基于單片機(jī)的交通燈信號(hào)控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的交通燈信號(hào)控制器。已知東、西、南、北四個(gè)方向各有紅黃綠色三個(gè)燈，在東西方向有兩個(gè)數(shù)碼管，在南北方向也有兩個(gè)數(shù)碼管。要求交通燈按照表1進(jìn)行顯示和定時(shí)切換，并要求在數(shù)碼管上分別倒計(jì)時(shí)顯示東西、南北方向各狀態(tài)的剩余時(shí)間。
表1 交通燈的狀態(tài)切換表

3.2.1模塊1:系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）任務(wù)分析與整體設(shè)計(jì)思路
試題要求實(shí)現(xiàn)的功能主要包括計(jì)時(shí)功能、動(dòng)態(tài)掃描以及狀態(tài)的切換等幾部分。
計(jì)時(shí)功能：要實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能則需要使用定時(shí)器來計(jì)時(shí)，通過設(shè)置定時(shí)器的初始值來控制溢出中斷的時(shí)間間隔，再利用一個(gè)變量記錄定時(shí)器溢出的次數(shù)，達(dá)到定時(shí)1秒中的功能。當(dāng)計(jì)時(shí)每到1秒鐘后，東西、南北信號(hào)燈各狀態(tài)的暫存剩余時(shí)間的變量減1。當(dāng)暫存剩余時(shí)間的變量減到0時(shí)，切換到下一個(gè)狀態(tài)，同時(shí)將下一個(gè)狀態(tài)的初始的倒計(jì)時(shí)值裝載到計(jì)時(shí)變量中。開始下一個(gè)狀態(tài)，如此循環(huán)重復(fù)執(zhí)行。
動(dòng)態(tài)掃描：需要使用4個(gè)數(shù)碼管分別顯示東西、南北的倒計(jì)時(shí)數(shù)字，將暫存各狀態(tài)剩余時(shí)間的數(shù)字從變量中提取出“十位”和“個(gè)位”，用動(dòng)態(tài)掃描的方式在數(shù)碼管中顯示。
整個(gè)程序依據(jù)定時(shí)器的溢出數(shù)來計(jì)時(shí)，每計(jì)時(shí)1S則相應(yīng)狀態(tài)的剩余時(shí)間減1，一直減到0時(shí)觸發(fā)下一個(gè)狀態(tài)的開始。
（2）單片機(jī)型號(hào)及所需外圍器件型號(hào)，單片機(jī)硬件電路原理圖

圖3-5 交通燈硬件電路原理圖
選用MCS51系列AT89S51單片機(jī)作為微控制器，選擇兩個(gè)四聯(lián)的共陰極數(shù)碼管組成8位顯示模塊，由于AT89S51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力有限，采用兩片74HC244實(shí)現(xiàn)總線的驅(qū)動(dòng)，一個(gè)74HC244完成共陰極數(shù)碼管位控線的控制和驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)74HC244完成數(shù)碼管的7段碼輸出，在7段碼輸出口上各串聯(lián)一個(gè)100歐姆的電阻對(duì)7段數(shù)碼管限流。用P3口的P3.0-P3.5完成發(fā)光二極管的控制，實(shí)現(xiàn)交通燈信號(hào)的顯示，每個(gè)發(fā)光二極管串聯(lián)500歐姆電阻起限流作用。硬件電路原理圖如圖3-5所示。
（3）程序設(shè)計(jì)思路，單片機(jī)資源分配以及程序流程
①單片機(jī)資源分配
單片機(jī)P3口的P3.0-P3.1引腳用作輸出，控制發(fā)光二極管的顯示。在計(jì)時(shí)模塊中，需要定義兩個(gè)數(shù)組變量（init_sn[3]，init_ew[3])來存儲(chǔ)東西、南北兩個(gè)方向在不同狀態(tài)中倒計(jì)時(shí)的初始值，題目中每個(gè)方向的交通燈共有3種顯示狀態(tài)，因此數(shù)組元素個(gè)數(shù)為3。還需要定義兩個(gè)變量( cnt_ sn, cnt_ ew)暫存東西、南北兩個(gè)方向的倒計(jì)時(shí)剩余時(shí)間。
在狀態(tài)的切換中，為了明確當(dāng)前處于哪種狀態(tài)，東西、南北方向各設(shè)置一個(gè)狀態(tài)變量(state_val_sn, state_val_ew),當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)的剩余時(shí)間到零時(shí)，狀態(tài)變量增1，表示啟動(dòng)下一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)該變量增到3時(shí)變?yōu)?，回到序號(hào)為1的狀態(tài)。
②程序設(shè)計(jì)思路
在設(shè)計(jì)中，由于沒有鍵盤功能，因此只涉及定時(shí)計(jì)數(shù)和動(dòng)態(tài)掃描功能。主程序?qū)⒆兞砍跏蓟?BR>后，設(shè)置單片機(jī)定時(shí)器和中斷特殊功能寄存器的初始值，將定時(shí)器T1的工作方式設(shè)置為8位自動(dòng)
裝載模式，定時(shí)器每隔250us產(chǎn)生一次溢出。
在初始化變量與寄存器后，主程序進(jìn)入一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，在循環(huán)中只做動(dòng)態(tài)掃描的工作，根據(jù)東西、南北兩向的剩余時(shí)時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示。
計(jì)時(shí)以及狀態(tài)的切換通過定時(shí)器的中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)，在中斷服務(wù)程序中，每計(jì)時(shí)到一秒時(shí)，則各方向當(dāng)前狀態(tài)的剩余時(shí)間減1，一直減到0時(shí)觸發(fā)下一個(gè)狀態(tài)的開始，改變交通燈的指示。
③程序流程

（4）軟硬件調(diào)試方案
軟件調(diào)試方案：偉福軟件中，在“文件新建文件”中，新建C語(yǔ)言源程序文件，編寫相應(yīng)的程序。在“文件新建項(xiàng)目”的菜單中，新建項(xiàng)目并將C語(yǔ)言源程序文件包括在項(xiàng)目文件中。
在 “項(xiàng)目編譯”菜單中將C源文件編譯，檢查語(yǔ)法錯(cuò)誤及邏輯錯(cuò)誤。在編譯成功后，產(chǎn)生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標(biāo)文件。
硬件調(diào)試方案：在設(shè)計(jì)平臺(tái)中，將單片機(jī)的P3.0-P3.5分別與獨(dú)立式鍵盤的相應(yīng)位通過插線連接起來。
在偉福中將程序文件編譯成目標(biāo)文件后，運(yùn)行“MCU下載程序”，選擇相應(yīng)的flash 數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊“編程”按鈕，將程序文件下載到單片機(jī)的Flash中。
然后，上電重新啟動(dòng)單片機(jī)，檢查所編寫的程序是否達(dá)到題目的要求，是否全面完整地完成試題的內(nèi)容。

3.2.2 程序設(shè)計(jì)（僅供參考的C語(yǔ)言源程序）
//晶振：11.0592M T1-250微秒溢出一次
/*變量的定義:
show_val_sn,show_val_ew: 顯示的值0-59
state_val_sn,state_val_ew: 狀態(tài)值 南北方向0-綠燈亮;1-黃燈亮;2-紅燈亮
T1_cnt: 定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出數(shù)
cnt_sn,cnt_ew: 倒計(jì)時(shí)的數(shù)值
init_sn[3],init_ew[3] 倒計(jì)時(shí)
led_seg_code：數(shù)碼管7段碼
*/
#include "reg51.h"
sbit SN_green=P3^2 ;//南北方向綠燈
sbit SN_yellow=P3^1 ;//南北方向黃燈
sbit SN_red=P3^0 ;//南北方向紅燈
sbit EW_green=P3^5 ;//東西方向綠燈
sbit EW_yellow=P3^4 ;//東西方向黃燈
sbit EW_red=P3^3 ;//東西方向紅燈
unsigned char data cnt_sn,cnt_ew;
unsigned int data T1_cnt;
unsigned char data state_val_sn,state_val_ew;
char code led_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
char code init_sn[3]={24,4,29};
char code init_ew[3]={29,24,4};
//------------------------
void delay(unsigned int i)//延時(shí)
{ while(--i); }
//------------------------
void led_show(unsigned int u,unsigned int v)
{ unsigned char i;
i=u%10; //暫存?zhèn)€位
P0=led_seg_code[i];
P2=0xbf;
delay(100); //延時(shí)
i=u%100/10; //暫存十位
P0=led_seg_code[i];
P2=0x7f;
delay(100); //延時(shí)
i=v%10; //暫存?zhèn)€位
P0=led_seg_code[i];
P2=0xfe;
delay(100); //延時(shí)
i=v%100/10; //暫存十位
P0=led_seg_code[i];
P2=0xfd;
delay(100); //延時(shí)
}
//-------------------------
void timer1() interrupt 3 //T1中斷
{ T1_cnt++;
if(T1_cnt>3999) //如果計(jì)數(shù)>3999, 計(jì)時(shí)1s
{ T1_cnt=0;
if (cnt_sn!=0) //南北方向計(jì)時(shí)
{ cnt_sn--; }
else
{ state_val_sn++;
if (state_val_sn>2) state_val_sn=0;
cnt_sn=init_sn[state_val_sn];
switch (state_val_sn) //根據(jù)狀態(tài)值，刷新各信號(hào)燈的狀態(tài)
{ case 0: SN_green=0 ;//南北方向綠燈
SN_yellow=1 ;//南北方向黃燈
SN_red=1 ;//南北方向紅燈
break;
case 1: SN_green=1 ;//南北方向綠燈
SN_yellow=0 ;//南北方向黃燈
SN_red=1 ;//南北方向紅燈
break;
case 2:SN_green=1 ;//南北方向綠燈
SN_yellow=1 ;//南北方向黃燈
SN_red=0 ;//南北方向紅燈
break;
}
}
if (cnt_ew!=0) //東西方向計(jì)時(shí)
{ cnt_ew--; }
else
{ state_val_ew++;
if (state_val_ew>2) state_val_ew=0;
cnt_ew=init_ew[state_val_ew];
switch (state_val_ew) //根據(jù)狀態(tài)值，刷新各信號(hào)燈的狀態(tài)
{ case 0: EW_green=1 ;//東西方向綠燈
EW_yellow=1;//東西方向黃燈
EW_red=0 ;//東西方向紅燈
break;
case 1: EW_green=0 ;//東西方向綠燈
EW_yellow=1 ;//東西方向黃燈
EW_red=1 ;//東西方向紅燈
break;
case 2: EW_green=1 ;//東西方向綠燈
EW_yellow=0 ;//東西方向黃燈
EW_red=1 ;//東西方向紅燈
break;
}
}
}
}
//-------------------------
main()
{//初始化各變量
cnt_sn=init_sn[0];
cnt_ew=init_ew[0];
T1_cnt=0;
state_val_sn=0; //啟動(dòng)后，默認(rèn)工作在序號(hào)為1的狀態(tài)
state_val_ew=0;
//初始化各燈的狀態(tài)
SN_green=0 ;//南北方向綠燈亮
SN_yellow=1 ;//南北方向黃燈滅
SN_red=1 ;//南北方向紅燈滅
EW_green=1 ;//東西方向綠燈滅
EW_yellow=1;//東西方向黃燈滅
EW_red=0 ;//東西方向紅燈亮
//初始化51的寄存器
TMOD=0x20;//用T1計(jì)時(shí) 8位自動(dòng)裝載定時(shí)模式
TH1=0x19;//0x4b; //500微秒溢出一次; 250=(256-x)*12/11.0592 -> x= 230.4
TL1=0x19;
EA=1; //開中斷
ET1=1;
TR1=1; //開定時(shí)器T1
while(1)
{ led_show(cnt_sn,cnt_ew);}}
//主程序結(jié)束