基于单片机的新型交通灯设计说明.doc

目 录摘要································11引言································22单片机概述································32.1芯片简介································33交通管理的方案论证································94系统硬件································64.1全彩LED································74.2系统硬件设计································84.3所用原件清单································85控制器的软件设计································105.1时间设定································105.2程序设计································115.3 程序注解································126系统调试································137结束语································14参考文献································15附录································16摘要:近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构软硬件结合,加以完善。十字路口车辆穿梭,行人熙攘,车行车道,人行人道,有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用80C52系列单片机为中心器件来设计交通灯控制器,采用全彩LED,使用一只灯发出多种颜色的功能,本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。1 引言当今,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红,蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示"停止",绿色表示"注意"。1869年1月2日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消。电气启动的红绿灯出现在美国,这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示"停止",绿灯亮表示"通行"。1918年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯,一种是把压力探测器安在地下,车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下嗽叭,就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车放行,以免发生交通事故。信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有明显效果。1968年,联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号,面对绿灯的车辆可以直行,左转弯和右转弯,除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号,面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号,面对黄灯的车辆不能越过停车线,但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。2 单片机概述 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机,特别适用于控制领域,故又称为微控制器。 通常,单片机由单块集成电路芯片构成,部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此,单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3、3代的发展,目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展,它们的CPU功能在增强,部资源在增多,引脚的多功能化,以及低电压底功耗。AT89C51是ATMEL公司上个世纪用flash技术与Intel的MCS-51系列单片机进行交换,其核与MCS-51系列单片机相同。2.1芯片简介如图4.1.1图4.1.1MCS-51单片机部结构  8052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。   8052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>    8052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。图3.1.1·程序存储器<ROM>：8052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>：8052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：8052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：8052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：8052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：8052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8052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系列单片机的部结构示意图3.1.2。图3.1.2MCS-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。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图3.1.3图3.1.3Pin9:RESET/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,8052的初始态。8052的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,见下图3.1.4。此外,RESET/还是一个复用脚,掉电其间,此引脚可接上备用电源,以保证单片机部RAM的数据不丢失。图3.1.4·Pin30: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。·Pin29:当访问外部程序存储器时,此引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。·Pin31:EA/程序存储器的外部选通线,8052和8751单片机,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,对部无程序存储器的8031,EA端必须接地。在编程时,EA/脚还需加上21V的编程电压。3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。指示灯点亮的方案如表2。绿灯黄灯红灯东西方向60s3s64s南北方向60s364s.表4.5.1表4.5.1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64秒。2黄灯3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60秒。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。 北西 东南图4.5.14系统硬件4.1全彩LED全彩LED技术参数：电压V波长nm红光2.0-2.2620-625绿光3.0-3.2517-520蓝光3.0-3.2467-4705毫米雾状全彩LED由市北斗星光电子提供,其特点为一颗灯珠可通过不同颜色光的叠加产生其他颜色。产品如图4.2.1所示为共阳极,1引脚为红色光2引脚为阳极3引脚为绿色光4引脚为蓝色光 红灯时接通1引脚,黄灯时 接通1、3引脚,绿灯时接通3引脚1 2 3 4图4.2.14.3系统硬件设计电源系统总框图如图4.3.1：交通信号灯89C52处理系统图4.3.14.4所用元件清单元件数量备注AT98C521电阻1004200122051K1开关3电源、复位晶振111.095MHz电容3F5全彩雾状LED4LED1USB1电源导线若干5控制器的软件设计5.1时间的设定延时方法可以有两种一中是利用MCS-51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本设计延时采用定时器/计数器的工作方式2方式2工作状态为可以自动重装计数初值的8位计数方式。初始化时,8为计数初值同时装入TL0和TH0中。当TL0计数溢出时,置位TF0,同时把保存在预置寄存器TH0中的计数初值自动加载TL0,然后TL0重新计数。如此重复不止。这不但省去了用户程序中的重装指令,而且也有利于提高定时精确度。但这种工作方式下是8位计数结构计数值有限,最大只能到255。计数初值计算公式：M=- x为计数器中定时时间,fosc=12MHz为时钟振荡频率25010-6s代入公式计算初始值为0006H1秒延时程序：T: MOV R6,#14HD4: MOV R7,#0C8HD3: MOV TMOD,#02H ；设定T0为方式2 MOV TL0,#06H ；计数器TL0 TH0装入初始值0006H MOV TH0,#00H SETB TR0 ；启动定时器0计数D2: C TF0,D1 ；查询溢出标志TF0,并清除 AJMP D2 ；定时时间未到,在查询D1: DJNZ R7,D3 DJNZ R6,D45.2程序设计流程图如图5.2.1启动开关NY南北红灯东西绿灯60s南北红灯东西绿灯南北红灯东西绿灯3s1s南北红灯东西绿灯1s南北红灯东西绿灯60s南北红灯东西绿灯3s 图5.2.15.3 程序注解 ORG 0000HST: SETB P1.0 ；p1.0口置1 P1.0,$ ；等待开关D9: MOV P0,#7EH ；p0口赋值,南北红,东西绿 MOV R5,#3CHD5: LCALL T ；调用延时 DJNZ R5,D5 ；60次即60s MOV P0,#7CH ；南北红 东西黄 MOV R4,#3HD6: LCALL T ；调用延时 DJNZ R4,D6 ；3次即3s MOV P0,#7DH ；南北红 东西红 LCALL T ；调用延时 1s MOV P0,#0BDH ；南北绿 东西红 MOV R3,#3CHD7: LCALL T ；调用延时 DJNZ R3,D7 ；60次即60s MOV P0,#3DH ；南北黄 东西红 MOV R2,#3HD8: LCALL T ；调用延时 DJNZ R2,D8 ；3次即3s MOV P0,#7DH ；南北红 东西红 LCALL T ；调用延时 1s LJMP D9 ；一个周期结束 转移之开始T: MOV R6,#14H ；以下为1s延时子程序D4: MOV R7,#0C8HD3: MOV TMOD,#02H MOV TL0,#06H MOV TH0,#00H SETB TR0D2: C TF0,D1 AJMP D2D1: DJNZ R7,D3 DJNZ R6,D4 RETEND6系统调试如图6.1.1图6.1.2为实物照片 1打开电源开关,电源指示灯燃亮。2打开按键开关,通过8052单片机P1.1输入到系统 <3> 由8052单片机通过P0口向led传送颜色信息,显示红、绿、黄灯的燃亮情况。图6.1.1图6.1.27结束语首先感市北斗星光电子对本设计的大力支持。本设计硬件电路使用的F5全彩雾状LED,由市北斗星光电子提供。本设计才用全彩LED可减少设备数量,从而降低成本,结构简单,属于新型节能系统通过此次设计,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：1 何立民. 单片机高级教程 M. ：航空航天大学,20072 杭和平. 单片机原理与应用M. ：机械工业,20083 楼然苗. 51单片机设计实例M.；航空航天大学,20074徐爱军. 单片机高级语言C51M. ：电子工业,2001附录I ORG 0000HST: SETB P1.0 P1.0,$ D9: MOV P0,#7EH MOV R5,#3CHD5: LCALL T DJNZ R5,D5 MOV P0,#7CH MOV R4,#3HD6: LCALL T DJNZ R4,D6 MOV P0,#7DH LCALL T MOV P0,#0BDH MOV R3,#3CHD7: LCALL T DJNZ R3,D7 MOV P0,#3DH MOV R2,#3HD8: LCALL T DJNZ R2,D8 MOV P0,#7DH LCALL T LJMP D9T: MOV R6,#14HD4: MOV R7,#0C8HD3: MOV TMOD,#02H MOV TL0,#06H MOV TH0,#00H SETB TR0D2: C TF0,D1 AJMP D2D1: DJNZ R7,D3 DJNZ R6,D4 RET END