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. 課 程 設(shè) 計 設(shè)計名稱 十字路口交通燈控制系統(tǒng) 學年學期 2015-2016第二學期 課程名稱 單片機原理及應(yīng)用 專業(yè)年級 姓 名 學 號 提交日期 成 績 指導(dǎo)教師 水利與建筑工程學院 十字路口交通燈控制系統(tǒng) 摘要：交通的發(fā)達，標志著城市的發(fā)達，相對交通的管理則顯得越來越重要。交通燈是城市交通中的重要指揮系統(tǒng)，它與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)．隨著人們生活水平的提高，對交通管制也提出了更高的要求，因此提供一個可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統(tǒng)有著現(xiàn)實的必要性。 對于復(fù)雜的城市交通系統(tǒng)，為了確保安全，保證正常的交通秩序，十字路口的信號控制必需按照一定的規(guī)律變化，以便于車輛行人能順利地通過十字路口。 考慮到單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用MCS - 51系列的單片機來實現(xiàn)十字路口交通信號燈的控制。 正常情況下，十字路口的紅綠燈應(yīng)交替變換，考慮緊急情況下，如有救護車或警車到來時，應(yīng)優(yōu)先讓其通過。 另外，單片機課程設(shè)計是我們的必修課程。通過交通燈模擬系統(tǒng)的設(shè)計可以進一步認識單片機在控制系統(tǒng)中的重要性。在完成理論學習和必要的實驗后，掌握了單片機的基本原理和各種基本功能的應(yīng)用，但對單片機的硬件實際應(yīng)用設(shè)計和單片機完整的用戶程序設(shè)計還不清楚，實際動手能力不夠，因此對該課程進行一次課程設(shè)計是有必要的。 交通燈模擬系統(tǒng)的課程設(shè)計既讓學生鞏固了課本學到的理論，還讓學生學習了單片機硬件電路設(shè)計和用戶程序設(shè)計的整個過程，同時學習了查閱資料、參考資料的方法。單片機的課程設(shè)計主要是通過學生獨立設(shè)計方案并自己編寫和調(diào)試用戶程序，來加深對單片機的認識，充分發(fā)揮創(chuàng)新能力。 關(guān)鍵詞：交通燈、8051單片機、中斷、擴展ROM  第一章 設(shè)計目的及要求 1．1設(shè)計目的 單片機原理及應(yīng)用課程設(shè)計是一次重要的綜合性實踐活動。該課程設(shè)計的主要目的是通過實踐活動，鞏固和加深《單片機原理及應(yīng)用》課程中所學的理論知識，提高實驗動手能力，基本掌握單片機應(yīng)用電路的一般設(shè)計方法，提高電子電路的設(shè)計水平，加深對單片機軟硬知識的理解，獲得初步的應(yīng)用經(jīng)驗，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。 1.2設(shè)計要求 1.2.1課程設(shè)計要求 能熟練運用51單片機實現(xiàn)硬件與軟件結(jié)合完成電子產(chǎn)品的設(shè)計，把理論真正運用于實踐，會用Keil等軟件編程調(diào)試運行，熟悉應(yīng)用Proteus軟件仿真，并會用keil軟件熟練編寫和修改程序。強化編程練習，中斷方式的區(qū)別等等。學習單片機應(yīng)用系統(tǒng)簡單I/O接口的設(shè)計，學習數(shù)據(jù)輸入/輸出程序的編制方法，學習8051內(nèi)部計數(shù)器的使用和編程方法，掌握外部中斷技術(shù)的基本使用方法和中斷處理程序的編寫方法。 1.2.2基本設(shè)計功能要求 系統(tǒng)設(shè)計功能：復(fù)雜的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)，分東西道和南北道，設(shè)東西道為A道，南北道為B道。 系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定：A道放行時間為60s，B道放行時間為60s；綠燈放行，紅燈停止；綠燈轉(zhuǎn)紅燈時，相應(yīng)道路的黃燈亮2s。 當一道有車而另一道無車時，交通燈控制系統(tǒng)能立即讓有車的車道放行。 當有緊急車輛（如110、112、119等急救車）要求通過時，此系統(tǒng)應(yīng)能禁止普通車輛通行，路口的信號燈全部變紅，以便讓緊急車輛通過。假定緊急車輛通過時間為5s，緊急車輛通過后，交通燈恢復(fù)先前狀態(tài)。  第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1設(shè)計任務(wù)分析及方案設(shè)計 本系統(tǒng)采用單片機作為核心處理部件，I/O量量均為開關(guān)量，而緊急車輛通過時，采用實時中斷方式進行控制。 8051 單片機 中斷按鍵 復(fù)位電路 晶振電路 擴展ROM LED交通燈 圖2-1 總體設(shè)計圖 2.1.2、硬件總體設(shè)計 系統(tǒng)以常用的8051單片機作為核心處理部件，2732A作為程序存儲器，紅、綠、黃燈各四個作為交通指示燈，反應(yīng)A道、B道有無車輛的傳感器兩個（這兩個傳感器在仿真時可用開關(guān)控制高低電平表示），處理緊急車輛的中斷按鈕一個。 將A道上的兩個同色燈連在一起，B道上的同色燈也彼此相連（此處用發(fā)光二極管模擬實際的交通燈，各發(fā)光二極管的陽極通過保護電阻接到+5V的電源上，發(fā)光二極管的陰極接到單片機的P1口）；由8051單片機的片P1.0~p1.5共六根輸出線控制各色交通燈的點亮與熄滅；A、B道上有無車輛的信號輸入給P1.6、P1.7口；緊急車輛通過時，采用外部中斷觸發(fā)按鍵實時中斷方式進行處理。 2.1.3軟件總體設(shè)計 根據(jù)硬件電路原理圖，并按系統(tǒng)的功能畫出程序流程。由于此系統(tǒng)較為簡單，故采用自上而下的設(shè)計方法，進行程序設(shè)計；對緊急車輛通過的處理，則采用中斷的方法，由中斷處理程序處理。 說明：P1.6=0，表示A道有車通過；P1.6=1，表示A道無車通過。 設(shè)計中斷處理程序時，最重要的地方是如何保護進入中斷前的狀態(tài)（信號燈、P口、單片機寄存器的狀態(tài)），使得中斷程序執(zhí)行完畢后能回到交通燈中斷前的狀態(tài)。除了保護累加器ACC、標志寄存器PSW外，還要注意主程序和中斷處理程序中的延時程序不能混用。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1、時鐘部分電路設(shè)計 時鐘電路用于產(chǎn)生MCS-51單片機工作時所必須的時鐘控制信號。其內(nèi)部電路在時鐘信號控制下，嚴格地按時序執(zhí)行指令進行工作。在執(zhí)行指令時，CPU首先要到程序存儲器中取出需要執(zhí)行的指令操作碼，然后譯碼，并由時序電路產(chǎn)生一系列控制信號去完成指令所規(guī)定操作。 本設(shè)計采用12MHz晶振和兩個33Pf瓷片電容，他們構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。該電容的大小影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。為單片機提供標準時鐘。其中兩個瓷片電容起微調(diào)作用。 如圖所示： 圖3-1 時鐘電路 3.2、復(fù)位部分電路設(shè)計 復(fù)位電路的設(shè)計以各型號的51系列單片機的廠家資料為準。各家的51單片機略有區(qū)別。一般情況下，RST引腳懸空，單片機會處于復(fù)位狀態(tài)，程序不運行。標準處理是 RST與VCC接一個10uF的電容，與GND接一個8.2K的電阻，如此接線在上電時會產(chǎn)生一個正脈沖以使單片機復(fù)位運行。 復(fù)位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 該設(shè)計采用加電直接復(fù)位，復(fù)位電容采用10uF，電阻10000歐，為了節(jié)省元件，沒有采用上電加按鍵模式。加電瞬間，RES管腳為高電平。通過電阻回路放電，使電壓逐漸降為零，從而實現(xiàn)了復(fù)位功能。 其連接圖如下圖所示： 圖3-2 復(fù)位電路 3.3、擴展ROM電路設(shè)計 CS-51單片機程序存儲器的尋址空間為64KB，對于8051／8751片內(nèi)程序存儲器為4KB的ROM或EPROM，在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中、片內(nèi)的存儲容量往往不夠，特別是8031，片內(nèi)沒有程序存儲器，必須外擴程序存儲器。 在該設(shè)計中，匯編程序比較長，需要外擴ROM。在選擇程序存儲器芯片時，首先滿足程序容量，其次在價格合理情況下盡量選用容量大的芯片。芯片少，接線簡單，芯片儲存容量大，程序調(diào)整余量大。另外，能用一片8KBEPROM2764則不要選2片2732(4KB)，多一個芯片接線就復(fù)雜許多，且功耗增多，盡量減少擴展芯片個數(shù)使電路結(jié)構(gòu)簡單，提高可靠性。 圖中74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器，接在P0口用來鎖存低八位地址。2732共12根地址線AO～All(212=4096B=4KB)，低8位A0～A7通過74LS373與P0接口連接，高四位A8～A11直接與P2接口的P2.0～P2.3連接，P2接口有鎖存功能。2732數(shù)據(jù)線D0～D7共8位直接與P0接口的P0.0～P0.7相連。P0接口兼做數(shù)據(jù)線和低8位地址線。 CPU對擴展芯片的控制通過控制線實現(xiàn)。圖中地址鎖存器74LS373的G端與8031的地址鎖存允許端ALE連接。ALE作鎖存擴展地址低位字節(jié)的控制端。2732的輸出使能端與8031的(讀選通信號)端連接，在訪問片外程序存儲器時，只要此端出現(xiàn)負脈沖，即可從2732中讀出程序。因為僅擴展一個芯片，片選端 接地即可，端有低電平表示該芯片被選中。若擴展多片時還需要專門的片選電路。 圖3-3 擴展ROM電路 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1、主程序模塊的設(shè)計 主程序流程圖如下圖A所示： 該交通信號燈控制系統(tǒng)的四中工作狀態(tài)（南北方向的交通燈為例）： （1）南北方向A車道紅燈亮，東西方向B車道綠燈亮。表示南北方向A車道上的車輛禁止通行，東西方向B車道允許通行。綠燈亮足規(guī)定的時間隔時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （2）南北方向A車道紅燈亮，東西方向B車道黃燈亮。表示東西方向B車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，南北方向A車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （3）南北方向A車道綠燈亮，東西方向B車道紅燈亮。表示南北方向A車道允許通行，東西方向B車道上的車輛禁止通行，綠燈亮足規(guī)定的時間間隔時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （4）南北方向A車道黃燈亮，東西方向B車道紅燈亮。表示東西方向B車道禁止通行，南北方向A車道上位過限停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。 控制燈程序流程圖如下： 圖4-1 控制交通燈燈程序流程圖 4.2、中斷子程序模塊的設(shè)計 根據(jù)硬件電路原理圖，并按系統(tǒng)的功能畫出程序流程。由于此系統(tǒng)較為簡單，故采用自上而下的設(shè)計方法，進行程序設(shè)計；對緊急車輛通過的處理，則采用中斷的方法，由中斷處理程序處理。 說明：P1.6=0，表示A道有車通過；P1.6=1，表示A道無車通過。 設(shè)計中斷處理程序時，最重要的地方是如何保護進入中斷前的狀態(tài)（信號燈、P口、單片機寄存器的狀態(tài)），使得中斷程序執(zhí)行完畢后能回到交通燈中斷前的狀態(tài)。除了保護累加器ACC、標志寄存器PSW外，還要注意主程序和中斷處理程序中的延時程序不能混用。 斷點入棧保護 狀態(tài)參數(shù)設(shè)置 送狀態(tài)字至端口 狀態(tài)響應(yīng) 斷點返回 開始 圖4-2 中斷子程序流程圖 第五章 系統(tǒng)仿真 5.1、keil編程與調(diào)試 如硬件系統(tǒng)圖所示接線,圖中,在十字路口的紅,黃,綠交通燈中A道的兩組同色燈連在起,B上的也互聯(lián),受MCS-51的P1.0-P 1.5控制.緊急車輛請求通過時由人工控制，以中斷方式輸入單片機。 打開WAVE6000集成調(diào)試環(huán)境，把已經(jīng)編好的程序輸入，保存為“jiaotongdeng.asm”。選擇菜單[文件][新建項目]功能，加入模塊文件和保存文件，然后保存項目，注意要輸出HEX文件。 設(shè)置好后，編譯程序無誤后調(diào)試執(zhí)行程序，結(jié)果顯示符合要求。 圖5-1 keil編程與調(diào)試 5.2、proteus系統(tǒng)總體仿真 系統(tǒng)設(shè)計功能：復(fù)雜的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)，分東西道和南北道，設(shè)東西道為A道，南北道為B道。 系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定：A道放行時間為60s，B道放行時間為60s；綠燈放行，紅燈停止；綠燈轉(zhuǎn)紅燈時，相應(yīng)道路的黃燈亮2s。 當一道有車而另一道無車時，交通燈控制系統(tǒng)能立即讓有車的車道放行。 5.2.1、正常工作模式下的仿真 根據(jù)功能要求分別仿真各種情況下的亮燈情況，在單片機仿真軟件Proteus.Professional.7.1.SP2中進行仿真，在初始狀態(tài)下的情況如圖5-1所示具體如下： 如下圖仿真圖所示，正常情況下南北方向亮綠燈，東西方向亮紅燈。南北放行，東西禁行： 圖5-2 起始狀態(tài)（A道通行） 60s后，如下所示南北方向亮黃燈2秒，東西方向亮紅燈： 圖5-2 中間狀態(tài)（A道黃燈） 隨后60s，南北方向亮綠燈，東西方向亮紅燈。南北放行，東西禁行。系統(tǒng)完成一次循環(huán)。 在正常工作模式中，還可能出現(xiàn)如下情況。例如，當B道沒有車通過，A道有車在等待卻在紅燈的情況時，傳感器ca會給P1.6一個低電平，傳感器cb給P1.7一個高電平。此時B道原來的綠燈變?yōu)辄S燈，A道仍為紅燈。 圖5-3 B道無車狀態(tài)（黃燈） B道的黃燈保持2s后，B道紅燈點亮。此時A道綠燈亮，在A道等待的車輛開始通行。采用這種方法，顯著提高了道路的通行效率。 圖5-4 A道提前通行狀態(tài) 5.2.2、緊急車輛通過模式下的仿真 當有緊急車輛（如110、112、119等急救車）要求通過時，此系統(tǒng)應(yīng)能禁止普通車輛通行，路口的信號燈全部變紅，以便讓緊急車輛通過。假定緊急車輛通過時間為5s，緊急車輛通過后，交通燈恢復(fù)先前狀態(tài)。 用中斷方式實現(xiàn)緊急車輛通過時的控制。當有當有緊急車輛要求通過時，緊急車輛控制開關(guān)閉合，INT0引腳收到一個低電平，向CPU發(fā)出中斷請求信號，CPU開始執(zhí)行中斷子程序。 在緊急車輛通過模式下，原來亮綠燈的道路開始亮黃燈2s，然后所有道路開始亮紅燈。 圖5-5 緊急通行中間狀態(tài) 圖5-6 緊急中間狀態(tài) 該中斷工作模式除了在正常模式的黃燈時刻不能進如以外，其它情況下均可以立即開始中斷。這是為了防止在實際情況下因為信號不明而可能出現(xiàn)的交通混亂。 第六章 課程設(shè)計心得體會 首先，從設(shè)計層面來講。整個設(shè)計滿足了任務(wù)的要求，即完成了四個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，所以這個系統(tǒng)的設(shè)計足以控制十字路口的交通燈正常變換，保證各道車輛的暢通運行。 在單片機仿真軟件Proteus.Professional.7.1.SP2上通過畫外部接線圖，裝載程序等步驟進行了仿真，最終仿真結(jié)果能按照我們設(shè)計的四種狀態(tài)依次循環(huán)的進行運行，當按下復(fù)位鍵時其重新開始仿真，當按下應(yīng)急鍵時南北東西的紅燈全亮，禁止車輛運行，仿真結(jié)果令人滿意，真讓人有種苦盡甘來的感覺。另外，該設(shè)計還能極大地提高道路利用效率，緩解城市交通擁堵現(xiàn)象。 本次課程設(shè)計的過程是艱辛的，不過收獲卻是很大的。 在設(shè)計過程中，出現(xiàn)了好多意想不到的問題，有一些是常見的小問題，如：代碼中標點符號的使用并不是在英語書寫狀態(tài)下，輸入字母出錯等，在調(diào)試時出現(xiàn)異常，不過這些都是常識性錯誤，經(jīng)過調(diào)試修改都一一解決，程序順利完成，并實現(xiàn)了其功能。 綜合課程設(shè)計讓我把以前學習到的知識得到鞏固和進一步的提高認識，對已有知識有了更進一步的理解和認識。在此，由于自身能力有限，在課程設(shè)計中碰到了很多的問題，但通過查閱相關(guān)書籍、資料以及和周圍同學交流后都得以一一解決。 由于使用的是單片機作為核心的控制元件，使得電路的可靠性比較高，功能也比較強大，而且可以隨時的更新系統(tǒng)，進行不同狀態(tài)的組合。但是在我們設(shè)計和調(diào)試的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，譬如紅燈和綠燈的切換還不夠迅速，紅綠燈規(guī)則效率還不是很高等等，這需要在實踐中進一步完善。 當然，通過這次課程設(shè)計，我也發(fā)現(xiàn)了自身的很多不足之處，在以后的學習中，我會不斷的完善自我，不斷進取，能使自己在單片機編程這方面有一個大的發(fā)展。 單片機為我們的主要專業(yè)課之一，對我們還是很有幫助的，課程設(shè)計也是為我們以后的工作提前進行了一次練手，也是我們學習生活之中少有的一次自己探索、研究，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的機會。當然要做好一個課程設(shè)計也不是很簡單的，我認為有以下幾步： （1）在設(shè)計程序之前，對所用單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，會減少設(shè)計過程中的錯誤，加快設(shè)計速度； （2）在設(shè)計時心中要有一個大體的思路，不能天馬行空，過度隨意，這樣后期會有很大問題； （3）在設(shè)計程序時，不能妄想一次就將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改進是程序設(shè)計的必經(jīng)之路； （4）要養(yǎng)成注釋程序的好習慣，寫程序是應(yīng)該思路清晰，結(jié)構(gòu)明了，方便資料的保存和交流； （5）我們們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題的； （6）最后也是最重要的一點，務(wù)必將設(shè)計過程中的材料、心得、以及設(shè)計報告的每一份草稿完完全全地保存下來，否則一旦丟失，損失會非常巨大！ 通過這次課程設(shè)計使我更加懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正將一個東西學好學透，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在實踐中，可以發(fā)現(xiàn)許多的問題，獲得的經(jīng)驗和教訓(xùn)，，這對于我今后的學習生活和工作都會是有很大幫助的！  參考文獻 [1]董亮,朱磊,何鵬. 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