单片机课程设计（论文）-基于单片机的交通灯的控制的设计—软件设计.doc

单片机课程设计单片机课程设计任务书分院信息科学与工程学院专业自动化学生姓名xxx学号888888设计题目基于单片机的交通灯的控制的设计 软件设计课程设计内容及要求：内容： 1设计电路，选择器件 2 利用protel画原理图 3 编程，调试 4 焊接电路，调试要求： 1 单片机能够控制红黄绿灯的转换 2 绿灯亮27秒 3 黄灯亮3秒 4 红灯亮30秒进度及安排：（10天） 1查资料（2天） 2设计电路画电路图（2天） 3编程与调试（2天） 4焊接硬件电路并调试（2天） 5写报告（2天）指导教师（签字）： 年 月 日分院院长（签字）： 年 月 日摘 要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。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？靠的就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atsc51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；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过pa口输出，显示时间直接通过8255的pc口输出至双位数码管）；车辆闯红灯报警；绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。 关键词：单片机 交通灯 闯红灯 检测车流量目 录1 单片机概述11.1单片机的分类11.2 单片机的应用11.3 发展趋势22 芯片简介42.1 msc-51芯片简介43 编程语言的选择53.1 c语言的发展历史63.2 c语言的特点63.3 简单的c语言举例74 系统软件的设计94.1程序流程图104.2 时间及信号灯的显示11 4.2.1 8051并行口的扩展11 4.2.2 显示原理11 4.2.3 8255pa口输出信号接信号灯11 4.2.4 8255输出信号与数码管的连接11 4.2.5 8255与8051的连接124.2.6程序设计12 4.3 proteus仿真 .16结束语18参考文献191、单片机概述1.1单片机的分类单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。1. 通用型/专用型这是按单片机适用范围来区分的。例如，80c51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成adc接口等功能的温度测量控制电路。2. 总线型/非总线型这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。3. 控制型/家电型这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80c51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。1.2 单片机的应用由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：1. 单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。2. 单片机在机电一体化中的应用机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。3. 单片机在实时控制中的应用单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。4. 单片机在分布式多机系统中的应用在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。5. 单片机在人类生活中的应用自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。1.3 发展趋势目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着cmos化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。cmos化 近年，由于chmos技术的进小，大大地促进了单片机的cmos化。cmos芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80c51取代8051为标准mcu芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用cmos（金属栅氧化物）半导体工艺生产。cmos电路的特点是；低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的ttl电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了hmos（高密度、高速度mos）和chmos工艺。chmos和hmos工艺的结合。目前生产的chmos电路已达到lsttl的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于ttl电路。因而，在单片机领域cmos正在逐渐取代ttl电路。 低功耗化 : 单片机的功耗已从ma级，甚至1ua以下；使用电压在36v之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。 低电压化 : 几乎所有的单片机都有wait、stop等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在36v范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达12v。目前0.8v供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性 : 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。 大容量化 : 以往单片机内的rom为1kb4kb，ram为64128b。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内rom最大可达64kb，ram最大为2kb。 高性能化主要是指进一步改进cpu的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（risc）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100mips（million instruction per seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其i/o功能，由此引入了虚拟外设的新概念。 小容量、低价格化 : 与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。 外围电路内装化 : 这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的cpu、rom、ram、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、dma控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。 串行扩展技术 : 在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位otp（one time programble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是i c、spi等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，80c51系列是其中的佼佼者，加之intel公司将其mcs 51系列中的80c51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名ic制造厂商，如philips、 nec、atmel、amd、华邦等，这些公司都在保持与80c51单片机兼容的基础上改善了80c51的许多特性。这样，80c51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80c51系列。80c51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的mcu品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80c51可能最终形成事实上的标准mcu芯片。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。 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 用于控制程序转向。 并行输入输出(i/o)口： 8051共有4组8位i/o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。3.程序语言的选择 c语言是目前世界上流行、使用最广泛的高级程序设计语言。 c语言对操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合，用c语言明显优于其它高级语言，许多大型应用软件都是用c语言编写的。 c语言具有绘图能力强，可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画它是数值计算的高级语言。 常用的编译软件有microsoft visual c+,borland c+,watcom c+ ,borland c+, borland c+ builder,borland c+ 3.1 for dos,watcom c+ 11.0 for dos,gnu djgpp c+, lccwin32 c compiler 3.1,microsoft c,high c,等等. 3.1 c语言的发展历史 c语言的发展颇为有趣。它的原型algol 60语言。1963年，剑桥大学将algol 60语言发展成为cpl(combined programming language)语言。 1967年，剑桥大学的matin richards 对cpl语言进行了简化，于是产生了bcpl语言。 1970年，美国贝尔实验室的ken thompson将bcpl进行了修改，并为它起了一个有趣的名字“b语言”。意思是将cpl语言煮干，提炼出它的精华。并且他用b语言写了第一个unix操作系统。 而在1973年，b语言也给人“煮”了一下，美国贝尔实验室的d.m.ritchie在b语言的基础上最终设计出了一种新的语言，他取了bgpl的第二个字母作为这种语言的名字，这就是c语言。 为了使unix操作系统推广，1977年dennis m.ritchie 发表了不依赖于具体机器系统的c语言编译文本可移植的c语言编译程序。 1978年brian w.kernighian和dennis m.ritchie出版了名著the c programming language，从而使c语言成为目前世界上流行最广泛的高级程序设计语言。 1988年，随着微型计算机的日益普及, 出现了许多c语言版本。由于没有统一的标准,使得这些c语言之间出现了一些不一致的地方。为了改变这种情况,美国国家标准研究所(ansi)为c语言制定了一套ansi标准, 成为现行的c语言标准 3.c语言的主要特点 。c语言发展迅速, 而且成为最受欢迎的语言之一, 主要因为它具有强大的功能。许多著名的系统软件, 如dbase plus、dbase 都是由c 语言编写的。用c语言加上一些汇编语言子程序, 就更能显示c语言的优势了,象pc- dos 、wordstar等就是用这种方法编写的。 3.2 c语言的特点 1. 简洁紧凑、灵活方便 c语言一共只有32个关键字,9种控制语句，程序书写自由，主要用小写字母表示。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。 c 语言可以象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作, 而这三者是计算机最基本的工作单元。 2. 运算符丰富 c的运算符包含的范围很广泛，共有种34个运算符。c语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。从而使c的运算类型极其丰富表达式类型多样化，灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。 3. 数据结构丰富 c的数据类型有：整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。能用来实现各种复杂的数据类型的运算。并引入了指针概念,使程序效率更高。另外c语言具有强大的图形功能, 支持多种显示器和驱动器。且计算功能、逻辑判断功能强大。 4. c是结构式语言 结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化,即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰, 便于使用、维护以及调试。c语言是以函数形式提供给用户的,这些函数可方便的调用,并具有多种循环、条件语句控制程序流向,从而使程序完全结构化。 5. c语法限制不太严格、程序设计自由度大 一般的高级语言语法检查比较严，能够检查出几乎所有的语法错误。而c语言允许程序编写者有较大的自由度。 6. c语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作 因此既具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，能够象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作,而这三者是计算机最基本的工作单元，可以用来写系统软件。 7. c语言程序生成代码质量高，程序执行效率高 一般只比汇编程序生成的目标代码效率低1020%。 8. c语言适用范围大，可移植性好 c语言有一个突出的优点就是适合于多种操作系统, 如dos、unix,也适用于多种机型。3.3 简单的c语言程序设计举例#include #include #define n 8 typedef struct list int data; struct list *next; slist; void fun( slist *h, int x) slist *p, *q, *s; s=(slist *)malloc(sizeof(slist); /*found*/ s-data=q; q=h; p=h-next; while(p!=null & xp-data) /*found*/ q=_2_; p=p-next; s-next=p; /*found*/ q-next=_3_; slist *creatlist(int *a) slist *h,*p,*q; int i; h=p=(slist *)malloc(sizeof(slist); for(i=0; idata=ai; p-next=q; p=q; p-next=0; return h; void outlist(slist *h) slist *p; p=h-next; if (p=null) printf(nthe list is null!n); else printf(nhead); do printf(-%d,p-data); p=p-next; while(p!=null); printf(-endn); main() slist *head; int x; int an=11,12,15,18,19,22,25,29; head=creatlist(a); printf(nthe list before inserting:n); outlist(head); printf(nenter a number : ); scanf(%d,&x); fun(head,x); printf(nthe list after inserting:n); outlist(head); 4.系统软件的设计软件实现功能： （1）东西路，南北路交替运行30秒。 （2）当东西路红灯时，南北路绿灯亮27秒，然后黄灯亮3秒。 （3）当南北路红灯时，东西路绿灯亮27秒，然后黄灯亮3秒。 （4）按照上述功能循环交替运行。4.1程序流程图：开始东西绿灯亮，南北红灯亮（27秒）东西黄灯亮，南北红灯亮（3秒）东西红灯亮，南北绿灯亮（27秒）东西红灯亮，南北黄灯亮（3秒）4.2 时间及信号灯的显示4.2.1 8051并行口的扩展 8051虽然有4个8位i/o端口,但真正能提供借用的只有p1口,因为p2和p0口通常用于传送外部传送地址和数据,p3口也有它的第二功能。因此，8031通常需要扩展。由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个i/o端口，显然8031的端口是不够，需要扩展。 扩展的方法有两种：（1）借用外部ram地址来扩展i/o端口；（2）采用i/o接口新片来扩充。我们用8255并行接口信片来扩展i/o端口。4.2.2显示原理：当定时器定时为1秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间 ，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值 ，重新进入循环。 4.2.3 8255pa口输出信号接信号灯： 由于发光二极管为共阳极接法，输出端口为低电平，对应的二极管发光，所以可以用置位方法点亮红，绿，黄发光二极管。4.2.4 8255输出信号与数码管的连接： led 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点量而显示不同的字形如 sp，g,f,e,d,c,b,a 管角上加上所以上为伏，不亮其余为高电平，全亮则显示为采用共阴级连接:其中 pc0pb0-a,pc1pb1-b, pc2pb2-c,pc3pb3-d,pc4pb4-e, pc5pb5-f,pc6pb6-g,pc7pb7 -sp接地显示数值dop g f e d c b a 驱动代码（16进制）00 0 1 1 1 1 1 1 3fh1 0 0 0 0 0 1 1 006h2 0 1 0 1 1 0 1 15bh3 0 1 0 0 1 1 1 14fh4 0 1 1 0 0 1 1 066h5 0 1 1 0 1 1 0 06dh6 0 1 1 1 1 1 0 07dh7 0 0 0 0 0 1 1 107h8 0 1 1 1 1 1 1 17fh 表 3 驱动代码表4.2.5 8255与8051的连接：用8051的p0 口的 p0.7 连接8255的片选信号cs 我们用8031的地址采用全译码方式，当p0.7 =0 时片选有效， 其他无效， p0.1 p0.1 用于选择8255端口 p0.7 p0.6 p0.5 p0.4 p0.3 p0.2 p0.1 p0.0a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a01 x x x x x 0 0 00h为8255 的pa口1 x x x x x 0 1 01h 为8255的pb口1 x x x x x 1 0 02h 为8255的pc口1 x x x x x 1 1 03h 为8255的控制口由于8051是分时对8255和储存器进行访问所以8051的p0口不会发生冲突4.2.6 程序如下：#includesbit ser=p00;sbit sck=p01;sbit rck=p02;#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint njsq=0;int nsec=0;int n=0;uchar nsecg=0,nsecs=0;uchar code seg17=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0xee,0x3e,0x9c,0x7a,0x9e,0x8e,0x00;void delay(unsigned char tt)unsigned char i;for(;tt0;tt-)for(i=0;i200;i+);void send(unsigned char dd)unsigned char i;for(i=0;i=1;sck=1;void led1(unsigned char d1,unsigned char d2)rck=0;send(d2);send(d1);rck=1;void led2(unsigned char d1,unsigned char d2)rck=0;send(d2);send(d1);rck=1;void t1_secjishi() interrupt 3 using 1 th1=21700/256;tl1=21700%256; if(njsq19) njsq=0; nsec+; if(nsec29) nsec=0; n+; main() tmod=0x10;th1=21700/256;tl1=21700%256; et1=1; ea=1;tr1=1;p1=0xff;while(1) led1(segnsecg,0x7f); led1(segnsecs,0xbf); led2(segnsecg,0x7f); led2(segnsecs,0xbf); if(n/2=0) p1=0x4d; if(nsec27) p1=0x47; else p1=0x8b; if(nsec27) p1=0xca; 4.3 proteus软件仿真：结论本系统就是充分利用了8051和8255芯片的i/o引脚。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8031芯片的p1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩3秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过pa口输出，显示时间直接通过8255的pc口输出至双位数码管）；车辆闯红灯报警；绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。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。结 束 语 通过这次课程设计，提高了我独立思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我分模块分别设计和调试，完成了最后的总设计。 在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的编程可以行得通，但实际运行后，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我从根本上了解了很多很多知识点，并且对于它们在实际中的应用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。平时看课本，这次看了，下次就忘了，认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我的作用是非常大的。 经过一个星期的设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热