毕业论文交通灯单片机

毕业论文 交通灯 单

片机

题 目:LED点阵系统设计

系 部:机电工程系 专 业:机电一体化 班 级:098班 姓 名:范旭辉 学 号:2009048042 指导教师:范旭辉

目录

摘要 ................................................... 4 1交通灯系统设计的意义及系统的主要功能 ................. 5 1.1 交通灯系统设计的意义 ............................... 5 1.2 交通灯系统研究的主要内容 ........................... 5 2 MCS-51单片机概述 .................................... 6 2.1 MCS-51单片机的结构 ............................... 6 2.2引脚说明 ........................................... 7 2.3中断说明 ........................................... 7 3交通灯系统设计的任务 ................................. 9 3.1交通灯系统驱动模块 ................................. 9 3.2总体硬件组成框图 .................................. 10 4硬件电路设计 ........................................ 10 4.1 总体设计 .......................................... 10 4.2硬件电路 .......................................... 11 4.2.1 硬件的选择 ...................................... 12

5软件的设计流程 ...................................... 12 5.1软件流程图 ........................................ 13 5.2软件程序的实现 .................................... 14

总结......................................... 15 致谢......................................... 16 参考文献..................................... 16 附录程序..................................... 16

摘要

交通信号灯的出现,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。为了实现交通道路的管理,力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统,以及系统软、硬件设计方法,实验证明该系统实现简单、经济,能够有效的疏导交通,提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状,结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理,给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化的地位极为重要,广泛的应用各个行业。随着科技的发展,可编程控制器的功能日益完

善,加上小型化、价格低、可靠性高,在现代工业中的作用更加突出。

为了对交通进行有效的管理,本设计以交通灯为对象,通过可编程控制器对其实行控制。设计中针对交通灯的控制方式、LED灯的显示、倒计时功能进行了硬软件的总体设计。通过设计,交通灯具有可根据交通的不同状况,人工选择不同的工作状态,兼带有两位七段数码管实时显示倒计时的功能。通过设计,大大提高了对交通的控制功能,使交通秩序得到有效的控制。

关键词:

PLC、可编程控制器、交通信号灯、LED、可靠性高

一 交通灯系统设计的意义及系统研究的主要内容 1.1交通灯系统的设计意义

近年来,随着汽车数量的猛增,我国大中型城市的城市交通,正面临着严峻的考验,从而导致交通问题日益严重,其主要表现如下:交通事故频发,对人类生命安全造成极大威胁;交通拥堵严重,导致出行时间增加,能源消耗加大;空气污染和噪声污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题。在这种背景下,结合我国城市道路交通的实际情况,开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。

和谐的城市交通具有很重要的现实意义。城市交通是城市经济生活的命脉,是衡量一个城市文明进步的标志,对于城市经济的发展和人民生活水平的提高起着十分重要的作用。作为城市交通网的重要组成部分, 交叉口是道路通行能力的瓶颈和交通阻塞及事故的多发地。城市的交通拥堵,大部分是由于交叉口的通行能力不足或没有充分利用造成的,这导致车流中断、事故增多、延误严重。对交叉口实行科学的管理与控制是交通控制工程的重要研究课题,是保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行能力的重要措施,是解决城市交通问题的有效途径。所以,改变和完善我国现有的交通系统已成为当务之急。

1.2交通灯系统研究的主要内容

本设计以单片机为核心,通过Proteus professional软件进行模拟仿真,以此来实现交通灯控制系统的模拟功能,从而达到有效的控制交通状况的目的。

设计内容及要求:

利用单片机的定时器/计数器定时,用LED数码管倒计时显示时间,计时到0令红、绿灯交替点亮和熄灭,并且红灯点亮前黄灯要闪烁。

针对以上要求,着重要完成以下几个方面的内容: 对于系统的硬件设计,主要包括: (1)单片机基本系统电路设计; (2)显示、按键电路设计;

(3)电源电路设计;

对于系统的软件设计,主要包括: (1)系统主程序的设计;

(2)系统几个中断子程序的设计; (3)系统软件流程图;

(4)Proteus professional软件的模拟仿真等内容;

针对本次设计中所存在的问题,提出部分改进意见和下一步所要研究的目标。最后,总结了设计过程的收获与不足并展望了未来。

二 MCS-51单片机概述 2.1MCS-51单片机的结构

1.中央处理器CPU

中央处理器CPU是单片机内部的核心部件,它决定了单片机的主要功能

特性,由运算器和控制器两大部分组成。 (1)运算器

运算器是计算机的运算部件,用于实现算术逻辑运算、位变量处理、移

位和数据传送等操作。它是以算术逻辑单元ALU为核心,加上累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW以及十进制调整电路和专门用于位操作的布尔处理器等组成的。 (2)控制器

控制器是计算机的控制部件,它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指

令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP以及定时控制与条件转移逻辑电路等。它对来自存储器中的指令进行译码,并通过定时和控制电路在规定的时刻发出各种操作所需要的控制信号,使各部件协调工作,完成指令所规定的操作。 2.运算器

1) 算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit) 2) 累加器ACC (Accumulator) 3) 寄存器B

4) 程序状态字PSW(Program Status Word) 5)布尔处理器 3.控制器

1) 程序计数器PC 2) 数据指针DPTR

2.2引脚说明

MCS-51系列单片机是美国Intel公司开发的8位单片机,又可以分为多个子系列。MCS-51系列 单片机共有40条引脚,包括32条I/O接口引脚、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。

引脚说明:

P0.0~P0.7:P0口8位口线,第一功能作为通用I/O接口,第二功能作为存储器扩展时的地址/数据复用口。

P1.0~P1.7:P1口8位口线,通用I/O接口无第二功能。

P2.0~P2.7:P2口8位口线,第一功能作为通用I/O接口,第二功能作为存储器扩展时传送高8位地址。

P3.0~P3.7:P3口8位口线,第一功能作为通用I/O接口,第二功能作为为单片机的控制信号。

ALE/ PROG:地址锁存允许/编程脉冲输入信号线(输出信号) PSEN:片外程序存储器开发信号引脚(输出信号) EA/Vpp:片外程序存储器使用信号引脚/编程电源输入引脚 RST/VPD:复位/备用电源引脚

2.3中断说明

80C51单片机有5个中断源2个优先级,这5个中断源是外部中断 、 ,定时计数器中断T0、T1,串行中断RI/TI,每个中断源可用中断允许寄存器IE中的各位开放或禁止其中断,2个中断优先级是高优先级与低优先级,每个中断源可由中断优先权寄存器IP中各位设置其优先级。每个中断源的开放、禁止及优先级可以用软件设置。

1.中断请求标志 (1)中断标志寄存器TCON

TCON为特殊功能寄存器,其地址为88H,TCON中8位含义及位地址如图6-3所示。TCON的低4位用于外部中断 、 ,其中:IT0与IT1为外部中断方式的选择位,IE0、IE1为外部中断触发标志位。高4位用于定时计数器T1、T0,其中TF0、TF1为定时中断触发标志位,TR0与TR1为定时器运行控制位。因为TCON可位寻址操作,所以可用SETB与CLR指令将TCON各位清零或置1。

(2)外部中断

外部中断 有2种,即低电平与负脉冲方式。IT0=0 ; 引脚输入低电平产生中断。 IT0=1 ;由 引脚输入负脉冲使IE0置1。

当CPU响应中断时,由硬件自动将IE0清零,以避免重复中断。 与 中断请求方式是相同, (3)定时器中断

80C51单片机有2个定时器T0与T1。T0与T1是通过其内部加1计数器溢出后将定时器中断标志TF0(或TF1)置1来向CPU请求中断的。

①定时器T0

定时器中断标志TF0:当T0的加1计数器发生溢出时,将TF0置1(T0的加1计数器将在定时器一节中介绍)。

TF0=1 ;表示T0向CPU发中断请求。 TF0=0 ;表示T0未向CPU发中断请求。 ②定时器T1(与T0类同)

(4)串行中断:在串行通讯时,接收到一帧信息后串行口将接收中断标志RI置1,发送完一帧信息后串行口将发送中断标志TI置1,以此来向CPU发中断请求。

注意:RI、TI必须硬件清零。 2.中断控制

(1)中断允许控制寄存器IE (2)中断优先级的设置寄存器IP (3)优先级处理原则

① 不同级同时申请:先高后低。即先响应高优先级中断请求,然后再响应低优先级中断。

②处理低级中断又收到高级中断:停低转高。即:暂停低优级中断,执行高优级中断。

③处理高级中断又收到低级中断:高不睬低。即:继续执行高优先级中断。 ④同级同时申请:按 →T0→ →T1→TI/RI次序响应。 中断源 入口地址 外部中断0 0003H 定时器0中断 000BH 外部中断1 0013H 定时器1中断 001BH 串行口中断 0023H

将定时器1中断,其中断服务程序入口地址地址跳转到CONT的指令为:

ORG 001BH ;定时器1中断入口

LJMP CONT ;转向中断服务程序

三 交通灯系统设计的任务 3.1交通灯系统驱动模块

单片机的P0口用于控制是数码管的位码,P0.6,P0.7是南北数码管的位码,P0.0,P0.1是东西的位码。

P2口是控制南北路口数码管的段码,P3口是控制东西路口数码管的段码。 P1口的P1.0控制东西没有车是用于K2,当南去控制,东西放P1.4分别是控制的明亮。P1.5,控制东西红黄绿

是用于K1,它可以时,南北放行;P1.1北没有车时,手动行。P1.2,P1.3,南北红黄绿三个灯P1.6,P1.7分别是三个灯的明亮。

1234567

XD01234567

1234567

3.2总体硬件组成框图 四 硬件电路的设计 4.1总体设计

单片机模块是整个系统的核心部分,在这样一个模拟交通灯系统中,需要有时钟电路模块提供基准震荡频率以及单片机基本系统、指示电路、显示电路、键盘电路、电源电路、下载线电路设计。系统基本原理方框图如图2-2所示:

由上总体方框图可以看到此次设计硬件电路有六大部分所构成,围绕以主控部分发挥各自的功能。只有这几部分有机结合才可以很好的实现本次设计的目的。

4.2硬件电路 4.2.1硬件的选择

(1)按键接口电路的设计

单片机使用的键盘分为独立式和矩阵式两种。

方案一:矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合,它有行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上。行、列线分别连接到按键开关的两端,而有键按下时,行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定,列线电平如果为低,则行线电平为低;反之,则为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键。矩阵式键盘各按键彼此将相互发生影响,所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理,才能确定闭合键的位置。

方案二:矩阵式键盘也称行列式键盘,因为键的数目较多,所以键按行列组成矩阵。独立式键盘就是各按键相互独立,每个按键各接一根输入线,一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因次,通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下了。独立式按键电路配置灵活,软件结构简单。但每个按键需占用一根输入口线,此种按键电路适用于按键较少或操作速度教高的场合独立式实际上就是一组相互独立的按键,这些按键可直接与单片机的I/O口连接,连接方法就是每个按键独立一条口线,各按键之间状态不会影响且接口简单。

考虑到这个控制器中,设定的按键不多,为了使系统简单明了,在这里选择独立式按键。如图所示,[SET]键用来设置倒计时时间,[SELECT]用来选择“+”“—”。

独立按键连接

(2) 指示电路的设计

指示很简单,采用LED(发光二极管),考虑到单片机端口常态是高电平,设计采用低电平点亮发光管,如图3-8所示。I/O口的灌电流最大30mA左右,假设每根线20mA,C系列都低于20mA,假设单个发光管耐压2V(不同的管子不同,相差不多),系统采用5V供电,则限流电阻R的阻值为:

实际选择200Ω,实验发现发光二极管显示正常。通过程序来控制指示灯红、绿、黄的通断来模拟交通灯的指示作用。其电路图如图3-8所示。

R

U52V150I0.02A

3-8 指示电路部分电路

(3) 显示电路的设计

数码管显示电路有多种方式,按照数据传输方式有两种:并行形式和串行形

式,下面针对两种方式进行说明。

本设计采用单片机设计,由于口线不足,而需要多位数码管显示,因此,为了更大的利用资源,节省地址线,本设计采用74LS164串行形式来控制数码管显示。

74LS164是8位移位寄存器,采用串行输入,并行输出, 当清除端(CLEAR)为低电平时,输出端(QA-QH)均为低电平。 串行数据输入端(A,B)可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平,则禁 止新数据输入,在时钟端(CLOCK)脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B 有一个为高电平,则另一个就允许输入数据,并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态。其真值表如图3-9所示,与单片机接口电路硬件连接图如图3-10所示。

图3-9 74LS164真值表

(4) 电源电路设计

本设计对电源部分的要求不是太高,因此对于电源的设计就是普通的5V电源,利用了典型的三端稳压管W7805,来得到5V的直流稳压电源用于给整个系统几各个芯片供电。

五 软件的设计流程 5.1软件流程图

按交通灯的功能,系统程序必须具备按键扫描处理、实时数码管显示等任务。

5.1.1 按键扫描处理子程序的设计

按键扫描处理子程序负责设置东西、南北走向的等待时间按,若有键按下,则作出相应处理。图所示为按键扫描子程序流程图。

按键扫描子程序流程图

5.2软件程序的实现

从仿真图中可以看到,数码管一个显示的是30另一个是25,可是却不能看到它的全貌,这就是软件和硬件有的不同,在硬件上能实现的,在软件上却稍有误差。

我们先在仿真器上把所要该接的元件都接好,然后试一下接法是否正确,先测数码管:给P2,P3全为1让P1.0,P1.1,P1.5,P1.6全为0看是否能显示出来一个有点的8。如果正常,证明接法正确。测发光二极管给它个0时是否能亮。前面的测试正常,说明电路现在可以用。

在把程序输入到软件中,在此缓解应注意不能出现差错,因为一个很小的误差,都可能造成不一样的结果。在程序输入完成且接线无误后,启动程序。

5.2.1调试

系统做好后,进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据,逐步校正数据,使测量结果更准确。单片机软件先在最小系统板上调试,确保工作正常之后,再与硬件系统联调。

在软件调试无误后进行程序的下载,把最终的程序烧入单片机,至此电路板已经完工。

总结

经历两个星期的时间,本次课程设计设计:交通灯控制模拟系统的设计已经圆满完成。通过这次的毕业设计,我基本上掌握了一般的设计步骤:首先明确设计任务,通过讨论思考及必要的简单实验和实际考查完成对总体设计指标的系统了解;进而要对整个设计系统经过深入的方案论证、计算以及联系实际的工作环境等一系列条件,确立自己的设计方案,然后就是对自己确立的方案进行硬件实现。

过本次设计很好的完成了以单片机为核心,通过LED数码管显示和LED灯完成了十本设计系统是基于单片机的模拟交通灯控制系统,具有一定的实际意义。通字路口的工作状态的模拟,并且通过按键有效的控制等待时间的长短的目的.其运行可靠,操作方便,适用性强,可以广泛应用于城市路口,具有较大的推广价值。

由于粗心大意,其中不免出现一些不足的地方,但是,在短暂的时间内,从对题目的分析到方案的确定,再到软件的模拟,最后通过硬件的调试,都达到了预想的效果。

此次软硬结合的设计要求,充分调动了我的积极性,对硬件的设计是最难忘的;调试硬件对设计者来说是很有挑战意义,更能考验设计者的耐心与毅力。当然硬件需要软件相结合,改变硬件后只要稍改程序就可以实现相同的功能要求。更可以通过本次的设计把设计思想应用到更大的系统控制设计中。软硬结合使我真正认识到了理论与实际的区别,这在以后的工作和学习中给予我更好的提示,注重理论与实际相结合,注重分析选择解决问题的思路和方法,注重设计方案的分析选择和设计思想的分析选择。总之,本次设计让我受益匪浅。

最后,衷心感谢在课程设计期间老师对我们的耐心指导,以及所有帮助过我的同学们。谢谢你们!

参考文献

[1] 李广弟.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社 [2] 何立民.单片机应用技术大全.北京:北京航空航天大学出版社 [3] 张毅刚. 单片机原理及接口技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社 [4]楼然苗,李光飞编著.单片机课程设计指导[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2007.7

[5] 周慈航著.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001.12

[6]严天峰编著.单片机应用系统设计与仿真调试[M].北京:北京航空航天大学 出 版社,2005.8 附录:实验程序清单

ORG 0000H LJMP MAIN ORG 001BH LJMP PTF1 ORG 0100H MAIN:

MOV SP,#0EFH MOV TH1,#70H

MOV TL1,#0 MOV TMOD,#10H MOV IP,#8 MOV IE,#88H SETB TR1 MOV R1,#10H MOV R0,#4 MOV P0,#21H NEXT1:

CJNE R0,#34H,NEXT11 CJNE R1,#8,NEXT11 MOV P0,#11H LJMP NEXT4 NEXT11:

CJNE R0,#20H,NEXT12 CJNE R1,#8,NEXT12 MOV P0,#1 LJMP NEXT4 NEXT12:

CJNE R0,#0CH,NEXT13 CJNE R1,#8,NEXT13 MOV P0,#11H LJMP NEXT4 NEXT13:

CJNE R0,#0F8H,NEXT14 CJNE R1,#7,NEXT14 MOV P0,#1 LJMP NEXT4 NEXT14:

CJNE R0,#0E4H,NEXT2 CJNE R1,#7,NEXT2 MOV P0,#11H LJMP NEXT4 NEXT2:

CJNE R0,#0D0H,NEXT3 CJNE R1,#7,NEXT3 MOV P0,#0CH LJMP NEXT4 NEXT3:

CJNE R0,#0,NEXT31 CJNE R1,#0FFH,NEXT31 MOV P0,#0AH LJMP NEXT4 NEXT31:

CJNE R0,#0ECH,NEXT32 CJNE R1,#0FFH,NEXT32 MOV P0,#8 LJMP NEXT4 NEXT32:

CJNE R0,#0C4H,NEXT33 CJNE R1,#0FFH,NEXT33 MOV P0,#0AH LJMP NEXT4 NEXT33:

CJNE R0,#0B0H,NEXT34 CJNE R1,#0FFH,NEXT34 MOV P0,#8 LJMP NEXT4 NEXT34:

CJNE R0,#9CH,NEXT35 CJNE R1,#0FFH,NEXT35 MOV P0,#0AH LJMP NEXT4 NEXT35:

CJNE R0,#88H,NEXT4 CJNE R1,#0FFH,NEXT4 MOV P0,#21H MOV R1,#10H

MOV R0,#4 NEXT4:

LJMP NEXT1 PTF1:

PUSH ACC PUSH PSW MOV A,P0 DJNZ R0,NEXT DEC R1 NEXT:

MOV TH1,#70H MOV TL1,#0 POP PSW POP ACC RET END

毕业论文 交通灯 单

片机

题 目:LED点阵系统设计

系 部:机电工程系 专 业:机电一体化 班 级:098班 姓 名:范旭辉 学 号:2009048042 指导教师:范旭辉

目录

摘要 ................................................... 4 1交通灯系统设计的意义及系统的主要功能 ................. 5 1.1 交通灯系统设计的意义 ............................... 5 1.2 交通灯系统研究的主要内容 ........................... 5 2 MCS-51单片机概述 .................................... 6 2.1 MCS-51单片机的结构 ............................... 6 2.2引脚说明 ........................................... 7 2.3中断说明 ........................................... 7 3交通灯系统设计的任务 ................................. 9 3.1交通灯系统驱动模块 ................................. 9 3.2总体硬件组成框图 .................................. 10 4硬件电路设计 ........................................ 10 4.1 总体设计 .......................................... 10 4.2硬件电路 .......................................... 11 4.2.1 硬件的选择 ...................................... 12

5软件的设计流程 ...................................... 12 5.1软件流程图 ........................................ 13 5.2软件程序的实现 .................................... 14

总结......................................... 15 致谢......................................... 16 参考文献..................................... 16 附录程序..................................... 16

摘要

交通信号灯的出现,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。为了实现交通道路的管理,力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统,以及系统软、硬件设计方法,实验证明该系统实现简单、经济,能够有效的疏导交通,提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状,结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理,给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化的地位极为重要,广泛的应用各个行业。随着科技的发展,可编程控制器的功能日益完

善,加上小型化、价格低、可靠性高,在现代工业中的作用更加突出。

为了对交通进行有效的管理,本设计以交通灯为对象,通过可编程控制器对其实行控制。设计中针对交通灯的控制方式、LED灯的显示、倒计时功能进行了硬软件的总体设计。通过设计,交通灯具有可根据交通的不同状况,人工选择不同的工作状态,兼带有两位七段数码管实时显示倒计时的功能。通过设计,大大提高了对交通的控制功能,使交通秩序得到有效的控制。

关键词:

PLC、可编程控制器、交通信号灯、LED、可靠性高

一 交通灯系统设计的意义及系统研究的主要内容 1.1交通灯系统的设计意义

近年来,随着汽车数量的猛增,我国大中型城市的城市交通,正面临着严峻的考验,从而导致交通问题日益严重,其主要表现如下:交通事故频发,对人类生命安全造成极大威胁;交通拥堵严重,导致出行时间增加,能源消耗加大;空气污染和噪声污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题。在这种背景下,结合我国城市道路交通的实际情况,开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。

和谐的城市交通具有很重要的现实意义。城市交通是城市经济生活的命脉,是衡量一个城市文明进步的标志,对于城市经济的发展和人民生活水平的提高起着十分重要的作用。作为城市交通网的重要组成部分, 交叉口是道路通行能力的瓶颈和交通阻塞及事故的多发地。城市的交通拥堵,大部分是由于交叉口的通行能力不足或没有充分利用造成的,这导致车流中断、事故增多、延误严重。对交叉口实行科学的管理与控制是交通控制工程的重要研究课题,是保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行能力的重要措施,是解决城市交通问题的有效途径。所以,改变和完善我国现有的交通系统已成为当务之急。

1.2交通灯系统研究的主要内容

本设计以单片机为核心,通过Proteus professional软件进行模拟仿真,以此来实现交通灯控制系统的模拟功能,从而达到有效的控制交通状况的目的。

设计内容及要求:

利用单片机的定时器/计数器定时,用LED数码管倒计时显示时间,计时到0令红、绿灯交替点亮和熄灭,并且红灯点亮前黄灯要闪烁。

针对以上要求,着重要完成以下几个方面的内容: 对于系统的硬件设计,主要包括: (1)单片机基本系统电路设计; (2)显示、按键电路设计;

(3)电源电路设计;

对于系统的软件设计,主要包括: (1)系统主程序的设计;

(2)系统几个中断子程序的设计; (3)系统软件流程图;

(4)Proteus professional软件的模拟仿真等内容;

针对本次设计中所存在的问题,提出部分改进意见和下一步所要研究的目标。最后,总结了设计过程的收获与不足并展望了未来。

二 MCS-51单片机概述 2.1MCS-51单片机的结构

1.中央处理器CPU

中央处理器CPU是单片机内部的核心部件,它决定了单片机的主要功能

特性,由运算器和控制器两大部分组成。 (1)运算器

运算器是计算机的运算部件,用于实现算术逻辑运算、位变量处理、移

位和数据传送等操作。它是以算术逻辑单元ALU为核心,加上累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW以及十进制调整电路和专门用于位操作的布尔处理器等组成的。 (2)控制器

控制器是计算机的控制部件,它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指

令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP以及定时控制与条件转移逻辑电路等。它对来自存储器中的指令进行译码,并通过定时和控制电路在规定的时刻发出各种操作所需要的控制信号,使各部件协调工作,完成指令所规定的操作。 2.运算器

1) 算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit) 2) 累加器ACC (Accumulator) 3) 寄存器B

4) 程序状态字PSW(Program Status Word) 5)布尔处理器 3.控制器

1) 程序计数器PC 2) 数据指针DPTR

2.2引脚说明

MCS-51系列单片机是美国Intel公司开发的8位单片机,又可以分为多个子系列。MCS-51系列 单片机共有40条引脚,包括32条I/O接口引脚、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。

引脚说明:

P0.0~P0.7:P0口8位口线,第一功能作为通用I/O接口,第二功能作为存储器扩展时的地址/数据复用口。

P1.0~P1.7:P1口8位口线,通用I/O接口无第二功能。

P2.0~P2.7:P2口8位口线,第一功能作为通用I/O接口,第二功能作为存储器扩展时传送高8位地址。

P3.0~P3.7:P3口8位口线,第一功能作为通用I/O接口,第二功能作为为单片机的控制信号。

ALE/ PROG:地址锁存允许/编程脉冲输入信号线(输出信号) PSEN:片外程序存储器开发信号引脚(输出信号) EA/Vpp:片外程序存储器使用信号引脚/编程电源输入引脚 RST/VPD:复位/备用电源引脚

2.3中断说明

80C51单片机有5个中断源2个优先级,这5个中断源是外部中断 、 ,定时计数器中断T0、T1,串行中断RI/TI,每个中断源可用中断允许寄存器IE中的各位开放或禁止其中断,2个中断优先级是高优先级与低优先级,每个中断源可由中断优先权寄存器IP中各位设置其优先级。每个中断源的开放、禁止及优先级可以用软件设置。

1.中断请求标志 (1)中断标志寄存器TCON

TCON为特殊功能寄存器,其地址为88H,TCON中8位含义及位地址如图6-3所示。TCON的低4位用于外部中断 、 ,其中:IT0与IT1为外部中断方式的选择位,IE0、IE1为外部中断触发标志位。高4位用于定时计数器T1、T0,其中TF0、TF1为定时中断触发标志位,TR0与TR1为定时器运行控制位。因为TCON可位寻址操作,所以可用SETB与CLR指令将TCON各位清零或置1。

(2)外部中断

外部中断 有2种,即低电平与负脉冲方式。IT0=0 ; 引脚输入低电平产生中断。 IT0=1 ;由 引脚输入负脉冲使IE0置1。

当CPU响应中断时,由硬件自动将IE0清零,以避免重复中断。 与 中断请求方式是相同, (3)定时器中断

80C51单片机有2个定时器T0与T1。T0与T1是通过其内部加1计数器溢出后将定时器中断标志TF0(或TF1)置1来向CPU请求中断的。

①定时器T0

定时器中断标志TF0:当T0的加1计数器发生溢出时,将TF0置1(T0的加1计数器将在定时器一节中介绍)。

TF0=1 ;表示T0向CPU发中断请求。 TF0=0 ;表示T0未向CPU发中断请求。 ②定时器T1(与T0类同)

(4)串行中断:在串行通讯时,接收到一帧信息后串行口将接收中断标志RI置1,发送完一帧信息后串行口将发送中断标志TI置1,以此来向CPU发中断请求。

注意:RI、TI必须硬件清零。 2.中断控制

(1)中断允许控制寄存器IE (2)中断优先级的设置寄存器IP (3)优先级处理原则

① 不同级同时申请:先高后低。即先响应高优先级中断请求,然后再响应低优先级中断。

②处理低级中断又收到高级中断:停低转高。即:暂停低优级中断,执行高优级中断。

③处理高级中断又收到低级中断:高不睬低。即:继续执行高优先级中断。 ④同级同时申请:按 →T0→ →T1→TI/RI次序响应。 中断源 入口地址 外部中断0 0003H 定时器0中断 000BH 外部中断1 0013H 定时器1中断 001BH 串行口中断 0023H

将定时器1中断,其中断服务程序入口地址地址跳转到CONT的指令为:

ORG 001BH ;定时器1中断入口

LJMP CONT ;转向中断服务程序

三 交通灯系统设计的任务 3.1交通灯系统驱动模块

单片机的P0口用于控制是数码管的位码,P0.6,P0.7是南北数码管的位码,P0.0,P0.1是东西的位码。

P2口是控制南北路口数码管的段码,P3口是控制东西路口数码管的段码。 P1口的P1.0控制东西没有车是用于K2,当南去控制,东西放P1.4分别是控制的明亮。P1.5,控制东西红黄绿

是用于K1,它可以时,南北放行;P1.1北没有车时,手动行。P1.2,P1.3,南北红黄绿三个灯P1.6,P1.7分别是三个灯的明亮。

1234567

XD01234567

1234567

3.2总体硬件组成框图 四 硬件电路的设计 4.1总体设计

单片机模块是整个系统的核心部分,在这样一个模拟交通灯系统中,需要有时钟电路模块提供基准震荡频率以及单片机基本系统、指示电路、显示电路、键盘电路、电源电路、下载线电路设计。系统基本原理方框图如图2-2所示:

由上总体方框图可以看到此次设计硬件电路有六大部分所构成,围绕以主控部分发挥各自的功能。只有这几部分有机结合才可以很好的实现本次设计的目的。

4.2硬件电路 4.2.1硬件的选择

(1)按键接口电路的设计

单片机使用的键盘分为独立式和矩阵式两种。

方案一:矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合,它有行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上。行、列线分别连接到按键开关的两端,而有键按下时,行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定,列线电平如果为低,则行线电平为低;反之,则为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键。矩阵式键盘各按键彼此将相互发生影响,所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理,才能确定闭合键的位置。

方案二:矩阵式键盘也称行列式键盘,因为键的数目较多,所以键按行列组成矩阵。独立式键盘就是各按键相互独立,每个按键各接一根输入线,一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因次,通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下了。独立式按键电路配置灵活,软件结构简单。但每个按键需占用一根输入口线,此种按键电路适用于按键较少或操作速度教高的场合独立式实际上就是一组相互独立的按键,这些按键可直接与单片机的I/O口连接,连接方法就是每个按键独立一条口线,各按键之间状态不会影响且接口简单。

考虑到这个控制器中,设定的按键不多,为了使系统简单明了,在这里选择独立式按键。如图所示,[SET]键用来设置倒计时时间,[SELECT]用来选择“+”“—”。

独立按键连接

(2) 指示电路的设计

指示很简单,采用LED(发光二极管),考虑到单片机端口常态是高电平,设计采用低电平点亮发光管,如图3-8所示。I/O口的灌电流最大30mA左右,假设每根线20mA,C系列都低于20mA,假设单个发光管耐压2V(不同的管子不同,相差不多),系统采用5V供电,则限流电阻R的阻值为:

实际选择200Ω,实验发现发光二极管显示正常。通过程序来控制指示灯红、绿、黄的通断来模拟交通灯的指示作用。其电路图如图3-8所示。

R

U52V150I0.02A

3-8 指示电路部分电路

(3) 显示电路的设计

数码管显示电路有多种方式,按照数据传输方式有两种:并行形式和串行形

式,下面针对两种方式进行说明。

本设计采用单片机设计,由于口线不足,而需要多位数码管显示,因此,为了更大的利用资源,节省地址线,本设计采用74LS164串行形式来控制数码管显示。

74LS164是8位移位寄存器,采用串行输入,并行输出, 当清除端(CLEAR)为低电平时,输出端(QA-QH)均为低电平。 串行数据输入端(A,B)可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平,则禁 止新数据输入,在时钟端(CLOCK)脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B 有一个为高电平,则另一个就允许输入数据,并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态。其真值表如图3-9所示,与单片机接口电路硬件连接图如图3-10所示。

图3-9 74LS164真值表

(4) 电源电路设计

本设计对电源部分的要求不是太高,因此对于电源的设计就是普通的5V电源,利用了典型的三端稳压管W7805,来得到5V的直流稳压电源用于给整个系统几各个芯片供电。

五 软件的设计流程 5.1软件流程图

按交通灯的功能,系统程序必须具备按键扫描处理、实时数码管显示等任务。

5.1.1 按键扫描处理子程序的设计

按键扫描处理子程序负责设置东西、南北走向的等待时间按,若有键按下,则作出相应处理。图所示为按键扫描子程序流程图。

按键扫描子程序流程图

5.2软件程序的实现

从仿真图中可以看到,数码管一个显示的是30另一个是25,可是却不能看到它的全貌,这就是软件和硬件有的不同,在硬件上能实现的,在软件上却稍有误差。

我们先在仿真器上把所要该接的元件都接好,然后试一下接法是否正确,先测数码管:给P2,P3全为1让P1.0,P1.1,P1.5,P1.6全为0看是否能显示出来一个有点的8。如果正常,证明接法正确。测发光二极管给它个0时是否能亮。前面的测试正常,说明电路现在可以用。

在把程序输入到软件中,在此缓解应注意不能出现差错,因为一个很小的误差,都可能造成不一样的结果。在程序输入完成且接线无误后,启动程序。

5.2.1调试

系统做好后,进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据,逐步校正数据,使测量结果更准确。单片机软件先在最小系统板上调试,确保工作正常之后,再与硬件系统联调。

在软件调试无误后进行程序的下载,把最终的程序烧入单片机,至此电路板已经完工。

总结

经历两个星期的时间,本次课程设计设计:交通灯控制模拟系统的设计已经圆满完成。通过这次的毕业设计,我基本上掌握了一般的设计步骤:首先明确设计任务,通过讨论思考及必要的简单实验和实际考查完成对总体设计指标的系统了解;进而要对整个设计系统经过深入的方案论证、计算以及联系实际的工作环境等一系列条件,确立自己的设计方案,然后就是对自己确立的方案进行硬件实现。

过本次设计很好的完成了以单片机为核心,通过LED数码管显示和LED灯完成了十本设计系统是基于单片机的模拟交通灯控制系统,具有一定的实际意义。通字路口的工作状态的模拟,并且通过按键有效的控制等待时间的长短的目的.其运行可靠,操作方便,适用性强,可以广泛应用于城市路口,具有较大的推广价值。

由于粗心大意,其中不免出现一些不足的地方,但是,在短暂的时间内,从对题目的分析到方案的确定,再到软件的模拟,最后通过硬件的调试,都达到了预想的效果。

此次软硬结合的设计要求,充分调动了我的积极性,对硬件的设计是最难忘的;调试硬件对设计者来说是很有挑战意义,更能考验设计者的耐心与毅力。当然硬件需要软件相结合,改变硬件后只要稍改程序就可以实现相同的功能要求。更可以通过本次的设计把设计思想应用到更大的系统控制设计中。软硬结合使我真正认识到了理论与实际的区别,这在以后的工作和学习中给予我更好的提示,注重理论与实际相结合,注重分析选择解决问题的思路和方法,注重设计方案的分析选择和设计思想的分析选择。总之,本次设计让我受益匪浅。

最后,衷心感谢在课程设计期间老师对我们的耐心指导,以及所有帮助过我的同学们。谢谢你们!

参考文献

[1] 李广弟.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社 [2] 何立民.单片机应用技术大全.北京:北京航空航天大学出版社 [3] 张毅刚. 单片机原理及接口技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社 [4]楼然苗,李光飞编著.单片机课程设计指导[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2007.7

[5] 周慈航著.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001.12

[6]严天峰编著.单片机应用系统设计与仿真调试[M].北京:北京航空航天大学 出 版社,2005.8 附录:实验程序清单

ORG 0000H LJMP MAIN ORG 001BH LJMP PTF1 ORG 0100H MAIN:

MOV SP,#0EFH MOV TH1,#70H

MOV TL1,#0 MOV TMOD,#10H MOV IP,#8 MOV IE,#88H SETB TR1 MOV R1,#10H MOV R0,#4 MOV P0,#21H NEXT1:

CJNE R0,#34H,NEXT11 CJNE R1,#8,NEXT11 MOV P0,#11H LJMP NEXT4 NEXT11:

CJNE R0,#20H,NEXT12 CJNE R1,#8,NEXT12 MOV P0,#1 LJMP NEXT4 NEXT12:

CJNE R0,#0CH,NEXT13 CJNE R1,#8,NEXT13 MOV P0,#11H LJMP NEXT4 NEXT13:

CJNE R0,#0F8H,NEXT14 CJNE R1,#7,NEXT14 MOV P0,#1 LJMP NEXT4 NEXT14:

CJNE R0,#0E4H,NEXT2 CJNE R1,#7,NEXT2 MOV P0,#11H LJMP NEXT4 NEXT2:

CJNE R0,#0D0H,NEXT3 CJNE R1,#7,NEXT3 MOV P0,#0CH LJMP NEXT4 NEXT3:

CJNE R0,#0,NEXT31 CJNE R1,#0FFH,NEXT31 MOV P0,#0AH LJMP NEXT4 NEXT31:

CJNE R0,#0ECH,NEXT32 CJNE R1,#0FFH,NEXT32 MOV P0,#8 LJMP NEXT4 NEXT32:

CJNE R0,#0C4H,NEXT33 CJNE R1,#0FFH,NEXT33 MOV P0,#0AH LJMP NEXT4 NEXT33:

CJNE R0,#0B0H,NEXT34 CJNE R1,#0FFH,NEXT34 MOV P0,#8 LJMP NEXT4 NEXT34:

CJNE R0,#9CH,NEXT35 CJNE R1,#0FFH,NEXT35 MOV P0,#0AH LJMP NEXT4 NEXT35:

CJNE R0,#88H,NEXT4 CJNE R1,#0FFH,NEXT4 MOV P0,#21H MOV R1,#10H

MOV R0,#4 NEXT4:

LJMP NEXT1 PTF1:

PUSH ACC PUSH PSW MOV A,P0 DJNZ R0,NEXT DEC R1 NEXT:

MOV TH1,#70H MOV TL1,#0 POP PSW POP ACC RET END


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