MSC-51系列单片机交通灯控制器设计 毕业论文.doc

MSC-51系列单片机交通灯控制器设计摘要十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机Intel8051和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；为了系统稳定可靠采用了MAX629“看门狗”芯片，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生；显示时间直接通过8255的PA、PB口输出；交通灯信号通过PC口输出；交通灯的点亮采用VT双向晶闸管来控制，直接采用220V交流电源驱动，系统实用性强、操作简单、扩展性强。 关键词：单片机,交通灯,控制器,设计,实现目 录本人声明I摘要11 引言22 交通灯的总体方案设计与论证21.1单片机与外围接口部件31.2电源提供31.3 倒计时显示界面31.4 输入键盘31.5 交通灯显示51.6 理论分析与计算51.6.1交通灯显示时序的理论分析与计算51.6.2 交通灯显示时间的理论分析与计算72 硬件的选择与简介92.1 8051芯片简介92.1.1 8051内部结构    92.1.2 8051的引脚说明：102.2 8255芯片简介102.2.1 内部结构112.2.2 引脚功能说明112.3 其他器件122.3.1 数码管与交通信号灯122.3.2 看门狗MAX692123 控制器硬件系统设计133.1 系统硬件设计方案133.2 系统工作原理15结 论17致 谢18参考文献19摘要随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。如果将每个交通十字路口的多余交通警察撤回，安排在最不利于管理和事故高发的地方，不但可以大大的降低交通事故的发生率，而且可以节省大量的人力财力。基于新型规则的可编程交通控制系统（以下简称交通控制系统）可以实现对车辆、行人的控制，使的交通便于管理。所以，采用单片机自动控制交通灯有现实的社会意义。本系统由单片机系统、键盘、LED显示、交通灯显示系统组成。系统包括人行道、左传、右转、以及基本的交通灯的功能。系统除基本的交通灯功能外，还具有倒计时，时间设置，紧急情况处理、及根据具体情况手动控制等功能。在紧急情况下，设置交通灯状态为：  全红：东南西北所有方向禁止通行。   南北红、东西绿：南北方向禁行；东西方向通行。   东西红、南北绿：东西方向禁行；南北方向通行。1 引言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，便可成为一个单片机控制系统。在今天，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。这一技术在19世纪就已出现了。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2 交通灯的总体方案设计与论证根据课题任务的要求，该系统具有交通灯的显示功能，倒计时功能，改变时间设定功能，所以把系统分为几个模块，包括倒计时显示器、键盘、交通信号灯、控制模块和看门狗电路。系统硬件框图如下 图1.1 系统硬件连接框图1.1单片机与外围接口部件该系统主控芯片单片机采用MCS-8051，它内部具有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，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，可以满足该控制系统的设计要求。锁存器选用74LS373，用于单片机输出地址信号锁存。1.2电源提供 为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案 方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。1.3 倒计时显示界面该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，我们考虑了三种方案：方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字苻，无法胜任题目要求。方案二：完全采用点阵式LED 显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。1.4 输入键盘键盘在系统作用手动设灯亮时间、紧急情况处理。按键按照结构原理可分为两类：一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图1.2所示： 图1.2 独立式按键电路 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。按恢复键对上两者进行恢复到正常状态。键盘的按键由机械触点构成的。当开关K未被按下时，P1口输入为低电平，K闭合后，与之对应的P1口 输入为高电平。由于按键是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动，P1口 输入端的波形会有尖锋脉冲出现。如图1.3所示。图1.3 按键触点的机械抖动为了使CPU 能正确地读出P1 口的状态，对每一次按键只作一次回应，就必须考虑如何去除抖动，常用的去抖动的方法有两种：硬体方法和软体方法。键盘采用独立式键盘，单片机的I/O口数可以满足该键盘，并且可以完成题目中的所要求的设定时间、紧急情况控制功能。 1.5 交通灯显示采用信号灯拼成箭头状作为人行提示/左右转提示，清晰明了。VT为双向晶闸管，当门极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当门极为低电平时晶闸管关断，该支路指示灯灭。用220交流电驱动交通灯，这样就满足了在阳光下或者在雾天也可以看清楚交通灯信号。本系统采用专用芯片MAX692作为外部看门狗电路。1.6 理论分析与计算1.6.1交通灯显示时序的理论分析与计算对于一个交通路口来说，能在最短的时间内达到最大的车流量，就算是达到了最佳的性能，我们称在单位时间内多能达到的最大车流为车流量，用公式：车流量= 车流 / 时间 来表示。 图21 所示为一种红绿灯规则的状态图，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四的状态为一个周期，循环执行（见图22）。请注意图21b和图21d，它们在一个时间段中四个方向都可以通车，写出相邻路口的灯的逻辑表；根据图23 可以看出，相邻路口的灯它们的状态在相位上相差180°。因此最终只需写出一组S1、S2、S3、S4的逻辑状态表。如表21 所示。表中的“×”代表是红灯亮（也代表逻辑上的0），“”是代表绿灯亮（也代表逻辑上的1），依上表，就可以向相应的端口送逻辑值。1.6.2 交通灯显示时间的理论分析与计算东西和南北方向的放行时间的长短是依据路口的各个方向平时的车流量来设定，并且S1、S2、S3、S4各个状态保持的时间之有严格的对应关系，其公式如下所示： T-S1+T-S2=T-S3 T-S2=T-S4 T-S1=T-S3 我们可以依据上述的标准来改变车辆的放行时间。按照一般的规则，一个十字路口可分为主干道和次干道，主干道的放行时间大于次干道的放行时间，我们设定值时也应以此为参考。1.6.3电路图及设计文件（1）灯控制电路设计 由于32个LED 来实现红绿灯状态，若直接接在单片机的口线，路口倒计时的显示就不能实现，所以本次设计中采用一种新型的电路如图31 所示。 图中74LS04的作用是倒相和驱动，它输出的电流大约48mA，实际测试发现足以满足要求，而且发光管也能达到足够的亮度。观察图可以看出：两组发光管（一组红、一组绿）由于反相器的作用，其逻辑状态恰恰相反。图中和电阻串联的二极管的作用是为了分压，防止因上下两组发光管分压不同导致逻辑的错误。共四组和上述相同的电路分别代表东西南北四个方向的红绿灯，使用两片74LS04 作为驱动。（2）倒计时显示电路设计 前面已经分析过相向的灯的状态和倒计时都是相同的，所以为了节省，采用两组四个数码管作为倒计时的显示；同时为了节省口资源，采用串口显示的方式驱动数码管。见图32 所示。2 硬件的选择与简介2.1 8051芯片简介2.1.1 8051内部结构    8051是MCS-51系列单片机的典型产品，其内部结构图如右所示：由其内部结构图可知：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、中断系统和时钟电路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。·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，上电自动复位手动复位电路内部时钟方式外部时钟方式图2.3但8051单片机需外置振荡电容。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，RESET/Vpd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。2.1.2 8051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I/O口，中断口线与P3口线复用。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PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。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A配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。2.2.1 内部结构 8255内部结构如图所示：图2.5由上图可知：8255包括三个端口，二个工作方式控制电路，一个读写控制逻辑电路和8位总线缓冲器，现将各部件功能分别加以简单介绍： 端口A、B、C 2.2.2 引脚功能说明RESET：复位输入线，当该输入端外接高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。：片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中允许8255与CPU进行通信。：读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。：写入信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写入8255。A1、A0：端口地址总线，8255中有端口A、B、C和一个内部控制寄存器，共4个端口，由A0、A1输入地址信号来寻址。 2.3 其他器件2.3.1 数码管与交通信号灯显示器是最常用的输出设备。特别是发光二极管（LED）和液晶显示器（LCD），由于结构简单、价格便宜、接口容易，得到广泛的应用，尤其在单片机系统中大量使用。现在简单介绍 发光二极管。 图2.6 晶闸管与数码管示意图要使行人能看见信号灯的情况，必须把8255输出的信号进行放大VT为双向晶闸管，当门极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当门极为低电平时晶闸管关断，该支路指示灯灭。2.3.2 看门狗MAX692由于单片机自身的抗干扰能力比较差，常会出现单片机因为受外界干扰而导致死机的现象，造成系统不能正常工作。一个完整的单片机应用系统应该是一个软、硬件的结合体，在系统正常工作时，会受到各种外界干扰因素的影响。这种外界干扰轻者导致系统内部数据出错，重者将严重影响程序的运行。因此单片机应用系统的开发一定要考虑系统可靠性的设计。如果在规定的时间内没有收到来自单片机或其他CPU的触发信号，则系统会强制复位，以保证系统在受到干扰时仍能够维持正常的工作状态。在单片机系统中，看门狗的设计一般采用硬件和软件结合两种方式。3 控制器硬件系统设计3.1 系统硬件设计方案东西方向或者南北方向的交通灯在通常工作条件中有四种状态：前行灯人行道（ 状态1）、前行灯右转（状态2）、左转（状态3）、红灯（状态4）这四种状态（在每个灯变化时还有闪烁状态，这在软件中实现）。状态说明： (状态1)前行灯人行道：车辆前行；行人可通过人行道； (状态2)前行灯右转：车辆可向前、向右行驶； (状态3)红灯左转：车辆向左行驶；但不能前行； (状态4)红灯：禁止通行与转弯；图3.2 交通灯控制线路图上面所述4种状态是南北或者东西方向的一条道上的四种状态，根据交通规则与十字路口的实际情况，可以把南北和东西路口的总控制系统的状态分为6种：S1：南北（状态1）+东西（状态4）S2：南北（状态2）+东西（状态4）S3：南北（状态3）+东西（状态4）S4：南北（状态4）+东西（状态1）S5：南北（状态4）+东西（状态2）S6：南北（状态4）+东西（状态3）所以按照上面所分析的交通规则方案，可以得出每个方向的交通灯数目为4个，分别为：直行箭头灯、左转灯、右转灯、人行道灯。分别用字母Z、L、R、M表示。根据分析的九种状态，可以分析出控制系统的九种工作状态的真值表。如表3.1：表3.1 状态真值表方向状态东西方向南北方向Z、L、R、MZ、L、R、MS110100000S210010000S301000000S400001010S500001001S600000100S700000000S810000000S900001000各个交通状态的时间设定：假设路口两个交叉道路车流量相当，可以把正常通行下的六个状态时间设定为：S1 30秒、S2 30秒、S3 20秒、S4 30秒、S5 30秒、S6 20秒。时间设定如果需要改变，可以通过键盘输入设定。3.2 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。键盘编号为K1，K2，K3，K4，K5分别连接单片机的P1。0，P1。1，P1。2，P1。3，P1。4主程序中放了一个按键的判断指令，当有键按下的时候，程序就跳转到按键子程序处理，当检测到K2键按下的时候就自动返回到主程序。按紧急预案键K5后，先出现全红状态，再按一下该键，又出现一方通行状态，再按，则另一方通行。如此循环。 图3.3 系统电路简图按手动控制键后，进行手动控制，每按一次，灯会转到下一个状态。按恢复键对上两者进行恢复到正常状态。键盘的按键由机械触点构成的。（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PC 口显示左转、直行、右转、人行道灯的燃亮情况；由8255的PA、PB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8051设置，状态S1、状态S2、状态S3、状态S4、状态S5、状态S6时间依次为30秒、30秒、20秒、30秒、30秒、20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，当该位电平为0就对系统进行初始化，为1系统就开始工作。（5）8255口用于输出时间的个位，口用于输出时间的十位，由7446A驱动芯片驱动，而口用于输出各个灯的情况，它的末段连接双向晶闸管采用220V交流电压驱动。（6）在交通控制程序中加入看门狗指令，当系统出现异常看门狗将发出溢出中断。通过专用端口输入到MAX692看门狗芯片的WDI引脚引起RESET复位信号使系统复位。这样，只要单片机只要程序跑飞或者死机，看门狗就可以利用溢出中断对单片机重新起动。结 论本系统就是充分利用了8051和8255芯片的I/O引角。系统统采用MSC-51系列单片机Intel8051和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；为了系统稳定可靠采用了MAX629“看门狗”芯片，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生；显示时间直接通过8255的PA、PB输出；交通灯信号通过平常PC口输出；交通灯的点亮采用VT双向晶闸管来控制，直接采用220V交流电源驱动，系统设计简便、实用性强、操作简单、程序设计简便。系统不足之处不能控制车的左、右转、以及自动根据车流改变红绿灯时间等。这是由于本身地理位子以及车流量情况所定，如果有需要可以设计扩充原系统来实现通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧（特别是汇编语言）的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。致 谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，指导老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，指导老师都给予了悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是老师广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在论文的写作过程中，也得到了汽车检测与维修技术专业同学的宝贵建议，同时还得到许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！ 参考文献1 房小翠 王金凤 单片机实用系统设计技术。国防工业出版社，19992 付家才 单片机控制工程实践技术。 北京：化学工业出版社，2004.53 潘新民 微型计算机控制技术。北京：人民邮电出版社，1999.94 余锡存 曹国华 单片机原理及接口技术。陕西：西安电子科技大学出版社，5 雷丽文 等 微机原理与接口技术。北京：电子工业出版社，1997.26 蒋万君 在论循环时序电路的简便设计。机电一体化，2005 第5期7 胡汉才 单片机原理及其接口技术。 北京：清华大学出版，19968 黄义源 机械设备电气与数字控制。中央广播电视大学出版社，19939 蔡美琴 张为民等MCS-51系列单片机系统及应用。高等教育出版社，199211李建中 单片机原理及应用。西安：西安电子科技大学出版社，200212 康华光 电子技术基础（第四版）。北京：高等教育出版社，2000. -18-