单片机毕业设计.docx
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单片机毕业设计
十二盏交通信号灯的
模拟系统设计
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前言
随着大规模集成电路技术的发展,单片微型计算机也随之发展,各种新颖的单片机层出不穷。
单片机具有体积小、重量轻、应用灵活且价格低廉等特点,广泛地应用于人类生活的各个领域,成为当今科技现代化不可缺少的工具。
单片机已经越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等许多领域。
可以说单片机的应用已经渗透到人类生活、工作的每一个角落。
随着城市的发展,城市交通指挥系统越来越重要,也越来越庞大和复杂,本设计系统介绍城市交通指挥系统的实现,具有理论联系实际的特点。
本系统采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/0接口芯片8255A为中心器件来设计交通控制器,实现了通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能;红绿灯循环点亮,倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示(交通信号灯通过8255的PA口输出,显示时间直接通过8255的PC口输出至双位数码管),本系统具有实用性强、操作简单、扩展功能强等特点。
芯片简介
1.MSC-51芯片简介
MCS-51单片机内部结构
8051是MCS-51系列单片机的典型产品,我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,现在我们分别加以说明:
中央处理器:
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
数据存储器(RAM):
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。
程序存储器(ROM):
8051共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。
定时/计数器(ROM):
8051有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
并行输入输出(I/O)口:
8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。
全双工串行口:
8051内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。
中断系统:
8051具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。
时钟电路:
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式,而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图
MCS-51的引脚说明:
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构,右图是它们的引脚配置,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明:
MCS-51的引脚说明:
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构,右图是它们的引脚配置,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。
引脚功能说明图:
引脚9:
RESET/Vpd复位信号复用脚,当8051通电,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。
初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0-P3输出口全部为高电平,堆栈指针写入07H,其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序。
然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态,8051的初始态。
8051的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,此外,RESET/Vpd还是一复用脚,Vcc掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
如图:
引脚30:
ALE/
当访问外部程序器时,ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时,ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号,这个信号可以用于识别单片机是否工作,也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点,当访问外部程序存储器,ALE会跳过一个脉冲。
(如果单片机是EPROM,在编程其间,
将用于输入编程脉冲。
)
:
引脚29:
当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号,PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上,外部程序存储器则把指令数据放到P0口上,由CPU读入并执行。
引脚31:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线,8051和8751单片机,内置有4kB的程序存储器,当EA为高电平并且程序地址小于4kB时,读取内部程序存储器指令数据,而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程序存储器指令。
显然,对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。
在编程时,EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。
2.8255芯片简介
8255可编程并行接口芯片简介:
8255可编程并行接口芯片有三个输入输出端口,即A口、B口和C口,对应于引脚PA7~PA0、PB7~PB0和PC7~PC0。
其内部还有一个控制寄存器,即控制口。
通常A口、B口作为输入输出的数据端口。
C口作为控制或状态信息的端口,它在方式字的控制下,可以分成4位的端口,每个端口包含一个4位锁存器。
它们分别与端口A/B配合使用,可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。
8255可编程并行接口芯片方式控制字格式说明:
8255有两种控制命令字;一个是方式选择控制字;另一个是C口按位置位/复位控制字。
其中C口按位置位/复位控制字方式使用较为繁难,说明也较冗长,故在此不作叙述。
方式控制字格式说明如表1:
表1
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
D7:
设定工作方式标志,1有效。
D6、D5:
A口方式选择
00—方式0
01—方式1
10—方式2
D4:
A口功能(1=输入,0=输出)
D3:
C口高4位功能(1=输入,0=输出)
D2:
B口方式选择(0=方式0,1=方式1)
D1:
B口功能(1=输入,0=输出)
D0:
C口低4位功能(1=输入,0=输出)
8255可编程并行接口芯片工作方式说明:
方式0:
基本输入/输出方式。
适用于三个端口中的任何一个。
每一个端口都可以用作输入或输出。
输出可被锁存,输入不能锁存。
方式1:
选通输入/输出方式。
这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出,C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。
方式2:
双向总线方式。
只有A口具备双向总线方式,8位外设线用作输入或输出,此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。
3.74LS373简介
74LS373是一种带三态门的8D锁存器,其管脚示意图如下示:
其中:
1D-8D为8个输入端。
1Q-8Q为8个输出端。
LE为数据打入端:
当LE为“1”时,锁存器输出
状态同输入状态;当LE由“1”变“0”时,数据
打入锁存器
OE为输出允许端:
当OE=0时,三态门打开;
当OE=1时,三态门关闭,输出高阻。
系统硬件设计
1.交通管理的方案论证
东西、南北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,指挥车辆和行人安全通行。
红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行。
黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换,且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。
设东西道比南北道的车流量大,指示灯燃亮的方案如表2。
东西道
红灯亮
黄灯亮
绿灯亮
黄灯亮
……
南北道
绿灯亮
黄灯亮
红灯亮
黄灯亮
……
60S
5S
80S
5S
……
表2
表2说明:
(1)当东西方向为红灯,此道车辆禁止通行,东西道行人可通过;南北道为绿灯,此道车辆通过,行人禁止通行。
时间为60秒。
(2)黄灯闪烁5秒,警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。
(3)当东西方向为绿灯,此道车辆通行;南北方向为红灯,南北道车辆禁止通过,行人通行。
时间为80秒。
东西方向车流大通行时间长。
(4)这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。
2.系统硬件设计
选用设备:
8031单片机一片,8255并行通用接口芯片一片,74LS07两片,MAX692‘看门狗’一片,共阴极的七段数码管两个双向晶闸管若干,7805三端稳压电源一个,红、黄、绿交通灯各两个,开关键盘、连线若干。
①系统总框图如下:
②交通灯硬件线路图:
③系统工作原理:
(1)开关键盘输入交通灯初始时间,通过8051单片机P1输入到系统。
(2)由8051单片机定时器每秒钟通过P0口向8255的数据口送信息,由8255的PA口显示红、绿、黄灯的燃亮情况;由8255的PC口显示每个灯的燃亮时间。
(3)8051通过设置各个信号等的燃亮时间、通过8031设置,绿、红时间分别为60秒、80秒循环由8051的P0口向8255的数据口输出。
(4)通过8051单片机的P3.0位来控制系统是工作或设置初值,当为0就对系统进行初始化,为1系统就开始工作。
(5)绿灯时间倒计时完毕,重新循环。
控制器的软件设计
1.每秒钟的设定
延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间,另一种是采用软延时的方法。
2.计数器硬件延时
①计数器初值计算:
定时器工作时必须给计数器送计数器初值,这个值是送到TH和TL中的。
他是以加法记数的,并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。
设计数初值为X,计算公式根据工作方式计算如下:
方式1:
(2^16-X)*(12/晶振频率)=定时时间
方式2:
(2^8-X)*(12/晶振频率)=定时时间
此系统中,1秒钟已经超过了计数器的最大定时间,所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题.
②定时1s方法:
采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使T0定时50毫秒.这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求,进入他的中断服务子程序。
在中断服务子程序中,CPU先使软件计数器减1,然后判断它是否为零。
为零表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序。
③相应程序代码:
(1)主程序
ORG1000H
START:
MOVTMOD,#01H;令T0为定时器方式1
MOVTH0,#3CH;装入定时器初值
MOVTL0,#BOH;
MOVIE,#82H;开T0中断
SEBTTR0;启动T0计数器
MOVRO,#14H;软件计数器赋初值
LOOP:
SJMP;等待中断
(2)中断服务子程序
ORG000BH
AJMPBRTO
ORG00BH
BRTO:
DJNZR0,NEXT
AJMPTIME;跳转到时间及信号灯显示子程序
DJNZ:
MOV R0,#14H;恢复R0值
MOVTH0,#3CH;重装入定时器初值
MOVTL0,#BOH;
MOVIE,#82H
RET1
END
3.软件延时
MCS-51的工作频率为2-12MHZ,我们选用的8031单片机的工作频率为6MHZ。
机器周期与主频有关,机器周期是主频的12倍,所以一个机器周期的时间为12*(1/6M)=2us。
可以知道具体每条指令的周期数,这样就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。
DELAY:
MOVR4,#08H延时1秒子程序
DE2:
LCALLDELAY1
DJNZR4,DE2
RET
DELAY1:
MOVR6,#0延时125ms子程序
MOVR5,#0
DE1:
DJNZR5,$
DJNZR6,DE1
RET
DELAY1为一个双重循坏循环次数为256*256=65536所以延时时间=65536*2=131072us约为125us
DELAYR4设置的初值为8主延时程序循环8次,所以125us*8=1秒
(由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。
)
4.时间及信号灯的显示
①8051并行口的扩展:
8051虽然有4个8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因为P2和P0口通常用于传送外部传送地址和数据,P3口也有它的第二功能。
因此,8031通常需要扩展。
由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个I/O端口,显然8031的端口是不够,需要扩展。
扩展的方法有两种:
(1)借用外部RAM地址来扩展I/O端口;
(2)采用I/O接口新片来扩充。
此系统用8255并行接口信片来扩展I/O端口
②显示原理:
当定时器定时为1秒,时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序,它将依次显示信号灯时间,同时一直显示信号灯的颜色,这时在返回定时子程序定时一秒,在显示黄灯的下一个时间,这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值,重新进入循环。
③8255PA口输出信号接信号灯:
由于发光二极管为共阳极接法,输出端口为低电平,对应的二极管发光,所以可以用置位方法点亮红,绿,黄发光二极管。
④8255输出信号与数码管的连接:
LED灯的显示原理:
通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点量而显示不同的字形如SP,g,f,e,d,c,b,a管角上加上7FH所以 SP上为0伏,不亮其余为TTL高电平,全亮则显示为8
采用共阴级连接:
其中PC0\PB0-a,
PC1\PB1-b,
PC2\PB2-c,
PC3\PB3-d,
PC4\PB4-e,
PC5\PB5-f,
PC6\PB6-g
PC7\PB7-SP接地
显示数值
dopgfedcba
驱动代码(16进制)
0
00111111
3FH
1
00000110
06H
2
01011011
5BH
3
01001111
4FH
4
01100110
66H
5
01101100
6DH
6
01111100
7DH
7
00000111
07H
8
01111111
7FH
表3驱动代码表
⑤8255与8051的连接:
用8051的P0口的p0.7连接8255的片选信号cs我们用8031的地址采用全译码方式,当p0.7=0时片选有效,其他无效,p0.1p0.1用于选择8255端口
P0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2P0.1P0.0
A7A6A5A4A3A2A1A0
1XXXXX0000H为8255的PA口
1XXXXX0101H为8255的PB口
1XXXXX1002H为8255的PC口
1XXXXX1103H为8255的控制口
由于8051是分时对8255和储存器进行访问所以8051的P0口不会发生冲突
5.程序设计
①流程图:
结论
本系统就是充分利用了8051和8255芯片的I/O引脚。
系统统采用MSC-51系列单片机Intel8051和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器,实现了能根据实际车流量通过8031芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能;红绿灯循环点亮,倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示(交通灯信号通过PA口输出,显示时间直接通过8255的PC口输出至双位数码管)。
系统不足之处不能控制车的左、右转、以及自动根据车流改变红绿灯时间等。
这是由于本身地理位子以及车流量情况所定,如果有需要可以设计扩充原系统来实现。
通过这次毕业设计,使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。
使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程,以及在常用编程设计思路技巧(特别是汇编语言)的掌握方面都能向前迈了一大步,为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。
参考文献
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电子工业出版社.2008.10144-160
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高等教育出版社.2010.5
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电子工业出版社.2008.9