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煙臺南山學(xué)院單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)(報告)單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目:十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)摘要隨著科技的飛速發(fā)展,單片機(jī)的應(yīng)用不斷深入發(fā)展,同時帶動傳統(tǒng)控制檢測技術(shù)日益更新。在實(shí)時檢測和自動控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,往往把單片機(jī)作為一個核心部件去使用。但是,僅單片機(jī)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。這些秩序靠的就是交通信號燈的自動指揮系統(tǒng)。交通信號燈有很多控制方式。本次采用MCS-51系列單片機(jī)AT89C51為核心器件來設(shè)計(jì)交通燈控制器,通過單片機(jī)P3口接按鈕控制紅綠燈時間;紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮30秒,倒計(jì)時剩3秒時黃燈閃爍警示;交通燈信號通過P1口輸出;二位共陰極數(shù)碼管顯示時間通過P0口輸出。關(guān)鍵詞:51單片機(jī);數(shù)碼管;外部中斷;交通燈
目錄第1章緒論 緒論1.1項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景隨著各種交通工具的發(fā)展和交通指揮的需要,第一盞名副其實(shí)的三色燈(紅、黃、綠三種標(biāo)志)于1918年誕生。它是三色圓形四面投影器,被安裝在紐約市五號街的一座高塔上,由于它的誕生,使城市交通大為改善。黃色信號燈的發(fā)明者是我國的胡汝鼎,他懷著“科學(xué)救國”的抱負(fù)到美國深造,在大發(fā)明家愛迪生為董事長的美國通用電器公司任職員。一天,他站在繁華的十字路口等待綠燈信號,當(dāng)他看到紅燈而正要過去時,一輛轉(zhuǎn)彎的汽車呼地一聲擦身而過,嚇了他一身冷汗?;氐剿奚幔磸?fù)琢磨,終于想到在紅、綠燈中間再加上一個黃色信號燈,提醒人們注意危險。他的建議立即得到有關(guān)方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號燈即以一個完整的指揮信號家族,遍及全世界陸、海、空交通領(lǐng)域了。早期的交通信號燈使用“固定配時”方式實(shí)行自動控制,這種方式對于早期交通流量不大的情況曾起到一定的作用。但隨著汽車工業(yè)的發(fā)展、交通流量增加、隨機(jī)變化增強(qiáng),采用以往那種單一模式的“固定配時”方式已不能滿足客觀需要,于是一種多時段多方案的信號控制器開始出現(xiàn)并逐步取代了傳統(tǒng)的只有一種控制方案的控制器。計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)為交通控制技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力,更是實(shí)現(xiàn)了以一個城市或者更大地域,而非簡單的一個路口的交通總體控制系統(tǒng)。1952年,美國科羅拉多州丹佛市首次利用模擬計(jì)算機(jī)和交通檢測器實(shí)現(xiàn)了對交通信號機(jī)網(wǎng)的配時方案自動選擇式信號燈控制,而加拿大多倫多市于1964年完成了計(jì)算機(jī)控制信號燈的實(shí)用化,建立了一套由IBM650型計(jì)算機(jī)控制的交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),成為世界上第一個具有電子數(shù)字計(jì)算機(jī)城市交通控制系統(tǒng)的城市。這是道路交通控制技術(shù)發(fā)展的里程碑??梢哉f,在近百年的發(fā)展中,道路交通信號控制系統(tǒng)經(jīng)歷了手動到自動,從固定配時到靈活配時,從無感應(yīng)控制到有感應(yīng)控制,從單點(diǎn)控制到干線控制,從區(qū)域控制到網(wǎng)絡(luò)控制的長遠(yuǎn)過程。1.2設(shè)計(jì)目的了解交通燈管理的基本工作原理熟悉AT89C51的工作原理和應(yīng)用變成熟悉AT89C51并行接口的各種工作方式和應(yīng)用熟悉AT89C51計(jì)數(shù)器/定時器的工作方式和應(yīng)用編程外部中斷的方法掌握多位LED顯示問題的解決1.3設(shè)計(jì)意義在十字路口設(shè)置交通燈可以對交通進(jìn)行有效的疏通,并為交通參與者的安全提供了強(qiáng)有力的保障。但是隨著社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,原先的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng),使其適應(yīng)現(xiàn)在的交通狀況,成為研究的課題。傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈,通常的做法是:事先經(jīng)過車輛流量的調(diào)查,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法將兩個方向紅綠燈的延時預(yù)先設(shè)置好。然而,實(shí)際上車輛流量的變化往往是不確定的,有的路口在不同的時段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過長期運(yùn)行、較適用的方案,仍然會發(fā)生這樣的現(xiàn)象:綠燈方向幾乎沒有什么車輛,而紅燈方向卻排著長隊(duì)等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準(zhǔn)確模型的,統(tǒng)計(jì)的方法已不能適應(yīng)迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀,更為現(xiàn)實(shí)的需要是能有一種能夠根據(jù)流量變化情況自動控制的交通燈。交通網(wǎng)絡(luò)是城市的動脈,象征著一個城市的工業(yè)文明水平。交通關(guān)系著人們對于財(cái)產(chǎn),安全和時間相關(guān)的利益。具有優(yōu)良科學(xué)的交通控制技術(shù)對資源物流和人們出行都是十分有價值的,保證交通線路的暢通安全,才能保證出行舒暢,物流準(zhǔn)時到位,甚至是生命通道的延伸。交通燈控制器設(shè)計(jì)主要功能是用單片機(jī)控制LED燈模擬指示。模擬東西南北方向的十字路口交通燈信號控制情況。以89C51單片機(jī)為核心芯片,采用中斷方式實(shí)現(xiàn)控制。本模擬系統(tǒng)由單片機(jī)硬/軟件系統(tǒng),兩位8段數(shù)碼管和LED燈顯示系統(tǒng)和復(fù)位電路控制電路等組成,較好的模擬交通路面的控制。
第2章設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)要求(1)具有交通燈(紅,黃,綠)三種顏色變化功能。(2)可以按鍵修改交通燈狀態(tài)及紅綠燈時間。(3)用數(shù)碼管倒計(jì)時讀秒。2.2設(shè)計(jì)參數(shù)主控芯片使用的是AT89C51單片機(jī)。倒計(jì)時時間:30s。紅黃綠燈采用LED燈顯示。顯示采用二位共陰極數(shù)碼管讀秒。按鈕開關(guān)5個。2.3通行方案設(shè)計(jì)設(shè)在十字路口,分為主道A和支道B,在任一時刻只有一個方向通行,另一個方向禁行,持續(xù)一定時間,經(jīng)過短暫的過渡時間,將通行方向禁行方向?qū)Q。其具體狀態(tài)如下圖所示。交通狀態(tài)從1開始變換,直至狀態(tài)4然后循環(huán)至狀態(tài)1,反復(fù)循環(huán)。通過具體的路口交通燈演示分析我們可以把這四個狀態(tài)歸納如圖2-2所示。圖2-2交通狀態(tài)示意圖主道A綠燈亮,同時紅燈滅,支道B黃燈滅,同時紅燈亮,倒計(jì)時30秒。,此狀態(tài)下,主道A禁止通行,支道B允許通行。主道A綠燈滅,同時黃燈亮,支道B紅燈亮,倒計(jì)時3秒,此狀態(tài)下,除了正在通行中的車輛,其他所有車輛都需要等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。支道B紅燈滅,同時綠燈亮,主道A綠燈滅,同時紅燈亮,倒計(jì)時30秒。,此狀態(tài)下,主道A禁止通行,支道B允許通行。支道B綠燈滅,同時黃燈亮,主道A紅燈亮,倒計(jì)時3秒,此狀態(tài)下,除了正在通行中的車輛,其他所有車輛都需要等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。四個路口均有三個紅綠燈,在任一路口,遇到紅燈禁行,綠燈后方可通行,黃燈警示車輛減速慢行或等待,狀態(tài)即將變換。
第3章硬件電路的設(shè)計(jì)3.1AT89C51單片機(jī)簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPERON—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器,AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案[1]。3.1.1AT89C51單片機(jī)的主要特性與MCS-51兼容,4K字節(jié)可編程閃爍存儲器,壽命:1000寫/擦循環(huán),數(shù)據(jù)保留時間:10年,全靜態(tài)工作:0Hz-24Hz,三級程序存儲器鎖定,128×8位內(nèi)部RAM,32可編程I/O線,兩個16位定時器/計(jì)數(shù)器,5個中斷源(兩個外部中斷源和3個內(nèi)部中斷源),可編程串行通道,低功耗的閑置和掉電模式,片內(nèi)振蕩器和時鐘電路[1]。3.1.2主要引腳功能圖3-1AT89C51引腳圖VCC:電源電壓VSS:接地時鐘引腳(XTAL1、XTAL2):時鐘電路是單片機(jī)的心臟,它用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號??梢哉f單片機(jī)就是一個復(fù)雜的同步時序信號,為了保證同步工作的實(shí)現(xiàn),電路應(yīng)在統(tǒng)一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地按照時序進(jìn)行工作。常用的時鐘電路有兩種:一種是內(nèi)部時鐘方式,另一種是外部時鐘方式[1]。本設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)部方式。原理圖如圖3-2所示:圖3-2時鐘電路圖RST/VPD(9腳):RST即為RESET,VPD為備用電源。輸入/出引腳P0~P3:除輸入/輸出功能外。1)P0口第二功能:是作為地址總線8位及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用口,一般作為擴(kuò)展時地址數(shù)據(jù)總線口使用。2)P2口第二功能:用作高8位地址總線。一般作為擴(kuò)展時地址總線的高8位使用[1]。3)P3口第二功能:其定義如表3-1所示:表3-1P3口的第二功能定義引腳第二功能P3.0RXD串行口輸入端P3.1TXD串行口輸出端P3.2INT0外部中斷0請求輸入端,低電平有效P3.3INT1外部中斷1請求輸入端,低電平有效P3.4T0定時器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.5T1定時器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器及I/O口寫選通信號輸出端,低電平有效P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器I/O口讀選通信號輸出端,低電平有效3.2硬件模塊(1)按鈕Key1:時間增加。Key2:時間減少。Key3:設(shè)置確定。Key4:啟動復(fù)位。Key5:黃燈閃爍。按鈕圖如圖3-3所示:圖3-3按鈕示意圖(2)數(shù)碼管動態(tài)顯示圖數(shù)碼管實(shí)際上是由7個發(fā)光二極管和一個小數(shù)點(diǎn)8個組成,分別命名為A、B、C、D、E、F、G、DP。示意圖如圖3-4所示。圖3-4數(shù)碼管
第4章軟件的設(shè)計(jì)4.1流程圖交通信號燈整體流程圖如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖
4.2交通狀態(tài)路口交通信號燈的各個狀態(tài),通過0、1標(biāo)志交通信號燈的亮滅。狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4主道A通行等待變換禁止等待變換支道B禁止等待變換通行等待變換A紅燈0011A黃燈0100A綠燈1000B紅燈1100B黃燈0001B綠燈0010注釋:1代表通,0代表斷。表4-1交通狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài)4.3總體結(jié)構(gòu)圖AT89C51的各個引腳的作用。圖4-2總體結(jié)構(gòu)圖
第五章系統(tǒng)調(diào)試5.1程序開始按下按鈕KEY4,程序開始運(yùn)行,數(shù)碼管倒計(jì)時,此時南北綠燈亮,東西紅燈亮,倒計(jì)時27秒后,南北黃燈閃爍,3秒后南北紅燈亮,東西綠燈亮。重復(fù)按下按鈕KEY4可以復(fù)位停止。仿真圖如圖5-1所示。圖5-1正常模式 5.2黃燈閃爍模式按下KEY5開啟黃燈閃爍模式,黃燈閃爍提醒來往車輛減速慢性。電路如圖5-2所示。圖5-2黃燈閃爍模式結(jié)論在這次的課程設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)了十字路口交通燈紅綠燈交替變換的功能,通過按鈕開關(guān)控制還可以增加減路口各方向紅綠燈的時間,還可以在不同種模式下控制燈亮滅,例如:在緊急模式下,紅燈亮,警告來往車輛停止行駛,提示該路口會有緊急車輛駛過;在夜間模式下,黃燈亮,提示來往車輛減速慢行。課程設(shè)計(jì)讓我們把課堂上學(xué)習(xí)到的知識得到鞏固和進(jìn)一步的提高,對已有知識有了更進(jìn)一步的認(rèn)識和理解,同時,也發(fā)現(xiàn)了自身能力的有限。在設(shè)計(jì)過程中都會遇到一些困難和問題,如:定義錯函數(shù);函數(shù)名輸入錯誤;字母大小寫在輸入過程中輸錯;輸入的程序無法實(shí)現(xiàn)該模式的仿真;在接線圖中,距離較近的兩個端子接串;數(shù)碼管數(shù)字閃爍。不過本次設(shè)計(jì)是三人一組,通過與同學(xué)的共同分析,以及借助書籍的幫助,依次將問題解決。通過本次設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)自己對單片機(jī)的理解認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我會在以后的學(xué)習(xí)中不斷提高自己,在學(xué)習(xí)中對單片機(jī)得到進(jìn)一步的認(rèn)識。?
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附錄一#include<reg51.h>#include<intrins.h>typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedintuint;sbitk1=P1^6; sbitk2=P1^7; sbitk3=P3^1; sbitk4=P3^4; sbitk5=P3^7; sbitreg_nb=P1^3; //南北紅燈sbitreg_dx=P1^0; //東西紅燈 sbitgreen_nb=P1^5; //南北綠燈sbitgreen_dx=P1^2; //東西綠燈sbityellowled_nb=P1^4; //南北黃燈sbityellowled_dx=P1^1; //東西黃燈ucharcodetable[11]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};uchardatadig=0xfe; uchardataled=0; uchardatabuf[4];//暫存東西、南北的個位十位signedcharsec_dx=30;//東西數(shù)碼指示值signedcharsec_nb=30;//南北數(shù)碼指示值signedcharset_timedx=30; //東西倒計(jì)時設(shè)置的鍵值保存signedcharset_timenb=30;//南北倒計(jì)時設(shè)置的鍵值保存unsignedchara=0; //執(zhí)行按鍵3的標(biāo)志unsignedcharb=0; //定時器的中斷數(shù)次unsignedcharc=0; //執(zhí)行按鍵4的標(biāo)志unsignedchard=0; //執(zhí)行按鍵5的標(biāo)志unsignedcharSNEW=0; //控制南北紅燈與綠燈時間的切換&&東西紅燈與綠燈時間的切換unsignedchartime=0;//東西南北黃燈燈狀態(tài)循環(huán)標(biāo)志voiddelay(intms){ uintj,k; for(j=0;j<ms;j++) for(k=0;k<124;k++);}voidkey_to1(){ TR0=0; //關(guān)定時器 sec_nb++;//南北加1S sec_dx++;//東西加1S if(sec_nb==61) //判斷南北的綠燈時間是否超過了60 { sec_nb=0; //南北置0 sec_dx=60;//東西置60 } }voidkey_to2(){ TR0=0;//關(guān)定時器 sec_nb--;//南北減1S sec_dx--;//東西減1S if(sec_nb==-1) //判斷南北的綠燈時間是否小于0 { sec_nb=60; //南北置60 sec_dx=0; //東西置0 } }voidkey() { //***********按鍵k1與按鍵k2的功能判斷*************// if(a==2)//按鍵k3已設(shè)置為設(shè)置模式 { if(k1==0) //按鍵1(設(shè)置南北時間加1) { delay(10); //按鍵消抖 if(k1!=1) { while(k1!=1);//等待按鍵釋放 key_to1(); //執(zhí)行南北綠燈的時間加1;東西的減1 } } if(k2==0) //按鍵2(設(shè)置南北時間減1) { delay(10); //按鍵消抖 if(k2!=1) { while(k2!=1);//等待按鍵釋放 key_to2(); //執(zhí)行南北綠燈的時間減1;東西的加1 } } } if(k3==0) //按鍵3的功能(進(jìn)入設(shè)置時間狀態(tài)) { delay(100);//延時->消抖 if(k3==0)//消抖 { if(a==0) //開始進(jìn)入設(shè)置時間狀態(tài)標(biāo)志 { a=1; c=0; d=0; } elseif(a==2) //設(shè)置時間完畢標(biāo)志 { a=3; } if(a==1) //設(shè)置進(jìn)入設(shè)置時間模式(使a=2) { a=2; TR0=0; sec_nb=30; //設(shè)置時間的初始值為30s sec_dx=30; reg_nb=1; //所以方向關(guān)閉紅色與黃色信號燈,打開綠色信號燈 reg_dx=1; green_nb=0; green_dx=0; yellowled_nb=1; yellowled_dx=1; } if(a==3) //設(shè)置時間完畢 { a=0; reg_nb=0; //所以方向的信號燈都亮 reg_dx=0; green_nb=0; green_dx=0; yellowled_nb=0; yellowled_dx=0; set_timenb=sec_nb; //將設(shè)置好的時間保存 set_timedx=sec_dx; } while(k3==0);//等待按鍵釋放 } } if(k4==0) //按鍵4的功能(紅綠燈開始或停止工作) { delay(100); if(k4==0) { if(c==0&&d!=1) //紅綠燈開始工作 {a=0; b=0; //定時中斷數(shù)次清0 c=1; //開始正常工作無限循環(huán) d=0; //關(guān)閉夜間狀態(tài) time=0;//南北先通行 SNEW=0;//南北先通行 sec_nb=set_timenb; //前從南北方向開始通行,將設(shè)置好的南北綠燈時間賦給南北數(shù)碼管顯示 sec_dx=set_timenb; //將南北綠燈時間賦給東西方向的紅色等待時間 } elseif(c==1||d==1) //停止紅綠燈工作 { TR0=0; a=0;//關(guān)閉設(shè)置狀態(tài) b=0; //定時中斷數(shù)次清0 c=0; //關(guān)閉正常工作循環(huán) d=0; //關(guān)閉夜間狀態(tài) sec_nb=0; //東西南北方向顯示0 sec_dx=0; reg_nb=0; //所有方向的信號燈都亮 reg_dx=0; green_nb=0; green_dx=0; yellowled_nb=0; yellowled_dx=0; } while(k4==0); } } if(k5==0) //按鍵5的功能(夜間模式) { delay(100);//延時->消抖 if(k5==0)//消抖 { a=0;//關(guān)閉設(shè)置狀態(tài) b=0;//定時中斷數(shù)次清0 c=0;//關(guān)閉正常工作循環(huán) d=1;//啟動夜間狀態(tài) P0=0;//關(guān)掉數(shù)碼管 TR0=0;//停止定時器工作 reg_nb=1; //關(guān)閉紅色與綠色信號燈,打開黃色信號燈reg_dx=1; green_nb=1; green_dx=1; yellowled_nb=0; yellowled_dx=0; while(k5==0);//等待按鍵釋放 } }}//*********************數(shù)碼管顯示************************//voiddisplay(){//sec_dx與sec_nb的值在定時中斷函數(shù)中每一秒自動減一 buf[0]=sec_dx/10;//第1位東西秒十位 buf[1]=sec_dx%10;//第2位東西秒個位 buf[2]=sec_nb/10;//第3位南北秒十位 buf[3]=sec_nb%10;//第4位南北秒個位 P2=dig;//數(shù)碼管位選 P0=table[buf[led]];//數(shù)碼管段選 dig=_crol_(dig,1);//此函數(shù)在頭文件intrins.h中,循環(huán)帶進(jìn)位位左移函數(shù)(dig是要左移的數(shù)值,1表示左移1位) led++; if(led==4)//若顯示完南北的十位 { led=0;//第4位南北秒個位 dig=0xfe;//選中東西十位進(jìn)行顯示 }}voidmain(){ TMOD=0x01; //定時中斷定義 TH0=0x3C; TL0=0xB0; EA=1; //打開中斷開關(guān) ET0=1; TR0=0; EX0=1; EX1=1; k1=1; //所以按鍵附初值 k2=1; k3=1; k4=1; k5=1; while(1) { reg_nb=0; //所以方向的信號燈都亮 reg_dx=0; green_nb=0; green_dx=0; yellowled_nb=0; yellowled_dx=0; while(1) //進(jìn)入無限循環(huán) { key();//調(diào)用按鍵掃描程序 display();//調(diào)用顯示程序 if(c==1)//執(zhí)行按鍵4的標(biāo)志,正常模式 { c=1; TMOD=0x01; //設(shè)置定時器 TH0=0x3C; TR0=1; //打開定時器 P1=0xde;//南北通行 while(c) { key();//調(diào)用按鍵掃描程序 display();//調(diào)用顯示程序 } } while(d) //進(jìn)入夜間狀態(tài) { P0=0; //關(guān)閉數(shù)碼管的顯示 yellowled_nb=0; //實(shí)現(xiàn)黃色信號燈的閃爍 yellowled_dx=0; delay(100); yellowled_nb=1; yellowled_dx=1; delay(100); key(); //調(diào)用按鍵掃描程序 } } } }//**************************定時中斷子程序************************************//voidt0()interrupt1using1{ b++; if(b==10) //定時器中斷次數(shù)。 { b=0; sec_dx--;//東西顯示時間減一 sec_nb--;//南北顯示時間減一 //南北黃燈閃爍判斷 if(sec_nb==3&&time==0)//南北通行(time==0)時間剩下3s { green_nb=1;//南北綠燈滅 yellowled_nb=1;//南北黃燈滅 delay(300); yellowled_nb=0;//南北黃燈亮 } if(sec_nb==2&&time==0)//南北通行(
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