单片机优秀课程设计.docx

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目标：
本设计包含确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、软件程序设计等，方便使学生掌握相关单片机控制设计思想和设计方法。为学生以后从事单片机控制系统开发工作打下基础。学习proteus仿真软件实现电路仿真。
2．设计内容和要求（包含原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
  本课程设计基础要求是使学生全方面掌握单片机控制系统设计基础理论，熟悉掌握单片机编程方法，用单片机AT89S51实现十字路口交通信号灯控制，完成系统软硬件设计及调试。具体要求以下：
1、正常情况下交通信号灯控制时序给定。南北绿灯、黄灯、红灯分别用P1.0,P1.1,P1.2控制，东西绿黄红分别用P1.3,P1.4,P1.5 控制。
2 、设定东西方向、南北方向紧急切换按钮各一个，当紧急按钮按下时，对应方向紧急切换为绿灯，方便特种车辆通行
3．设计工作任务及工作量要求〔包含课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
1．依据题目要求指标，经过查阅相关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路图。
2．画出电路原理图，分析关键模块功效及她们之间数据传输和控制关系。
3. 用Proteus软件绘制硬件电路图并仿真。
4. 软件设计包含步骤图、用汇编语言或C语言对软件进行编译，并能经过调试。

课 程 设 计 任 务 书
4．关键参考文件：
1.孙涵芳.MCS-51/96系列 单片机原理及应用（修订版）.北京航空航天大学出版社.1994
  2.李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）.北京航空航天大学出版社.20
5．设计结果形式及要求：
1. 硬件电路图
2. 软件步骤图和程序清单
3. 编写课程设计汇报。
6．工作计划及进度：
6月1日~ 6月3日 查找资料，确定方案
6月 4日~ 6月 6 日 设计硬件电路，绘制电路原理图
6月 7日~ 6月10日 软件设计，并调试经过
6月11日~6月12日 编写课程设计汇报，答辩或成绩考评
系主任审查意见：
签字：
年 月 日
目 录
一、引言..........................................6
1.1交通灯研究意义 ............................6
1.2基于单片机智能交通灯控制系统设计意义.......6
1.3本课题关键研究工作 ........................6
二、 单片机控制交通系统总体设计...................6
2.1单片机交通控制系统通行方案设计................6
2.2单片机交通控制系统功效要求..................8
2.3单片机交通控制系统基础组成及原理............9
三 系统硬件电路设计 ...........................10
3.1 硬件系统电路 .............................10
四 系统软件程序设计.......................... 12
4.1程序主体设计步骤............................12 
4.2子程序模块设计..............................14 
五 软件仿真........... ........................ 17
5.1系统仿真电路图..............................17
5.2仿真结果分析................................19 
六 附 录........................................20 
附录一 系统电路图.............................25
七 参考文件....................................25
一 引言 
1.1交通灯研究意义  
进入20世纪80年代后期，交通问题成为困扰世界各国普遍性难题，伴随汽车数量不停增加和城市化进程不停加紧，城市交通现象逐步变得拥挤和阻塞，由此引发交通事故、噪声和大气污染等社会问题己经日益严重。于是，智能交通控制系统应运而生，并得到迅猛发展。除在功效和技术上得到改善和完善SCOOT和SCATS以外，UTOPIA、PRODYN、ITACA、RT-TRACS、MOTION和SURFZ000等一系列交通灯控制系统相继推出并投入应用。 
1.2基于单片机智能交通灯控制系统设计意义  
红、绿、黄三色交通信号灯通常安装在城市交叉路口醒目位置，并加上一个含有时间倒计时显示器来控制车辆通行时间。对于城市道路情况很好地方而且通行车辆较少路段，传统交通控制系统尚能起到车辆正常通行作用，但依据实际车辆通行情况，还存在两方面不足：1．两车道车辆通行时间固定不变且相同；在城市交叉路口处，通常在一个干道上通行车辆相对较多称为主干道，通行时间应该设计长些；另一个通行车辆相对较少为副干道，通行时间应该设计短些；并能依据实际情况进行变换时间。2．没有设计紧急车辆通行时，交通灯应该进行怎样变换；比如，紧抢救护车在经过交叉路口时，两车道交通灯全部应该变成红色，两车道车辆全部停止，让救护车经过。 
因为传统交通灯控制系统存在不足：系统设计过于死板、红绿灯交替过于程式化。所以智能交通灯控制系统设计就突出了它研究意义，它能依据道路上车辆数量和部分突发情况情况，来控制车辆通行时间。利用单片机特点和功效，提出了硬件选择和软件设计方案要求，来实现两车道最大通行效率。  
1.3本课题关键研究工作 
本文对AT89S51单片机片内结构和引脚功效进行了简单介绍，分析了应用单片机来实现智能交通灯控制系统和该系统硬件选择、软件设计,并对智能交通灯控制系统研究现实状况和研究意义进行了分析，指出了传统交通灯控制系统不足，并对不足之处进行了改善和完善。智能交通灯控制系统要实现自动调整车道通时间和在紧急车辆通行情况下能够手动切换信号灯让特殊车辆优先通行。该系统能够最大效率控制车辆通行,提升城市交通路口车辆通行效率。 
二 单片机控制交通系统总体设计 
2.1单片机交通控制系统通行方案设计 
城市路口分为两个车道：东西车道和南北车道。在交通信号灯有效地时间内只有一个方向能够通行，另外一个方向严禁通行，达成设计通行时间后，两个方向状态对换。其具体状态图1所表示（黑色表示亮，白色表示灭）。交通信号灯从状态1开始，变换至状态4然后循环至状态1，周而复始，我们能够把这四个状态归纳以下：

图1 交通状态
1、南北车道红灯灭，同时绿灯亮，东西车道黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30秒。此状态下，东西向严禁通行，南北向许可通行。 
2、南北车道绿灯灭，同时黄灯亮，东西车道红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中车辆，其它全部车辆全部需等候状态转换。
3、东西车道红灯灭，同时绿灯亮，南北车道黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30秒。此状态下，东西向许可通行，南北向严禁通行。 
4、东西车道绿灯灭，同时黄灯亮，南北车道红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中车辆，其它全部车辆全部需等候状态转换。

下面我们能够用图表表示交通灯状态和行止状态关系以下：
表1 交通状态及红绿灯状态

路口四个方向全部有红、绿、黄3个交通信号灯和倒计时数码显示管2个，行驶中车辆遇红灯亮则严禁通行，遇绿灯亮则许可通行，遇黄灯亮则警告交通灯状态将变换。状态及红绿灯状态如表1所表示（0表示灭，1表示亮）。 
2.2单片机交通控制系统功效要求 
本设计除了有传统交通灯控制系统功效，用红、绿、黄三种颜色交通信号灯表示严禁、通行、等候三种信号发生来控制车辆通行；还能进行倒计时显示、车流量检测及调整、时间手动设置和紧急情况处理等功效。
2.2.1倒计时显示 
倒计时显示能够提醒驾驶员遇红灯需要等候时间和遇绿灯能通行时间，和遇黄灯时在“等候”和“通行”二者间作出合理选择 。 
2.2.2 车流量检测及调整 
车辆检测器是智能交通控制系统关键组成部分。现在使用车辆检测器检测有很多个，如地磁检测器、磁频检测器、机械压电检测器、红外线检测器、波频检测器等，而且各有其优缺点。通常车流量检测器常采取传感器+单片机+外围器件来实现。 
2.2.3时间手动设置 
 除了依据车流量检测器自动调整车辆通行时间，交通灯控制系统也能够使用键盘进行手动调整，避免了突发故障。并在紧急情况下可指挥全部交通信号灯变为红灯。键盘是单片机系统中最常见人机接口，通常情况下有独立式和矩阵式两种。独立式软件编写简单，通常见于按键数量少系统，矩阵式适适用于按键数量较多场所。本系统要求按键控制不多，且I／0口足够，可直接采取独立式。 
2.2.4 紧急处理 
出现救护车、消防车等紧急车辆通行和特大事件发生时，我们应该许可紧急车辆通行通畅无阻，因为在这种紧急情况下时间就是生命，此刻时间和人民和社会公共财产、安全和个人生死攸关息息相关。由此在交通灯控制系统中增设禁停按键，使全部交通信号灯全部变成红灯，使紧急车辆通畅无阻。 
2.3单片机交通控制系统基础组成及原理 
本设计是基于单片机智能交通灯控制系统，依据实际车辆通行情况经过单片机来控制交通信号灯状态变换，来实现城市车道最大效率通行。另外，单片机接入8级LED数码管就能够实现时间倒计时显示来提醒行人，更含有些人性化，而且还接入了车流量检测器来为智能交通灯控制系统采集数据。系统总体框图图2所表示

本设计交通灯控制系统以AT89S51单片机为关键，由车流量检测器模块、键盘设置模块等产生输入信号，交通信号灯状态模块、8级LED时间倒计时显示模块接收输出信号。 
键盘设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置信号，系统进入正常工作状态，实施交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉紧急按键信号，以达成对异常状态进行实时控制目标。急停按键随时调用中止。 
在模式选择上，若为自动模式，将不停调用车流量检测模块对车流量进行检测统计，抵达一定时间将修正通行时间一满足不一样路况需要。
三 系统硬件电路设计 
3.1 硬件系统电路 
3.1.1 最小应用系统模块 
AT89S51内部有4KB闪速存放器，本身就是一个数字量输入/输出最小应用系统。在构建AT89S51单片机最小应用系统时，AT89S51单片机需外接时钟电路和复位电路即可（图3）。
3.1.2数码管显示模块 
数码管显示模块由4个七段数码管组成，接单片机AT89S51P0引脚，因为P0作为通用I/O工作，片外应接上拉电阻。在自动控制模式中，后两个数码管显示时间（从60秒倒计时到1秒）。在人工控制模式中，在K1键按下时，则为支干道通行，则数码管显示“9999”；若按下K0键，则主干道通行，则数码管先显示10秒倒计时（从10秒到1秒），完成后显示“9999”；在K2键按下时，此时为紧急状态，则数码管不进行倒计时，显示为“9999”；若按下K4键，则为手动设置时间模式，数码管显示为“9999”，等候时间变动；在K3键按下时，数码管由“9999”变为10秒倒计时，此时系统进入自动控制模式。

3.1.3按键控制模块 

10 按键控制模块由K0、K1、K2、K3、K4五个按键组成，控制系统初始模式为自动控制模式。若通电后，此时无键按下，则为自动模式；若按下是K4键，则为时间设置模式；若按下K0，则进入主干道通行模式；按下K1键，进入支干道通行模式；按下K2键，则为紧急模式；按下K3建则由其它模式返回到自动模式。
3.1.4信号灯控制模块

四个路口信号灯转换和转换时间是利用单片机P1口来驱动和控制，经过信号灯转换和转换时间来控制车辆通行和通行时间。本设计只用单片机信号引脚来直接控制发光二极管（图6所表示）。 
LED显示模块由4个LED组组成，每组有3个LED。LED分别接入AT89S51单片机P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5。其中，LED1、LED2、LED3分别表示南北方向绿灯、红灯和黄灯，LED4、LED5、LED6分别表示东西方向绿灯、红灯和黄灯。当LED1和LED4点亮时，南北方向能够通行，东西方向严禁通行；当LED2和LED5点亮时，东西方向能够通行，南北方向严禁通行。
3.1.5 车流量检测电路模块

本设计经过车辆检测器来计算车辆数量，若车辆检测器感应到车辆经过，存放车流量寄存器将加1，经过车流量寄存器来累计车流量，利用车流量检测器来控制车辆通行时间（图7）。  
四 系统软件程序设计 
4.1程序主体设计步骤 
全部控制程序分为若干模块：键盘设置处理程序、状态灯控制程序、LED显示程序、次状态判定及处理程序、紧停判定程序、中止服务子程序、车流量计数程序、红绿灯时间调整程序等。 
整个软件程序方面关键分两大部分：按键处理程序和扫描程序。 
 步骤图图11所表示。

4.2子程序模块设计 
4.2.1按键扫描程序 
首先程序不停扫描模式设置键，分别记为：K0键、K1键、K2键、K3、K4对应Ｉ/Ｏ端口P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7,低电平有效，按键次序是指定，若无键按下，则为自动调整模式；若先按K4键，则为设置时间模式；若按下K0，则进入主干道通行模式；按下K1键，进入支干道通行模式；按下K2键，则为紧急模式；按下K3建则由其它模式返回到自动模式。 
程序以下： 
K1:     MOV   C, P0.0            ANL   C, P0.1          JB    C, K1          „„  
接下来要判定具体是那个键，若无键按下，则将自动标志位置1，进入下一程序，不然若按下K1键，则表示设置支干道绿灯时间，用R0存值，按1下加1 ；若按下K0键，则表示主干道绿灯时间设置完成，开始设置东西绿灯时间，用R1存值，按1下加1，若按下K3，则表示时间设置完成，进入下一程序。 
程序以下： 
            CJNZ   R0, #40, V1          
MOV   R0, #20
 V1:      INC    R0         „„
4.2.2状态灯显示及判定 
在本设计中，实际控制灯只有6个：东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯。定义I/O端口以下（其中均是低电平有效）： 
H_GREEN      BIT P2.2 
H_YELLOW     BIT P2.3
L_RED        BIT P2.4 
L_GREEN      BIT P2.5
 L_YELLOW     BIT P2.6 
共有4钟状态：东西红灯亮、南北绿灯亮（11011101/DDH）；东西红灯亮、南北黄灯亮（10111101/BDH）；东西绿灯亮、南北红灯亮（11101101/EDH）；东西黄灯亮、南北红灯亮（11100111/E7H）。 
括号中是P2端口8个引脚值P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0和其对应十六进制码。 
在用于显示发光二极管时，直接由MOV指令将十六进制码送入P2口。 上述4个状态是依次变换，这就要包含到状态判定和衔接了。先把P2端口值和全部4个状态码比较，若相同则判定成目前状态，再把下一状态状态码送显P2即可。程序以下：        
   MOV     A, P2          
CJNZ    A, #0DDH,D1          
MOV     P2, #BDH 
D1:   CJNZ    A, BDH,D2          
MOV     P2, #EDH 
D2:  CJNZ    A, #EDH,D3 
MOV     P2, #E7H 
D3:  CJNZ    A, #E7H,Y         
  MOV     R2, #DDH 
4.2.3 LED倒计时显示 
LED计时每1秒全部要刷新1次，那么计时满1秒时就要将存放时间工作寄存器R4减1，然后送入LED显示程序中显示。下面要将时间数据R4十位，个位分开送显P1、P0端口，首先将R4除以10，整数即十位放在A中，余数即个位放在B中，设置7段LED显示数据数据表，用数据指针寄存器DPTR指向数据表首地址，再加上A中偏移量，就能够指向十位数字，然后送显即可，个位显示同理。具体程序以下： 
MOV    A, R4
MOV    B, #10
DIV    A, B
MOV    DPTR, #LEDMAP
MOVC   A, @A+DPTR
MOV    P1, A
MOV    A, B
MOVC   A, @A+DPTR
MOV    P3, A
LEDMAP:   DB      3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH
4.2.4车流量检测中止服务子程序 
车流量检测是用外部中止引脚P2.3即INT1捕捉到一个低电平，则进入对应中止服务子程序，在子程序中，用R5计南北向车流量，用R6计东西向车流量，设车向标志位为01H，判定车向，程序以下：        
  JNB     01H, U              
INC     R5 U:      INC     R6 
…… 
4.2.5紧停中止服务子程序 
紧停按键连接到外部中止引脚P3.4，即INT0捕捉到一个低电平，则进入该中止，中止程序中先把蜂鸣器P3.4端口置0。而且等候恢复键K3键P3.5按下。 
INT0:   SETB     P0.5                 
JB       P0.0, $          
LCALL    DELAY          
CLR      P0.5         
RETI        
  ……
4.2.6红绿灯时间调整程序 
依据红绿灯时间调整原理，一个周期下来，南北、东西车流量分别存放在R5、R6中，然后求单位时间车流量，此时南北向时间、东西向时间分别存放在R0、R1中，则两个方向流量百分比为（R5/R0）/（R6/R1）=(R5*R1)／(R6*R0),显然该百分比是1左右带小数值，然而单片机程序中只取整数，那么关键数据信息就会丢失，所以本设计中首先将(R5*R1)乘以10，百分比就变为10左右值。将该百分比值放在A，然后进行时间调整。 
因为实际情况限制，时间调整在此只划定3个范围：百分比0到0.6为一个范围、0.7到1.3为一个范围、1.4及以上为一个范围。第一范围表明东西向交通严重，应将时间调长；第二范围表明两向相当，可设置一样时间；第三范围表明南北向交通严重，应将该向时间调长。具体设置如表2： 
表2 百分比及调整时间（单位：S）

由上表2可知，对应时间调整也只有三种：20、40；30、30；40、20。显然在实际情况中这么简单设计并不合理，本设计只是模拟大致调整过程。以上要求程序以下： 
          CJNZ    A, #7 M1 
M2:   MOV     R2, #20          
MOV     R1, #40          
SJMP    OUT 
M1:   JB      C, M2         
CJNZ    A, #15 N1 
N2:     MOV     R0, #30          
MOV     R1, #30
SJMP    OUT
N1:   JB      C, N2          
MOV     R0, #40         
 MOV     R1, #20 
OUT:  CLR     R5         
  CLR     R6          
RET         
五 软件仿真 
5.1系统仿真电路图 
5.1.1.交通灯控制系统正常运行时仿真图

5.1.2.交通灯南北方向绿灯向红灯转变，黄灯闪烁时仿真图

5.1.3 交通灯东西方向向南北方向转变，黄灯亮

5.2仿真结果分析 
仿真试验实现支干道和主干道两条交叉道路车辆交替运行，主干道每次通行时间设为30秒、支干道通行时间设为20秒，时间能够在程序中修改。同时能够实现红灯、黄灯、绿灯状态转换，红绿灯转换时间为5秒，转黄期间黄灯亮。能够正确显示每个状态所剩下时间，按下禁行一般车辆键，主干道和支干道方向全部亮红灯；按下主干道通行键，主干道绿灯亮，支干道红灯亮；按下支干道通行键，支干道绿灯亮，主干道红灯亮；任何时候按下返回键，此系统全部将回到初始状态，当紧急情况出现时，按下紧急开关，可实现主干道和支干道全部严禁通行，许可紧急车辆安全通行，实现了课程设计要求。

六 附 录 
附录一 系统电路图 

七 参考文件
1.孙涵芳.MCS-51/96系列 单片机原理及应用（修订版）.北京航空航天大学出版社.1994
2.李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）.北京航空航天大学出版社.