交通灯控制电路设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第0页共44页摘要随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。本系统由单片机系统、键盘、LED显示、交通灯演示系统组成。系统包括人行道、左转、以及基本的交通灯的功能。系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、以及根据具体情况手动控制等功能。它可以实现对车辆、行人的有效导引。选用LED发光二极管和LED数码显示管，形象直观；选择LED发光二极管可以从发光颜色上区别人和车的通行与停止；而LED数码显示管可直观显示通行时间，该系统还可根据交通拥挤情况通过触发按键设置通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤。关键字单片机；交通灯；控制器目录摘要.1引言.2第1章方案设计与论证.31.1总体方案设计思想.31.2系统方案选择与比较.41.2.1控制模块方案选择.41.2.2显示模块方案选择.41.2.3输入模块方案选择.41.2.4电源模块方案选择.51.3系统总体方案论证.5第2章系统硬件设计.72.1总体设计及功能描述.72.1.1总体设计描述.72.1.2各模块功能描述.72.2各功能模块硬件设计.102.2.1单片机控制模块的设计.102.2.2倒计时显示电路的设计.122.2.3交通灯指示电路的设计.152.2.4键盘及状态显示模块的设计.162.2.5开关电源模块的设计.17第3章系统软件设计.183.1软件总体流程图.183.2软件主要子程序流程.19I3.2.1紧急状态子程序.193.2.2设置状态子程序.193.2.3键盘模块程序流程.203.2.4交通灯指示子程序流程.213.2.5倒计时程序流程.22第4章实物制作.244.1元器件的检测与焊接.244.1.1焊前准备.244.1.2焊接步骤：.244.1.3焊接的工艺要求.264.1.4焊接的操作.26第5章系统调试与测试结果分析.285.1系统操作说明.285.2调试.285.3指标测试.295.3.1测试仪器.295.3.2主要模块测试.295.3.3测试结果.30总结.31参考文献.32附录整机原理图.33附录2元件明细表.34附录3系统控制程序.35第2页共44页引言随着社会和城市交通的快速发展，近几年机动车辆数字急剧增加，道路超负荷承载道路现象严重，致使交通事故逐年增加。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。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。可见交通灯是城市交通有序、安全、快速运行的重要保障，因此解决好公路交通信号灯控制问题也成了保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。本设计是一款基于单片机AT89C51为控制核心的交通控制系统，它可以实现对车辆、行人的有效导引。设计中我们选用红、绿、黄三种不同LED发光管作为车辆和行人的指示，简化了设计，形象直观；采用LED数码管作为倒计时显示，可靠性高、抗干扰能力强。该系统还可根据交通拥挤情况可以设置主干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤；当出现紧急情况时，交警可将系统设置成手动，让某路口车辆通行，此路口行人禁行，紧急情况结束后再转成自动状态。本设计并对系统物理结构进行了优化，很有城市交通道口的“模型”味。第0页共44页第1章方案设计与论证设计要求要实现交通灯基本信息指示功能的基础上，还要实现倒计时时间和工作状态显示、紧急情况处理等功能，如何选择有效方案至关重要。1.1总体方案设计思想根据传统十字路口交通灯系统的设计，可将本系统分为四个模块，第一个模块是控制模块，主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；第二个模块为显示模块，主要是对车辆和行人应该遵守交通规则的指导性的直观显示，它主要包括倒计时显示和红、绿、黄灯两大部分；第三个模块是输入模块，它的主要作用是辅助控制模块，相当于输入装置，利用它可以对交通灯各路口通行时间的设置以及出现紧急情况时，进行不同工作方式的切换设置；第四个模块是电源模块，它是整个系统的“心脏”，负责给各模块提供合适的电压，让各模块能稳定工作。其系统设计结构如图1-1所示：电源模块控制模块显示模块显示模块显示模块显示模块输入模块东西南北十字路口工作状态显示图1-1系统设计结构图第1页共44页1.2系统方案选择与比较1.2.1控制模块方案选择方案一：由计数器74LS161级联组成，配合译码器和秒脉冲信号发生器等器件组成交通灯系统，整个系统简单，控制简单，调试容易等优点。方案二：采用ATC公司的单片机ATC89C51作为控制器。单片机运算能力强，软件编程灵活，自由度大。它是MCS-51系列单片机的派生产品，在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，使用时容易掌握；采用ATC89C51单片机稳定可靠、应用广泛、通用性强，在系统/在应用可编程。方案比较：采用方案一来实现十字路口交通灯控制系统非常方便，电路结构简单，控制单一，但整个系统性能不是很高，倒计时不是非常精确，如果要求系统能设置不同工作时间不容易，因而对于完成题目较困难，而方案二完全能实现设计要求，容易掌握，利用编程，易控制，I/O接口很多，易于扩展外围电路，价格便宜，故选择方案二。1.2.2显示模块方案选择该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，考虑了三种方案。方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字苻，无法胜任题目要求。方案二：完全采用点阵式LED显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。方案三：用七段LED数码管完成倒计时显示，用LED灯作为状态灯指示功能。方案比较：方案一和方案二都不符合设计要求，实现较复杂，而方案三采用数码管与LED灯相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。权衡利弊，选择方案三。1.2.3输入模块方案选择方案一：采用8155扩展I/O口及键盘，显示等。该方案的优点是：使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。若用该方案，可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。第2页共44页方案二：直接在I/O口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用五个按键，分别是K、K2、K3、K4、K。由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。1.2.4电源模块方案选择电源是整个系统的“心脏”，它是系统稳定工作的保障，为使各个模块稳定工作，须有可靠电源。下面考虑了两种电源方案。方案一：采用单片机控制模块提供电源。该方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高，不能驱动数码管。方案二：采用独立的稳压电源，采用开关电源作为整个系统的供电，它具有多路电源输出，此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，方案比较：方案一只采用单片机自身的I/O来驱动数码管显示是不行的，而方案二虽然要给各模块供电，但却能给各模块提供稳定可靠的电压从而达到显示明亮的程度。故选择第二种方案。1.3系统总体方案论证系统设计方框总图如图1-2所示：电源单片机AT89C51LED数码管显示模块按键输入东西南北十字路口工作状态显示LED数码管显示模块LED数码管显示模块LED数码管显示模块红、绿、黄LED状态指示灯人行道人行道人行道人行道图1-2系统设计方框总图第3页共44页经上述各模块的方案选择与论证，十字路口交通灯系统的控制芯片选用单片机AT89C51作为整个系统的核心控制器件，主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；采用七段LED数码管和LED灯作为显示器件，用七段LED数码管完成倒计时显示，用LED灯作为行车方向和行人通行指示指示功能；用触发按键构成系统的输入部分，它可以对系统进行状态设置，结合数码管，可根据交通情况对整个系统进行直观的控制；以开关电源作为系统电源部分，它有+12V、-12V、+5V、-5V电压输出，可方便对各个模块供电。第4页共44页第2章系统硬件设计硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：系统稳定度；器件的通用性或易选购性；软件编程的易实现性；系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。2.1总体设计及功能描述2.1.1总体设计描述本设计以单片机AT89C51为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块：单片机控制系统、键盘及状态显示、行车方向指示、行人通行指示和倒计时模块等。单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。行车方向指示采用红、绿、黄LED发光管，用三种颜色指示车辆放行、暂停、禁止，形象直观。行人通行指示采用两支红、绿LED发光管，用两种颜色指示放行与禁止，形象直观，简洁明了。键盘及状态显示，键盘采用五个触发按键组成，电路简洁可靠；显示器采用七段LCD数码管，可实时显示系统运行状态，可供交警在室内实时监视交通状况。通过键盘可设置：紧急情况发生时的交通灯状态控制、主干道通行时间等，人机界面非常友好。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。其十字路口交通灯系统设计计原理图见附录2，其友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。2.1.2各模块功能描述1.交通灯通行模式按交通灯控制规则，每个街口有转弯、直行及行人三种指示灯。主要指示灯有红、绿、黄三种颜色。交道口模型如图2-1所示：第5页共44页图2-1交道口模型图4组LED数码管按照设置的通行时间进行倒计时，由4组行车指示灯并各自进行红、绿、黄灯显示，共有四种通行状态，如下图2-2a)、b)、c)、d)分别为：a)通行状态b)通行状态第6页共44页c)通行状态3d)通行状态4图2-2四种通行状态2.要求直行默认时间为40秒，转弯默认时间为20秒，故通行时间共为60秒，系统设置了任意更改功能，可以根据实际情况进行倒计时调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。本设计选用两只绿色LED发光管来指示直行，转弯等交通指示信息，其中绿灯1亮表示直行，绿灯2亮表示允许转弯行驶；用一只红色LED灯表示禁止通行；在直行状态变为转弯状态时结束前5秒钟，用一只黄色LED灯闪烁直至结束。所有指示信息一目了然。另一方面行人通行时间为1分钟，行人通行指示选用红、绿LED发光管，用两种颜色指示放行与禁止，形象直观。绿色LED亮时允许通行标志，红色LED灯亮时表示此时禁止通行，提醒行人站在原地等候。3.主干道时间设置功能当主干道方向的车辆过多发生堵塞，正常的信号灯时序将会使交通状况更加恶化。本设计添加了主干道时间设置功能，交警可按需求设置绿灯的点亮时间，该措施可在一定程度缓减短暂的交通压力。4.紧急情况处理功能在十字交通路口常出现的紧急情况，若不及时处理将形成不良隐患。比如，交道口的东西方向行车有紧急情况发生，那么交警可以对信号灯进行手动控制，按下东西方向紧急情况处理键，通过软件使南北方向的红灯亮，禁止车辆通行，让东西方向的绿灯亮，允许车辆通行，此时所有的倒计时指示熄灭，南北方向路口行人允许通行，东西方向的行人禁止通行，直至紧急情况结束后再转成常规的自动状态。同理，若南第7页共44页北方向人行道有紧急情况发生时，交警可按下东西方向紧急情况处理键，用软件强制使得南北方向的行车禁止，让南北方向的人行道允许行人通行，此时东西方向的行车允许行驶。5.倒计时计数功能本系统使用数码管完成倒计时显示功能。在这里系统默认时间是60秒，最小时间是40秒，最大时间是95秒，若数码管显示的数值从绿灯的设置时间最小值往上加，每按一下时间“+”键。时间从40秒的基准上加5，一直可加到95。然后又设置时间最大值往下减，一直减到40。系统共有五组LED数码管，其中有四组LED数码管分别放置在模拟交通灯控制板上的中央，分别为主干道的四个路口的行车时间指示。因为四个方向的数码管有两组数码管应该显示同样的内容，所以可以把它们同样对待。也就是说四个方向的数码管的个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制，那么总共只会用到四根线来控制。这里采用动态显示。2.2各功能模块硬件设计2.2.1单片机控制模块的设计单片微机(Single-ChipMicrocomputer)简称为单片机。它在一块芯片上集中成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数和多功能输入/输出I/O口,如并行口I/O、串行口I/O和转换A/D等。MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应用设计资料丰富齐全。为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立CPU。因此本设计采用AT89S52单片机作为系统的控制器件，这是因为AT89S52是目前应用比较广泛的MCS-51系列兼容单片机作为主控制器。AT89S52单片机的主要性能特点：与MCS-51系列单片机产品兼容。8K字节在系统可编程Flash存储器，1000次擦写周期。全静态操作：033Hz。三级加密程序存储器。32个可编程I/O口线，3个16位定时器/定时器，8个中断源。第8页共44页全双工UART串行通道，低功耗空闲和掉电模式。掉电后中端可唤醒，看门狗定时器。双数据指针和掉电标识符。电源、时钟信号以及复位电路是单片机工作的基本条件，缺一不可。AT89S52单片机系统的基本工作电路包括电源电路、时钟电路、复位电路。其组成方框图如图2-3所示：单片机AT89C51电源电路时钟电路复位电路图2-3单片机控制系统基本硬件组成方框图1.电源电路电源电路模块为系统板上的其他模块提供+5V电源。供电电源可由开关电源提供，即能满足。2.时钟电路模块的设计单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部的各种操作提供时间基准。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，作为单片机工作的时间基准，典型的晶体振荡频率为12MHz。MCS-51系列单片的时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种方式为外部时钟方式。由于AT89C51单片机芯片内有时钟振荡电路，因此本系统单片机采用内部时钟方式，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和微调电容，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟信号脉冲信号，具体电路设计如图2-4所示。图中电容C1、C2的作用的是稳定频率和快速起振，其值为530pF,在此选择30pF；晶振X1的振荡频率范围在1.212MHz之间选择，本设计中选择12MHz。3.复位电路模块设计复位电路使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的状态。当在MCS-51系列单片的RST引脚处引入高电平并保持2个机器周期，单片机内部就执行复位操作。复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一位是按键复位。第9页共44页本设计采用按键复位方式。图2-4单片机系统硬件电路原理图2.2.2倒计时显示电路的设计在本设计中采用七段LED数码管作为倒计时显示器件，它具有工作电压小，寿命长，发光强度高，响应时间快等优点。1.数码显示器件常用的数码显示器件有半导体数码管、液晶数码管和荧光数码管等，本设计是以半导体七段数码管作为显示器件，其工作原理：半导体数码管是将7个发光二极管平排成“日”字形状制成的，如图2-5（a）所示，七段发光线段分别用a、b、c、d、e、f、g七个小写字母表示，一定的发光线段组合，就能显示相应的十进制数字，如图2-5（b）所示。表2-1中输出“H”表示发光线段，“L”表示不发光线段。（其中“L”表示低电位，“H”表示高电位）a)发光线段分段图b）发光线段组成的数字图形第10页共44页图2-5七段数字显示的字形表2-1七段显示组合与数字对照段数abcdefg0HHHHHHL1LHHLLLL2HHLHHLH3HHHHLLH4LHHLLHH5HLHHLHH6HLHHHHH7HHHLLLL8HHHHHHH9HHHHLHH半导体数码管的7个发光二极管内部接法可分为共阳极和共阴极两种，分别如图2-6a）、b）所示。共阴极接法中各发光二极管的负极相连，ag引脚中，高电平的线段发光。共阳极接法中，各发光二极管的正极相连，ag引脚中，低电平的线段发光。控制不同的段发光，就可显示09不同的数字。a)共阳极型b)共阴极型图2-6发光二极管内部电路2.两位LED数码管在本设计中采用共阳极的两位LED显示数码管，型号：SM410362,它功耗小，亮度高、字形清晰，工作电压低（1.53V）、体积小、可靠性高、寿命长，响应速度极快。它一共10个引脚，上面、下面分别五个引脚。其管脚顺序如图2-7所示：上面第11页共44页DIG1,b,c,e,d下面g,dp,f,DIG2。图2-7两位数码管管脚3.两位数码管连接电路设计利用LED晶体发光管做成的显示器，系统采用两位数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。为了提高两位数码管的显示亮度，通常在DIG1和DIG2两端分别加上一个电压为5V，上拉电阻为500左右的电压，从而提高它的亮度。这是因为数码管是由发光二极管构成的，它的压降在1.41.8V之间，正常工作电流大约220mA，由根据发光管是连接到电源正，限流电阻接“地”才发光，所以按这个来算，比如电源为5V，发光管电流在8mA左右，则限流电阻为R=(5-1.8)/8=0.475，也就是475，取470。当然如果发光管电流越大亮度越亮，该电阻就越要取小。整个系统友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。单片机与各个电路模块连接如图2-8、2-9所示：第12页共44页图2-8单片机接口电路a)东西方向倒计时连接电路b)南北方向倒计时连接电路图2-9各路口交通灯的倒计时电路与单片机连接图2.2.3交通灯指示电路的设计1.行车指示灯与单片机连接电路：根据单片机剩余I/O口的引脚，可将行车各指示灯的控制端与单片机连接，其连接电路如图2-10、2-11所示，其中绿灯1亮表示指示车辆转弯通行；绿灯2亮表示车辆直行通行；红灯表示车辆禁止通行；黄灯表示提示作用。图2-10东西方向行车指示连接电路图2-11南北方向行车指示连接电路2.人行道指示灯与单片机连接电路：人行道指示灯与单片机I/O口的连接电路如图2-12、2-13所示，其中红灯亮表示行人禁止通行；绿灯亮表示行人允许通第13页共44页图2-12人行道指示灯连接电路2.2.4键盘及状态显示模块的设计键盘及状态显示，本设计采用五个触发按键组成，电路简洁可靠；显示器采用双位七段LCD数码管，可实时显示系统运行状态，可供警察在室内实时监视交通状况。通过键盘可设置：紧急情况发生时的交通灯状态控制、主干道通行时间等，人机界面非常友好。其连接电路如图2-13、2-14所示：图2-13车辆通行状态显示连接电路图2-14按键电路与单片机连接电路第14页共44页2.2.5开关电源模块的设计开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，在本设计采用AC/DC模块，AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的。开关电源的优点：功耗小，效率高。开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。电路形式灵活多样，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计时可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。第15页共44页第3章系统软件设计硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。由于编程多涉及到数值运算，比较复杂，还有数码管、LCD灯的显示设计都是需要多重选择判断，用我们平时常用的汇编语言编程是很难实现的，这里我们选用了移值性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现编程。3.1软件总体流程图软件总体设计及流程图见图3-1，主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，主要包括对倒计时显示，人行道指示初始化，启动状态显示模块，发送显示数据，同时对键盘进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图3-1所示。开始初始化始终为真调用交通灯正常指示程序结束Y图3-1软件总体流程图第16页共44页主程序比较简单，初始化完成后，调用按键扫描程序，取得键值，并根据当前系统状态调用相应的子程序。这里有五个基本的子程序供调用，分别对应系统的各种功能状态。分别是紧急状态子程序、设置子程序、键盘模块子程序、交通灯指示子程序和倒计时子程序等。3.2软件主要子程序流程3.2.1紧急状态子程序初始化东西紧急东西车行人停，南北车停人行正常测试南北紧急东西车停行，南北车行人停正常测试YYN结束NYNNY开始图3-2紧急状态子程序在紧急状态下，只有紧急状态手动控制按键才可以使所需要某方向人行道路口LED灯被置为红灯，车辆禁行、行人通行或者把另一方向的路口交通LED灯置绿灯，让车辆通行、行人禁止通行。紧急情况结束后再转成自动状态。3.2.2设置状态子程序在设置状态，按下K2开始设置交通灯倒计时时间“加”，按下K3设置倒计时时“减”，每次按K2、K3键时，按步进“5”进行倒计时的加减。交通灯倒计时的时间最大可以设为95秒，最小可以设置为40秒。第17页共44页开始初始化时间加时间减N时间加5时间减5NYY东西紧急东西车行人停，南北车停人行正常测试南北紧急东西车停行，南北车行人停正常测试YYN结束NYNNY图3-3设置状态子程序设置子程序包含倒计时调整和紧急状态两个状态。主程序中放了一个按键的判断指令，当有按键按下的时候，程序就自动的跳转到按键子程序处理。当检测到K1键按下的时候就自动返回到主程序。当出现紧急的情况的时候，按下K4或者K5就切换到紧急状态，当紧急事件处理完毕的时候，按下K1，就可以返回正常状态。其中K4表示东西方向紧急情况设置，K5表示南北方向紧急情况设置。3.2.3键盘模块程序流程键盘是人机进行交互的重要接口之一。用户通过按键对单片机控制系统下达命令，单片机对按键译码获得相应的键值，并执行相应的命令程序。键盘部分的软件实现主要是指对单片机进行编程，从而成功地读取键盘值，实现相应的功能。单片机对键盘控制的工作流程图如图3-4所示。第18页共44页初始化有键按下时间键按下调用状态设置程序紧急键按下调用紧急状态程序退出YYNNYN开始图3-4工作流程图3.2.4交通灯指示子程序流程开始初始化东西人行车停，南北人停车行转弯等待东西人停车行，南北人行车停转弯等待结束图3-5交通正常指示流程第19页共44页正常而稳定的交通灯指示是保证道路通车的秩序，是保证道路不发生堵车的情况的首要条件，因此在程序设计上应该按照交通规则进行对交通灯进行控制，另外黄灯在整个系统中起提示作用，它是在一个状态变为另一个状态的时候的前5秒开始闪烁，从而提示车辆和行人遵循交通灯规则，其交通灯正常指示流程图及黄灯控制流程图分别如图3-5，3-6所示：开始初始化计时到0.5秒？计时到1秒？等待测试黄灯状态取反等待测试黄灯状态取反结束时间递减计数器置0YYNNYNNN图3-6黄灯计时程序流程图3.2.5倒计时程序流程倒计时指示是一种对车辆通行和行人通行时间限制的直观显示，是为了维持正常的交通秩序，因此精确的倒计时程序也是很重要的，既然交通是一种秩序，那么倒计时就是建立在秩序上的规定，另外随着车流量的大小和一天时间段的不同，那么通行时间也应该对应的改变，从而更灵活的控制交通秩序，其倒计时显示流程如图3-7所示：第20页共44页开始初始化东西方向显示数据锁存显示南北方向显示数据锁存显示时间设置显示数据锁存显示结束图3-7倒计时显示流程第21页共44页第4章实物制作4.1元器件的检测与焊接本设计包含多种电子器件，如AT89C51、LED灯、两位共阳极七段LED显示数码管、HD74LS04P非门等。这些器件引脚多，分阳极阴极。在焊接前需要对这些元器件进行检测，理清引脚，检查器件的好坏看，看是否能实现其功能，再进行下一步焊接工作。4.1.1焊前准备1.对照电路图和元件清单仔细查对元器件。2.仔细分析电路图，预设各个元器件的摆放位置和焊接顺序。3.准备好制作工具，万用表、镊子、吸锡器、斜口钳、剥线钳、烙铁、焊锡等。4.插上烙铁，预热。并将烙铁头镀上焊锡以防止烙铁头氧化。4.1.2焊接步骤：1.固定单片机插座最好安放在电路板的中心位置，以方便其它外围器件的安装。焊接时，把插座稳定插入电路板中，贴紧。焊接时，先焊两对角以固定插座，然后把其它针脚依次焊接好。事先弄清楚焊好后单片机如何插放在插座上，以分清插座各脚序号。单片机各脚序号如下图，针脚放在桌上，从半圆凹槽左端第一脚逆时针是140号脚。2.焊接插针。插针的焊接在电路图中未表示出来，我们在这里安装插针，是为了方便扩展单片机的外围器件。当我们做了其它功能模块时，只需在其它电路板上焊好模块，把需要连接到单片机上的端口用导线引出，然后插在插针上，岂不很方便！这也大大提高了单片机的使用率。图4-1单片机引脚图第22页共44页在插座旁并排焊接三排插针。第九脚，也就是你安放单片机时对应的第九脚不接插针，此脚是做复位开关用的。除此之外，第18、19、20脚也不用焊插针，第18、19是接晶振用的，20脚接电源负极。还有，第40脚旁焊一根（旁还有一根），40脚接电源正极，上方接负极，此种焊接有利于给其它功能模块供电。焊盘面如图连接，直接用焊锡接上即可。为什么这么接？还是为了方便扩展功能，用插针帽可以选择片上和片外功能模块。3.焊接晶振晶振在强力碰撞容易损坏，所以焊接时要注意。晶振不分级，把晶振两脚直接和19、20脚连接。再把两个瓷片电容按电路图接好。注意：两电容相接的脚要接地。此时还没有焊电源模块，所以暂时搁置在那儿。4.接复位开关当单片机运行时，第9脚RST接收到高点位时，单片机就会无条件复位。还有，当给单片机通电瞬间，电流在瞬间升高，电容对变化的电流导通，9脚（RST）是高电位，单片机复位。即在给单片机上电时，单片机复位，叫做上电复位。在焊接此电路时，注意电容图4-2复位开关极性。电容值是22uF，电阻值是10K。5.检测和焊接两位共阳极数码显示管两位共阳极数码显示管的检测：把万用表调到电阻档，用黑表笔分别接触dig1脚和dig2脚，用红表笔依次接触a，b，c，d，e，f，g，dp脚，看左右两边对应的数码管段位是否发光。图4-3两位数码显示管两位共阳极数码显示管的焊接：a，b，c，d，e，f，g，dp脚分别对应的单片机的P00-P07脚。南北方向数码显示管的dig1和dig2脚接P2.0和P2.1。东西方向数码显示管的dig1和dig2脚接P2.2和P2.3。第23页共44页控制端的数码显示管的dig1和dig2脚接P2.4和P2.56.检测和焊接非门（HD74LS04P）HD74LS04P非门的焊接时注意方向，如图半圆缺口在左时为正。下面最右边第7脚接地，上面最左边第14脚接电源。7检测和焊接LED灯本设计使用LED灯较多，东西南北各方向共有4组LED灯（每组1个红灯，1个黄灯，2个绿灯）。4个路口人行道有8组红绿灯（没每组1个红灯，1个绿灯）。全套方案共有黄灯4个，红灯12个，绿灯16个。图4-474LS04PLED灯的检测：LED灯有长短两个引脚，长引脚为阳极，短引脚为阴极。检测时，将万用表调到欧姆档或9v档，用黑表笔接触阳极，用红表笔接触阴极，灯亮则完好，灯无反应则LED损坏。4.1.3焊接的工艺要求1.焊接条件。被焊件端子必须具备可焊性。被焊金属表面保持清洁。具有适当的焊接温度（280350）。具有合适的焊接时间（3秒中），反复焊接次数不得超过三次，要求一次成形。2.焊点的基本要求。具有良好的导电性。焊点上的焊料要适当。具有良好的机械强度。焊点光泽、亮度、颜色有一定要求。要求：有特殊的光泽和良好颜色；在光泽和高度及颜色上不应有凹凸不平和明暗等明显的缺陷。焊点不应有拉尖、缺锡、锡珠等现象。焊点上不应有污物，要求干净。焊接要求一次成形。焊盘不要翘曲、脱落。3.应避免常见的焊点缺陷如：拉尖、桥连、虚焊、针孔、结晶松散等。4.1.4焊接的操作1.为了提高电路的可靠性，首选应对元器件进行检查。应注意变压器的检测应分为静态检测和动态检测。2.为了便于焊接，应将要焊接的元器件进行刮脚，焊盘应用砂纸砂光滑以便于焊接。3.插入元器件，将烙铁头放在被焊件的焊盘上，使焊点温度升高（有利于焊接）。如果烙铁头上有锡，则会使烙铁头上温度很快传递到焊接点上。第24页共44页4.用焊锡丝接触到焊接处，熔化适量的焊料。焊锡丝应从烙铁头侧面加入，而不是直接加在烙铁头上。5.从焊锡丝开始熔化数3秒后，先移开焊锡丝，再移开电烙铁。6.焊点冷却后，用斜口钳子将元器件的管脚剪掉，剪去管脚的长度应尽可能的要短。7.焊接完成后检查看是否有错焊、漏焊、线路的走线下、是否正确。注事事项：移开烙铁头的时间、方向和速度，决定着焊接点的焊接质量，正确的方法是先慢后快，烙铁头移开沿45角方向移动，及时清理烙铁头。图4-5实物图第25页共44页第5章系统调试与测试结果分析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系统操作说明本设计采用5个触发按键。键盘功能选择键用于紧急情况、主干道通行时间设置等功能。开机时，系统为正常状态，此时显示四个路口数码管从默认的倒计时时间（60s）开始倒计时；交通灯指示灯开始有规律工作，作行车方向指示；主次干道的通行时间，这里增添了设置功能；正常状态时，交通灯模组的四个LED数码管进行倒计时；各组的红绿灯轮流交替指示；如果某方向LED指示板上的绿灯2亮，人行道红灯亮，则显示的是通行时间，当此LED指示板上绿灯1亮，则显示的是转弯时间，而另一方向LED指示板则一直显示红灯，人行道绿灯亮，表示禁止车辆通行，行人允许通行。5.2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，行人通行指示功能调试，倒计时功能调试，主干道时间设置功能调试，紧急情况手动控制功能调试，键盘及状态显示模块功能调试等。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，使系统的所有功能得以实现。1.硬件调试十字路口交通灯系统的电路板焊接工作量非常大，电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：(1)通行方式功能调试：包括对四种通行方式控制调试，行人和行车方向指示灯亮度电路调试；(2)倒计时功能调试：数码管亮度调试；第26页共44页(3)紧急情况手动控制功能调试：包括按键功能调试；(4)主干道时间设置功能调试，键盘及状态显示模块功能调试。2.软件调试本系统的软件系统很大，全部用C51语言来编写，选用一般的伟福仿真器对C51进行调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统，最后完成一个完整的系统调试。主要是显示器实时显示功能的调试。3.软硬联调系统做好后，进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据，逐步校正数据，使测量结果更准确。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。5.3指标测试5.3.1测试仪器测试仪器见表4-1，所采用的仪器都必须满足一定的测量精度要求，否则将使测量结果失去实用价值。通常要求测量仪器的精度高于被测量仪器精度一个数量级，至少应高于3倍。根据系统设计任务书的要求逐一测试各项性能指标，并进行记录，给出测试结论。表5-1测试仪器清单编号名称型号1数字万用表HONGDADT92042单片机仿真器伟福E6000/L5.3.2主要模块测试1.行车指示灯电路的测试交通灯演示模块由16个LED发光管组成，接线繁琐，极易出错。检查二极管无故障、导线无断线、连线接头无互相搭联后可先写一个软件调试程序，依次检查东南西北方向的指示灯（发光二极管）是否点亮；若未点亮，则可能是连线接错。根据灯的亮灭情况依次查找直到电路正常工作为止。我们主要出现的是亮度不够的问题，调整电阻阻值，使其效果达到最佳。第27页共44页2.行人通行指示功能测试行人通行指示灯由16只LED发光管组成，它由从单片机单独控制，减轻了主单片机的负担，调试也更方便了。若单片机I/O口的驱动电流太小，LED灯不够亮，就必须加一个5V的电压，上拉电阻500左右即可。3.显示模块测试主要是指倒计时指示电路和状态显示模块的测试，将显示器与单片机I/O相连，编制一个简单的程序进行调试。各单元均调通后，进行整机联调：将各模块连接起来，逐个进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试，直至整个系统能够正常工作。5.3.3测试结果测试结果主要针对五个功能指标进行测试，第一个是对倒计时功能进行的测试；第二个是对交通灯行车指示功能进行测试；第三个是对人行道指示功能进行测试；第四个是对输入功能进行测试；第五个是对状态显示功能进行测试。测试结果见表4-2：表5-2测试结果测试内容测试指标实现情况倒计时功能十字路口要有数字倒计时显示，倒计时时间设为60秒，要求主、次干道通行时间以秒为单位作减计数，作为车辆等候时间提示。完成行车指示功能主干道每次放行40秒，用于车辆直线行驶，支干道每次放行20秒，用于车辆转弯行驶，每次绿灯1变为绿灯2和绿灯2变为红灯时黄灯先闪烁5秒(此时另一干道上的红灯不变)。完成人行道指示功能在四个路口设有人行道指示灯，行人通行时间为1分钟，行人通行指示灯选用红、绿LED发光管，绿灯亮表示可通行红灯亮表示禁止通行。完成输入功能1、行车通行时间设置功能，4095秒范围可调且步进为“5”。2、当东西或南北方向行车发生紧急情况时，具有控制交通灯处理功能。完成工作状态显示功能当设置行车通行时间时，通过它可以显示当前通行状态的设置时间。完成通过以上测试结果分析，可得出本设计完全符合设计的所有要求，实现了十字路口交通灯系统的设计。第28页共44页总结本设计是以单片机AT89C51为控制核心，以红、绿、黄三种LED发光管作为直行和左右拐弯以及行人通行的指示，以LED七段数码管作为倒计时指示，在此基础上增设了数码管实时显示通车时间状态，还可根据交通拥