交通灯课程设计8051单片机设计交通灯信号模拟控制.docx
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交通灯课程设计8051单片机设计交通灯信号模拟控制
机电一体化概论课程设计任务书
一、课程设计题目：
8051单片机设计交通灯信号模拟控制
二、课程设计时间：
2009-12——2010-1
三、课程设计技术参数和任务要求：
设计任务要求：
1、用红、黄、绿三色发光二极管作信号灯，只考虑一条通道相对的两个方向，每个方向有红、绿、黄三个灯。
红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，每隔30秒红绿灯交替变换。
在每次由绿灯亮变成红灯亮或者由红灯亮变成绿灯亮的交替变化转换时要求黄灯闪烁5秒，给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。
2、能实现正常的计时显示功能。
用倒计时方法显示红灯、绿灯、黄灯还需要亮的时间。
3、能实现控制器总清零功能。
设计技术参数：
8051单片机、晶振、二极管、数码管、三极管等。
参考文献：
（见13页）
四、考核
成绩：
指导教师签字___________________
年月日
目录
绪论-----------------------------------------------------------3
第一章.方案论证------------------------------------------------4
第二章.硬件电路设计--------------------------------------------5
第三章.软件设计------------------------------------------------10
第四章.总结---------------------------------------------------12
参考文献--------------------------------------------------------13
附录1源程序---------------------------------------------------14
附录2电路原理图-----------------------------------------------17
绪论
随着微控技术的日益完善和发展，单片机的应用在不断走向深入。
它的应用比定导致传统的控制技术从根本上发生变革。
也就是说单片机应用的出现是对传统控制技术的革命。
它在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领路得到了广泛应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化控制。
因此单片机的开发应用已成为高技术工程领域的一项重大课题。
因此了解单片机知识，掌握单片机的应用技术具有重大的意义。
它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。
它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。
随着我国社会经济的发展，城市化、城镇化进程的加快，道路交通堵塞问题日趋严重，如何对交通进行合理的管理和调度而尽可能减少堵车现象成为目前我国很多地方尤其是特大城市急需解决的问题，显然交通灯在其中起着不可或缺的作用。
本文就控制交通灯的方法进行了讨论，分析了各种方案的性价比，并用软、硬件加以实现。
而后，对六车道以上道路的“十字交叉路口交通灯控制”进行了分析。
最后，还对城市交通灯网的控制进行了展望。
希望能给有关政府部门一些参考，更好地改善我们的城市交通。
现今的交通发展迅速，车辆极具增加，马路不断扩宽，人行横道相对较少。
在车流量较大的地段即便有人行横道，行人也很难通过马路。
行人自控指示灯系统可以有效的改善这种状况。
特别是像北京这样的大都市，经济飞速发展，车辆繁多，人口密集。
缓解交通已成为当务之急.该系统利用红灯,黄灯,绿灯来指挥车辆和行人，以达到车辆停止，行人通行的目的,减少了交通拥挤现象,为行人节省了时间,即保证行人过马路时的安全，也减轻了交管部门的负担。
用户可以完全掌握行人自控指示灯系统的操作方法，以及各个按键的作用科学技术的突飞猛进直接把我们带进了信息化的社会，计算机的应用已普及到经济和社会生活的各个领域.
第一章方案论证
1.工作原理说明：
MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应用设计资料丰富齐全。
为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立CPU，即选择MSC-51系列中的8051单片机。
主控单片机采用一片80c51。
根据题目要求，充分利用了单片机灵活控制的优点，发挥其优势功能，采用单片机控制信号灯和数码管的显示，提高了系统的灵活性，设置方便。
利用单片机产生的时钟信号控制交通信号灯达到控制路口通行时间的效果。
80c51提供以下标准功能：
8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，40个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，80c51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
80c51单片机引脚配置如图2所示：
2.LED显示器件工作原理
LED显示器件是通过发光二极管显示字段的器件。
在单片机控制系统中常用的是由7段LED数码管，它的显示块中有8个发光二极管，7个发光二极管组成字符“8”，1个发光二极管构成小数点，因此有人称7段LED数码管为8段显示器。
LED数码管的管脚配置如图3所示。
LED数码管有共阴极和共阳极两类，如图4所示。
共阴极LED数码管的发光二极管的阴极共地，当某个发光二极管的阳极电压为高电平时，二极管发光；而共阳极LED数码管是发光二极管的阳极共接，当某个二极管的阴极电压为低电平时，二极管发光。
第二章硬件电路设计
2.18051单片机系统说明
1．8051单片机简介
目前，8051单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。
89C51是Intel公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。
每一个单片机包括：
一个8位的微型处理器CPU；一个256K的片内数据存储器RAM；片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率是12MHZ。
以上各个部分通过内部总线相连接。
下面简单介绍下其各个部分的功能。
中央处理器CPU是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐条执行指令，它是由8位算术／逻辑运算部件（简称ALu）、定时／控制部件，若干寄存器A、B、B5w、5P以及16位程序计数器（Pc）和数据指针寄存器（DM）等主要部件组成。
算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。
它具有对8位信息进行+、-、x、/四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。
控制器部件是由指令寄存器、程序计数器Pc、定时与控制电路等组成的。
指令寄存器中存放指令代码。
枷执行指令时，从程序存储器中取来经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号，送到存储器、运算器或I／o接口电路，完成指令功能。
程序计数器Pc程序计数器Pc用来存放下一条将要执行的指令，共16位．可对以K字节的程序存储器直接寻址c指令执行结束后，Pc计数器自动增加，指向下一条要执行的指令地址。
2．时序
Mcs—51片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTALI和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
采用内部方式时，在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器，振荡频率的选择范围为1．2—12MHZ在使用外部时钟时，XTAL2用来输入外部时钟信号，而XTALI接地。
Mcs5l单片机的一个执器周期由6个状态（s1—s6）组成，每个状态又持续2个接荡周期，分为P1和P2两个节拍。
这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。
若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为1／6us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。
对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。
如果是双字节指令，则在同一机器周期的s4读人第二字节。
若为单字节指令，则在51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。
在加结束时完成指令操作。
多数Mcs—51指令周期为1—2个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。
对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节，但Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，在执行Movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。
下面是51单片机的振荡电路图：
图2-1单片机的振荡电路图
3．引脚极其功能
MCS—51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。
1、电源引脚Vcc和Vss
Vcc（40脚）：
接+5V电源正端；
Vss（20脚）：
接+5V电源正端。
2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）：
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体的另一端。
在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。
4.控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。
（A）．RST/VPD（9脚）：
RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。
当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
（B）．ALE/P（30脚）：
当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低
（C）．PSEN（29脚）:
片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。
当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。
（D）．EA/Vpp（31脚）：
EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。
当EA端保持高
电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。
若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。
当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。
对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。
5.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口
（A）.P0口（39脚～22脚）：
P0.0～P0.7统称为P0口。
当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。
它分时提供8位双向数据总线。
（B）.P1口（1脚～8脚）：
P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。
对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：
P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。
对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。
（C）.P2口（21脚～28脚）：
P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。
对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。
（D）.P3口（10脚～17脚）：
P3.0～P3.7统称为P3口。
它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。
P3口的第2功能见表1
表1单片机P3.0管脚含义
引脚
第2功能
P3.0
RXD（串行口输入端0）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
INT0（部中断0请求输入端，低电平有效）
P3.3
INT1（中断1请求输入端，低电平有效）
P3.4
T0（时器/计数器0计数脉冲端）
P3.5
T1（时器/计数器1数脉冲端）
P3.6
WR（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）
P3.7
RD（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）
综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：
1）.单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；
2）.单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。
2.2电路原理总图如附图2所示
2.3元器件列表
表2元件列表
名称
型号
数量
电阻
510Ω
23
电阻
5.1KΩ
7
电容
30PF/22PF
2/1
二极管
12
数码管
4
开关
8
三极管
4
晶振
1
第三章软件设计
3.1程序设计
1.流程图：
如图5所示。
2.程序清单：
如附录B所示。
3.2调试记录及结果分析
调试结果如附图1所示:
在上机调试中发现，由于此软件延时的时间均为估算时间，不是特别准确，对于交通要求特别高的地方不宜采用。
如果是放到一个大的交通灯系统中，会影响到各个交通灯的运行时间，可能整个系统对交通的指挥调度会大大偏离理论计算，不能有效地防止和消除交通堵塞现象；
（1）当出现紧急情况，在特种车（如消防车、救护车）正要通过时，这种软件延时方式就不能完成；
（2）可以看到，此方案用了12个发光LED，若是六车道以上的交通路口，就要36个灯，成本不合算不说，更是让司机、行人眼花缭乱。
（3）这不是一个十字路口，不能拐弯。
但是，可以看到以上方案的一般性，只要将程序里的数据排列或规律稍加修改就可应用到任何一个路口的某一个方向上的交通灯上了，这就是用软件实现的好处，可移植性很强。
表3-1引脚功能表
状态
方向
无
南北
东西
十六进制值
说明
P1.7P1.6
P1.5P1.4P1.3
P1.5P1.4P1.3
0
00
001
OO1
09H
都为红灯亮
1
00
001
100
0CH
东西绿南北红
2
00
001
010
0AH
东西黄闪南北红
00
001
000
08H
3
00
100
001
21H
东西红南北绿
4
00
010
001
11H
南北黄闪东西红
00
000
001
01H
图3-1流程图
第四章总结
经过这一周的课程设计,我确定一个方向----关于交通灯系统设计,我认真查阅资料,学习关于这方面的知识,比如说要了解8051芯片中各个引角的功能,怎么样去使用8051这个可编程并行接口芯片,怎么样用8051这个地址锁存器来存储高位地址和低位地址以及交通有哪些规则.在上学期理论学习的基础上,又下了一次苦工夫,算是明白了设计一个系统的过程;也让我体会到要想成功地设计某个东西,光学好专业知识是不够的,必须要系统的知识,无论在哪方面都要有个明白的概念,只有这样才不至于在设计过程中摸不着头脑,知道去哪些是需要查的资料,还有一点,我觉得我在芯片编程方面,特别是在初始化方面是我最大的困难,或许是我的汇编语言学得不够呛好,我只能借助参考资料,查每一条指令的作用与功能,这样一来又巩固了我的对汇编语言的了解.
如此,我体会到学习理论知识固然重要,但在你学完了之后,你不在实践中运用你所学的知识,我想学是白学了,过一段时间后,你可能什么都记不起来了,或许在学心里只有一个概念,认为这个知识我曾经学得不错,我现在怎么想不起来了,一心想依赖课本;如果我们用实践来学习知识,你会努力地去搜索你想要需要的东西,即使是过了一段时间后,你也会记得你曾经对这点不明白认真地查阅过,你不会忘记!
一句话,课程设计对我们很重要!
.
参考文献
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附录1
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H；INT0中断入口地址
LJMPINT0
ORG0040H
START:
MOVSP,#60H
SETBEX0；INT0中断有效
SETBIT0
SETBEA
LCALLSTATUS0；初始状态（都是红灯）
CIRCLE:
LCALLSTATUS1；南北绿灯,东西红灯
LCALLSTATUS2；南北绿灯闪转黄灯,东西红灯
LCALLSTATUS3；南北红灯,东西绿灯
LCALLSTATUS4；南北红灯,东西绿灯闪转黄灯
LJMPCIRCLE
INT0:
PUSHPSW；保护现场
PUSH2
PUSHACC
MOVDPTR,#8300H
MOVA,#0FH；南北,东西都亮红灯
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#100；延时10秒
LCALLDELAY
POPACC；恢复现场
MOVX@DPTR,A
POP2
POPPSW
RETI
STATUS0:
；南北红灯,东西红灯
MOVDPTR,#8300H
MOVA,#0FH
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#10；延时1秒
LCALLDELAY
RET
STATUS1:
；南北绿灯,东西红灯
MOVDPTR,#8300H
MOVA,#96H；南北绿灯,东西红灯
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#250；延时25秒
LCALLDELAY
RET
STATUS2:
；南北绿灯闪转黄灯,东西红灯
MOVDPTR,#8300H
FLASH:
MOVA,#9FH
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#03H
LCALLDELAY
MOVA,#96H
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#03H
LCALLDELAY
DJNZR3,FLASH
MOVA,#06H；南北黄灯,东西红灯
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#10；延时1秒
LCALLDELAY
RET
STATUS3:
；南北红灯,东西绿灯
MOVDPTR,#8300H
MOVA,#69H
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#250；延时25秒
LCALLDELAY
RET
STATUS4:
；南北红灯,东西绿灯闪转黄灯
MOVDPTR,#8300H
FLASH1:
MOVA,#6FH
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#03H
LCALLDELAY
MOVA,#69H
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#03H
LCALLDELAY
DJNZR3,FLASH1
MOVA,#09H；南北红灯,东西黄灯
MOVX@DPTR,A
MOVR2,#10；延时1秒
LCALLDELAY
NOP
RET
DELAY:
；延时子程序
PUSH2
PUSH1
PUSH0
DELAY1:
MOV1,#00H
DELAY2:
MOV0,#0B2H
DJNZ0,$
DJNZ1,DELAY2；延时100mS
DJNZ2,DELAY1
POP0
POP1
POP2
RET
END
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