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通信與信息工程學(xué)院
/ 學(xué)年第 學(xué)期
軟件設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告
模 塊 名 稱 AVR單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)（proteus）
專 業(yè)
學(xué) 生 班 級(jí)
學(xué) 生 學(xué) 號(hào)
學(xué) 生 姓 名
指 導(dǎo) 教 師
設(shè)計(jì)題目
基于LED數(shù)碼管顯示的交通燈控制
任務(wù)要求
基本要求：
1．用2個(gè)7段數(shù)碼管或2片LCD液晶顯示屏分別倒計(jì)時(shí)東西及南北方向的通行及等待時(shí)間。
2．用兩組各3個(gè)發(fā)光二極管模擬兩個(gè)方向的紅、黃、綠交通燈的顯示。
3．可任意調(diào)節(jié)通行時(shí)長(zhǎng)。
4．要求對(duì)東西、南北直行方向的交通燈進(jìn)行控制，南北方向互相配合，在通行方向的最后5秒這樣處理：綠燈閃爍3秒后滅，最后2秒黃燈亮。禁行方向則直接由紅燈變?yōu)榫G燈。
發(fā)揮部分：
1．設(shè)計(jì)三車道十字路口信號(hào)燈（左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)），右轉(zhuǎn)燈常亮，直行和左轉(zhuǎn)分時(shí)通行。
2．用定時(shí)器而不是普通的延時(shí)程序控制顯示時(shí)間
實(shí)驗(yàn)設(shè)備及軟件
CVAVR編程軟件、PROTUES 仿真軟件
同組人員學(xué)號(hào)及姓名
一人一組，無同組成員
參考文獻(xiàn)
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AVR單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)（proteus）報(bào)告
摘 要
本文介紹了交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。軟件部分是基于ATMEGA128單片機(jī)的CVAVR軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生秒信號(hào)，控制十字路口的紅綠黃燈交替點(diǎn)亮和熄滅，并且用2位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示十字路口兩個(gè)方向的剩余時(shí)間。本系統(tǒng)可以按照設(shè)定程序在PROTUES仿真軟件中自行運(yùn)行�？蓪�(shí)現(xiàn)基本交通燈功能，系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng) ATMEGA128 紅綠燈控制 仿真
一、總體設(shè)計(jì)原理及思路
（一）整體思路
本系統(tǒng)的整體框圖由ATMEGA128構(gòu)成主控芯片，主要是實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊之間功能交互。
本系統(tǒng)包括紅黃綠LED燈顯示模塊，LED數(shù)碼管顯示模塊。
LED數(shù)碼管顯示模塊用來顯示被點(diǎn)亮的指示燈還將點(diǎn)亮多久；LED發(fā)光二極管模塊用于指示該方向的3種狀態(tài)：通行（綠燈亮）、暫緩?fù)ㄐ校S燈亮）和禁止通行（紅燈亮）。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：
（圖） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
紅綠燈控制器的總體的設(shè)計(jì)如下圖所示：
（圖） 紅綠燈控制器總體設(shè)計(jì)圖
從上圖中可以看出整個(gè)設(shè)計(jì)圖。由CVAVR單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊來控制紅綠黃發(fā)光二極管組合模塊與LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊的聯(lián)合動(dòng)態(tài)顯示，可通過代碼的編寫任意改變通行時(shí)間的長(zhǎng)短和紅綠黃三種燈的交替。
（二）整體設(shè)計(jì)流程圖
二、各模塊設(shè)計(jì)思路及原理圖
n 單片機(jī)最小系統(tǒng)
ATMEGA128是ATMEL公司的8位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片機(jī)，穩(wěn)定性極高，應(yīng)用極其廣泛。它是高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器，具有先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) 。它工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS，具有只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。它有128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4K字節(jié)的EEPROM，4K 字節(jié)的內(nèi)部SRAM，多達(dá)64K 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間。
它有兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，兩路8 位PWM，6路分辨率可編程（1 到16 位）的PWM，輸出比較調(diào)制器，8路10 位ADC，2 個(gè)具有可編程增益（1x,10x, 或200x）的差分通道。它還具有6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的Standby 模式。
單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖所示：
（圖） 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖
n LED數(shù)碼管顯示電路模塊
按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極(COM)的數(shù)碼管，共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。
本系統(tǒng)的數(shù)碼管采用的是兩位共陽(yáng)數(shù)碼管。
數(shù)碼管如下圖所示：
（圖） LED數(shù)碼管顯示模塊圖
n LED燈顯示模塊
LED燈采用的是共陽(yáng)接法，即所有的LED管陽(yáng)級(jí)通過一個(gè)限流電阻上拉到5V電源，所有的陰級(jí)接到單片機(jī)的相應(yīng)引腳。只要該I/O口置低，該燈就能點(diǎn)亮。 本系統(tǒng)出于節(jié)省資源，左轉(zhuǎn)燈只用了紅、綠兩色，直行燈用了紅、綠、黃三色，而右轉(zhuǎn)燈由于要常綠，因此只用了一個(gè)綠燈。下圖只給出了東西南北方向重其中任意的一個(gè)。
LED燈顯示模塊如下圖所示：
（圖） LED燈顯示模塊圖
三、軟件設(shè)計(jì)
（一）各模塊設(shè)計(jì)思路及流程圖
n 主程序模塊
主要完成定時(shí)器T0的設(shè)置，綠、黃燈的初值設(shè)定以及各子程序的調(diào)用。
主程序的流程圖如下圖所示：
（圖）主程序的流程圖
n LED數(shù)碼管顯示模塊
LED數(shù)碼管顯示模塊包括南北方向LED顯示、東西方向LED顯示。
LED數(shù)碼管顯示模塊的程序流程圖如下圖所示：
（圖） LED顯示模塊程序流程圖
n LED燈顯示模塊
LED 燈的顯示及執(zhí)行流程主要是對(duì)I/O的高低電平的控制。
LED顯示模塊的程序流程圖如下圖所示：
（圖） LED顯示模塊程序流程圖
n 定時(shí)器0中斷模塊
定時(shí)器0主要通過計(jì)數(shù)產(chǎn)生1秒的定時(shí)時(shí)間，使LED數(shù)碼管按照每秒減1進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。
定時(shí)器0中斷模塊的程序流程圖如下圖所示：
（圖） 定時(shí)器0中斷模塊程序流程圖
（二）關(guān)鍵代碼說明
Step1.以下是將計(jì)數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換成LED 能顯示的兩個(gè)數(shù)字的程序代碼。將一個(gè)兩位十進(jìn)制數(shù)通過number0 = a/10;number1 = a%10; 轉(zhuǎn)換成兩個(gè)數(shù)字并顯示
void led_play(unsigned char a)
{
number0 = a/10;
number1 = a%10;
PORTD = 0x00;
PORTD = wei[0];
PORTC = table[number0];
delay_ms(5);
PORTD = 0x00;
PORTD = wei[1];
PORTC = table[number1];
delay_ms(5);
}
Step2.以下是計(jì)數(shù)器0的中斷服務(wù)程序。由于初始化的參數(shù)設(shè)置，使程序1ms進(jìn)入一次中斷函數(shù)，等到進(jìn)入第1000次時(shí)代表1s 計(jì)時(shí)時(shí)間到。1s到了就講time_counter清零，并將time_1s_os置1，便于主函數(shù)每1s 執(zhí)行一次顯示函數(shù)。
interrupt [TIM0_COMP] voidtimer0_comp_isr(void)
{
if(++time_counter==1000)
{
time_counter = 0;
time_1s_ok = 1;
}
}
Step3.以下是主函數(shù)里的while(1)函數(shù)。首先判斷是否到達(dá)了1s（即檢驗(yàn)time_1s_ok是否為1，若為1，則到達(dá)了1s）。然后將time_1s_ok 清零，將計(jì)數(shù)值num 自減1，并將num 的值送給LED 數(shù)碼管顯示。接著判斷mode 為1 還是0。如果為0，則是南北方向通行，否則則是東西方向通行。我在函數(shù)中初始化計(jì)數(shù)初值num為30。假設(shè)mode 為0，那么如果num<=30&&num>21，那么使南北方向的左轉(zhuǎn)方向通行，即使南北方向的左轉(zhuǎn)燈為綠燈；同時(shí)南北方向的直行方向?yàn)榧t燈；而右轉(zhuǎn)燈無論南北還是東西方向一直都是通行的，即為綠燈。如果num<=21&&num>6，那么南北方向的直行方向?yàn)榫G燈，左轉(zhuǎn)禁止通行了。如果num<=6&num>3，南北方向的綠燈閃爍三秒。如果num<=3&&num>1，則南北方向的直行方向?yàn)辄S燈。在mode = 0的這30s 內(nèi)，東西方向的左轉(zhuǎn)和直行方向都是禁止的。mode=1時(shí)，則南北和東西方向的情況完全相反，這里就不贅述了。
while (1)
{
led_play(num);
if(time_1s_ok)
{
time_1s_ok = 0;
if(!mode)
{
PORTA=0x2d; //使東西方向的左轉(zhuǎn)和直行燈都是紅燈
if(num<=30&&num>21)
PORTB=0x1d;
if(num<=21&&num>6)
PORTB=0x2b;
if(num<=6&num>3) //南北方向綠燈閃爍
{
PORTB=0x2f;
for(i=0;i<20;i++)
{
led_play(num);
}
PORTB=0x2b;
}
if(num<=3&&num>1)
PORTB=0x2e;
if(num<=1)
{
mode=~mode;
num=31;
}
}
if(mode)
{
PORTB=0x2d;
if(num<=30&&num>21)
PORTA=0x1d;
if(num<=21&&num>6)
PORTA=0x2b;
if(num<=6&num>3)
{
PORTA=0x2f;
for(i=0;i<20;i++)
{
led_play(num);
}
PORTA=0x2b;
}
if(num<=3&&num>1)
PORTA=0x2e;
if(num<=1)
{
mode=~mode;
num=31;
}
}
num--;
}
}
四、系統(tǒng)測(cè)試
在PROTUES軟件中畫好了仿真圖后，將CVAVR中寫好的代碼放入ATMEGA16芯片中，然后啟動(dòng)。情況如下：
mode=0的30秒內(nèi)：
21<num<=30時(shí)，南北方向的左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)分別為綠燈、紅燈、綠燈；東西方向的左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)分別為紅燈、紅燈、綠燈。
6<num<=21時(shí)，南北方向的左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)分別為紅燈、綠燈、綠燈；東西方向的左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)分別為紅燈、紅燈、綠燈。
3<num<=6時(shí)，南北方向的直行方向綠燈有閃爍。
1<num<=3時(shí)，南北方向的直行方向黃燈亮。
mode=1的30秒內(nèi)：
東西方向與南北方向與上述現(xiàn)象正好相反。
系統(tǒng)仿真出來的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)要求及提高要求大致上符合，較好的完成了預(yù)期期望。
PS:仿真一開始led燈的顏色較淡，之后將串接的限流電阻阻值改小后就解決了這個(gè)問題。
五、實(shí)驗(yàn)心得
首先，從此次實(shí)驗(yàn)的完成成果——基于LED數(shù)碼管顯示的交通燈控制的角度來總結(jié)，本次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的紅綠燈控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)優(yōu)化城市交通具有一定的意義。本設(shè)計(jì)將各任務(wù)進(jìn)行細(xì)分包裝，使各任務(wù)保持相對(duì)獨(dú)立；能有效改善程序結(jié)構(gòu)，便于模塊化處理，使程序的可讀性、可維護(hù)性和可移植性都得到進(jìn)一步的提高。同時(shí)由于使用的是單片機(jī)作為核心的控制元件，使得電路的可靠性比較高，功能也比較強(qiáng)大而且可以隨時(shí)的更新系統(tǒng)，進(jìn)行不同狀態(tài)的組合。總而言之，本次實(shí)驗(yàn)我努力完成了課程要求的基本部分和發(fā)揮部分，探索的內(nèi)容豐富、學(xué)習(xí)內(nèi)容非常充實(shí)。
其次，從我個(gè)人的收獲角度來說，在我學(xué)習(xí)AVR單片機(jī)之前我學(xué)過51單片機(jī)，51單片機(jī)用起來簡(jiǎn)單，價(jià)錢也便宜，用于一些比較簡(jiǎn)單的控制還算可以，開發(fā)平臺(tái)相對(duì)單一，但是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，首先遇到的問題就是存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。因?yàn)?1單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量一般都比較小，因此，從單片機(jī)外部配置外部存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，就成了應(yīng)用系統(tǒng)的重要工作之一。同時(shí)擴(kuò)展的同時(shí)又占用了I/O口，當(dāng)外部設(shè)備較多時(shí)，原有的幾個(gè)內(nèi)部I/O接口就明顯不夠使用。所以，通過此次對(duì)AVR的學(xué)習(xí)，讓我掌握了一種新的、功能更強(qiáng)大的單片機(jī)，對(duì)我以后的實(shí)際應(yīng)用很有幫助。不僅如此，在這幾個(gè)禮拜的學(xué)習(xí)中，不斷的摸索激發(fā)了我對(duì)AVR的興趣，同時(shí)也鍛煉我的耐心和分析能力，解決一個(gè)個(gè)困難的過程我認(rèn)為是非常寶貴的，相信有了這次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷，會(huì)對(duì)我今后各門學(xué)科的學(xué)習(xí)深有幫助，我覺得受益匪淺、收獲良多。
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