基于AT89C51单片机的交通灯设计毕业论文Word文档下载推荐.docx
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红灯的设计时间为相对相位的绿+左转绿+2个黄灯时间,南北绿灯为60秒、南北左转绿灯为30秒、东西绿灯为45秒、东西左转绿灯为20秒,。
设A道和B道的车流量不相同,A为主干道,B为次干道。
2.2方案介绍
把设计任务细化为八个状态,其对应状态:
如图2-1
图2-1状态转换图
整个交通灯控制由八个状态组成,可以用程序设计实现,也可用时序逻辑实现.以下方案就是分别用了这两种方法。
2.2.1方案1设计思想
采用分模块设计的思想,程序设计实现的基本思想是一个计数器,选择一个单片机,其内部为一个计数,是十六进制计数器,模块化后,通过设置或程序清除来实现状态的转换,由于每一个模块的计数都不是相同,这里的各模块是以预置数和计数器计数共同来实现的,所以要考虑增加一个置数模块,其主要功能细分为,对不同的状态输入要产生相应状态的下一个状态的预置数,如图中A道和B道,分别为次干道的置数选择和主干道的置数选择。
以主干道为例,简述其设计思想。
如前分析,已经确定该系统有四个状态,而置数子模块可定要将下一状态的预置数准备好,所以很容易得到主干道的置数表如:
表2-1
状态
主干道预置数
次干道预置数
1
60
红灯
2
3
30(左转)
4
5
45
6
7
25(左转)
8
表2-1置数表
由该表,就可以通过程序循环的方法设计该模块,主要思想是通过数据判断指令、跳转指令实现,由主控制器计时和中断产生的状态去判断是否定时达到1秒,从而得到不同的输出,即预置数,由上分析可用一个计数器和跳转指令去完成的预置数。
而红绿灯的显示也是一样,由状态分析可以得出红绿灯的变化表如:
表2-2
主干道灯显示
次干道灯显示
绿灯
黄灯
左转绿灯
表2-2红绿灯变化表
通过这张表就可以用单片机及其他必要的元器件实现功能。
本方案采用模块化编程,编程代码可以重复调用,编码冗余低,占用空间比一体化(汇编)编程占用空间小,可读性高,修改容易。
但由于本方案的数码管显示部分没有采用锁存芯片,而是与I/O口直接连通,对于后面的修改模块编程有一定难度。
2.2.2方案2设计思想
状态转换表如:
表2-3
1(60S)
2(03S)
3(30S)
4(03S)
5(45S)
6(03S)
7(25S)
8(03S)
表2-3状态转换表
本方案介绍:
本方案是用汇编语言编写,具有较强的时序性,精度高,适合在时序要求高的场合使用。
但用汇编编写有明显的不足,它具有高耦合性,使阅读和修改有一定难度,对于初学者更是难以弄懂,更不符合现代的编程低耦合高内聚要求。
2.2.3方案比较
方案1(以下称1)用了内部定时器及模块化设计,而方案2(以下称2)采用的是一体化(汇编)设计,相比之下1有较强的可读性和较强的可修改性,而2则在设计上显得较简单,设计纯朴,便于测试,它的优势则在于提供了一条较为便捷的解决方案,而1体现了极限编程的思想。
我们从中可以得出的是,我们最终的设计应该尽量使用内部定时器及模块化设计。
对工程设计人员来说,将来的产品无论从修改还是升级考虑对有好处,但另外我们又需将设计简单化,因此我觉得在设计初期尽可能的简单化设计,而一旦设计的各项测试通过了,在有可能的条件下将设计模块化,所以本设计以第一方案为主进行。
第三章交通灯系统硬件设计
3.1单片机概述
单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。
单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。
通常,单片机由单个集成电路芯片构成,内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、4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,内部资源在增多,引脚的多功能化,以及低电压、低功耗。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
它主要是作为控制部分的核心部件。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机,后来随着Flashrom技术的发展,8031单片机取得了长足的进展,成为目前应用最广泛的8位单片机之一,其代表型号是ATMEL公司的AT89系列,它广泛应用于工业测控系统之中。
目前很多公司都有51系列的兼容机型推出,在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。
51单片机是基础入门的一个单片机,还是应用最广泛的一种。
需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。
所以本系统基于这些原因而选用AT89S51芯片来设计这个交通信号灯系统。
3.2系统构成
XL400开发板一块,发光二极管16个(都是红色的),一块万能板,一条跳线,一条数据下载线。
系统结构框图如:
图3-1
图3-1系统结构框图
系统各部分工作:
(1)程序设置初始时间,通过AT89S51单片机内部相应寄存器来实现。
(2)由AT89S51单片机的定时器每秒钟通过P0口及P2.0-P2.4口向数码管送信息,显示红、绿、黄灯的点亮时间情况;
由AT89S51的P1口显示每个灯的点亮情况。
(3)AT89S51通过程序设置各个信号灯的点亮时间,通过程序设置南北方向的绿、左转绿时间依次为60秒、30秒,东西方向的绿、左转绿时间依次为45秒、25秒,红灯时间为各对称相位的放行时间之和。
(4)通过AT89S51单片机的P3口来控制系统是工作。
其中P3.2和P3.1控制修改功能和特殊状态。
3.3芯片选择与介绍
3.3.1AT89S51芯片
选用的AT89S51与同系列的AT89C51在功能上有明显的提高,最突出是的可以实现在线的编程。
用于实现系统的总的控制。
其主要功能列举如下:
1、为一般控制应用的8位单片机
2、晶片内部具有时钟振荡器(传统最高工作频率可至33MHz)
3、内部程式存储器(ROM)为4KB
4、内部数据存储器(RAM)为128B
5、外部程序存储器可扩充至64KB
6、外部数据存储器可扩充至64KB
7、32条双向输入输出线,且每条均可以单独做I/O的控制
8、5个中断向量源
9、2组独立的16位定时器
10、1个全双工串行通信端口
11、8751及8752单芯片具有数据保密的功能
12、单芯片提供位逻辑运算指令
AT89S51各引脚功能介绍:
如图3-2
图3-2AT89S51
VCC:
ATAT89S51电源正端输入,接+5V。
VSS:
电源地端。
XTAL1:
单芯片系统时钟的反向放大器输入端。
XTAL2:
系统时钟的反向放大器输出端,一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了,此外可以在两个引脚与地之间加入一个20PF的小电容,可以使系统更稳定,避免噪声干扰而死机。
RESET:
AT89S51的重置引脚,高电平动作,当要对晶片重置时,只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间,AT89S51便能完成系统重置的各项动作,使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态,并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
EA/Vpp:
"
EA"
为英文"
ExternalAccess"
的缩写,表示存取外部程序代码之意,低电平动作,也就是说当此引脚接低电平后,系统会取用外部的程序代码(存于外部EPROM中)来执行程序。
因此在8031及8032中,EA引脚必须接低电平,因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用8751内部程序空间时,此引脚要接成高电平。
此外,在将程序代码烧录至8751内部EPROM时,可以利用此引脚来输入21V的烧录高压(Vpp)。
ALE/PROG:
ALE是英文"
AddressLatchEnable"
的缩写,表示地址锁存器启用信号。
ATAT89S51可以利用这个引脚来触发外部的8位锁存器(如74LS373),将端口0的地址总线(A0~A7)锁进锁存器中,因为ATAT89S51是以多工的方式送出地址及数据。
平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6,因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。
此外在烧录8751程序代码时,此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。
PSEN:
此为"
ProgramStoreEnable"
的缩写,其意为程序储存启用,当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时(EA=0),会送出此信号以便取得程序代码,通常这支脚是接到EPROM的OE脚。
ATAT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM,使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。
PORT0(P0.0~P0.7):
端口0是一个8位宽的开路电极(OpenDrain)双向输出入端口,共有8个位,P0.0表示位0,P0.1表示位1,依此类推。
其他三个I/O端口(P1、P2、P3)则不具有此电路组态,而是内部有一提升电路,P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。
如果当EA引脚为低电平时(即取用外部程序代码或数据存储器),P0就以多工方式提供地址总线(A0~A7)及数据总线(D0~D7)。
设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0~A7,再配合端口2所送出的A8~A15合成一组完整的16位地址总线,而定位地址到64K的外部存储器空间。
PORT2(P2.0~P2.7):
端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口,每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载,若将端口2的输出设为高电平时,此端口便能当成输入端口来使用。
P2除了当作一般I/O端口使用外,若是在ATAT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时,也提供地址总线的高字节A8~A15,这个时候P2便不能当作I/O来使用了。
PORT1(P1.0~P1.7):
端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口,其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载,同样地,若将端口1的输出设为高电平,便是由此端口来输入数据。
如果是使用8052或是8032的话,P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚,而P1.1可以有T2EX功能,可以做外部中断输入的触发引脚。
PORT3(P3.0~P3.7):
端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口,其输出缓冲器可以推动4个TTL负载,同时还多工具有其他的额外特殊功能,包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。
其引脚分配如下:
P3.0:
RXD,串行通信输入。
P3.1:
TXD,串行通信输出。
P3.2:
INT0,外部中断0输入。
P3.3:
INT1,外部中断1输入。
P3.4:
T0,计时计数器0输入。
P3.5:
T1,计时计数器1输入。
P3.6:
WR:
外部数据存储器的写入信号。
P3.7:
RD,外部数据存储器的读取信号。
3.3.2交通灯控制线路图
(1)交通信号灯控制器主模块:
如图3-3
图3-3交通信号灯控制器主模块
(2)交通信号灯模块:
如图3-4
图3-4交通信号灯模块
(3)人行道信号灯模块:
如图3-5
图3-5人行道信号灯模块
(4)方案选择模块:
如图3-6
图3-6方案选择模块
(5)参数修改模块:
如图3-7
图3-7参数修改模块
第四章交通灯软件设计
4.1程序设计流程图
(1)程序设计总框图:
如图4-1
图4-1程序设计框图
(2)程序总体流程图:
如图4-2
图4-2程序总体流程图
(3)方案执行程序总体流程图:
如图4-3
图4-3方案执行程序总体流程图
(4)执行显示子函数及灯的状态的具体流程图:
图4-4
图4-4执行显示子函数及灯的状态的具体流程图
(5)中断后修改参数的具体流程图:
图4-5
图4-5外部中断0后修改参数的具体流程图
(6)外部中断1后紧急状态的具体流程图:
图4-6
图4-6外部中断1后紧急状态的具体流程图
流程图说明:
图中定时器在每50ms中断一下,设置为循环20次(此时为1秒),每1秒以后,R0,R1自动减1。
程序中的判断在相等情况下从右边出,不相同的情况往下走。
4.2延时的设定
延时方法可以有两种一种是利用AT89S51内部定时器的溢出中断来确定1秒的时间,另一种是采用软件延时的方法。
4.2.1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。
因此,我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式:
TC=M-C
式中,M为计数器模值,该值和计数器工作方式有关。
在方式0时M为213;
在方式1时M的值为216;
在方式2和3为28;
算法公式:
T=(M-TC)T计数或TC=M-T/T计数
T计数是单片机时钟周期TCLK的12倍;
TC为定时初值
如单片机的主脉冲频率为TCLK12MHZ ,经过12分频
方式0 TMAX=213 ×
1微秒=8.192毫秒
方式1 TMAX=216 ×
1微秒=65.536毫秒
显然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.
实现1秒的方法:
我们采用在主程序中设定一个初值为0的软件计数器和使T1定时50毫秒。
这样每当T1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先使软件计数器加11,然后判断它是否等于20。
为20表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序。
4.2.2相应程序代码
(1)定时器的设置
定时器需定时50毫秒,故T0工作于方式1。
初值计算:
TC=M-T/T计数 =216-50ms/1us=15536=3CBOH
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
(2)初始化函数
voidinit()
{
TMOD=0x01;
//确定定时器0的工作方式为工作方式1
TH0=(65536-50000)/256;
//装入定时器0初始值,高八位
TL0=(65536-50000)%256;
//装入定时器0初始值,低八位
EA=1;
//开总中断
EX0=1;
//开外部中断0
EX1=1;
//开外部中断0
ET0=1;
//开外部定时器中断1
TR0=1;
//定时器1开始工作
IT0=0;
//外部中断0低电平触发
//IT1=0;
}
(3)相应定时器0中断服务子程序
voidtimer0()interrupt1
{
p++;
//用于定时的计数,实现1S的定时
//重新装初始值
TL0=(65536-50000)%256;
程序的软件延时:
AT89S51的工作频率为0—33MHZ,我们选用的AT89S51单片机的工作频率为12MHZ。
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*(1/12M)=1us。
我们可以知道具体每条指令的周期数,这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。
具体的延时程序分析:
voiddelay(uintz)
uintx,y;
for(x=z;
x>
0;
x--)
for(y=110;
y>
y--);
}
delay为一个双重循环,精确到1ms
延时1秒,只需要调用delay(1000)就能实现。
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。
4.3程序的主控制循环调用
代码如下:
voidmain()//主函数
init();
//初始化硬件
g_time_ns_ok=60;
//设置南北绿灯时间为60秒
gl_time_ns_ok=30;
//设置南北左转绿灯时间为30秒
g_time_we_ok=45;
//设置东西绿灯时间为45秒
gl_time_we_ok=20;
//设置东西左转绿灯时间为20秒
r_time_we=g_time_ns+y_time*2+gl_time_ns;
//计算东西方向的红灯时间
while(p<
60)//上电后的三秒时间用于扫描按键,确定选用方案,没有键按下就执行默认方案
{
//key_secn();
//扫描按键,用于方案选择
fun_select();
//方案选择
while
(1)//执行循环
y_time=4;
//设置黄灯时间为4-1=3秒,因为黄灯没有跳到0S,就转变状态了,这里作了一个处理
g_time_ns=g_time_ns_ok;
//赋值
gl_time_ns=gl_time_ns_ok;
g_time_we=g_time_we_ok;
gl_time_we=gl_time_we_ok;
r_time_we=g_time_ns+y_time*2+gl_time_ns-3;
//计算东西红灯时间
r_time_ns=g_time_we+y_time*2+gl_time_we-3;
//计算南北红灯时间
ns_display(g_time_ns,y_time,gl_time_ns,y_time,r_time_we);
//调用南北显示函数,这里默认南北方向为主相位
we_display(g_time_we,y_time,gl_time_we,y_time,r_time_ns);
//调用东西显示函数,这里默认东西方向为次相位
4.4方案选择子函数
voidfun_select()
if(key_select1==0)//按键一按下,选择方案一
g_time_ns_ok=55;
g_time_we_ok=35;
gl_time_we_ok=25;
if(key_select2==0)//按键二按下,选择方案二
g_time_ns_ok=50;
gl_time_ns_ok=25;
g_time_we_ok=30;
gl_time_we_ok=15;
if(key_select3==0)//按键三按下,选择方案三
g_time_ns_ok=40;
gl_time_ns_ok=15;
g_time_we_ok=55;
if(key_select4==0)//按键四按下,选择方案四
g_time_ns_ok=35;
gl_time_ns_ok=20;
g_time_we_ok=25;
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