基于单片机的交通灯控制.docx

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基于单片机的交通灯控制

基于单片机的交通灯控制

摘要..．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

第1章概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.1课题背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.1.1课题来源.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.1.2市场需求....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.2单片机技术的发展.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．...3

1.2.1单片机简介......．．．..．．．.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..3

1.2.2单片机发展概述.........．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1.2.3单片机的发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6第2章交通灯的硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.1MSC-51芯片简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.2移位寄存器74LS164．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

2.3LED显示器....．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

2.3.1显示器的结构和原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

2.3.2LED静态显示方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

2.3.3LED动态显示方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

第3章交通灯的设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

3.1设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

3.2基本原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

3.3交通灯控制线路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

3.4印制电路板图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

3.4.1印制电路板图的设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

3.4.2交通灯印制板图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

第4章交通灯的软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

4.1延时设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

4.1.1硬件延时．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

4.1.2软件延时.........................．．．........．．．．．．.........17

4.2时间及信号灯的显示．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

4.2.174LS1648位并行输出串行输入移位寄存．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

4.2.2显示原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

4.2.3数码管显示器显示．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

4.3程序设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

4.3.1流程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

4.3.2程序源代码．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

4.3.3测试结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

设计感想．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22

参考文献..．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.23

基于单片机的交通灯设计

【摘要】

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用越来越普遍，同时带动传统控制检测日新月异更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是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，以及针对具体应用对象特点的软件结合，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。

靠PLC控制,微系统控制。

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89系列单片机AT89C51和8位并行输出串行输入移位寄存器74LS164为中心器件来设计交通灯控制器，实现了通过AT89C51芯片的P0、P2口设置红、绿灯燃亮时间的功能；显示时间通过AT89C51的P3、0P3、1口输出到74LS164后并行输出到七段数码管显示，系统实用性强、操作简单、扩展性强。

【关键词】

单片机AT89C51LED七段数码管74lS164移位寄存器

第一章概述

1.1课题背景

1.1.1课题来源

19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。

其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。

后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。

在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。

后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。

不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。

从此，城市的交通信号灯被取缔了。

直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。

稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。

随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红、黄、绿三种标志）于1918年诞生。

它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。

黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。

一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。

回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。

他的建议立即得到有关方面的肯定。

于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。

中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。

从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。

1.1.2市场需求

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等地出现了交通超负荷运行的情况，交通事故的问题也越来越严重。

因此交通灯控制系统是迫切需要的。

1.2单片机技术的发展

1.2.1单片机简介

单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算,逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM）,只读程序存储器（ROM）,输入输出电路（I/O口）,可能还包括定时计数器,串行通信口（SCI）,显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）,脉宽调制电路（PWM）,模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上,构成一个最小然而完善的计算机系统.这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务.

由此来看,单片机有着微处理器所不具备的功能,它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,这是单片机最大的特征.

然而单片机又不同于单板机,芯片在没有开发前,它只是具备功能极强的超大规模集成电路,如果赋予它特定的程序,它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统,它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区别,单片机的应用属于芯片级应用,需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术,用这样特定的芯片设计应用程序,从而使该芯片具备特定的功能.

不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征,即它们的技术特征均不尽相同,硬件特征取决于单片机芯片的内部结构,用户要使用某种单片机,必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标.这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等,这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到.软件特征是指指令系统特性和开发支持环境,指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式,数据处理和逻辑处理方式,输入输出特性及对电源的要求等等.开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性,支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源.要利用某型号单片机开发自己的应用系统,掌握其结构特征和技术特征是必须的.

单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统,可以软件控制来实现,并能够实现智能化,现在单片机控制范畴无所不在,例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等,单片机的应用领域越来越广泛.

诚然,单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益,更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想.是控制技术的一次革命,是一座重要的里程碑.

1.2.2单片机发展概述

1946年第一台电子计算机诞生至今,只有50年的时间,依靠微电子技术和半导体技术的进步,从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路,现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管,使得计算机体积更小,功能更强.特别是近20年时间里,计算机技术获得飞速的发展,计算机在工农业,科研,教育,国防和航空航天领域获得了广泛的应用,计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志.

单片机诞生于20世纪70年代,象Fairchid公司研制的F8单片微型计算机.所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上,构成一个最小的计算机系统,而现代的单片机则加上了中断单元,定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路,使得单片机的功能越来越强大,应用更广泛.

20世纪70年代,微电子技术正处于发展阶段,集成电路属于中规模发展时期,各种新材料新工艺尚未成熟,单片机仍处在初级的发展阶段,元件集成规模还比较小,功能比较简单,一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上,象Farichild公司就属于这一类型,它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统.类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器.

1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机,这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机,并推向市场.它以体积小,功能全,价格低赢得了广泛的应用,为单片机的发展奠定了基础,成为单片机发展史上重要的里程碑.

在MCS-48的带领下,其后,各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机,象Zilog公司的Z8系列.到了80年代初,单片机已发展到了高性能阶段,象INTEL公司的MCS-51系列,Motorola公司的6801和6802系列,Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机.

80年代,世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机,约有几十个系列,300多个品种,此时的单片机均属于真正的单片化,大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统,甚至还有一些带A/D转换器的单片机,功能越来越强大,RAM和ROM的容量也越来越大,寻址空间甚至可达64kB,可以说,单片机发展到了一个全新阶段,应用领域更广泛,许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路.

1982年以后,16位单片机问世,代表产品是INTEL公司的MCS-96系列,16位单片机比起8位机,数据宽度增加了一倍,实时处理能力更强,主频更高,集成度达到了12万只晶体管,RAM增加到了232字节,ROM则达到了8kB,并且有8个中断源,同时配置了多路的A/D转换通道,高速的I/O处理单元,适用于更复杂的控制系统.

九十年代以后,单片机获得了飞速的发展,世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机.美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机,引起了业界的广泛关注,特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户,使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来.PIC单片机获得了快速的发展,在业界中占有一席之地.

随后的事情,熟悉单片机的人士都比较清楚了,更多的单片机种蜂拥而至,MOTOROLA公司相继发布了MC68HC系列单片机,日本的几个著名公司都研制出了性能更强的产品,但日本的单片机一般均用于专用系统控制,而不象INTEL等公司投放到市场形成通用单片机.例如NEC公司生产的uCOM87系列单片机,其代表作uPC7811是一种性能相当优异的单片机.MOTOROLA公司的MC68HC05系列其高速低价等特点赢得了不少用户.

Zilog公司的Z8系列产品代表作是Z8671,内含BASICDebug解释程序,极大地方便用户.而美国国半的COP800系列单片机则采用先进的哈佛结构.ATMEL公司则把单片机技术与先进的Flash存储技术完美地结合起来,发布了性能相当优秀的AT89系列单片机.包括中国的台湾HOLTEK和WINBOND等公司也纷纷加入了单片机发展行列,凭着他们廉价的优势,分享一杯美羹.

1990年美国INTEL公司推出了80960超级32位单片机引起了计算机界的轰动,产品相继投放市场,成为单片机发展史上又一个重要的里程碑.

此期间,单片机园地里,单片机品种异彩纷呈,争奇斗艳.有8位、16位甚至32位机,但8位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位.而INTEL公司凭着他们雄厚的技术,性能优秀的机型和良好的基础,目前仍是单片机的主流产品.只不过是九十年代中期,INTEL公司忙着开发他们个人电脑微处理器,已没有足够的精力继续发展自己创导的单片机技术,而由PHILIPS等公司继续发展C51系列单片机.

1.2.3单片机的发展趋势

现在可以说单片机是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地.

纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有:

1.低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）.象80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）.CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合.所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径.

2.微型单片化

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大.甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片.

此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小.现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD（表面封装）越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展.

3.主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机.所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山.而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额.此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机.在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路.

第二章控制交通灯的硬件设计

2.1MSC-51芯片简介

MCS-51单片机内部结构（如图2.1）

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。

图2.1

·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断用于控制程序转向。

·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。

下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2.2。

图2.2

MCS-51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。

现在我们对这些引脚的功能加以说明：

MCS-51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。

现在我们对这些引脚的功能加以说明：

如图2.3

图2.3

Pin9:

RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。

初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。

RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。

然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。

8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图2.4。

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。

图2.4

·Pin30:

ALE/

当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。

更有一个特点，当访问