基于单片机的(数显)交通灯控制系统设计

第1页共26页基于单片机的(数显)交通灯控制系统设计一、设计背景随着微控技术的日益完善和发展，单片机的应用在不断走向深入。它的应用比定导致传统的控制技术从根本上发生变革。也就是说单片机应用的出现是对传统控制技术的革命。它在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领路得到了广泛应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化控制。因此单片机的开发应用已成为高技术工程领域的一项重大课题。因此了解单片机知识，掌握单片机的应用技术具有重大的意义。当前,在世界范围内,一个以微电子技术,计算机的通讯技术为先导的,一信息技术及信息产业的信息革命时期。而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效地发挥其作用是科学界最热门的话题,也是当今计算机应用中空前活跃的领域。本文主要从计算机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理,用以控制过往车辆的正常运作。二、实际实现功能西南北路口直行与转弯交替通行，数码管显示直行通行倒计时，红绿黄灯显示包括人行道在内的道路交通状态。某一方向道路拥挤时，可以人工控制调节东西南北方向通行时间。紧急情况时，各路口交通灯显示红灯，数码管保持数据不变。工作寄存器及存储单元分配1.工作寄存器R2设置为定时器定时中断次数,R6、R7用于延时程序中的寄存器2.片内存储单元30H、31H作为两组数码管显示数据存储单元;32H、33H作为交通灯初始状态存储单元;40H、41H作为交通灯显示数据存储单元三、硬件设计1、AT89C51的介绍1.1特性概述AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。1.2管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。第2页共26页P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚特殊功能口管脚特殊功能P3.0RXD串行输入口P3.4T0记时器0外部输入P3.1TXD串行输出口P3.5T1记时器1外部输入P3.20INT外部中断0P3.6WR外部数据存储器写选通P3.31INT外部中断1P3.7RD外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PORG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。第3页共26页EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。三种单片机外形及AT89C51的引脚排列AT89S51系列单片机的内部结构示意图1.3振荡器特性:第4页共26页XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2、硬件设计思路2.1控制器的原理框图按要求,可画出该控制器的原理框图,为确保十字路口的交通安全，往往都采用交通灯自动控制系统来控制交通信号。其中红灯（R）亮，表示禁止通行；黄灯（Y）亮表示暂停；绿灯（G）亮表示允许通行。2.2紧急转换电路一般情况下交通灯按照车流量大小合理分配通行时间，按一定规律变化，但考虑紧急车通行车况，设计紧急通行开关,下面简述单片机的中断原理。8051有5个中断源，它们是两个外中断INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、两个片内定时/计数器溢出中断TF0和TF1，一个是片内串行口中断TI或RI，这几个中断源由TCON和SCON两个特殊功能寄存器进行控制,其中5个中断源的程序入口地址如表所示：中断源程序入口中断源的服务程序入口地址中断源入口地址外中断00003H定时/计数器0000BH外中断10013H第5页共26页定时/计数器0001BH串行口中断0023H2.3交通灯中的中断处理流程（１）现场保护和现场恢复：有特殊车辆要通过时就要进行中断，在中断之前，先将交通灯中断前情况保护好，当中断执行后再恢复现场，包括信号灯和时间显示电路。（２）中断打开和中断关闭：为了使特殊车辆通行按一下打开中断开关就可以打开中断，关闭中断开关就关闭中断。（３）中断服务程序：有中断产生，就必然有其具体的需执行的任务，中断服务程序就是执行中断处理的具体内容：即如果南北方向有特殊车辆要求通过，南北方向转换为绿灯，东西方向为红灯；如果东西方向有特殊车辆要求通过，东西方向转换为绿灯，南北方向为红灯。（４）中断返回：执行完中断服务程序后，必然要返回，即回交通灯信号回到中断前状态，显示时间也和中断前一样。3、软件设计思路3.1软件设计流程图3.2每秒钟的设定延时方法可以有两种一中是利用STC-51内部定时器产生溢出中断来确定1第6页共26页秒的时间，另一种是采用软件延时的方法。计数器硬件延时a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28b计算公式T=（M－TC）T计数或TC＝M-C／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0TMAX＝213＊１微秒＝8.912毫秒方式1TMAX＝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．3.31秒的方法我们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。相应程序代码（１）主程序定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1。初值：TC＝M-T／T计数＝２１６－50ms/1us=15536=3CBOHORG1000HINIT:MOVR2,#20;软件计数器赋初值MOVTMOD,#01H;令T0为定时器方式１MOVTH0,#3CH;装入定时器初值MOVTL0,#BOH;MOVIE,#82H;开Ｔ0中断SEBTTRO；启动Ｔ0计数器（２）中断服务子程序ORG000BHLJMPDSZDDSZD：PUSHACC;保护现场PUSHPSW第7页共26页AJMPTIME;跳转到时间及信号灯显示子程序DJNZ：MOVR0，＃14H;恢复R0值MOVTH0,#0B0H;重装入定时器初值MOVTL0,#3CH;DJNZR2,DS_C;判定1S时间是否到达MOVR2,#20;恢复R2值3.4紧急中断处理程序URZD:PUSHACC;;;保护现场PUSHPSWCLRIE0;;;清除中断标志位CLRTR0;;;关定时器CPLURF;;;紧急事件标志位JBURF,UR_CON;;;紧急结束；跳转MOVP0,#49H;;;各路口灯全显示红灯亮MOVP2,#15HAJMPUR_RUR_CON:SETBTR0;;;恢复正常交通MOVA,32HMOVP0,AMOVA,33HMOVP2,AUR_R:POPPSW;;;恢复现场POPACCRETI3.5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。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：D5MS:MOVR7,#5延时5ms秒子程序D1MS:MOVR7,#10MOVR6,#50L1:MOVR6,$；延时1ms子程序MOVR7,L1RETMOVRN，#DATA；字节数数为2，机器周期数为1所以此指令的执行时间为2ms，而l1为一个双重循坏循环次数为10*50=500所以延时时间=500*2=1000us约为1ms。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、电路图操作步骤及各部分功能图：第8页共26页4.1电路图操作步骤（1）在Pretues中放置元器件，布线元器件清单：7SEG-MPX2-CCDISPLAYCAP-ELECDEVICEAT89C51MSC8051RESDEVICE器件名称所在库器件名称所在库BUTTONACTIVERESPACK-8DEVICECAPDEVICETRAFFICLIGHTACTIVECRYSTALDEVICE（2）为AT89C51加载程序在keil程序中将程序输入，然后生成.HEX文件，方法如下：鼠标选中target1，在工具栏中找到project中的optionsfor‘Target1’可见下图，在output选项中选择生成HEX文件，即可编译回到Pretuse软件中双击单