单片机课程设计-基于单片机交通灯控制设计与实现论文.docx

《单片机原理及应用》
课程设计报告

设计题目 基于单片机
交通灯控制设计与实现
学院名称 信息工程学院
专 业 班 级 14物联本1
姓 名
学 号

目录
1 概述 1
2 硬件设计 2
2.1 系统硬件总体结构 2
2.2 模块电路分析 2
2.2.1 单片机最小系统 3
2.2.2 时钟电路 3
2.2.3 复位电路 4
2.2.4 数码管动态显示电路 5
2.2.5 LED显示电路 5
3 软件设计 7
3.1 红绿灯显示程序设计 7
3.2 数码管显示程序设计 8
4 仿真测试 9
4.1 软件测试 9
4.2 硬件测试 11
5 总结与展望 12
5.1 总结 12
5.2 展望 12

1 概述
交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁，这点更是体现的淋漓尽致。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。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。 本系统采用单片机AT89C52为中心器件来设计交通灯控制器，系统实用性强、操作简单、扩展性强。本设计就是采用单片机模拟十字路口交通灯的各种状态显示以及倒计时时间。 本设计系统由单片机I/O口扩展系统、交通灯状态显示系统、LED数码显示系统、复位电路等4大部分组成。 软件上采用C52编程，主要编写了主程序、LED、数码管动态显示程序、中断程序延时程序等。经过整机调试，实现了对十字路口交通灯的模拟。
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2 硬件设计
2.1 系统硬件总体结构
本次设计交通灯，使用了AT89C52单片机芯片控制电路。按下开关，交通灯开始工作，50秒倒计时，南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。接着15秒倒计时，南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮。其总体实现框图如图2-1所示。

开关
数
码
管
显
示
电
路

STC89C52

复位电路

晶振电路

LED显示模块

图2-1 硬件总体框图
硬件总体框图中包含了三个芯片， AT89C52是核心芯片，两个触发器74HC573。
2.2 模块电路分析
交通灯能正常工作，是在各个电路模块组合下协调完成的，其中包括了单片机工作电路、复位电路、时钟电路、LCD电路、数码管的显示电路、开关电路。下面做详细介绍。
2.2.1 单片机最小系统
所谓单片机最小系统，就是在尽可能少的外部电路条件下，形成一个可以独立工作的单片机系统，单片机最小工作电路包括：时钟电路、复位电路和电源，在此基础加上应用系统所需，才能构成一个整体的电路系统。
单片机最小系统如图2-2所示。

图2-2 单片机最小系统
图4-2中，接第9脚的电路为复位电路，接18脚、19脚的为时钟电路，电源引脚略去，电源已默认接通。
2.2.2 时钟电路
单片机的各项工作都是在时钟信号的控制下协调进行的，时钟电路的作用是为单片机提供一个时钟信号，所有程序都按照特定的时间顺序工作，它控制着计算机工作的节奏。
时钟电路中的晶体振荡器简称晶振，晶体振荡器可以分为有源晶振和无源晶振共两种类型。
根据连接方式的不同，时钟电路分为内部时钟方式和外部时钟方式，区别在于前者是单片机内部的振荡电路产生时钟信号，后者则是外部振荡源为单片机提供时钟信号，时钟产生方式如图2-3所示。

\

图2-3 内部时钟方式电路图
本次设计中采用内部振荡方式为单片机提供时钟信号。
2.2.3 复位电路
除了时钟电路，复位电路也是一个十分重要的组成部分。复位电路是指使单片机中的各部分电路恢复到初始状态的电路，其基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。复位电路的工作就像是计算器的清零操作一样，当输入错误数据时，可以按清零键恢复到初试状态，复位电路的道理与之相同。
（1）单片机的复位状态
在单片机中，复位电路不仅可以使其设置在一个特定的状态开始执行程序，还可以让单片机在程序运行错误、死锁的状态下恢复到初始状态。在上电的情况下，单片机处于一个特定的状态，即复位状态。在复位状态下的单片机中的各个部件尤其是具有特殊功能的存储器都处于一个初始化状态。
（2）单片机的复位电路
为了确保单片机在工作过程中的稳定性，在设计单片机的应用系统时，复位电路是不可或缺的。它不但使单片机恢复到初始工作状态，同时，还可使处在死锁状态下的单片机重新开始运行。
仿真成功的复位电路如图2-4所示。

图2-4 复位电路
本次设计使用复位电路模拟仿真开关的关闭功能。
2.2.4 数码管动态显示电路
动态显示方式：动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器，即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度即与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又保证显示。若显示器的位数不大于8位，则显示器的公共端只需一个8位I/O口进行动态扫描，控制每位显示器所显示的字形也需一个8位口。不管是红灯绿灯，还是时间显示都是数码管，所以都是动态显示。如图2-5所示。

图2-5 数码管动态显示电路
2.2.5 LED显示电路
为了方便实验，可以用发光二极管作为交通灯来使用，单片机的I/O接口直接和交通灯（发光二极管）连接。在十字路口的四组红、黄、绿三色交通灯中，东西方向道路上的两组同色灯连接在一起，南北方向道路上的两组同色的灯也彼此连接在，受单片机P1.0~P1.5控制。单片机的I/O接口与交通灯电路的具体连接方式为：P1.0~P1.2分别接东西方向的红、黄、绿共6个放光二极管，P1.3~P1.5分别接南北方向的红、黄、绿共6个发光二极管。12个发光二极管采用了共阳极的连接方式，因此I/O口输出低电平时，与之相连的发光二极管会亮，I/O口输出高电平是，相应的发光二极管会灭。如图2-6所示。

图2-6 LED动态显示电路
3 软件设计
3.1 红绿灯显示程序设计
程序开始时，给deng初值2，执行switch选择那个灯亮，判断deng是否小于等于5，是否循环。如图3-1所示。
开始

系统初始化

deng=2

deng==2南北方向绿灯，东西方向红灯
deng==3 南北方向黄灯，东西方向红灯
deng==4 南北方向红灯，东西方向绿灯
deng==5 南北方向红灯，东西方向黄灯

deng=deng+1

deng<=5

是

结束

图3-1 红绿灯程序设计
3.2 数码管显示程序设计
动态显示方式：动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器，即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度即与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又保证显示。若显示器的位数不大于8位，则显示器的公共端只需一个8位I/O口进行动态扫描，控制每位显示器所显示的字形也需一个8位口。不管是红灯绿灯，还是时间显示都是数码管，所以都是动态显示，如图3—2所示。
开始

秒数转十进制

送南北显示器

位显示十位数

显示个位数

送东西显示器

显示十位数

显示个位数

返回

图3-2 数码管显示程序流程图

4 仿真测试
4.1 软件测试
本次设计主要用到Keil uvision4、STC_ISP和Protues三款软件。Keil uvision4进行程序代码编写、编译、调试并生成.HEX文件，STC_ISP将所生成的.HEX文件烧写到开发板上，Protues用来绘制电路图并进行仿真测试。
打开Keil uvision4进行代码编写，这里需要注意的是编译包含头文件“#include <AT89X52.H>”语句编译会报错，如果提示错误，需要把<AT89X51.H>和<AT89X52.H>放到X/KEIL/C51/INC里，其中X为Keil uvision4的安装盘Error! Reference source not found.。主函数调试运行成功结果如图4-1所示。

图4-1 主函数运行结果图
编译运行主函数前，在菜单栏中——工程选项——为目标‘目标一’设置选项——Output中勾选“Create HEX File”，点击确定即可编译生成.HEX文件，如图4-2所示。

图4-2 生成hex文件
编译主函数main.c生成main.hex文件，用STC-ISP将其烧写到开发板上。如图4-3所示。

图4-3 烧写hex文件

代码编译运行通过后，开始对设计进行仿真。在Protues中将所有电路、电子元件准确连接，并对每个元件设置合适的参考值，如电压、电阻、电容等，仿真通过的电路图如图4-4所示。

图4-4 仿真图
仿真开始前，要将生成的main.hex导入到AT89C52单片机中：点击AT89C52芯片“编辑属性”选项，选择正确的main.hex路径，最后确定即可开始仿真。仿真可以单步调试，也可以全速仿真以观察仿真的运行状况。
4.2 硬件测试
硬件调试须选择仿真电路中的电子元器件，其参考值、类型必须对应，以保证电路的准确性和完整性。将各个元器件按照仿真电路图的连接方式连接，焊接好电路板，再给电路加上适当电压，结合测试的预期结果，开始硬件测试，确保实物设计能正常执行，并得到预期的结果。HL-1开发板的实验装置如图4-5所示。

图4-5 HL-1开发板
5 总结与展望
5.1 总结
本次设计研究的是基于单片机的交通灯系统，设计实现十字路口交通灯的红绿灯显示模式和时间倒计时。在设计与开发的这段时间里，总体完成了以下工作：
（1）研究了单片机相关技术，参考了一些资料和文献，对单片机的工作原理有了一定的认识和了解。
（2）研究了单片机数码管的显示，单片机控制led的工作原理，结合单片机工作原理，为功能的设计实现提供了解决方案。
（3）在研究与设计的基础上对系统进行实现，该设计已经实现了总体设计方案中的各项功能。
（4）对系统进行仿真模拟以及实物测试，在理论技术的支持下，达到了设计的预期目的。
5.2 展望
由于时间和知识技术方面的不足，本次设计还有许多问题需要在实际应用中解决。通过查阅资料，请教他人，总结出设计中有以下几点还能进一步完善：
（1）交通灯增加一个8*8点矩阵模块，实时提醒路况，关于该路段的交通信息。
（2）有紧急控制模式，交通出现意外时，采取中断处理，红绿灯应该发生改变。
（3）有夜间模式，增加交通灯的真实模拟环境。
（4）增加交通灯数码管的显示数量，最好各个路口有对应的时间倒计时。
当然，随着技术的不断革新，交通灯必然会更加智能化，功能也更加多样化，相信在将来，人工智能会走进我们生活中的点点滴滴，为人类的进步和发展做出更大的贡献。