單片機課程設計--基于多任務實時操作系統(tǒng)rtx51的交通燈系統(tǒng)

1、<p><b>　　單片機課程設計報告</b></p><p>　　基于多任務實時操作系統(tǒng)RTX51的交通燈系統(tǒng)</p><p>　　院 系 物理與電子工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電子信息工程 </p><p>　　學 生 班 級

2、 </p><p>　　指導教師單位 物理與材料科學學院 </p><p>　　指導教師姓名 </p><p>　　指導教師職稱 副教授 </p><p><b>　　2013年10月</b&

3、gt;</p><p>　　基于多任務實時操作系統(tǒng)RTX51的交通燈系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、鍵盤、交通燈演示系統(tǒng)組成。系統(tǒng)包括人行道、左轉、右轉、以及基本的交通燈的功能。系統(tǒng)除基本交通燈功能外，還具有緊急情況處理、分時段調整信號燈的點亮時間以及根據具體情況手動控制等功能。紅綠燈控制

4、是智能交通系統(tǒng)的一個重要部分，本文給出了一個用單片機控制的簡易交通紅綠燈自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于十字路口，并對放行和禁行時間進行倒計時顯示（秒）。 在車輛通行繁忙的十字交叉路口設置的交通燈控制系統(tǒng)，其特點是：道路較窄而車流量較大，主干道，支干道的車輛通行時間不等，，同時設有道路應急控制。具體的情況是：在正常的情況下，東西支干道通行時間為20秒，南北主干道通行時間為30秒，每個方向在綠燈轉為紅燈時，要求黃燈先亮5秒鐘，才能變換運

5、行車道。并且能夠在人工監(jiān)控狀態(tài)下，如果一道有車而另一道無車，交通燈控制系統(tǒng)能立即讓有車道放行。而且有緊急車輛要求通過時，系統(tǒng)要能禁止普通車輛通行。 </p><p>　　關鍵詞；交通燈控制系統(tǒng)；實時操作系統(tǒng)；RTX51</p><p><b>　　設計目的 :</b></p><p>　?。?）進一步掌握單片機課程所學的基礎理論知識。</

6、p><p>　?。?）熟悉單片機最小系統(tǒng)，并掌握其工作原理，進一步學會使用其進行電路設計。</p><p>　?。?）學會利用實時操作系統(tǒng)，RTX51設計交通燈控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　設計技術指標與要求</b></p><p>　　要求具備紅、黃、綠燈的基本功能，具備LED數(shù)字顯示剩余時間的功能，具備設置時間

7、長度的功能?？梢宰孕刑砑悠渌δ?。</p><p><b>　　目錄 </b></p><p>　　前言…………………………………………………………………………………………1</p><p>　　1 基于多任務實時操作系統(tǒng)RTX51的交通燈系統(tǒng) …………………………………1</p><p>　　1.1 設計思想 ……

8、……………………………………………………………………1</p><p>　　1.1.1 設計方案………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1.2 設計所需的元件………………………………………………………………2</p><p>　　1.2 設計原理 …………………………………………………………………………3</p&

9、gt;<p>　　1.2.1 基于RTX51的軟件設計部分…………………………………………………5</p><p>　　1.2.2 程序設計部分…………………………………………………………………7</p><p>　　2 電路仿真 ………………………………………………………………………………9</p><p>　　3 電路連接測試 ………………

10、………………………………………………………10</p><p>　　3.1 安裝焊接 ………………………………………………………………………10</p><p>　　3.2 測試 ……………………………………………………………………………11</p><p>　　3.2.1 使用儀器 …………………………………………………………………11</p>

11、<p>　　3.2.2 測試結果 ……………………………………………………………………12</p><p>　　4 設計體會 ……………………………………………………………………………12</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………………… 13</p><p><b>　　前言</b>&

12、lt;/p><p>　　隨著科學技術的快速發(fā)展，人們對各類傳統(tǒng)產品都有了越來越高的要求。其中，傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)，例如常見的單片機控制系統(tǒng)，主要采用單機工作方式或者簡單的C/S模式。這種工作方式在網絡化快速普及的新形勢下，其網絡性能不強、靈活性不高、難以滿足遠程控制和管理的需求等諸多弱點越來越明顯。</p><p>　　要使得傳統(tǒng)單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)網絡化，將上位機的Web服務器與下位機單片機融合是

13、一個比較理想的解決方法。目前，網絡技術已經廣泛應用于各類企業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)，越來越多的信息化產品需要能夠接入互聯(lián)網并且能夠通過Web頁面進行遠程訪問和控制[1]。Web 具有操作簡便、交互界面良好等優(yōu)點, 而單片機系統(tǒng)具有底層控制簡單、強大的特點, 使得Web 和單片機系統(tǒng)的結合成為今后工業(yè)生產監(jiān)測與處理的新趨勢。單片機技術與網絡技術的融合，為現(xiàn)場檢測與控制設備的智能化、微型化奠定了良好的技術基礎，使數(shù)據采集系統(tǒng)迅速得到廣泛應用，它滲透到地

14、質、醫(yī)療、農業(yè)生產、通訊等各個領域，為獲取數(shù)據提供了良好的基礎。</p><p>　　根據該思路，設計了一個基于Web的溫度測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為上位機（計算機）和下位機（單片機）兩部分。其中，下位機以STC89C52單片機為主控制器，將從溫度傳感器DS18B20采集到的數(shù)據發(fā)送給上位機。上位機利用VC++編寫的管理程序接收溫度數(shù)據，并插入到MySQL。由于上位機通過Apache構建了一個基于PHP的Web服務器，

15、使得用戶可以在任何一個能連接到該網絡的地方，都能便捷的訪問該服務器并獲取當前的數(shù)據。同時，用戶還能通過控制頁面對下位機進行控制。</p><p>　　1基于多任務實時操作系統(tǒng)RTX51的交通燈系統(tǒng)</p><p><b>　　1.1設計思想</b></p><p><b>　　設計方案</b></p><

16、;p>　　交通信號燈控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下三個功能：    (1)信號燈指示，即完成十字路口紅、黃、綠交通信號燈的控制。    (2)時間顯示，各個信號燈持續(xù)的時間顯示。    (3)緊急情況響應，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者有緊急情況是能夠及時響應。    根據以上功能要求，完整的交通燈控制系統(tǒng)硬件電路如圖l所示，

17、主要由三部分模塊組成：單片機最小系統(tǒng)模塊、紅綠色顯示模塊、倒計時顯示模塊、緊急中斷模塊。</p><p>　　(4)單片機最小系統(tǒng)：包括時鐘電路和開關復位電路。單片機選用具有成本低廉且具有串口ISP下載功能的STC89C52單片機，晶振選用12 MHz。    (5)信號燈指示電路：東西南北四個方向分別有紅、綠、黃三個狀態(tài)指示的燈，其中南北方向的紅綠黃發(fā)光二極管分別連接到P1．O～

18、P1．2，東西方向的紅綠黃發(fā)光二極管分別連接到P1．3～P1．5。    (6)倒計時顯示：每個交通燈狀態(tài)倒計時時間由兩位共陽數(shù)碼管顯示，八位段碼分別連接到P0．0～P2．7，兩位位選通過反向器分別連接到P3．4、P3．5。    (7)緊急中斷：開關K1為緊急中斷開關，當有特殊情況時按下K1，K1連接到單片機P3．2外部中斷O輸入端。</p><p&g

19、t;<b>　　‘</b></p><p>　　1.1.2 設計所需元件</p><p><b>　　1.2 設計原理</b></p><p>　　一個高效的單片機智能控制系統(tǒng)，不僅要求系統(tǒng)能夠同時執(zhí)行多個任務，對每個任務作出實時響應，而且要求系統(tǒng)能夠及時響應隨機發(fā)生的外部事件，并對其作出快速處理。對于這樣的系統(tǒng)應用，采

20、用實時操作系統(tǒng)RTOS(Real-time-Operating System)作為系統(tǒng)軟件設計平臺是一個良好的選擇，它可以靈活地安排系統(tǒng)資源，簡化復雜的軟件設計，加快軟件的開發(fā)效率，大大縮短了項目的開發(fā)周期。道路交通燈是最常見的一種多任務控制系統(tǒng)，本文以此為倒，詳細闡述了51嵌入式實時操作系統(tǒng)RTX51開發(fā)軟件的方法和步驟。</p><p><b>　　設計原理圖</b></p>

21、<p><b>　　1.2.1</b></p><p>　　基于RTX51的軟件設計</p><p><b>　　2 RTX51介紹</b></p><p>　　RTX51有2個模式：RTX51完全模式和最小模式。RTX51最小模式版是RTX51完全版的一個子集，可以很容易地運行在8051系統(tǒng)上，而不需要外部

22、RAM(XDATA)。RTX51完全模式有4個任務優(yōu)先級，可以和中斷函數(shù)并行處理，各個任務之間通過使用“郵箱”系統(tǒng)來進行信號和消息的傳遞，可以從內存池中申請和釋放內存；同時，可以強制一個任務停止執(zhí)行，等待一個中斷，或者是其它中斷傳來的信號量或者消息。</p><p>　　RTX51對系統(tǒng)硬件的要求如表1所列。 </p><p><b>　　表1</b><

23、;/p><p>　　2.1 RTX51任務</p><p>　　RTX51區(qū)分2類任務：快速任務和標準任務。快速任務有很快的響應速度，每個快速任務使用8051一個單獨的寄存器組，并且有自己的堆棧區(qū)域。RTX51支持最大同時有3個快速任務。標準任務需要多一點的時間來進行任務切換，因此使用的內部RAM相對快速任務要少，所有的標準任務共用1個寄存器組和堆棧。當任務切換的時候，當前任務的寄存器狀態(tài)和堆

24、棧內容轉移到外部存儲器中。RTX51支持最大16個標準任務。</p><p>　　RTX51任務狀態(tài)：</p><p>　　(1)運行(RUNNING)-當前正在運行的任務處于RUNNING狀態(tài)，同一時間只有1個任務可以運行。</p><p>　　(2)就緒(READY)-等待運行的任務處于READY狀態(tài)，在當前運行的任務退出運行狀態(tài)后，就緒隊列中優(yōu)先級最高的任務進

25、入到運行狀態(tài)。</p><p>　　(3)阻塞(BLOCKED)-等待一個事件的任務處于BLOCKED狀態(tài)，如果事件發(fā)生且優(yōu)先級比正在運行的任務高，此任務進入運行狀態(tài)；如果優(yōu)先級比正在運行的任務低，此任務進入READY狀態(tài)。</p><p>　　(4)刪除(DELETED)-沒有開始的任務處于刪除狀態(tài)。</p><p>　　(5)任務切換-RTX51包含一個事件驅動

26、的任務切換機制，它能夠按照任務的優(yōu)先級進行切換，也就是搶占式多任務系統(tǒng)；另外還有一個可選的時間片輪轉切換任務模式，在時間片輪轉模式下，同級別的任務是按照時間片分別占用CPU 的。RTX51任務有4個優(yōu)先級：0、1、2 可以分配給標準任務，優(yōu)先級3是為快速任務保留的。每個任務都可以等待事件的發(fā)生，而并不增加系統(tǒng)的負擔；任務可以等待消息、信號、 中斷、超時事件或者它們的組合。任務切換是按照一定規(guī)則進行的，包括：進入到“就

27、緒”狀態(tài)的優(yōu)先級高的任務先執(zhí)行；如果“就緒” 狀態(tài)的幾個任務是同一個優(yōu)先級，那么最先進入“就緒”狀態(tài)的先執(zhí)行。</p><p><b>　　3 應用實例</b></p><p>　　以下給出RTX51在單片機控制的GPS接收板上的應用。</p><p><b>　　(1)系統(tǒng)硬件組成</b></p>

28、<p>　　單片機W77E58、快速8051內核、32KB ROM、1KB的XDATA RAM，符合使用RTX51的硬件要求；鍵盤、GPS定位模塊、液晶顯示模塊。</p><p><b>　　(2)系統(tǒng)軟件構成</b></p><p>　　軟件運行環(huán)境KEIL uVision2 6.20集成開發(fā)環(huán)境加上RTX51完全版。任務KEY-BOARD，監(jiān)測鍵盤的情

29、況，如果有按鍵按下，把按鍵的編碼發(fā)送到郵箱1，外部中斷1等待接收GPS數(shù)據，并把數(shù)據存儲起來，向DISPLAY任務發(fā)出信號，進行處理。任務SEND_OUT，把接收到的數(shù)據 進行處理，并發(fā)送出去。任務VOICE進行語音輸出。 </p><p>　　下面給出簡寫的源程序：</p><p>　　#include<RTX51.h>   

30、;                             //包含RTX51文件     #define DISPL

31、AY 0     #define SEND_OUT 1     #define KEY_BOARD 2     #define VOICE 3     void main(void)    {   init syste

32、m();                               //系統(tǒng)初始化    

33、60;   os start system(DISPLAY);                    //啟動RTX51        } &

34、#160;   viodtask0(void)_task DISPLAY    {   os set slice(1000);                   

35、0;      //設置時間片大小        os enable isr(0);                   &#

36、160;        //允許外部中斷0        os creat task(</p><p>　　近年來，利用嵌入式實時操作系統(tǒng)來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的軟件已是大勢所趨。這是因為傳統(tǒng)的這類設計中，大多采用了中斷結合單任務的順序機制進行，這種設計方法雖然比較直觀，但是

37、也帶來了諸如穩(wěn)定性差、不便于調試等問題。尤其是當系統(tǒng)比較復雜、實時性要求比較高時，這種單任務機制的缺陷更為明顯。利用嵌入式實時操作系統(tǒng)，程序開發(fā)者可以將復雜的系統(tǒng)分成多個相對獨立的任務，從而分而治之，降低了系統(tǒng)的復雜性；通過對不同的任務賦以不同的優(yōu)先級，從而能夠保證系統(tǒng)的實時性；同時，由于軟件系統(tǒng)有多個任務組成，所以其模塊化程度好。提高了系統(tǒng)的可維護性。因此，這里利用實時操作系統(tǒng)RTX51來進行軟件系統(tǒng)的設計。</p>&

38、lt;p>　　TX51實時操作系統(tǒng)介紹    RTX51是美國Keil公司開發(fā)的一種運行于8051單片機環(huán)境中的實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)，其常用于處理復雜的多任務控制系統(tǒng)。8051單片機支持典型的RTX-51Tiny和RTX-51 Full實時多任務操作系統(tǒng)。在Keil μVison3集成開發(fā)環(huán)境中提供了RTX-51實時操作系統(tǒng)的編譯和仿真調試支持。    在多

39、任務嵌入式系統(tǒng)中，合理的任務調度必不可少。單純通過提高處理器速度無法達到目的，這樣就要求嵌入式系統(tǒng)的軟件必須具有多任務調度能力。在微控制器應用系統(tǒng)中通?？梢苑纸鉃槎鄠€相互獨立的功能模塊，在RTX51嵌入式實時操作系統(tǒng)中將這些模塊劃分為任務，引入多任務機制管理。依據系統(tǒng)功能優(yōu)先級分配不同的任務，多個任務分別在各自的時間片內訪問CPU，從而產生了微觀上輪流運行、宏觀上并行運行的多任務效果，保證了對外界的信息足夠快的速度進行響應處理，又能并行

40、運行多個任務，因此能很好完成對多個信息的實時測量、處理并進行響應的多個實時控制。2．2 任務分配    在本系統(tǒng)中，依據交通燈控制系統(tǒng)功能的分析，將整個軟件系統(tǒng)分解為以下三個任務，系統(tǒng)初始化、紅綠</p><p>　　1.2.2時間顯示部分</p><p><b>　　7.定時/計數(shù)器</b></p><p>

41、　　8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產生中斷用于控制程序轉向。</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)方框圖</b></p><p><b>　　2.3工作原理</b></p><p>　　由軟件設置交通燈的初始時間，南北方向通行30秒，東西方向通行20秒，數(shù)碼管采用動態(tài)顯示，P0口送字形碼，P2

42、口送字位選通信號，通過單片機的P1口控制各種信號燈的燃亮與熄滅。采用中斷方式實現(xiàn)按鍵的功能。</p><p>　　1.2.3 程序設計部分</p><p>　　依據任務分配，將三個任務分別規(guī)劃為_task_0，_task_1，_task_2，由于完整的程序較大，這里不便給出，只給出部分代碼，如下所示。</p><p><b>　　電路仿真</b&

43、gt;</p><p>　　2.交通燈南北方向綠燈向紅燈轉變，黃燈閃爍時仿真圖（見圖-8）。</p><p><b>　　4.2仿真結果分析</b></p><p>　　仿真實驗實現(xiàn)南北方向車道和東西方向車道兩條交叉道路的車輛交替運行，南北方向（主干道）每次通行時間設為30秒、東西方向通行時間設為20秒，時間可以在程序中修改。同時能夠實現(xiàn)紅燈、

44、黃燈、綠燈狀態(tài)轉換，紅綠燈轉換時間為5秒，轉黃期間黃燈亮?？梢詼蚀_顯示每個狀態(tài)所剩余的時間，按下禁行普通車輛鍵，東西南北方向都亮紅燈；按下南北放行鍵，南北綠燈亮，東西紅燈亮；按下東西放行鍵，東西綠燈亮，南北紅燈亮；任何時候按下返回鍵，此系統(tǒng)都將回到初始狀態(tài)，當緊急狀況出現(xiàn)時，按下緊急開關，可實現(xiàn)主干道和支干道全部禁止通行，允許緊急車輛安全通行，實現(xiàn)了課程設計的要求。</p><p>　　3 電路連接測試&l

45、t;/p><p>　　3.1 安裝焊接調試</p><p>　　在計算機上使用protues，選好要使用的元器件，并繪制成電路圖，完成后就把領回來的元器件按照電路圖把元器件安裝在萬用板上，然后就進行焊接。焊接的時候一定要注意，不能出現(xiàn)短路和虛焊。焊接完成后還要再認真的檢查一遍，確認沒有問題后就可以進行調試。下面圖就是我們設計完成的多路數(shù)字電壓表在調試過程的照片。</p><

46、;p><b>　　實物正面圖</b></p><p><b>　　實物反面圖</b></p><p><b>　　設計體會 </b></p><p>　　本次基于多任務實時操作系統(tǒng)RTX51的交通燈系統(tǒng)由呂凱強同學和凌嘉麗同學合作完成，焊接電路板的部分由呂凱強同學負責，可以說能夠的到預期的實驗效

47、果，這塊電路板的焊接部分尤為重要。遇到不懂得地方我都會找他商量，與他探討。當然最主要的是有包敬海的指導，不然我們的作品沒辦法完成。</p><p>　　通過這次單片機課程設計，對于我來說，最重要的一點就是加深了我對單片機理論知識的理解。讓理論知識與實踐可以結合起來，更有助于我學習單片機。因為理論知識往往的比較抽象的，很多時候都是難以理解的，但是通過這樣一個實踐，在做多路數(shù)字電壓表這門單片機課程設計時，很多以前不怎

48、么理解的理論知識都可以得到理解了，并且印象還會比較深。這樣的一次實踐，不僅提高了我們的動手能力，獨立分析問題、解決問題能力，還讓我們的創(chuàng)新思維得到了很好的發(fā)揮。</p><p>　　其實在設計過程中，我們也會遇到一些問題。比如調試不出想要的效果。焊錫過程中由于元器件安裝不對導致焊過再焊。同時遇到不同的設計方案我們兩猶豫不決的時候就會很努力地翻閱資料去圖書館找到相關材料然后一起探討。</p><

49、p><b>　　從這次設計中得到：</b></p><p>　　1．有一個總的思路是完成一部作品的核心部分，必須要整體規(guī)劃，分步的，有計劃的完成。</p><p>　　2．通過電路的設計、安裝、調試、整理資料等環(huán)節(jié)，初步掌握工程設計方法和組織實踐的基本技能，逐步熟悉開展科學實踐的程序和方法；</p><p>　　3．了解它的工作原理，一次

50、次地完成自己設定的參數(shù)是設計中不可缺少的部分。</p><p>　　4.我們是以兩人為單位的小組，明確的分工是很有必要的。遇但是到困難時團結互助才是最重要的。</p><p>　　5.焊接電路板需要一個人要有耐心，細心，并且能夠及時發(fā)現(xiàn)問題。每個元器件有它特定的位置，有它應該發(fā)揮的功能，所以要認識它，弄懂它的功能。同時對待焊錫也要很仔細。</p><p>　　在此再

51、次感謝老師在這次課程設計中對我的指導，沒有老師的幫助和指導我們是不能順利完成這次課程設計任務的。</p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]陳海宴.51單片機原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010.</p><p>　　[2] 侯玉寶.基于 protues 的51系列單片機設計與仿真[M].

52、北京:電子工業(yè)出版社,2008.</p><p>　　[3] 譚浩強 .C語言設計[M].北京：清華大學出版社,2008.</p><p>　　[4]朱清慧. protues 教程——電子線路設計、制作與仿真[M].北京:清華大學出版社,2008.</p><p>　　[5]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.</p&g

53、t;<p>　　[6]余發(fā)山 王福忠 單片機原理及應用技術 [M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社 2008.</p><p>　　[7]吳黎明 單片機原理及應用技術[M].北京：科學出版社 2003.</p><p>　　[8]劉樂善 微型計算機接口技術及應用[M].北京： 華中科技大學出版社 2004.</p><p>　　[9] 吳黎明, 王桂棠, 洪