单片机定时计数器应用-交通灯控制系统设计

单片机定时计数器应用——交通灯控制系统设计PAGE17PAGE1第页教学目标知识目标：掌握单片机端口的控制方法；熟悉常用的单片机定时/计数器的使用方法；理解常用几种结构的程序设计特点；掌握单片机定时/计数器初始化的方法；掌握常用元器件的特性和测试方法；掌握单片机子程序的编写及调用方法；掌握单片机倒计时程序的编写方法。能力目标：能够根据项目要求分解任务并设计出硬件电路；能够使用WAVE6000软件对汇编程序进行调试、编译等；能够进行复杂电路的正确连接及调试；能够进行显示电路的设计和数据传输程序的设计与调试；能够灵活运用单片机中除法指令进行数据拆分；能够把分解开的任务进行综合、整体分析并编写连接程序；能够读懂交通灯系统总体程序；能够熟练使用编程器下载程序到单片机中。素质目标：锻炼学生的团队合作能力、专业技术交流的表达能力；制定工作计划的方法能力；获取新知识、新技能的学习能力；解决实际问题的工作能力。教学重点交通灯控制系统硬件设计；交通灯闪烁程序设计；拆分显示程序设计；倒计时显示电路设计；交通灯控制系统软硬件联合调试。教学难点交通灯闪烁程序设计；倒计时显示电路设计；交通灯控制系统软硬件联合调试。教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时4教学内容与教学过程设计注释单片机定时/计数器应用——交通灯控制系统设计〖任务说明〗通过实训模块的操作训练和相关知识的学习，使学生熟悉单片机端口控制的工作原理，掌握定时器/计数器的控制方法，熟悉单片机开发的基本过程。〖任务准备〗一、单片机定时/计数器系统1.定时/计数器的结构AT89S51单片机内部有两个定时/计数器T0和T1，每个定时/计数器都可以实现定时和计数功能，其结构框图如图5-2所示。图5-2定时/计数器结构框图2.定时/计数器的控制1）定时/计数器方式控制寄存器TMOD定时/计数器方式控制寄存器TMOD的地址为89H，用于控制和选择定时/计数器的工作方式，高4位置T1，低4位控制T0，不能采用位寻址方式。单片机定时计数器应用——单片机定时计数器应用——交通灯控制系统设计全文共4页，当前为第1页。二、定时/计数器的工作方式1.工作方式0当TMOD中的M1M0=00时，定时/计数器工作在方式0。此时，定时/计数器内部的计数器为13位计数器，由THi提供高8位，TLi提供低5位。若在THi和TLi中设置好计数初值，且启动定时/计数器就可以进行加法计数。2.工作方式1当TMOD中的M1M0=01时，定时计数器工作在方式1。此时，定时/计数器内部的计数器为16位计数器。3.工作方式2当TMOD中的M1M0=10时，定时/计数器工作在方式2。此时，定时/计数器内部的计数器为自动重装初值的8位计数器。4.工作方式3当TMOD中的M1M0=11时，定时/计数器工作在方式3。此时定时/计数器T0可拆成两个独立的8位定时/计数器使用，T1不变。当定时/计数器工作在方式3时，T0、T1的设置和使用方法是不同的。三、交通信号灯发展史〖任务一〗工作内容及要求本任务所要完成的工作是分解出交通信号灯工作顺序和状态控制方式，完成交通信号灯驱动电路的硬件设计和软件设计。通过单片机控制外围驱动电路点亮发光二极管，模拟仿真出生活中真实的交通灯显示效果。本任务在对交通信号灯控制过程中，主要采用位操作指令，通过对相关位的置位和清零来完成基本信号灯的亮灭控制，由此使学生加深位操作指令的理解，为以后的应用打下坚实的基础。在单片机端口的控制中，主要由字节控制，即输出8位二进制数，对整个端口要通盘考虑，如在学习任务三中通过查表指令控制外部发光二极管时，采用的就是字节操作。本任务中由于接在端口上的各信号灯变化不同，采用位操作优势明显。因此，在本任务中就注意对位操作指令的应用，同时提高对任务的分析能力，抓住解决问题的关键点。任务分析根据交通灯控制系统的任务说明及本任务的工作内容及要求，通过具体的路口交通灯状态的演示分析，如图5-4所示，我们把生活中真实的交通信号灯归纳为如下6个状态。单片机定时计数器应用——单片机定时计数器应用——交通灯控制系统设计全文共4页，当前为第2页。（1）东西方向绿灯亮，南北方向同时红灯亮，倒计时25s开始。此状态下，东西方向允许通行，南北方向禁止通行。（2）倒计时到5s时，东西方向绿灯闪烁，闪烁时间3s，起提示作用。南北方向红灯依然亮，禁止通行。此状态下，东西方向未进入路口标志线的车注意速度，采取必要措施。（3）倒计时到2s时，东西方向黄灯亮，持续时间为2s。此时南北方向红灯依然亮，禁止通行。此状态是给驾驶者一个警示，东西方向进入路口标志线的车辆继续行进，驶离路口。未进入路口的车辆禁止进入路口，不得越过路口标志线。（4）南北方向绿灯亮，东西方向同时红灯亮，倒计时25s重新开始。此状态下，南北方向允许通行，东西方向禁止通行。（5）倒计时到5s时，南北方向绿灯闪烁，闪烁时间为3s，起警示作用。东西方向红灯依然亮，禁止通行。此状态下，南北方向未进入路口标志线的车注意速度，采取必要措施。（6）倒计时到2s时，南北方向黄灯亮，持续时间为2s。此时东西方向红灯依然亮，禁止通行。此状态是给驾驶者一个警示，南北方向进入路口标志线的车辆继续行进，驶离路口。未进入路口的车辆禁止进入路口，不得越过路口标志线。以上6个状态完成后，再进行大循环，重复下去。东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任意一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警示通行与禁止状态将变换。交通灯状态和通行状态的关系见表5-2，0表示灭，1表示亮。〖任务二〗交通信号灯倒计时显示电路设计工作内容及要求本任务所要完成的工作是交通信号灯倒计时显示电路的硬件设计和软件设计。主要内容包括选择显示电路的器件、数据传输方式、数据接口芯片与显示器件的连接、显示程序算法的设计、1s定时程序的设计、显示程序的仿真等。本任务在对交通信号灯倒计时显示模拟时，贴近生活中的实际情况，由两位七段数码管显示两位数据表示所剩余的时间。在显示控制过程中，时间上的“十位”与“个位”分开显示的方法主要采用除法指令，学生由此拓宽了指令的应用范围，激发学生学习单片机的积极性，同时提高对任务的分析能力，抓住解决问题的关键点。任务分析根据交通灯控制系统的任务说明及本任务的工作内容及要求，把交通信号灯倒计时显示电路设计分解成如下几个部分。（1）在倒计时显示电路硬件设计中，东西和南北方向各用两个共阴极的七段数码管显示剩余时间，这样共需要4个七段数码管。（2）为减少端口的占用，同时也为了使系统简化，采用单片机的串行口P3.0和P3.1进行数据传输，这里还使用移位寄存器74LS164作为数码管的数据传送设备，4个数码管需要4个74LS164配套，把这4个移位寄存器进行串联，显示的时间数据一次性连续传送。（3）显示时间的拆分是软件设计首先需要解决的问题，如东西方向路口显示“25”时，得先把它分解成“2”和“5”，然后再采用第四单元中查表的方法找到“2”和“5”的段码，最后从串行口P3.0移位输出。南北方向倒计时显示采用的方法与东西方向相同。（4）如何把数据输送到4个移位寄存器呢？还以显示25s为例，东西方向把电路分解成“2”和“5”，南北方向显示数值与东西方向相同，也分解成“2”和“5”，4个数字查表得到的段码也是四组，这四组段码一共是4×8=32位，以“2”“5”“2”“5”的排列方式从串口输出，32个移位脉冲之后，这32位数据就完整地分配给了4个移位寄存器74LS164了，数码管也就在东西和南北方向上都显示“2”和“5”了。〖知识链接〗单片机定时计数器应用——单片机定时计数器应用——交通灯控制系统设计全文共4页，当前为第3页。商（为整数）存放在A中，余数存放在B中，且CY和溢出标志位OV清零。如果B的内容为0（即余数为0），则存放结果的A、B中的内容不定，并溢出标志位OV置1。如果（A）=25，（B）=10，执行指令DIVAB，运算结果为（A）=2，（B）=5，CY=0，OV=0。以上运算结果正是解决倒计时显示所要的结果，因为一位数码管只能显示一位数，“25”不能在一位数码管上显示，要分成十位和个位两个数字，分别送到一个数码管上进行显示，才能达到预想的效果。拆分成两位数字之后，再利用学习任务三介绍的查找键值段码的方法，在表中找到各自对应的段码，先送“5”再送“2”，显示的问题就解决了。读下面的程序，写出程序执行后的结果，拆分程序仿真图如图5-8所示。图5-8拆分程序软件仿真图2.数值拆分的其他方法除了利用除法指令进行数值拆分外，还可以利用其他方法得到相同的结果，如利用逻辑指令中的逻辑与指令“ANLA，#0F0H（或#0FH）”进行高4位或低4位的屏蔽，再利用累加器高低位交换指令“SWAPA”也可以完成数值拆分的功能。〖任务三〗交通灯控制系统调试工作内容及要求本任务所要完成的工作是进行交通灯控制系统软硬件联合调试，实现交通灯控制系统的设计要求。主要内容包括：根据前面任务完成的硬件电路设计情况，进行系统整体电路的连接；交通灯控制系统软件整体设计及调试；程序下载到单片机并进行软硬件联合调试。通过以上任务的实施，最后使交通灯控制系统能完全模拟生活中真实交通控制信号灯的工作状态，达到设计要求。学生在完成整个任务的过程中，逐步提高理论知识和实践能力。通过拓宽单片机的应用范围，激发学生学习单片机的积极性，同时提高分析问题和解决问题的能力。任务分析根据交通灯控制系统的任务说明及本任务的工作内容及要求，把