是考慮到路口發(fā)生車禍或有緊急車輛通行時，按下按鈕后東西南北方向紅燈全部亮起，保持10秒后恢復(fù)正常運行。能夠基本符合老師給出的題目要求。

系統(tǒng)缺點：1、系統(tǒng)實用性較差，與實際情況相關(guān)性教差。首先，指示轉(zhuǎn)向的紅綠燈應(yīng)用相應(yīng)箭頭表示，可以用點陣實現(xiàn)。              其次，緊急情況不符合實際要求，當(dāng)車禍或緊急車輛通行時，應(yīng)先疏通當(dāng)時路口車輛，之后設(shè)置路障或恢復(fù)通行，靈活性應(yīng)較強，目前只通過交通燈的不容易實現(xiàn)。在之后的學(xué)習(xí)中應(yīng)將該題目中的缺點逐漸完善并創(chuàng)新，使其更加人性化。

改進(jìn)：     1、針對應(yīng)急情況，要實際考慮應(yīng)急情況，把緊急轉(zhuǎn)換通行車道，變換成一紅一綠，不能全紅。

              2、添加指示箭頭

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