基于mcs-51系列单片机的交通灯控制系统的设计与实现毕业论文

基于mcs-51系列单片机的交通灯控制系统的设计与实现毕业论文内容摘要：

10 绿灯 红灯 11 左转绿灯 红灯 通过表 22 可以得出用组合电路能实现该功能。 使用数据选择器的思想，在本系统中，直接通过门电路的译码。 接下来就是计数模块，它主要的功能为：要从预置数开始递减计数，一个状态结束，通过判断，通知主控制模块，使之进入下一模块。 还有一个必须考虑到的就是预置数必须在下一个状态来之前准备好，而红绿灯的状态变化，必须和计数状态同步，于是引起预置数变化的程序要超前于系 统本身的状态变化。 所以，系统中的两个状态转换时，在上一状态结束时设置预置数，而控制红绿灯的是随着系统本身状态的变化而变化，体现在要有两组电路去判断符合的状态。 方案二：方案二设计状态的转换表，如表 23 所示： 表 23 状态转换表 状态 主干道灯显示 次干道灯显示 00 红灯 绿灯 01 红灯 黄灯 10 绿灯 红灯 11 黄灯 红灯 本方案分三步： （ 1）要建立三路信号灯的控制系统，本设计采用 7408 芯片通过组合逻辑控制三 路灯的显示关系。 （ 2）建立显示控制系统，本设计采用 74190 芯片倒计时控制，每个方向用两片来相连实现。 另外使用 74153 芯片，因为设置的时间末位均为 5，所以只要用一片 74153 对高位置位，将低位的初值预置锁定为 5，而高位则根据需要由反馈部分提供预置值。 （ 3）建立反馈和细节连接部分，本部分主要解决显示和灯控的同步问题。 本系统采用倒计时系统减为 0，如当系统减为 0 时通过两个 D 触发器得到两个变量，也就是前面分析中的状态，通过它的变化可以得到不同的逻辑关系来驱动 74153 控制哪组灯亮（对应关系如表 所示）， 另外它还要同步反馈到显示系统的置数环节。 综上所述，方案一采用了分模块设计，在设计上显得较简单，设计纯朴，便于测试。 方案二采 8 用的是一般设计，首先将许多逻辑关系简化到极点，而后将其一起集成用较少的芯片去完成所需功能。 相比之下方案一有较强的可读性和较强的可修改性。 因此，交通灯控制系统最终的设计应该使用方案一所述的分模块化设计。 对工程设计人员来说，采取分模块设计的产品无论从维修上还是升级上考虑都有好处。 9 三 、 交通灯系统硬件设计 （ 一 ） 系统构成 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。 在 MCS51 系列单片机中，有两个子系列： 51 子系列和 52 子系列。 每个子系列有诺干中型号。 51 系列有 805 8751 和 8031 三个型号，后来经过改进产生了 80c5 87c5 80c31 三个型号； 52系列有 502 875 8032 三个型号，改进后的型号是 80c52/87c5 80c32。 改进后的型号更加省电。 52 系列比对应的 51 系列增加了定时器 T2 并将内部程序 存贮器增加到 8KB。 Inter 公司停止生产 MCS51 系列单片机之后将生产权转让给了许多其他公司，于是出现了许多与 Mcs51 兼容的单片机。 现在生产 mcs51 兼容单片机的公司对其进行了不同程度的改进和提高。 我们现在使用比较的多的是 AT89C51/AT89S51 等 [2]。 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。 它把运算器、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，便可以构成一个单片机控制系统。 单片机经过 3 代的发展，目前正朝着高性能和多品种方向发展。 它的 CPU 功能在增强，内部资源在增多，引脚越来越多功能化。 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 [3]。 本系统的主要元件包括：电路板 ， AT89S51 单片机 ， 7SEGMPX2CC 数码管， 按钮，二极管， LED灯，电阻，排阻，扬声器，交通灯。 交通灯系统的结构框图，如图 31 所示： 10 图 31 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 口输出显示红灯、绿灯、左转绿灯的点亮时间情况；由 AT89S51 的 、 、 、 、 、 、 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，通过程序设置红灯、绿灯、左转绿灯的时间依次为 60 秒、 40 秒、 20 秒循环，由 AT89S51 的 P0 口输出。 (4)AT89S51 本身集成了看门狗指令，当系统出 现异常，看门狗将发出溢出中断。 通过专用端口输出，引起 RESET 复位信号复位系统 [4]。 （二）芯片选择 芯片 选用的 AT89S51 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 [5]。 键盘控制返回 AT89S51 单 片 机 系 统 接口电路 LED 显 示 模 块 11 图 32 AT89S51 引脚图 ① 主电源引脚（ 2 根） VCC： AT89S51 电源正端输入，接 +5V。 GND： 接地线。 ② 外接晶振引脚（ 2 根） XTAL1： 片内振荡电路的输入端 XTAL2： 片内振荡电路的输出端 ③ 控制引 脚（ 4 根） RST：复位引脚，引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。 EA/Vpp： 程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 ALE/PROG： 地址锁存允许信号。 PSEN： 外部存储器读选通信号。 ④ 可编程输入 /输出引脚（ 32 根） AT89S51 单片机有 4 组 8 位的可编程 I/O 口，分别位 P0、 P P P3 口，每个口有 8 位（ 8 根引脚），共 32 根。 P0 口 （ ～ ）：端口 0 是一个 8 位宽的开路电极（ Open Drain）双向输出入端口，共 有 8个位， 表示位 0， 表示位 1，依此类推。 其他三个 I/O 端口（ P P P3）则不具有此电 12 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。 P1 口 （ ～ ） ：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 LS 的 TTL 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， 又当作定时器 2 的外部脉冲输入脚，而 可以有 T2EX 功能，可以做外部中断输入的触发引脚。 P2 口 （ ～ ）：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 AT89S51 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。 P3 口 （ ～ ）：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、定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 [6]。 数码管显示 考虑到成本问题，显示 电路 采用常用的 74LS164 驱动 LED 比较实用（ 74LS164 是 TTL 八位串行入 /并行输出移位寄存器）。 串入并出移位寄存器，在每个时钟的上升沿采样数据。 使用的时候用一个 I/O 口做数据线串行输入再用一个口做时钟来拉高拉低控制采样数据即可 [7]。 LED（ Light Emitting Diode），中文名 发光二极管 ，从模拟电子技术的角度解释，它是一种固态的 半导体 器件，可以直接把电转化为光。 LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的 正极 ，使整个晶片被 环氧树脂 封装起来。 半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。 但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个 “PN 结 ”。 当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。 而光的 波长 也就是光的颜色，是由形成 PN 结的材料决定的。 LED 显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元排列组成的平面式显示屏幕。 它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。 较 LCD 显示器相比 , LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势 [8]。 LED 数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是： 共阴，输出高电平数码管为亮 ,而共阳则应输出低电平使数码管亮。 共阳需要把公共端接高电位，用低电平控制；共阴的则是 把公共端接低电位，用高电平控制。 当然， LED 的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。 假如我们将 b和 c段接上正电源，其它端接地或悬空，那么 b和 c段发光，此时，数码管显示将显示数字“ 1”。 13 而将 a、 b、 d、 e和 g段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“ 2”。 其它字符的显示原理类同。 LED 显示图，如图 33 所示： 图 33 LED显示图 交通灯控制线路图，如图 34 所示 ： 图 34 交通灯控制线路图 14 四 、 交通灯系统软件设计 （一） 显示数字模块 显示数字模块包括发光二极管模块和 LED 倒计时显示子模块。 程序中开始是先定义发光二极管的 I/O 口，接着设定各个状态量发光二极管的状态数组。 第三，运行 main 主函数，调用主函数里的 while 循环， while 循环语句再通 过 display 函数来显示各个状态下各个发光二极管的状态。 其流程图如图 41 所示： 图 41 数字显示模块流程图 核心代码如下： void Display(void) { P0=table[Time_EW%10]。 //东西通行时间显示 EW_LED2=0。 Delay(2)。 EW_LED2=1。 P0=table[Time_EW/10]。 EW_LED1=0。 Delay(2)。 EW_LED。