数码管显示倒计时时间的交通灯控制设计

第第 1 1 章总体设计章总体设计方案方案 1 1 1 1 设计思路设计思路 1 1 11 1 1 课程设计的目的课程设计的目的 1 进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理 2 掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性 控制方法 3 通过课程设计 掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术 4 通过实际程序设计和调试 逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术 5 通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程 了解开发一单片机应用系统的 全过程 为今后从事相应开发打下基础 1 1 2 设计任务设计任务和内容和内容 1 设计任务 单片机采用用 AT89C51 芯片 使用 LED 红 黄 绿 代表各个路口的交通灯 用 8 段数 码管对转换时间进行倒时 东西路口 南北路口各 10 秒 黄灯时间 3 秒 2 设计内容 1 设计并绘制硬件电路图 2 编写程序并将调试好的程序在 proteus 软件中仿真 3 方案设计与论证 显示界面方案 该系统要求完成倒计时 状态灯等功能 按照任务要求采用数码管和 MAX7219 驱动芯 片 设计方框图 整个设计以 AT89C51 单片机为核心 由数码管显示 LED 数码管显示 MAX 驱动芯片 硬件模块入图 2 1 AT89C51 单片机 LED 数码 管显示 LED 红绿 灯 MAX 驱 动芯片 4 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 指示灯燃亮的方 案如表 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 5 秒 2 黄灯 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 5 秒 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 芯片简介 1 AT89C51 单片机简介 255255S 东西道红灯亮红灯亮绿灯亮黄灯亮 南北道绿灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮 2 各引脚功能说明 Vcc 5V 电源电压 Vss 电路接地端 P0 0 P0 7 通道 0 它是 8 位漏极开路的双向 I O 通道 当扩展外部存贮器时 这也 是低八位地址和数据总线 在编程和校验期间 它输入和输出字节代码 通道 0 吸收 发出二个 TTL 负载 P1 0 P1 7 通道 1 是 8 位拟双向 I O 通道 在编程和校验时 它发 出低 8 位地址 11 通道 1 吸收 发出一个 TTL 负载 P2 0 P2 7 通道 2 是 8 位拟双向 I O 通道 当访问外部存贮器时 用作高 8 位地址 总线 通道 2 能吸收 发出一个 TTL 负载 P3 0 P3 7 通道 3 准双向 I O 通道 通道 3 能吸收 发出一个 TTL 负载 P3 通道的 每一根线还有另一种功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 输入口 P3 3 INT1 外部中断 1 输入口 P3 4 T0 定时器 计数器 0 外部事件脉冲输入端 P3 5 T1 定时器 计数器 1 外部事件脉冲输入端 P3 6 WR 外部数据存贮器写脉冲 P3 7 RD 外部数据存贮器读脉冲 RST VpD 引脚 9 复位输入信号 振荡器工作时 该引脚上 2 个机器周期的高电平 可以实现复位操作 在掉电情况下 Vcc 降到操作允许限度以下后备电源加到此 引脚将只给片内 RAM 供电 ALE PROG 引脚 30 地址锁存有效信号 其主要作用是提供一个适当的定时信号 在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低 8 位地址锁存 使总线 P0 输 出 输入口分时用作地址总线 低 8 位 和数据总线 此信号每个机器出现 2 次 只是 在访问外部数据存储器期间才不输出 ALE 所以 在任何不使用外部数据存贮器的系统 中 ALE 以 1 6 振荡频率的固定速率输出 因而它能用作外部时钟或定时 8751 内的 EPROM 编程时 此端输编程脉冲信号 PSEN 引脚 29 程序选通有效信号 当从外部程序存贮器读取指令时产生 低电平 时 指令寄存器的内容读到数据总线上 EA VPP 引脚 31 当保持 TTL 高电平时 如果指令计数器小于 4096 8051 执行内 部 ROM 的指令 8751 执行内部 EPROM 的指令 当使 TTL 为低电平时 从外部程序 存贮器取出所有指令 在 8751 内的 EPROM 编程时 此端为 21V 编程电源输入端 XTAL1 引脚 18 内部振荡器外接晶振的一个输入端 HMOS 芯片使用外部振荡源 时 此端必须接地 XTAL2 引脚 19 内部振荡器外 2 MAX7219 芯片简介 MAX7219 MAX7221 是一种集成化的串行输入 输出共阴极显示驱动器 它连接微处理器 与 8 位数字的 7 段数字 LED 显示 也可以连接条线图显示器或者 64 个独立的 LED 其上 包括一 个片上的 B 型 BCD 编码器 多路扫描回路 段字驱动器 而且还有一个 8 8 的静态 RAM 用来存 储每一个数据 只有一个外部寄存器用来设置各个 LED 的段电流 MAX7221 与 SPI QSPI 以及 MICROWIRE 相兼容 同时它有限制回转电流的段驱动来减少 EMI 电磁干扰 一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器 每个数据可以寻址在更新时不需 要改写所有的显示 MAX7219 MAX7221 同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码 整个设备包含一个 150 A 的低功耗关闭模式 模拟和数字亮度控制 一个扫描限制寄存 器允许用户显示 1 8 位数据 还有一个让所有 LED 发光的检测模式 电路模块 1 1 3 驱动芯片和驱动芯片和 LED 数码管显数码管显设计方框图设计方框图 1 1 4 设计原理分析设计原理分析 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 先设定一些标号如图 2 1 所示 AT89C51 各路口红绿灯 灯 MAX7219 LED 倒计时显示 复位 说明 此图为直方图 上边为北路口灯 右边为东路口灯 下边为南路口灯 左边为西路口 灯 图 2 2 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 2 3 图 2 1 请注意图 2 1b 和图 2 1d 它们在一个时间段中四个方向都可以通车 这种状态能在一 定的时间内达到较大的车流量 效率特别高 依据上述的车辆行驶的状态图 可以列出各个路口灯的逻辑表 由于相向的灯的状态图是 一样的 所以只需写出相邻路口的灯的逻辑表 根据图 2 3 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 2 1 所示 表 2 1 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 1 4 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 第第 2 章仿真图与设计程序章仿真图与设计程序 2 1LED 数码管显示模块数码管显示模块 静态显示方式 静态显示方式是指当显示器显示某一字符时 发光二极管的位选始终被选 中 在这种显示方式下 每一个 LED 数码管显示器都需要一个 8 位的输出口进行控制 由 于单片机本身提供的 I O 口有限 实际使用中 通常通过扩展 I O 口的形式解决输出口数 量不足的问题 静态显示主要的优点是显示稳定 在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大 系统运行过程中 在需要更新显示内容时 CPU 才去执行显示更新子程序 这样既节约了 CPU 的时间 又提高了 CPU 的工作效率 其不足之处是占用硬件资源较多 每个 LED 数码 管需要独占 8 条输出线 随着显示器位数的增加 需要的 I O 口线也将增加 2 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 称为扫描 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 显示器的亮度既与导通电流有 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 称为扫描口 控制每位显示器所显示的字形也需一个 8 位口 称为段码输出 示部分 电路图如下 2 1 程序 程序 倒计时子程序 红绿灯部分 MAX7219 子程序 MAX7219 CLR P1 1 将 LOAD 信号拉低 LCALL XH1 一位字节送入 7219 MOV A R7 LCALL XH1 NOP NOP SETB P1 1 产生 LOAD 上升沿 锁存数据 RET XH1 MOV R2 08H 总共有 8 位 移 8 次 NEXT CLR P1 2 将 CLK 拉低 RLC A A 中值左移入进位累加器 C 中 MOV P1 0 C 给 DIN 口 NOP SETB P1 2 CLK 上升沿 移入数据 NOP DJNZ R2 NEXT 没完成则继续 RET SHORT DELAY MOV 10H 40 10ms DEL MOV 11H 50 DEL1 MOV 12H 255 DEL2 DJNZ 12H DEL2 125 2us 0 25ms DJNZ 11H DEL1 DJNZ 10H DEL 0 25ms 40 10ms RET END 红绿灯子程序 LOOP MOV R3 26 MOV P0 1EH LCALL DISP RET LOOP1 MOV R3 6 MOV P0 1DH LCALL DISP RET LOOP2 MOV R3 25 MOV P0 33H LCALL DISP RET LOOP3 MOV R3 6 MOV P0 2BH LCALL DISP RET 总程序 CLK EQU P1 2 DIN EQU P1 0 LOAD EQU P1 1 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0090H MAIN LCALL LOOP LCALL LOOP1 LCALL LOOP2 LCALL LOOP3 LJMP MAIN LOOP MOV R3 26 MOV P0 1EH LCALL DISP RET LOOP1 MOV R3 6 MOV P0 1DH LCALL DISP RET LOOP2 MOV R3 25 MOV P0 33H LCALL DISP RET LOOP3 MOV R3 6 MOV P0 2BH LCALL DISP RET DISP MOV A 09H 置译码器方式寄存器地址 MOV R7 0FFH 选择译码方式 LCALL MAX7219 写入 MOV A 0AH 置亮度寄存器地址 MOV R7 05H 选择占空比 LCALL MAX7219 写入 MOV A 0BH 置 MAX7219 显示扫描位数寄存器地址 MOV R7 07H 选择 8 位显示方式 LCALL MAX7219 写入 MOV A 0CH 置关闭显示寄存器地址 MOV R7 01H 选择进入正常工作 00H 表示关闭 LCALL MAX7219 写入 MOV 20H R3 DEC 20H MOV A 20H MOV B 10 DIV AB MOV 30H A MOV 31H B MOV R0 30H CLR P1 1 MOV R1 03H 指向第 0 位 LED MOV A R0 取显示缓冲区数据 MOV R7 A 显示数 MOV A R1 LED 显示的位地址给 A LCALL MAX7219 INC R0 指向下一个显示数据 INC R1 指向另一个数码管 MOV A R0 MOV R7 A MOV A R1 LCALL MAX7219 MOV R0 30H CLR P1 1 MOV R1 07H 指向第 0 位 LED MOV A R0 取显示缓冲区数据 MOV R7 A 显示数 MOV A R1 LED 显示的位地址给 A LCALL MAX7219 INC R0 指向下一个显示数据 INC R1 指向另一个数码管 MOV A R0 MOV R7 A MOV A R1 LCALL MAX7219 LCALL SHORT DELAY DJNZ R3 DISP RET MAX7219 子程序 MAX7219 CLR P