（完整版）应用电子技术专业毕业论文36801893

宿州职业技术学院应用电子技术专业毕业论文

十字路口交通灯设计

学生姓名：宋南南

学 号：

专 业：应用电子

指导老师：

完成时间：2014.06.01

摘要

本系统主要由51单片机，显示模块，键盘模块，语音模块，传感器模块，恒流源模块，稳压源模块等组成。该系统可以设定每只路灯的开关灯时间，还可以通过传感器来识别外部环境的明暗变化和有无物体通过，来自动控制路灯的开关，并且路灯的亮度可以通过自制可调恒流源按需要进行自动调节；同时系统还能检测路灯是否发生故障，若发生故障则及时报警并显示故障路灯的地址编号。

1 单片机概述………………………………………………………… 1

2 芯片简介…………………………………………………………… 2

2.1 MSC-51芯片简介…………………………………………………2

2.2 8255芯片简介………………………………………………… 5

2.3 74LS373简介…………………………………………………… 6

3 系统硬件设计………………………………………………………6

3.1交通管理的方案论证…………………………………………… 6

3.2系统硬件设计 ……………………………………………………7

4．控制器的软件设计 ………………………………………………10

4.1每秒钟的设定……………………………………………………10

4.2计数器硬件延时…………………………………………………10

4.3 软件延时 …………………………………………………… 11

4.4 时间及信号灯的显示 …………………………………………12

4.5 程序设计 ………………………………………………………13

1 单片机概述

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。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和IO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、3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，引角的多功能化，以及低电压底功耗。

2 芯片简介

2.1 MSC-51芯片简介

MCS-51单片机内部结构

   8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。

    8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：

·中央处理器：

    中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

·数据存储器(RAM)

    8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

图1

·程序存储器(ROM)：

8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

·定时计数器(ROM)：

8051有两个16位的可编程定时计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

·并行输入输出(IO)口：

8051共有4组8位IO口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。

·全双工串行口：

8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

·中断系统：

8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

·时钟电路：

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。

下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2。

图2

MCS-51的引脚说明：

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个IO口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：

MCS-51的引脚说明：

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个IO口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图3

图3

Pin9:RESETVpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。

8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图4。此外，RESETVpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

word/media/image2.gifword/media/image3.gif 图4

·Pin30:ALE当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个16时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。

·Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

·Pin31:EAVpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。

在编程时，EAVpp脚还需加上21V的编程电压。

2.2 8255芯片简介

8255可编程并行接口芯片简介:

8255可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即A口、B口和C口，对应于引脚PA7～PA0、PB7～PB0和PC7～PC0。其内部还有一个控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作为输入输出的数据端口。C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每个端口包含一个4位锁存器。它们分别与端口AＢ配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。

8255可编程并行接口芯片方式控制字格式说明:

8255有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是C口按位置位复位控制字。其中C口按位置位复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故在此不作叙述，需要时用户可自行查找有关资料。

方式控制字格式说明如表1：

表1

D7：设定工作方式标志，1有效。

D6、D5：A口方式选择

0 0 —方式0

0 1 —方式1

1 ×—方式2

D4：A口功能 （1=输入，0=输出）

D3：C口高4位功能 （1=输入，0=输出）

D2：B口方式选择 （0=方式0，1=方式1）

D1：B口功能 （1=输入，0=输出）

D0：C口低4位功能 （1=输入，0=输出）

8255可编程并行接口芯片工作方式说明:

方式0：基本输入输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端口都可以用作输入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。

方式1：选通输入输出方式。这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出，C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。

方式2 ：双向总线方式。只有A口具备双向总线方式，8位外设线用作输入或输出，此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。

2.3 74LS373简介

74LS373 是一种带三态门的8D锁存器，其管脚示意图如下示：

其中：1D-8D为8个输入端。

1Q-8Q为8个输出端。

LE为数据打入端：当LE为“1”时，锁存器输出

状态同输入状态；当LE由“1”变“0”时，数据

打入锁存器

OE为输出允许端：当OE=0时，三态门打开；

当OE=1时，三态门关闭，输出高阻。

3 系统硬件设计

3.1交通管理的方案论证

东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案如表2。

表2

表2说明：

（1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。时间为60秒。

（2）黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。

（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行。时间为80秒。 东西方向车流大 通行时间长。

（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。

（5）此表可根据车流量动态设定红绿灯初始值。

3.2系统硬件设计

选用设备8031单片机一片选用设备：8031弹片机一片，8255并行通用接口芯片一片，74LS07两片，MAX692‘看门狗’一片，共阴极的七段数码管两个双向晶闸管若干，7805三端稳压电源一个，红、黄、绿交通灯各两个，开关键盘、连线若干。

3．2．1 系统总框图如下：

图6

3．2．2 交通灯硬件线路图

word/media/image5_1.png

3．2．3 系统工作原理

（1）开关键盘输入交通灯初始时间，通过8051单片机P1输入到系统

(2) 由8051单片机的定时器每秒钟通过P0口向8255的数据口送信息，由8255的PA 口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由8255的PC口显示每个灯的燃亮时间。

(3)8051通过 设置 各个信号等的燃亮时间、通过8031设置，绿、红时间分别为60秒、80秒循环由8051的 P0口向8255的数据口输出。

（4） 通过8051单片机的P3.0位来控制系统是工作或设置初值，当.牌位0就对系统进行初始化，为1系统就开始工作。

（5）红灯倒计时时间，当有车辆闯红灯时，启动蜂鸣器进行报警，3S后然后恢复正常。

（6）增加每次绿灯时间车流量检测的功能，并且通过查询P2.0端口的电平是否为低，开关按下为低电平，双位数码管显示车流量，直到下一次绿灯时间重新记入。

（7）绿灯时间倒计时完毕，重新循环。

4．控制器的软件设计

4.1每秒钟的设定

延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。

4.2计数器硬件延时

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为计数器摸值，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

4.2.2 计算公式

T=（M－TC）T计数

或ＴＣ＝Ｍ－ＴT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．

4.2.3 １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。

4.2.4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　－５０ms1us=15536=3CBOH

ORG 1000H

START: MOV TMOD, #01H ; 令ＴＯ为定时器方式１

MOV TH0, #3CH ;装入定时器初值

MOV TL0, #BOH　　;

MOV IE,　　　#82H ;开Ｔ０中断

SEBT 　TＲO　　　　　　　；启动Ｔ０计数器

MOV 　RO,　　#14H　　　;软件计数器赋初值

LOOP:　SJMP $　　　　　　　　　；等待中断

（２）中断服务子程序

　　　　　 ＯＲＧ　　０００ＢＨ

　　　　　 ＡＪＭＰ　　ＢＲＴ０

　　　　　 ＯＲＧ　００ＢＨ

　ＢＲＴＯ：DJNZ Ｒ０，ＮＥＸＴ

　　　　　　AJMP TIME ; 跳转到时间及信号灯显示子程序

DJNZ：ＭＯＶ　ＲＯ，＃１４Ｈ　；恢复Ｒ０值

　　 MOV TH0, #3CH ;重装入定时器初值

MOV TL0, #BOH　　;

MOV IE,　　　#82H

　　　　　　 ＲＥＴ１

ＥＮＤ

4.3 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*（16M）=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：

DELAY:MOV R4,#08H 延时1秒子程序

DE2:LCALL DELAY1

DJNZ R4,DE2

RET

DELAY1:MOV R6,#0 延时125ms 子程序

MOV R5,#0

DE1: DJNZ R5,$

DJNZ R6,DE1

RET

MOV RN，#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

DELAY1 为一个双重循坏 循环次数为256*256=65536 所以延时时间=65536*2=131072us 约为125us

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/dfa7b6956037ee06eff9aef8941ea76e58fa4aaa.html