单片机模拟交通灯系统设计报告

1、 课程设计说明书课程设计名称： 专业课程设计 课程设计题目： 交通灯模拟控制系统 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 20 13 年 7 月 2 日由每位学生填写、由任教教师保存待查摘 要本论文是以十字路口交通灯的控制系统为研究对象，以交通控制基本理论为基础，运用单片机技术原理和应用，对智能交通的控制系统进行分析研究并做出模拟应用。文章论述了基于stc89c51单片机的交通灯控制系统，以stc89c51作为系统的控制元件，扩展一片8255芯片，8255的pa口作为基本输出，点亮发光二极管，即控制红黄绿等的亮灭。电路主要包括：单片机主控模

2、块、8255扩展模块、红绿灯显示模块、紧急放行按键模块。本系统简单模拟现有的交通灯系统，实现十字路口南北方向和东西方向交替亮绿灯即放行，且有黄灯闪烁3秒提醒放行方向即将改变，红灯时间维持13秒，绿灯维持10秒。另外，系统还设计了紧急放行按键，可强行对相应的方向放行。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。关键词：单片机、8255、交通灯目 录摘要·····················&

3、#183;···································2第1章 设计要求············

4、3;·································4 1.1 设计要求···············

5、································4 1.2 设计思路················&#

6、183;······························4第2章 系统组成及工作原理·················

7、···················5 2.1 系统组成·····························&#

8、183;·················52.1.1 单片机stc89c51介绍·····························

9、····52.1.2 8255芯片介绍·······································72.1.3 发光二极管··

10、83;······································92.1.4 紧急放行按键·········&#

11、183;·····························9 2.2 交通灯系统工作原理··················

12、;···················9第3章 硬件电路方案设计····························

13、3;········10 3.1 设计方案········································

14、;······10 3.2 单元电路设计·········································

15、3;103.2.1 时钟电路模块······································103.2.2 单片机控制模块及紧急按键模块·····

16、3;················103.2.3 8255扩展模块·······························

17、·······123.2.4 led红绿灯显示·····································13第4章 软件设计·

18、3;···········································14 4.1 单片机和8255资源使用情况···&

19、#183;··························14 4.2 软件各模块介绍·····················

20、;···················14第5章 调试与结果·····························

21、··············16 5.1 软件调试··································&

22、#183;···········16 5.2 硬件调试····································&#

23、183;·········18第6章 结论·······································

24、··········19参考文献·······································

25、·············20附录a····································&

26、#183;··················21附录b······························&#

27、183;························22附录c························

28、83;······························2330第一章 设计要求 1.1 设计要求：1、用单片机扩展一片8255，用12 个发光二极管模拟一个十字交叉路口的红、绿、黄灯，并设置二个紧急放行按键。2、正常行驶时，东西或南北方向的灯按绿灯亮10 秒，黄灯闪烁3 秒，红灯亮12

29、秒控制。3、 当东西或南北方向的紧急放行按键按下时，如果禁行方向为红灯，则红灯 继续维持12 秒；如果禁行方向为绿灯，则立即变为黄灯闪烁3 秒；如果禁行方向为黄灯，则黄灯继续维持。 1.2 设计思路1、分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案，并以此为基础提出 自己的交通控制的初步方案。2、确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还有倒计时显示提示、紧急情况下，全面禁行、黄绿红灯及左转周期随时可调这三项项特特殊功能。3、进行显示电路，按键电路的设计和对各器件的选择及连接，大体分配各个

30、器件及模块的基本功能要求。4、进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。然后在开发板上进行硬件调试。 第二章 系统组成及工作原理 2.1 系统组成 本系统包括单片机主控模块、8255扩展模块、红绿灯显示模块、紧急放行按键模块。系统框图如图2.1所示： 图2.1 系统组成框图 2.1.1 单片机stc89c51介绍 stc89c51提供以下标准功能：8字节flash闪速存储器，256字节内部 ram , 32个i/o口线，3个16 位定时计数器，一个6向量两级中断结构， 一个全双工串行通信口

31、，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c52可降至零 赫兹的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止 cpu 的工作，但允许ram，定时计数器串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存ram 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作 直到下一个硬件复位。stc89c52的引脚图如图2.2所示，下面是对部分引脚功能的介绍。p0：p0口是一组8位漏极开路型双向1/o 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时每位能吸收电流的方式驱动8个ttl 逻辑门电路，对端口p0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。p0口也可以配置为复低位地址/数据总线和内存数据访问外部程序。在这

32、种模式下，p0具有内部上拉电阻。在flash由编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。p2：p2 是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑电路。对端口p2写“l"，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（llt ）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行movxdptr 指令）时，p2送出高8 位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器、如执行movxri指令）时，p2口输出p

33、2锁存器的内容。flash编程或校验时，p2亦接收高位地址和一些控制信号。 p3 ：p3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个ttl 逻辑电平。对p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。p3口亦作为at89s52特殊功能（第二功能）使用。在flash编程和校验时，p3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能p3.0 rxd(串行输入口) p3.1 txd(串行输出口) p3.2 into(外中断0) p3.3 int1(外中断1) p3.4 to(定时/

34、计数器0)p3.5 t1(定时/计数器1) p3.6 wr(外部数据存储器写选通) p3.7 rd(外部数据存储器读选通) 此外，p3口还接收一些用于flash闪存编程和程序校验的控制信号。rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ea/vpp：外部访问允许。欲使cpu 仅访问外部程序存储器(地址为0000h-ffffh ) , ea端必须保持低电平(接地）需注怠的是：如果加密位lbi被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端）。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp ，当然这必须是该器件是使用12v编程

35、电压vpp 。xtal1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端xtal2：振荡器反相放大器的输出端。 图2.2 stc89c51引脚图 2.1.2 8255芯片介绍 8255是 可编程并行i/o接口芯片，有3个8位并行i/o口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口a、b、c口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与cpu连接部分、与外设连接部分、控制部分。1、 与cpu连接部分 根据定义，8255能

36、并行传送8位数据，所以其数据线为8根d0d7。由于8255具有3个通道a、b、c，所以只要两根地址线就能寻址a、b、c口及控制寄存器，故地址线为两根a0a1。此外cpu要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。8255引脚图如图2.3所示，各信号的引脚编号如下：（1）数据总线db：编号为d0d7，用于8255与cpu传送8位数据。（2）地址总线ab：编号为a0a1，用于选择a、b、c口与控制寄存器。（3）控制总线cb：片选信号、复位信号rst、写信号、读信号。当cpu要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对82

37、55进行读或写数据的操作。 2、与外设接口部分根据定义，8255有3个通道a、b、c与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255可同时控制24路开关。各通道的引脚编号如下：（1）a口：编号为pa0pa7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。（2）b口：编号为pb0pb7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。（3）c口：编号为pc0pc7，用于8255向外设输入输出8位并行数据，当8255工作于应答i/o方式时，c口用于应答信号的通信。 3、控制器 8255将3个通道分为两组，即pa0pa7与pc4pc7组成a组，pb0pb

38、7与pc0pc3组成b组。如图7.5所示，相应的控制器也分为a组控制器与b组控制器，各组控制器的作用如下：（1）a组控制器：控制a口与上c口的输入与输出。（2）b组控制器：控制b口与下c口的输入与输出。 图2.3 8255引脚图 2.1.3 发光二极管 发光二极管简称为led。由镓（ga）与砷（as）、磷（p）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。发光二极管正极接高电平时，负极为低电平择灯亮。 2.1.4 紧急放行按键 本系统需两个紧急按

39、键，实现当某个方向车流量较大时延长放行时间或紧急改变放行方向。 2.2 交通灯系统工作原理 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，切黄灯点亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。程序设置初始状态为东西方向绿灯、南北方向红灯，单片机执行程序，控制交通灯状态转换，包括延时，紧急放行。扩展的8255pa口输出控制红黄绿等的亮灭。第三章 硬件电路方案设计3.1 设计方案本设计采用单片机atc89c51芯片扩展一片8255，实现交通灯的模拟控制。选用频率为12mhz的晶振，则一个

40、时钟周期为1us（t=12/12mhz）。atc89c51的p0口配置为复低位地址/数据总线与8255芯片的数据总线db相连，p2送出高8 位地址数据，外部中断int0和int1接紧急放行按键。8255的pa口接发光二极管的负极，使pa口向外设输出8位并行数据，控制发光二极管的亮灭。 本实验包括四种状态： s1：东西绿灯亮，南北红灯亮 s2：东西黄灯闪烁，南北红灯亮 s3：东西红灯亮，南北绿灯亮 s4：东西红灯亮，南北黄灯闪烁3.2 单元电路设计 3.2.1 时钟电路模块 时钟电路如图3.1所示，电容选取30pf,晶振频率为12mhz，一个时钟周期为1us（12/12mhz）。c2、c3为谐振

41、电容，有起振作用。 图3.1 时钟电路模块 3.2.2 单片机控制模块及紧急按键模块 本系统中单片机作为核心控制元件，提供定时器和中断服务,定时器t0工作在方式1，p0和p2口是扩展8255的地址端，其中p2.7接8255片选信号，使能8255，p2.6、p2.5分别接8255的端口选择a1、a0。紧急放行按键接外部中断，按下发送中断请求。系统上电按初始化状态东西绿灯亮，南北红灯亮开始运行，通过定时器定时实现延时，达到红绿灯维持的时间，按下紧急按钮时，系统响应中断请求，执行中断服务程序，实现紧急放行。具体硬件连线如图3.2和图3.3所示。 图3.2 单片机控制模块 图3.3 紧急按键模块 3.

42、2.3 8255扩展模块 8255的d0d7为数据总线，接单片机p0口，pa口设向外输出接红绿黄灯（pa.0-pa.5）。在电路仿真时为了便于观察红绿黄灯维持时间，将pb口设输出，接数码管显示红绿灯时间，pc口低四位输出，接数码管显示黄灯时间。因设计要求对数码管显示没有要求，在实体电路中省略数码管部分。具体设计如图3.4和图3.5所示。 图3.4 8255扩展模块 图3.5 数码管显示模块 3.2.4 led红绿灯显示 发光二极管正极接vcc，负极接8255 pa口，低电平灯亮。具体电路如图3.6所示： 图3.6 红绿灯显示模块电路 第四章 软件设计4.1 单片机和8255资源使用情况编写汇编

43、程序时，用到了单片机的外部中断0，并且让它以下降沿有效方式工作；还用到定时器t0，让它工作在定时器方式1.p0、p2、p3口均有用到，且有用到p3口的第二功能。p0、p2作为扩展8255的端口地址，8255的pa、pb、pc均作为外设输出，控制红黄绿灯的亮灭和数码管显示倒计时。4.2 软件各模块介绍（1）延时子程序 延时程序实现延时1s，在显示函数中也有用到，由于时间比较短，就采用纯软件的方法延时。 定时初值的计算：(65536-a)x1us=50ms，a=15536d=3cb0h（2）按键处理和按键查询程序 按键处理程序主要是将从int0、int1取值向单片机发送中断请求，按键查询程序主要是

44、判断按键是否有按下，如果有则调用按键处理程序。（3）外部中断程序 本设计是用外部中断程序来实现紧急放行。外部中断程序里面用到的延时1s和正常通车时用到的延时1s不是同一个延时函数，因为按键扫描时加在正常通车时的延时1s中，这样是为了防止其他按键影响中断服务的运行。（4）数码管显示子程序 显示程序主要完成数码管的动态显示，相应的段控码送往8255的pb口及pc口。实现显示需要的字符信息。（5）主程序 主程序是程序的入口，在主程序中设置硬件电路的初始状态，按状态转换顺序写入各状态，且一直调用延时子程序和显示程序，实现通车时间的控制。（6）主程序流程图 图4.1程序流程图第5章 调试与结果5.1 软

45、件调试 软件调试主要是利用proteus仿真软件完成电路的搭建，运行以发现设计中的错误并及时改正。在此过程中有数码管显示倒计时时间，pb口和pc口低四位对数码管输入段控码。加载在c51单片机中的程序是在keil中编译生成的文件。图5.1、图5.2、图5.3为仿真过程中的截图。 图5.1仿真运行截图图5-1所示的状态是状态1，即东西方向绿灯，南北方向红灯，数码管左边两位显示的是东西绿灯倒计时时间，右边两位是显示黄灯倒计时时间。若此时按下紧急放行按键则黄灯开始闪烁，东西绿灯灭，3s后变为东西红灯亮，南北绿灯亮如图5.2。 图5.2 仿真运行截图 图5.3仿真运行截图图5.3所示的状态是状态4，即东

46、西红灯，南北黄灯闪烁，数码管显示的分别是东西红灯倒计时时间和黄灯倒计时时间。5.2 硬件调试在软件仿真成功的基础上，领取元器件焊接实体电路。硬件调试主要是检查是否有短路、断路、虚焊等，所以在焊接电路时便一边用万用表检测是否存在这些问题。焊接完成后，使用单片机开发板将程序下载到单片机中，然后连接电源线和地线，上电观察系统工作现象。下面是调试过程中遇到的一些问题及其解决办法。（1） 第一次上电调试的现象是十二个发光二极管全亮。首先，检查电源与地线是否全部接上，是否有接反。确认无误后继续对照原理图，检查各个器件之间的连接是否连接正确，尤其是单片机与8255之间的连线，结果也不存在问题。最后检查连个芯

47、片是否正常工作，通过查看c51的ale4端是否有脉冲信号输出来判断单片机是否工作，结果发现单片机芯片是坏的，8255正常。（2） 更换芯片后重新上电调试，结果发光二极管全是暗的。经过前面的检查几乎可以确定电路焊接是没有问题的，需要改变检查的思路。首先，分析灯亮的条件是发光二极管的负极即8255的pa口对应的引脚要输出低电平，检测结果是pa口引脚均为高电平。仔细分析得到的结论是：在前一次上电调试时8255的pa口全部是高电平，而此次调试中没有接8255的复位信号，所以pa口仍是输出高电平。将c51的rst引脚与8255的rest引脚连接后，再上电调试，系统正常工作，功能与设计要求相符。第6章 结

48、论 此次课程设计实现的是一个交通灯模拟控制系统，用单片机扩展一片8255，用12 个发光二极管模拟一个十字交叉路口的红、绿、黄灯，并设置二个紧急放行按键。在正常情况下，东西、南北方向交替放行，绿灯维持10秒，红灯维持13秒，黄灯在绿灯灭后闪烁3秒。当东西或南北方向的紧急放行按键按下时，如果禁行方向为红灯，则红灯继续维持12 秒；如果禁行方向为绿灯，则立即变为黄灯闪烁3 秒；如果禁行方向为黄灯，则黄灯继续维持。本系统能够正常工作，切能实现设计要求中的各功能，此次课程设计是成功的。本次课程设计时间非常短暂，但获得的收获是非常大的。通过动手实际操作，对编程和焊接有了新的认识。本系统的程序不同于平时实

49、验课上要求的简单程序，所以应该先编写各个模块的子程序，这样看起来简洁，增加了程序的易读性。本次课程设计为两人一组，在编写程序、硬件电路设计、焊接、调试等过程中都是一起努力，增强了同学之间学习上的交流，可以互相弥补各自的不足，也培养了团队合作能力。 参考文献1 张先庭，等.单片机原理、接口与c51应用程序设计.北京：国防工业出 版社，2011.12.2 楼然苗，等.51 系列单片机设计实例.北京：北京航空航天出版社，2009.3.3 李广弟，等.单片机基础.北京：北京航空航天出版社，2006.7.4 张友德，等.单片微型机原理、应用与实验.上海：复旦大学出版社，2006.5 苏家健,等.单片机原

50、理即应用技术.北京：高等教育出版社，2004.6 李光飞.单片机课程设计实例指导.北京：北京航空航天大学出版社， 2004.附录a表一 元件清单元件名称性能参数数量元件名称性能参数数量stc89c511个82551个电容30pf2个电容47uf1个电阻10k3个电阻330欧12个电阻5k1个发光二极管红、黄、绿各4个晶振12mhz1个开关2个附录b 整体电路图附录c程序清单；*主程序org 0000h ；起始伪指令ajmp storg 000bh ；000bh为定时器0中断源服务程序入口地址 ajmp int_0org 0100hst: mov sp,#67h mov r1,#00hmov t

51、mod,#01h ；选择定时器t0，方式1setb ea ；ea=1，开放中断setb et0 ；et0=1，t0的溢出中断允许mov dptr,#7fffh ；送8255控制口地址mov a,#80h ；送8255控制字，选择pa口方式0输出，pbmovx dptr,a 口方式0输出，pc口输出 ；*状态1lp:mov dptr,#1fffh ；8255a口地址mov a,#0deh ；红绿灯初始状态，东西绿灯，南北红灯movx dptr,asetb 40h clr 41hmov 31h,#200 mov r2,#10 ；绿灯维持10s mov 36h,#13 ；红灯维持13sacall dly_s ；调用延时子程序mov r7,#03h setb 41hmov r2,#2 ；*状态2lp0: mov dptr,#1fffh mov a,#0eeh ；东西黄灯亮，南北红灯亮movx dptr,amov 31h,#10acall dly_s ；调用延时子程序mov dptr,#1fffhmov a,#0feh ；东西黄灯灭，南北红灯亮movx dptr,amov 31h,#10acall dly_s djnz r7,lp0 ；通过黄灯交替亮灭三