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内蒙古科技大学课程设计说明书内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题 目：交通灯正计时控制系统设计学生姓名：张胜男学 号：1167112232专 业：测控技术与仪器班 级：2011-2指导教师：闫俊红摘要交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁，这点更是体现的淋漓尽致。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。本系统采用单片机STC89C52为中心器件来设计交通灯控制器，系统实用性强、操作简单、扩展性强。本设计就是采用单片机模拟十字路口交通灯的各种状态显示以及倒计时时间。设计出以人性化、智能化为目的的交通灯控制系统，如遇特殊情况可人为控制交通从而解决交通堵塞的实际问题，整个电路简单，易于实现。本设计系统由单片机I/O口扩展系统、交通灯状态显示系统、LED数码显示系统、紧急情况中断系统、复位电路等几大部分组成。系统除基本的交通灯功能外，还具有倒计时、紧急情况处理等功能，较好的模拟实现了十字路口可能出现的状况。软件上采用C51编程，主要编写了主程序，LED数码管显示程序，中断程序延时程序等。经过整机调试，实现了对十字路口交通灯的模拟。关键词：STC89C52单片机；交通灯；74LS164；LED 目录第1章 概述31.1 交通灯控制系统设计意义41. 2设计目的41.3设计任务和内容41.3.1设计任务41.3.2设计内容4第2章 总体方案设计42.1设计任务要求52.1.1设计任务52.1.2设计要求52.2基本原理52.2.1设计思路62.2.2功能设计62.3 系统基本结构及原理6第3章 硬件设计73.1 STC89C52单片机主控模块电路73.1.1 STC89C52简介73.1.2 时钟电路93.1.3 复位电路93.1.4 最小系统103.2 LED显示模块103.2.1 74LS164103.3 数码管113. 4 交通灯模块12第4章 软件设计134.1设计思想134.2程序框图134.3 子程序模块设计154.3.1 初始化程序154.3.2 状态灯显示程序154.3.3 LED正计时显示154.3.4 紧停处理及中断服务子程序15第5章 调试与总结155.1 系统调试155.1.1系统操作说明155.1.2系统调试165.2硬件调试165,3 总结17第六章 参考文献18附录A：硬件原理图19附录B：源程序20第1章 概述1.1 交通灯控制系统设计意义近年米随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的甲片机应用系统中单片机往往是作为一个核心部来使用，仅单片机方面知识是不够的还根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事。故有明显效果。为解决交通堵塞问题，采用STC89C52单片机为核心控制器、七段数码管及LED组成显示电路，设计出以人性化、智能化为目的的交通灯控制系统，如遇特殊情况可人为控制交通从而解决交通堵塞的实际问题，整个电路简单，易于实现。1. 2 设计目的(1)加强单片机和C51语言的认识，充分掌握和理解设计各部分的工作原理、设计过程、选择芯片器件、模块化编程等多项知识。(2)用单片机模拟实现具体应用，使个人设计能够真正使用。(3)把理论知识与实践相结合，充分发挥个人能力，并在实践中锻炼。(4)提高利用已学知识分析和解决问题的能力。(5)提高实践动手能力。1.3 设计任务和内容1.3.1设计任务结合教材及参考资料，用STC89C52单片机模拟实现十字路口的交通灯亮火、正计时显示、紧急情况处理等功能。1.3.2设计内容(1)填写设计任务书。(2)进行总体设计，画出原理图。(3)用Pfotel软件画出PCB板并制板。(4)焊接器件和芯片。(5)编写并调试程序。第2章 总体方案设计2.1 设计任务要求2.1.1设计任务利用单片机设计一个十字路口交通信号灯控制系统，该交通信号灯控制器由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外，并有正计时系统显示信号灯转换时间。用红、绿、黄发光二极管作信号灯，八段数码管显示时间来控制交通信号灯的变化。2.1.2设计要求 (1)通过STC89C52芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能。 (2)显示时间通过STC89C52的P2.1 P2.0口输出到74LS164后并行输出到八段数码管显示。 (3)当有救护车、消防车等特殊车辆通过时，可以使四个方向均亮红灯，用按键来实现。当救护车、消防车通过后恢复原有状态。2.2 基本原理东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。指示灯燃亮的方案如表2-2。东西路口红灯亮30s绿灯亮25s黄灯亮5s红灯亮30s南北路口绿灯亮25s黄灯亮5s红灯亮30s绿灯亮25s指示灯点亮方案表2-2(1)当东西道为红灯，东西道车辆、行人禁止通行；南北道为绿灯，南北道车辆、行人通过。时间为25秒。(2)东西、南北道为黄灯，以提示南北道行人或车辆下一个绿红灯即将到来。时间为5秒。(3)东西道为绿灯，东西道车辆、行人通过；南北道为红灯，南北道车辆、行人禁止通过。时间为25秒。(4)东西道、南北道为黄灯，时间为5秒。(5)这样如上表的时间和红、黄、绿出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。2.2.1设计思路(1)分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案，并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案。(2)确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口县体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有基本的交通功能，还增加了正计时显示提示，基于实际情况，又增加了紧急状况处理和通行时间可调这两项特殊功能。(3)选择器件，大体分配各个器件及模块的基本功能要求，设计主控电路、显示电路，信号灯状态电路，按键电路等。(4)进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机C语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，在深入了解了定时器，中断以及延时原理后，完成了软件的编写。 2.2.2功能设计本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行正计时显示，通行时间调整和紧急情况处理等功能。(1)基本功能：采用红绿黄三种颜色的LED灯的亮灭来模拟信号灯，从而达到控制车辆的通行。(2)正计时显示功能：采用八段数码管来显示时间，来告知行人和车辆通行时间和要等待的时间。 (3)紧急处理：交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，我们都必须尽量允许其畅通无阻，由此在交通控制中增设禁停按键。2.3 系统基本结构及原理单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示正计时以提醒行使者，更具人性化。本系统在此基础上，加入了紧急情况处理功能。据此，本设计系统以STC89C52单片机为控制核心，构成控制系统，由按键电路、时钟电路、复位电路、驱动电路、交通灯模块、数码管等组成。系统的总体框如图2-3所示。图2-3系统的总体框第3章 硬件设计3.1 STC89C52单片机主控模块电路3.1.1 STC89C52简介STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用STC公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式12。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，封装有PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。在本系统中，选择的是PDIP-40封装。STC89C52引脚图如图3.4所示。图3.1.1 STC89C52引脚图主要性能 与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz33Hz；三级加密程序存储器；32个可编程I/O口线；三个16位定时器/计数器；八个中断源；全双工UART串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。 P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。3.1.2 时钟电路单片机工作的过程中各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序称作时序，单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种微操作提供时间基准，STC89C52的时钟产生方式有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。内部时钟方式即在单片机的外部接一个晶振电路与单片机里面的振荡器组合作用产生时钟脉冲信号，外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内，此方式常用于多片STC89C52单片机同时工作，以便于各单片机的同步，这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns.且为频率低于12MHz的方波。为了尽量降低功耗，所以采用内部时钟方式。在STC89C52单片机的内部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，图中电容C1和C2的作用是稳定频率，电容值一般为30pF，晶振选择的是11.0592MHz。3.1.3 复位电路本设计中复位电路采用的是开关复位电路，开关S1未按下是上电复位电路，上电复位电路在上电的瞬间，由于电容上的电压不能突变，电容处于充电（导通）状态，故RST脚的电压与VCC相同。随着电容的充电，RST脚上的电压才慢慢下降。选择合理的充电常数，就能保证在开关按下时是RST端有两个机器周期以上的高电平从而使STC89C52内部复位。开关按下时是按键手动复位电路，RST端通过电阻与VCC电源接通，通过电阻的分压就可以实现单片机的复位。电路RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为11.0592MHz时，C3为10uF。3.1.4 最小系统图3.1.4 STC89C52单片机的最小系统电路3.2 LED显示模块3.2.1 74LS164（1）74ls164是一个串入并出的8位移位寄存器，它常用于单片机系统中，下面简绍一下这个元件的基本知识图3.2.1 74ls164引脚图（2）74ls164功能l 串行输入带锁存l 时钟输入,串行输入带缓冲，异步清除l 最高时钟频率可高达36Mhz功耗：10mW/bitl 4系列工作温度：0Cto70Cl Vcc最高电压：7V，输入最高电压：7V74LS164真值表3.3 数码管LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。以八段共阳管为例，它有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管，用来显示dp，即点)，每个发光二极管的阳极连在一起，如图3.5所示。这样，一个LED数码管就有I根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。为方便起见，本文主要讨论共阳八段LED数码显示管，其他类形的显示管与其类似。 图3.3 LED数码管LED 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形，如 dp,g,f,e,d,c,b,a全亮显示为8，采用共阴极连接驱动代码，代码表如下表3.3所示。显示数值dp,g,f,e,d,c,b,a驱动代码011010000C0H111111001F9H210100100A4H310110000B0H41001100199H51001001092H61000001082H711111000F8H81000000080H91001000090H表3.3 驱动代码表3. 4 交通灯模块发光二极管是半导体二极管的一种可以把电能转化成光能常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻可用下式计算： R=（E-UF）/ I F 式中E为电源电压UF为L ED的正向压降I F为L ED的一般工作电流。图3.4二极管根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红绿黄各3个灯，总共4组。如果东西红灯亮，那南北方向就是绿灯亮，反之亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的，如图3.4所示：图3.4交通灯第4章 软件设计4.1 设计思想交通灯根据其显示情况可以分为四个状态，可以通过定时来控制每个状态的时间；通过定时也可以向LED数码管中每隔1秒送一个数，显示该状态的时间；如果有中断出现则进入相应的处理程序：先保留日前的显示状态，然后根据情况显示处理中的状态，紧急情况结束则恢复到保留的原来状态。4.2 程序框图图4.2程序框图4.3 子程序模块设计4.3.1 初始化程序初始化程序主要完成内存划，定时器的工作模式、中断方式等的设定。由于子程序调用较多，因此初始化时堆栈指针设于80H处。定时器T0、T1设为16位定时器模式，定时时间位50ms,为秒计时用，T1为通行结束闪烁用。4.3.2 状态灯显示程序在本设计中，实际控制的灯只有6个，即：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IO端口如下，其中均是低电平有效，共有4钟状态：东西红灯亮，南北绿灯亮；东西红灯亮，南北黄灯亮；东西绿灯亮，南北红灯亮；东西黄灯亮，南北红灯亮。4.3.3 LED正计时显示LED计时每1秒都要刷新1次，那么计时满1秒时就要将存储时间的工作寄存器加1，然后送入LED显示程序中显示。P2口通过74LS164把数据送到数码管。然就可以显示时间了。 4.3.4 紧停处理及中断服务子程序紧停按键连接到外部中断引脚P3.2，即INT0捕获到一个低电平，则进入该中断，中断程序中，十字路口的红灯都亮，当松开按键的时候，又回到中断前的地方执行， 第5章 调试与总结5.1 系统调试 因本设计本身要求有稳定性高、免维护、抗干扰能力强等功能，系统调试除了验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项的功能的正常运行。5.1.1系统操作说明系统分为两个状态：设置状态和显示状态。利用键盘可以进行两个状态间的切换；开机时，系统为显示状态，此时数码管从0开始正记时计时；LED灯开始有规律工作，作行车方向指示；设置状态时利用键盘可以设置各路口通行正计时时间，主次干道的通行时间可以不相等，这里我们增添了分开分别设置功能；显示状态时，交通灯四个LED灯进行正计时；LED发光管各组的交替指示；如果LED箭头指示板上的绿灯亮，两边红灯亮，则显示的是通行时间；显示过程中按键可以重新进入设置状态。5.1.2 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块化设计，所以方便了对各电路功能模块的逐级测试，包括对：交通灯演示功能调试，倒计时功能调试，主次干道分开设置功能调试等。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后在交道口模型上进行整体测试，使的所有功能得以实现。5.2 硬件调试具体仿真效果： 图a 图b图c5.3 总结回想做课设的整个过程，艰辛同时又充满乐趣。经过五周的查阅资料、电路设计和调试程序，我的智能仪器课程设。计得以顺利完成。通过这次的锻炼，让我对电子制作有了更深的体会。通过这次亲自体验发现课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。本次设计让我学到了许多书本上学不到的东西，增强了我的分析理解能力，也对智能仪器乃至我们专业有了进一步的了解。同时我也学会了一些软件的应用，如：Altium Designer DXP、Keil、Visio等。这次自选设计为交通灯系统，设计系统主要针对上学期所学的智能仪器和前面所学几门专业课进行的。从课题分析开始，再进行硬件设计、软件设计、系统整体调试。最后到系统实现。每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去，也使我掌握了一整套规范的设计操作流程。我的课程设计能够顺利完成，首先要感谢学校和老师能给予我们这次课程设计的机会。其次要感谢我的指导老师闫老师，在设计的过程当中闫老师给予了我热情的帮助和悉心的指导，在此我要向她说声谢谢。通过这次理论与实际结合的学习，加深了我对专业知识的学习，更重要的是锻炼了我的能力，这次设计在不断的复习、学习中度过，使我受益匪浅，也使我对单片机的运用有了进一步的了解和掌握，也为今后的学习生活和工作打下良好的基础。第六章 参考文献1 王幸之.AT89系列单片机原理与接口技术 .北京：北京航空航天大学出版社，2004.2 李忠国.单片机应用技能实训.北京：人民邮电出版社，20063 潘永雄.电子线路CAD实用教程.西安：西安电子科技大学出版社，2004.4 楼然苗.单片机课程设计指导.北京：北京航空航天大学出版社，2007.5 孙晓艳. 基于单片机的交通灯控制系统设计与模拟. 南宁职业技术学院学报.2007. 6 郭磊.侯书芹. 浅谈交通灯控制方案的技术改进. 安阳大学学报.2003.117 张兴华.一种智能交通灯的数显设计. 中国计最学院浙江.2007.108 郭恒燕.交通灯毕业设计.盐城工学院毕业设计.2008.59 杭和平.单片机原理与应用.机械工业出版社.2008年5月第1版10 周润景.PROTEUS入门教程. 机械工业出版社.2007年9月第1版11 雷丽文.微机原理与