交通燈管理電路設(shè)計(jì)單片機(jī)課程設(shè)計(jì).docVIP

第1章 概 述隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，道路交通堵塞問(wèn)題日趨嚴(yán)重，如何對(duì)交通進(jìn)行合理的管理和調(diào)度而盡可能減少堵車現(xiàn)象成為目前我國(guó)很多地方尤其是特大城市急需解決的問(wèn)題，顯然交通燈在其中起著不可缺少的作用。當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。1858年，在英國(guó)倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。1868年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩種旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年開始安裝于紐約市5號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來(lái)啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺(jué)到有人要過(guò)馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)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。1968年，聯(lián)合國(guó)道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定對(duì)各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過(guò)人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號(hào)，面對(duì)紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號(hào)，面對(duì)黃燈的車輛不能越過(guò)停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。我國(guó)機(jī)動(dòng)車輛發(fā)展迅速，而城鎮(zhèn)道路建設(shè)由于歷史等各種原因相對(duì)滯后。道路擁擠、阻塞現(xiàn)象及交通事故常有發(fā)生。如何利用當(dāng)今自動(dòng)控制技術(shù)，有效地疏導(dǎo)交通，提高城鎮(zhèn)交通路口的通行能力，提高車輛速度，減少交通事故是值得我們研究的新課題。交通燈是城市交通中的重要指揮系統(tǒng)，它與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)。隨著人們生活水平的提高，對(duì)交通管制也提出了更高的要求，因此提供一個(gè)可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統(tǒng)有著現(xiàn)實(shí)的必要性，本文介紹的交通燈控制系統(tǒng)除具有一般的紅綠燈顯示功能外，還具有倒計(jì)時(shí)功能，以方便人們的生活需求。此系統(tǒng)的核心控制器是MCS-51系列單片機(jī)中的AT89C51。本次設(shè)計(jì)對(duì)紅綠燈顯示系統(tǒng)、按鍵系統(tǒng)都采用Kell軟件調(diào)試程序，并給出了調(diào)試過(guò)程及程序代碼。第2章 總體設(shè)計(jì)及核心器件介紹2.1 總體設(shè)計(jì)整個(gè)設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心，由時(shí)鐘電路，振蕩電路，復(fù)位電路，LED數(shù)碼管顯示和交通燈組成。如圖2-1。時(shí)鐘電路 交通燈 AT89C51振蕩電路 LED 數(shù) 碼上電復(fù)位 管電路 圖2-1 硬件原理框圖2.2 AT89C51單片機(jī)AT89C51是美國(guó)ATMEL公司推出的系列單片機(jī)，將多種功能的8位CPU與FPEROM（快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器）結(jié)合在一個(gè)芯片上，是一種低功耗、高性能的CMOS控制器，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又價(jià)格適宜的方案，其性價(jià)比遠(yuǎn)高于同類型芯片。它與MCS-51指令系統(tǒng)兼容，片內(nèi)FPERON允許為程序存儲(chǔ)器在線重復(fù)編程，也可用常規(guī)的EPROM編程器編程，可循環(huán)寫入/擦除1000次。89C51內(nèi)含4KB的FPEROM，一般的EEPROM的字節(jié)擦除時(shí)間和寫入時(shí)間基本上均為10ms，對(duì)于任一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣長(zhǎng)的時(shí)間是不可能在線修改程序的。2.3 晶振電路晶振電路原理圖如2-2。 圖2-2 晶振模塊原理圖選取原則：傳統(tǒng)做法，但能夠?qū)崿F(xiàn)所需，即最簡(jiǎn)單也最實(shí)用。電容選取22F，晶振為11.0592Hz。2.4 復(fù)位電路復(fù)位方式有多種，但本設(shè)計(jì)采用看門狗芯片X5045，接線圖如圖2-3所示。 圖2-3 復(fù)位電路原理圖在設(shè)定的定時(shí)時(shí)間內(nèi)，89C51必須在CS/WDI引腳上產(chǎn)生一個(gè)由高到低的電平變化，以清內(nèi)部定時(shí)器，即“喂狗”，否則X5045將產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。2.5 LED數(shù)碼管顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)碼管顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只能把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU的開銷小，可以提供單獨(dú)鎖存的I/O接口電路很多。所以本設(shè)計(jì)采用串行轉(zhuǎn)換電路74LS164的靜態(tài)顯示電路。其電路圖如圖2-4所示。 圖2-4 數(shù)碼管顯示靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電路第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 引腳說(shuō)明MCS-51系列單片機(jī)的外型封裝有兩種方式，雙列直插式封裝（PDID）和方型封裝（PLCC、MQFP）。8051、8031、8751的40條引腳均采用雙列直插式封裝。80C51BH、80C31BH也有采用方型封裝的。方型封裝有44條引腳，但其中4條引腳是空腳。在此我們只介紹雙列直插式封裝，如圖3-1所示。 圖3-1MCS-51單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)圖引腳功能說(shuō)明如下：（1）主電源引腳VCC和VSSVCC（40腳）接+5V電壓；VSS（20腳）接地。（2）時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）片內(nèi)振蕩電路輸入端，是外接晶體的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。XTAL2（18腳）片內(nèi)振蕩電路輸出端，是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接外部振蕩源。（3）控制信號(hào)引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPPRST/VPD（9腳）當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。推薦在此引腳與VSS引腳之間連接一個(gè)約8.2k的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個(gè)約10F的電容，以保證可靠地復(fù)位。VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍（50.5V）內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。ALE/PROG（30腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）8個(gè)LS型的TTL輸入電路。對(duì)于EPROM單片機(jī)（如8751），在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（PROG功能）。PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出）8個(gè)LS型的TTL輸入。EA/VPP（31腳）：當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過(guò)0FFFH（對(duì)851/8751/80C51）或1FFFH（對(duì)8052）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于常用的8031來(lái)說(shuō)，無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以EA腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于EPROM型的單片機(jī)（如8751），在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21V的編程電源（VPP）。（4）輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3P0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲(chǔ)器時(shí)，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型的TTL負(fù)載。P1口（1腳至8腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒(méi)有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。對(duì)8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時(shí)/計(jì)數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發(fā)，即T2的外部控制端。對(duì)EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收低8位地址。P2口（21腳至28腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它可以作為擴(kuò)展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對(duì)EPROM編程和程序驗(yàn)證期間，它接收高8位地址。P2可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。P3口（10腳至17腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個(gè)引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙功能口。P3能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。作為第一功能使用時(shí)，就作為普通I/O口用，功能和操作方法與P1口相同。3.2 外部總線由于單片機(jī)本身硬件資源有限，在比較復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，其內(nèi)部資源（如存儲(chǔ)器、I/O口或中斷源等）往往顯得不足，甚至相差很遠(yuǎn)，這就需要進(jìn)行外部擴(kuò)展（尤其是低檔的8031，它片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，且只有P1口可供用戶作I/O口，所以，一般情況下，也很難滿足要求）。為滿足系統(tǒng)擴(kuò)展要求，MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)采用三總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)三總線和外部擴(kuò)充部件相連。三總線分別為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。（1） 地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲(chǔ)器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。（2） 數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。（3）控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。3.3 交通燈電路設(shè)計(jì)中采用發(fā)光二極管作為交通燈來(lái)使用，單片機(jī)的I/O接口直接和交通燈（發(fā)光二極管）連接。在十字路口的四組紅、黃、綠三色交通燈中，東西方向道路上的兩組同色燈連接在一起，南北方向道路上的兩組同色的燈也彼此連接在，受單片機(jī)P1.0-P1.5控制。單片機(jī)的I/O接口與交通燈電路的具體連接方式為：P1.0-P1.2分別接?xùn)|西方向的紅、黃、綠共6個(gè)放光二極管，P1.3-P1.5分別接南北方向的紅、黃、綠共6個(gè)發(fā)光二極管。12個(gè)發(fā)光二極管采用了共陽(yáng)極的連接方式，因此I/O口輸出低電平時(shí)，與之相連的發(fā)光二極管會(huì)亮，I/O口輸出高電平時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管會(huì)滅，如圖3-2所示。 圖3-2交通燈電路第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件主程序流程圖設(shè)計(jì) 開始 初始化，全部為黃燈并按 照初始化運(yùn)行 東西紅燈亮，南北綠燈亮 調(diào)用顯示程序，將時(shí)間送顯示 東西黃燈閃爍，南北黃燈閃爍 調(diào)用顯示程序，將時(shí)間送顯示 圖4-1主流程流程圖4.2 軟件子程序流程圖設(shè)計(jì) 開始 提取倒計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)的十位數(shù) 獲取十位數(shù)字型碼并送到P0口 提取倒計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)的個(gè)位數(shù) 獲取個(gè)位數(shù)字碼并送到P2口 調(diào)用延時(shí)子程序 返回 圖4-2子程序流程圖第5章 系統(tǒng)仿真及調(diào)試5.1 Protues軟件介紹Proteus軟件是LabcenterElectronics公司的一款電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，它包括ISIS、ARES等軟件模塊，ARES模塊主要用來(lái)完成PCB的設(shè)計(jì)，而ISIS模塊用來(lái)完成電路原理圖的布圖與仿真。Proteus的軟件仿真基于VSM技術(shù)，它與其他軟件最大的不同也是最大的優(yōu)勢(shì)就在于它能仿真大量的單片機(jī)芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及單片機(jī)外圍電路，比如鍵盤、LED、LCD等等。通過(guò)Proteus軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個(gè)功能齊全、實(shí)用方便的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室。5.2 交通燈系統(tǒng)Protues仿真 圖5-1 程序仿真圖5.3 硬件調(diào)試拿到電路板后，首先要檢查加工質(zhì)量，并確保沒(méi)有任何方面的錯(cuò)誤，如短路和斷路，尤其要避免電源短路；元器件在安裝前要逐一檢查，用萬(wàn)用表測(cè)其數(shù)值，看是否與所用相同；完成焊接后，應(yīng)先空載上電（芯片座上不插芯片），并檢查各引腳的電位是否正確。若一切正常，方可在斷電的情況下將芯片插入，再次檢查各引腳的電位及其邏輯關(guān)系。將萬(wàn)用表的探針?lè)诺絾纹瑱C(jī)接電源的引腳上檢測(cè)一下，看是否符合要求。5.4 軟件調(diào)試問(wèn)題及解決軟件程序的調(diào)試一般可以將重點(diǎn)放在分模塊調(diào)試上，統(tǒng)調(diào)是最后一環(huán)。軟件調(diào)試可以采取離線調(diào)試和在線調(diào)試兩種方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統(tǒng)的支持。本次課題，Keil軟件來(lái)調(diào)試程序，通過(guò)各個(gè)模塊程序的單步或跟蹤調(diào)試，使程序逐漸趨于正確，最后統(tǒng)調(diào)程序。仿真部分采用Protus6professional軟件，此軟件功能強(qiáng)大且操作較為簡(jiǎn)單，可以很容易的實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)的仿真。首先打開Protus6professional軟件，在元件庫(kù)中找到要選用的所有元件，然后進(jìn)行原理圖的繪制；繪制好后再選擇wave6000已經(jīng)編譯好的.hex文件，選擇運(yùn)行，觀察顯示結(jié)果，根據(jù)顯示的結(jié)果和課題的要求再修改程序，再運(yùn)行查，直到滿足要求。 總 結(jié)作為一名應(yīng)用物理專業(yè)的大二學(xué)生，我覺(jué)得做單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是十分有意義的，而且是十分必要的在已度過(guò)的大學(xué)時(shí)間里，我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)課。我們?cè)谡n堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識(shí)，如何去鍛煉我們的實(shí)踐能力？如何把我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去呢？我想做類似的課程設(shè)計(jì)就為我們提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)。這次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)我們歷時(shí)五天，時(shí)間雖然不算長(zhǎng)，但經(jīng)過(guò)這五天的實(shí)踐和體驗(yàn)下來(lái)，我們綜合那些理論知識(shí)來(lái)運(yùn)用到設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，那些原本感覺(jué)枯燥乏味的程序在這次課程設(shè)計(jì)后，我發(fā)現(xiàn)自己在一點(diǎn)一滴的努力中對(duì)單片機(jī)的興趣也在逐漸增加。此次課程設(shè)計(jì)軟件與硬件相結(jié)合，考察了我們的學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合的能力。本來(lái)還以為編程會(huì)很簡(jiǎn)單的，等到實(shí)際操作起來(lái)才知道它的復(fù)雜性，沒(méi)有想象中的那么得心應(yīng)手，理解流程是有思維的前提。其實(shí)本身程序的思維是正確的，只是步驟中有點(diǎn)小錯(cuò)誤，所以導(dǎo)致整個(gè)程序的結(jié)果很亂，在仔細(xì)修改程序之后，終于一步步地達(dá)到效果了，這個(gè)過(guò)程讓我對(duì)單片機(jī)有了更深一步的了解。踉踉蹌蹌的忙碌了五天，我的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)也終將告一段落。設(shè)計(jì)仿真也基本達(dá)到預(yù)期的效果，但由于能力和時(shí)間的關(guān)系，總是覺(jué)得有很多不盡人意的地方。但是當(dāng)我看著自己的程序，自己成天相伴的系統(tǒng)能夠健康的運(yùn)行，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最終都會(huì)化為甜美的甘泉?？偠灾?，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)對(duì)于我們有很大的幫助，我們從中受益匪淺。參考文獻(xiàn)1 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