交通信号灯的设计单片机课程设计

1、郑州科技学院单片机课程设计题 目 交通信号灯的设计 学生姓名 李 康 专业班级 11电子科学与技术一班 学 号 201131007 院 （系） 电气工程学院 指导教师 朱小会 完成时间 2015 年 1月 9日 目 录前言11 课题方案设计31.1 系统总体设计要求31.2 系统的总体框图32 系统硬件设计42.1 总体设计42.2 单片机运行的最小系统42.2.1 系统时钟电路72.2.2 系统复位电路82.3 信号灯电路设计92.3.1 驱动电路92.3.2信号灯电路103 系统软件的设计123.1 主程序流程图123.2子程序流程图134 软硬件调试及调试结果164.1 软硬件调试中出现

2、的问题及解决措施164.1.1 硬件调试164.1.2 软件调试164.2 调试结果17结 论 19参考文献20附录1:单片机控制交通灯设计原理图21附录2:单片机控制交通灯设计实物图22附录3:Proteus仿真图23附录4:基于单片机的交通灯设计元器件目录24附录5:基于单片机的交通灯设计C语言程序清单25三号、黑体、1.5倍行距、段前0.5行、段后0.5行前 言 单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前的发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力

3、助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面： 1）单片机在智能仪表中的应用：单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 2）单片机在机电一体化中的应用：机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 3）单片机在实时控制中的应用:单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器

4、、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 4）单片机在分布式多机系统中的应用：在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。 5）单片机在人类生活中的应用自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器

5、配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。综合所述，单片机已成为计算机发展应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 6）由单片机控制的交通灯：随着现代社会的发展，和交通设施的日益健全，对交通的维持交通秩序的功能有了越来越高的要求，要求交通灯必须有一定的反馈功能，和计时功能。 1 课题方案设计单片机设计交通灯控制系统，

6、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数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。1.1 系统总体设计要求(1)东西路口的绿灯亮，南北路口的红灯亮，东西路口方向通车。2延时一段时间后，东西路口的绿灯熄灭，黄灯开始延时并开始闪烁，闪烁三 次后，东西路口的红灯亮，同时南北路口的绿灯亮，南北方向开始通车。3延时一段时间后，南北路口的绿灯熄灭，黄灯开始延时并开始闪烁，闪烁三 次后，再切换到东西路口方向。 4之后一直重复以上三步。1.2 系统的总体框图 系统的主要控制部分是单片机最小系统，由单片机最小系统通过驱动电路对三色 LED 灯进行控制。单片机内部

7、已存在写进去的程序，直流电源分别向单片机和驱动电路三色LED灯电路供电，使两个模块工作，进而使整个系统运行。 系统的总体框图如图 1-1 所示：直 流 电 源单片机最小系统驱 动 电 路三 色 LED 灯图1-1 系统的总体框图2 系统硬件设计2.1 总体设计 实现本设计要求的具体功能，可以选用 AT89C52 单片机及外围器件构成最 小控制系统，12个LED分成四组红黄绿三色灯构成信号灯指示模块。反相器 74LS04 构成驱动电路。2.2 单片机运行的最小系统AT89C52 引脚结构如图 2-2 所示：图2-1 AT89C52引脚结构单片机的最小系统由电源、晶振、复位、/EA=1组成，下面介

8、绍每一个组成部分引脚GND20接地端Vcc 40电源端（工作电压为5V）外接晶体引脚XTAL1 19、XTAL2 18 复位RST 9输入输出引脚 （1）P0端口 0.0-P0.7 P0 是一个8位漏极开路型双向I/O 口，端口置1,（对端口写1时作高阻抗输入端，作为输出口时能驱动8个TTL。 对内部 Flash 程序存储器编程时，接受指令字节；校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/ 数据总线访问期间内部的上拉电阻起作用。 （2）P1 端口P1.0-P1.7 P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。 输出时可驱动4

9、个TTL。 端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。 （3）P2 端口P2.0-P2.7 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。输出时可驱动 4 个 TTL， 端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash 程序存 储器编程时，接收高 8 位地址和控制信息。在访问外部程序和 16 位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访 问 8 位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 （4）P3 端口P3.0-P3.7 P3 一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。输出时

10、可驱动4个TTL。 端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对内部 Flash 程序存储器编程时，接控制信息。除此之外P3端口还用于一 些专门功能，具体功能如表 2-3：第二功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2/INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3/INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6/WR（外部数据存储器写选诵信号输出端）P3.7/WD（外部数据存储器读选诵信号输出端）表2-1 P3口特殊功能口2.2.1 系统时钟电路内

11、部时钟电路结构如图 2-2 所示。图2-2 内部时钟电路结构内部时钟是单片机的心脏，单片机的各功能部件的运行都是以时钟的频率为基准的。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟质量也直接影响单片机系统的稳定性。通常的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，一种是 外部 时钟方式。AT89C52 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益方向放大器，该高增 益方向放大器的输入端为芯片引脚 XTAL1，输出引脚为 XTAL2。使用外部振荡 器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。内部方式时，时钟 发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。晶振的频 率可

12、以再 1MHz-24MHz 内选择。电容取 30PF 左右。系统的时钟电路设计是采 用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89C52 单片机内部有一个用于 构成振荡器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输 入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自 激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器 的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振 荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此 系统电路的晶体振荡器的值为 12 MHz，电容应尽可能的选择陶瓷

13、电容，电容值 约为 22 F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装的与单片机芯 片靠近，以减小寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠工作。2.2.2 系统复位电路 （1）复位状态 在8051单片机中，只要在单片机的RST引脚上出现2个机器周期以上的高电平，单片机就实现了复位。单片机在复位后，从0000H地址开始执行指令。复位以后单片机的 P0P3 口输出高电平，且处于输入状态，SP（堆栈寄存器栈顶指针）的值为07H（因此，往往需要重新赋值，其余特殊功能寄存器和PC（程序计数器）都被清为0。复位不影响内部RAM的状态。 （2）复位电路 复位电路如图2-3 所示： 图2-3 单片机复位电路

14、单片机可靠的复位是保证单片机正常运行的关键因素。因此，在设计复位电路时，通常要使RST引脚保持10ms以上的高电平。当RST从高电平变为低电平之后，单 片机就从 0000H 地址开始执行程序。8051单片机通常都采用上电自动复位和开关复位两种方式。实际使用中，有些 外围芯片也需要复位，如8255 等。这些复位端的复位电平要求与单片机的复位要求 一致时，可以把它们连起来。在最小系统板上，提供了一个通用的复位电路，在使用该板之前，必须将该电路 与单片机联结起来。另外，还可以采用主板上的微处理器监控模块来控制复位脚，以便更加可靠地管理单片机的工作。2.3 信号灯电路设计2.3.1 驱动电路驱动部分采

15、用74LS05非门来对LED发光二极管进行驱动，当输入为高点平时， 输出为低电平。确保LED发光二极管的稳定性，能更有效地工作。74LS05 为六组反向 器，共有 54/7405、54/74H05、54/74S05、54/74LS05 四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如表2-2所示：型号tPLHtPHLPD5405/740512ns8ns60mW54H05/74H056ns6.5ns140mW54S05/74S053ns3ns113mW54LS05/74LS059ns10ns12mW 表2-2 74LS05的型号 74LS05引脚如图2-6所示：图2-4 74LS05引脚7引脚是接地端，

16、14引脚接+5V电源。剩余的12引脚组成6组反相器，A为输入，Y为输出。例如，1A端输入高电平，则1Y输出低电平。2.3.2信号灯电路 在设计交通灯时，采用了发光LED代替信号灯。先介绍一下LED。LED的工作原理是单向导通，即只有正极电压高于负极电压某个特定值时才会导通，而负极电压高于正极电压时是不会导通，发光LED 是一种特殊的二极管，导通 时会发光 （发光二级管导通压降一般为 1.7V-1.9V） 此外， 工作电流要满足 LED 的工作电流。发光 LED的正负极可以用万用表判断，把万用表拨至电阻档，用两个表笔分别接触 LED的两个引出脚，若发光 LED被点亮，则与红表笔相接触的引出脚为正

17、极。一般发光 LED 与 I/O 端口之间都会再连接一个电阻，其作用在于限制通过 二极管的电流，从而达到减小功耗和满足端口对最大电流的限制。在本次设计中，信号灯电路设计原理如图2-5所示：图2-5 信号灯电路原理阻值大小计算如下：所需阻值=（电压-LED 压降-I/O 电平）/电阻上的电流。经计算得出所需电阻大小为 200400。 信号灯电路具体连接方式如图 2-9 所示：图2-6 信号灯电路具体连接方式3 系统软件的设计3.1 主程序流程图 设交通等有四种工作方式： （1） 东西向绿灯与南北向红灯亮五秒； （2）东西向绿灯灭，黄灯闪烁五次； （3）东西向红灯与南北向绿灯亮五秒； （4）南北绿

18、灯灭，黄灯闪烁五次 。 主程序流程图如图 3-1 所示： 工作方式4工作方式3开始系统初始化工作方式1工作方式2 图3-1 主程序流程图单片机运行后，系统首先初始化，计数器清零，然后顺序执行方式一到方式四。方 式四执行完后，系统重新初始化，然后继续执行方式一到方式四，之后一直重复上述过程。3.2子程序流程图 子程序流程图如图 3-2 所示：返回计数器清零计数器清零初始化方式15秒到开始初始化方式2闪5次YNYN开始 返回 图3-2 子程序流程图 图3-3 子程序流程图 返回计数器清零返回计数器清零开始初始化方式35秒到开始初始化方式4闪5次Y N 图3-4 子程序流程图 图3-5 子程序流程图

19、4 软硬件调试及调试结果4.1 软硬件调试中出现的问题及解决措施 本次设计要进行软件仿真，所以采用 Keil 软件和 Proteus 软件联合调试， 具体过程可以概括为以下两点： 1） 在 Keil 软件上编写程序，编译生成 hex 文件； 2） 在 Proteus 上绘制原理图，把生成的 hex 文件添加到单片机中，点击运行 进行仿真。 4.1.1 硬件调试电路焊接好后，进行电路连通测试。先用万用表检测各个连接点，确保连 接点连接完好；再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象，要确保电路无 短路，否则有可能会烧坏元器件。用万用表检查完后，再进行上电检测。给板 加电，用万用表检测所有的连接点或

20、是器件的端口是否符合预计的电压值，最 后是联机检测。各芯片功能检测： 事先编号一段简易程序（程序要能体现芯片功能） ，将程序输入到硬件电 路的单片机中，观察各个芯片实现的功能是否正常运行，如能正常运行，说明 芯片没有损坏，芯片可以使用 。4.1.2 软件调试软件调试是通过对用户程序的连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除修正的过程。调试过程中，对程序实现的是分模块调试，先确认模块程序能够运行，再进行调试的整体调试，这样可以快速的检查出程序程序实现的功能与实体实际要求的区别，发现有区别也可以快速更改程序，直到程序能够实现设计要求。最后将各个模块组合后再调试程序，确保各功能模块能

21、够相同。 4.2 调试结果图4-1 东西方向绿灯，南北方向红灯：图4-1 调试结果图图4-2 东西方向黄灯闪烁： 图4-2 调试结果图 图4-3 南北方向绿灯，东西方向红灯：图4-3 调试结果图结 论在第一周的实习课程设计中，我首先对电路所实现的功能进行了分析，通过查找资料和分析，进行电路的初步设计，在此过程中，进一步熟悉了仿真软件和提高了使用软件的能力。在第二周的实习过程中，亲自动手制作电路板，其中包括电路的转印、腐蚀、打孔、焊接，通过实际练习，提高了自身的动手能力，从而进一步熟悉了电路的结构。当硬件电路完成之后,看着自己做的板子，我万分激动，很有成就感，可是当把程序输进去时，我傻眼了，因为

22、它完全没反应，我静下心，反复查看了线路，原来有一根线接错了，于是我赶紧修正过来。最后看着自己的作品，还是很欣慰的，虽然布局很乱，焊点很大，很不完美，但是也认真对待了，努力去解决问题了，明白了不能小看任何东西，一个小小的线头，都可能使整个板子瘫痪。更进一步认识到，日常生活中一个小小的电子产品背后都需要很大的付出。总之通过这次单片机课程设计，我提高了动手能力，也提高了分析问题与解决问题的能力，同时也学到了很多东西解决。由于能力有限电路只实现了基本功能，但是，这还是给了我很大的鼓舞，使我在以后学习中会更加的注重思考和锻炼思维方式的学习，我会努力的学习使自己的能力不断的提高。参考文献1 唐骏翟. 单片

23、机原理与应用M.北京：冶金工业出版社，2003.3 2 何利民. 单片机应用文集M.北京:北京航空航天大学出版社，19913 赵瑞鑫. 单片机原理及应用教程M.北京:机械工业出版社，2005.74 张毅刚. MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨:哈工大出版社，2004年第二版5 徐惠民、安德宁. 单片微型计算机原理接口与应用（第一版)M.北京:北京邮电大学出版社，1996 附录1：单片机控制交通灯设计原理图附录2：单片机控制交通灯设计实物图附录3：Proteus仿真图附录4：基于单片机的交通灯设计元器件目录元器件名称规格型号数量微处理器STC89C521个电阻10 K1个5106个发光LED红

24、灯4个绿灯4个黄灯4个电容30PF2个按钮1个电解电容10uF1个电源变压器220V/5V1个晶振12MHZ1个反相器74LS041个附录5 ：基于单片机的交通灯设计C语言程序清单#include<reg52.h> #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit RED_A=P00; / A 组为东西向指示灯sbit YELLOW_A=P01; sbit GREEN_A=P02; sbit RED_B=P03; /B 组为南北向指示灯sbit YELLOW_B=P04; sbit GREEN_B=P05; uchar Count=0,Flash_Count=0,Operation_Type=1; /软件计数器设置void T0_INT() interrupt 1 /T0中断程序 TH0=(65536-50000)/256; /设定初值 TL0=(65