交通信号灯自动控制系统设计报告doc

1、目录一 设计任务与要求二 方案设计论证与可行性分析三 单元电路设计四 参数计算五 安装与调试六 性能测试与分析心得七 参考文献八 元件清单附录1、 程序设计与分析2、 操作说明设计任务与要求1 任务十字路口交通信号指示系统示意图 设计并制作一个如上图所示的十字路口交通信号自动控制模拟指示系统。 设该路 口由 A、B 两条通行干道相交而成，四个路口各设一组红、黄、绿三色信号灯， 用两位数码管作倒计时显示。 十字路口交通信号模拟指示系统的工作流程如下图所示。十字路口交通信号模拟指示系统工作流程图2. 设计要求1 系统基本功能要求（1）以秒为计时单位，两位数码管以十进制递减计数形式作定时显示，在递减

2、 计数回零瞬间完成换灯操作。（2）通过键盘红、黄、绿三色信号灯所亮时间在 099 秒内任意设定。（3）十字路口的通行起始状态可人工设定，运行中可通过人工干预使十字路口 通行状况固定于任何一种工作模式。2 发挥部分（ 1）具有时间控制功能，交通信号灯工作时间： 05：0023：00；其余时间两 个干道上的黄色信号灯闪烁显示 ;（ 2）绿色信号灯倒计时最后 3 秒和黄色信号灯显示时闪烁显示。 （闪烁频率： 1Hz）;（3）其它功能。、方案设计论证与可行性分析2.1 硬件设计1）单片机预选用 51 系列，但没买到，选用了 AT89S52单片机，其内部带有 8KB 的程序存储器 ROM，设计时无需外接

3、程序存储器，为设计和调试带来极 大的方便。（2）键盘系统：设置 3 个程序按键：设置键、增加键、减少键，另需配置一 个非程序按键：系统复位键。（3）电源供电系统：本系统采用 220V电源供电，应设计相应的稳压电源电 路。但设计竞赛受时间和经费限制，也可采用现成的 5V 直流稳压电源供 电，这样可以节约设计时间、简化设计过程。（4）两个干道的红绿灯用发光二极管（红、黄、绿）显示（5）两个干道时间显示采用二位共阴数码管软件设计 ：（1）系统资源分配：为了便于程序的设计、阅读及修改，需要先对系统的存储 器资源进行分配和说明。（2）软件模块：根据上述工作流程和设计要求，软件设计可以分为以下几个功 能模

4、块：·主程序：初始化及键盘监控。 ·显示程序模块：完成 12个发光二极管的显示驱动和 4 个二位数码管显示。 ·键盘扫描程序模块：判断是否有键按下，并求取键号。·键处理程序模块：分别是“设置键”“增加键”“减少键”的处理子程 序。2.2 方案比较1）复位方式有两种： 按键复位与软件复位。 由考虑到程序的简洁， 避免冗长， 本设计采用按键复位， 在芯片的复位端口外接复位电路， 通过按键对单片机输入一个高电平脉冲，达到复位的目的2）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。

5、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。27S3S17S3S东西 道红灯亮红灯亮绿灯亮黄灯亮南北 道绿灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮上表说明：（1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道 为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。时间为 27 秒。（2）黄灯 3 秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁 止通过，行人通行。时间为 17 秒。（4）这样如上表的时间和红、 绿、黄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。2.3 软件

6、定时与硬件定时 本任务要求交通信号灯能实现自行定时、延时、切换等功能，即能实现交 通信号灯自动控制。 一般计算机控制系统实现定时或延时有两种基本方法： 利用 软件定时或使用可编程硬件芯片，即硬件定时。软件定时：即让机器执行一段程序， 这个程序没有具体的执行目的， 显然利用执行每条 指令 CPU所花费的时间， 可实现延时功能。 这种方法容易实现， 仅需选用恰当指 令并安排循环即可实现，定时时间调整方便，但不能做到精确定时。另外，时间 调整是以一条指令执行时间为基准，占用 CPU资源，降低 CPU利用率。 硬件定时：即使用可编程定时 / 计数器硬件芯片定时。这种芯片内部有一个可编程定时 器，其定时

7、值、 定时范围可以很容易地由软件程序改变， 定时时间到时可发出某 种形式的信号通知外设或 CPU。定时器的输出频率和波形等均由程序设定，因而 使用灵活，功能强。综合软、硬件定时的各种优缺点， 考虑到设计成本我们采用软件定时 （做成 品是可运用硬件定时）2.4 查询方式和中断方式定时时间到后各道路 LED灯要转换工作。实现这种转换有两种方式：查询 方式和中断方式查询方式：即 CPU在与外设传输数据（本设计为 P1、 P2.0-P2.3 数据传输给 52 单片机 控制交通灯转换） 前，一直不停检查外设状态， 当外设准备好时方传输数据， CPU 可传输数据，控制信号灯切换。中断方式：可以不让 CPU

8、主动去查询外设状态， 而是让外设在数据准备好 （定时时间到 后）之后再通知 CPU，CPU继而开始与外设交换数据控制外设工作。显然查询方式相比与中断方式， 使 CPU利用率大大降低， 因为 CPU要用大量 时间去执行状态查询程序。故本设计选用中断来实现 LED灯的转换。综上所述： 我们采用软件定时，利用中断来控制 LED灯工作的转换2.5 可行性分析（1）. 技术可行性技术可行性主要考虑的是使用现有的技术，能否能在预定的时间内实现 该系统的功能；所选择的技术是否先进，合理；在开发过程中存在哪些技 术难点，能否克服；参与开发系统的成员所能达到的技术水平；所实现系 统能否满足性能要求等。就本小组所

9、开发的交通灯控制系统来说，本系统主要采用了 LED 的内 在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。1 体积小LED 基本上是一块很小的晶片被装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常的 轻。2 耗电量低LED 耗电非常低，一般来说 LED 的工作电压是 2-3.6v ，工作电流是0.02-0.03a 。这就是说：它消耗的电能不超 0.1w ；但是它的照明亮度是传统光 源十多倍。3 使用寿命长在恰当的电流和电压下， LED 的使用寿命可达 10 万小时以上。（ 2）经济可行性经济可行性主要包括：“成本 - 效益”分析和“短期 -长期利益”分析。 “成本 - 效益”是估算软件开发

10、成本，系统交付后的运行维护成本及效益， 确定系统的经济效益是否能超过各项花费。“短期 - 长期利益”是分析该软 件的短期和长远利益，估算系统的整体经济效益是否满足要求。本小组所开发的单片机模拟交通灯控制系统是在所有项目中相对比较 简单的系统之一，所运用的技术含量相对较低，实验设备也相对较少，主 要运用了 8051 实验箱， LED发光二极管，复位系统设备及电源灯，相对成 本较低，而系统一旦开发出来，应用也比较广泛，也就是说“成本- 效益”比较完美。系统可在短期内完成，相对于其他较大系统的开发来说，开发 时间比较短，而应用时长久的，大部分都市的交通都不能少了交通灯的工 作。因此，在“短期 - 长

11、期利益”也是可行的。（ 3）操作可行性操作可行性主要是分析系的运行方式， 操作规程在用户组织内是否可以 有效，顺利实施等问题。本小组成员所开发的模拟交通灯控制系统是应用比较普遍的控制系统， 在大都市繁忙的街道交通中都少不了的。因此，只要系统开发出来后，在 各方面都核查并调试无误后，便可以投入使用。系统操作简单方便，便于 学习掌握。在操作上的可行性是相对较高的三、单元电路设计元件的整体分布图如下1.AT89S52引脚分布如下：装载、运行程序，从而控制各外设装置的运行情况。管脚分布图如上其中P1.0-P1.7、P2.0-P2.3为控制东西南北四个方向 LED 工作的引脚。 P0.0-P0.7为控制

12、共阴数码管 a、b、c、d、e、f、g、h 段工作的引脚。 P3.0-P3.2 为控制东西方 向和南北方向以及花灯闪烁时间的按钮引脚。 P2.4-P2.7 是控制外接数码管驱动器工作的引脚 。2. 无源晶振30 / 26接 XTAL1、 XTAL2使单片机选用内部振荡器为单片机提供工作频率CPU和内部其他部件处于一个确定的接复位引脚 RST，高电平有效。使中央处理器 初始状态。轻触开关接 P3.0-P3.2 引脚，控制通信时间模式的， 按 K1 一次进入调南北通行时间， 再 按一次 K1进入调东西通行时间，再按一次 K1 退出设定通行时间模式，进入设定通 行时间模式后按 K2 加 1，按 K3

13、 减 1。在正常模式下按 K2进入禁止南北通行模式，再按一下 K2 进入禁止东西通行模 式，再按一下 K2 退出。在正常模式下按 K3 进入紧急模式，再按一次 K3 进入夜间模式，再按一下 K3 退出。四、 排阻接单片机 P0.0-P0.7 引脚，为数码管提供工作所需的电压五、 数码管驱动因单片机的驱动电流有限，为驱动数码管正常工作，用三极管Q1-Q4来放大电流从而使数码管正常工作 。当单片机管脚处在低电平时，若不接入限流电阻，会致使电流过大，导致 LED 灯寿命减短，甚至损坏，因此需串连一个限流电阻。四、参数计算1. 内部时钟电路采用了晶振频率为 12MHz，选微调电容主要为了稳定振荡频率，

14、快速起振 的作用，在本电路中选用 33p.F 。2. 复位电路为了让单片机的中央处理器 CPU和内部其他部件处于一个确定的初始状态， 从这 个初始状态开始工作，在单片机复位时， RST 端出现持续连个机器周期的高电平， 由于本电路中采用了频率为 12MHz晶振，振荡周期 T=1/f=1/12M=0.0833us ，一个机 器周期为 12T=1us, 计算电容的充放电过程时间，要满足至少两个机器周期的高电 平，在本电路中选用了 22u.F 的电容。3. 二极管限流电阻因为二极管工作电流在 5m.A- 25m.A 范围，而其在正向导通时电阻很小，故在选 取二极管工作时的限流电阻时通过 R=U/I

15、来计算，得到限流电阻的大小在 200-1k 之间，并最终取 390.o4. 数码管工作时的上拉电阻因为采用了二位共阴数码管，其工作时电压应由 P0 口和三极管共同提供，并且 应保持约 1.6-2.4V 的压降，在选用 P0 口处的上拉电阻时，根据计算选用了 5ko 的 电阻。五、安装与调试安装过程：1 检查印刷电路板有无断路、短路，若有，首先处理好。2 焊接顺序：先焊单片机，在焊接各分块电路，先焊平面的，后焊立体的，原则 是有利于焊接。要求卧装水平、竖装垂直、相同元件等高。要特别注意元器件的 安装方向！3 焊接要点： 将元件整形后插入对应位置， 电路板平放在台面上， 一手握烙铁对 焊盘和引脚同

16、时接触预热， 另一手持焊锡丝与焊盘处烙铁接触， 使锡丝熔化， 当 锡丝熔化一定量时（多了不好少了不行），立即将锡丝离去，烙铁继续保持少许 时间，让焊锡围绕焊盘自由流动，形成一个完全覆盖焊盘的钟形（忌讳球形）焊 点。切勿将焊锡先溶化在烙铁上再去焊接， 这样锡丝里的助焊剂在未焊接前先挥 发了，不利于焊接，而且焊点没有光泽。4 剪脚：元件焊好后，将多余引脚剪掉，剪脚后的焊点应露出引脚 0.5-1mm 。本 课设要求引脚露出 2mm，以利于元件重复使用。5 检查各元件是否出现焊接错误情况以及短路、断路情况。6 将 5V 直流电源接入单片机以及其他各分模块电源端。若发现元器件发热或者 有异味，应立即切断

17、电源检查。7.正常电路 LED 灯以及数码管会工作在较为稳定、准确的状态，可据此来进一 步检测电路连接是否、存在问题调试中遇到的问题1完成后接上 +5V 直流电源发现数码管不工作， 经过仔细检查后发现数码管为 共阳数码管，应改为共阴数码管。2.更换成共阴数码管后，数码管能够工作但亮度不够，经测试分析，为上拉电 阻阻值过大，通过并联减小阻值，亮度加强。3. 接上电源后单片机和各元件都工作可 LED 灯以及数码管显示都很不稳定，时 常出现闪烁现象，后来通过排查发现可能是瓷片电容管脚于单片机相隔太远使 得单片机受干扰很严重所致。4. 调试过程中，电路只能实现要求的部分功能，分析所得为所编程序不完整，

18、 经修改后功能加强。六、性能测试与分析心得性能测试：经过细心调试， 在性能指标上， 我组所焊接的电路板能够实现要求的所有基本功 能：以秒为单位倒计时并在计时回零瞬间完成换灯、 在 0-99 秒内任意设定通行时间、 人工设定工作模式，并能实现发挥部分的两个功能。调试中，结合理论分析，各个 参数基本上处在正常的范围内。分析心得：通过这次设计竞赛， 使我得到了一次用专业知识、 专业技能分析和解决问题全 面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常 用编程设计思路技巧（特别是 C 语言）的掌握方面都能向前迈了一大步。本次设 计竞赛的过程是艰辛的，不过收获却是很大的。在设计过程

19、中，会出现了一些问题，但都是常见的小问题，如：代码中双引 号的使用并不是在英语书写状态下，输入字母出错等。在选用数码管时错误的用 了共阳数码管， 致使调试的失败， 经检查发现错误得以更换。 在调试时出现异常， 不过这些都是经常性错误，经过调试修改都一一解决，程序顺利完成，并实现了 其功能。设计竞赛让我把以前学习到的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知 识有了更进一步的理解和认识。 在此，由于自身能力有限， 在课程设计中碰到了 很多的问题， 我通过查阅相关书籍、 资料以及和周围同学交流。 在此过程中也深 深体会到团队合作的重要性和乐趣， 这也是每个人受益匪浅， 而这也将在今后的 学习、工作、

20、生活中有着不可估量的积极意义。由于使用的是单片机作为核心的控制元件， 使得电路的可靠性比较高， 功能 也比较强大， 而且可以随时的更新系统， 进行不同状态的组合。 但是在我们设计 和调试的过程中， 也发现了一些问题， 譬如红灯和绿灯的切换还不够迅速， 红绿 灯规则不效率还不是很高等等，这需要在实践中进一步完善。当然，通过这次课程设计，我也发现了自身的很多不足之处，在以后的学习 中，我会不断的完善自我。七 参考文献1 .谢维成、杨加国 单片机原理与应用及 c51 程序设计 .北京：清华大学出版社2. 阎石 .数字电子技术基础 .北京：高等教育出版社， 20063 .谭浩强 C 程序设计（第三版）

21、 .北京：清华大学出版社4 . 童诗白 模拟电子技术基础 .北京：清华大学出版社5. 王一群 怎样用电脑设计电子线路 福建 科学出版社6 . 王宏研，张鑫 电子综合设计实验教程 山东大学出版社7 . 陈永甫 .多功能集成电路 555经典应用实例第一集 .北京：电子工业出版社8 . 王新闲 .通用集成电路速查手册 .山东：山东科学出版社， 20059 . 崔瑞雪、张增良 .电子技术动手实践 .北京：北京航空航天出版社， 2007八元件清单序号规格型号单位（个）数量（个）单价（元）金额（元）1单片机 AT89S521772LED 灯（红、黄、绿）各4120.11.232 位共阴数码管4284轻触开

22、关40.10.45瓷片电容 33PF20.10.26电解电容 22uF10.10.17晶振 12MHZ10.50.58三极管 9013100.119铜柱40.31.210排阻10.30.311普通电阻200.010.212单孔中锡板16613彩排线1101014焊锡11010总价45.1 元附录LED1、程序设计与分析本程序主要有复位程序、 中断程序、延迟程序、 显示电路程序、灯控制程序、定时器工作程序和键盘扫描程序组成，具体分析如下：/ 将 AT89X52.h 头文件包含到主程序 /变量类型宏定义#include<AT89X52.h> #define uint unsigned

23、int #define uchar unsigned char#define data_bus P0#define shu 5char sn_num0=30,ew_num0=20;char sn_num,ew_num;uchar a=0,num=0,i=0,j=0,k=0;bit b=0;bit c=0;bit d=d;bit v=1;sbit sn_h=P27;sbit sn_l=P26;sbit ew_h=P25;sbit ew_l=P24;/ 定义数据口/ 定义全局变量/开始南北、东西干道初始值分别为30s、20s/ 定义位标志/ 定义数码管的位选口/ 定义 led 灯口sbit n_r

24、ed=P12; sbit n_yellow=P11;sbit n_green=P10;sbit s_red=P16;sbit s_yellow=P17;sbit s_green=P20;sbit e_red=P13; sbit e_yellow=P14;/ 定义键 *sbit w_red=P23; sbit w_yellow=P22;sbit k1=P32;sbit k2=P31;sbit k3=P30;uchar code num_table= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/ 定义显示段码uchar code num_t

25、able1= 0x00,0x71;/“ 0X00 ”表示什么都不显示，“ 0X71 ”显示 FF延时子函数 */* void delay(uint t)uint i,j;for(i=t;i>0;i-)for(j=120;j>0;j-); /*void timer0_init(bit t)TMOD=0x01;TH0=0x3c;TL0=0xb0;EA=1;ET0=1;TR0=t;定时器 1 初始化函数*/ 定时器 0 工作在方式 1/ 赋初值/ 开总中断/ 允许定时器 0 中断/ 为 1'启动定时器 0/* void timer0() interrupt 1 TH0=0x3c;

26、TL0=0xb0;num+;定时器 1 中断函数/ 重复初值 (50ms)*/if(num=10) d=d;if(sn_num<=shu|ew_num<=shu) c=c;if(num=20) / 定时 1 秒 ( 20*50ms) c=c;d=d; /c 取反用于黄灯和数码管闪烁 if(b=0)sn_num-;/ 南北通行时间减 1if(sn_num<0)b=1;sn_num=sn_num0;elseew_num-;/ 东西通行时间减 1if(ew_num<0)b=0;ew_num=ew_num0;num=0;/*显示函数 *void display(char sn_

27、n,char ew_n)uchar i;for(i=0;i<4;i+)switch(i)case 0:if(a=0)data_bus=num_tablesn_n/10;else if(a=1)data_bus=num_tablesn_n/10;else if(a=2)data_bus=num_table10;elseif(c=0) data_bus=num_table11; else/数码管 1 显示南北通行时间的十位/数码管 1 显示南北通行时间的个位/ 数码管 1 不显示/数码管 1 显示 Fdata_bus=num_table10;ew_h=0; / 关其他的三个数码管ew_l=0

28、;sn_l=0;sn_h=1;/ 开数码管 1break;case 1:/数码管 2 显示南北通行时间的个位if(a=0)data_bus=num_tablesn_n%10;else if(a=1) data_bus=num_tablesn_n%10;else if(a=2)data_bus=num_table10;elseif(c=0)data_bus=num_table11;else data_bus=num_table10;ew_h=0;ew_l=0;sn_h=0;sn_l=1;break;case 2:if(a=0)data_bus=num_tableew_n/10;/ 数码管 3 显

29、示东西通行时间的十位else if(a=1)data_bus=num_table10;else if(a=2)data_bus=num_tableew_n/10;elseif(c=0) data_bus=num_table11;else data_bus=num_table10;sn_h=0;sn_l=0;ew_l=0;ew_h=1;break;case 3:if(a=0)data_bus=num_tableew_n%10; / 数码管 4 显示东西通行时间的个位 else if(a=1)data_bus=num_table10;else if(a=2)data_bus=num_tableew

30、_n%10;elseif(c=0) data_bus=num_table11;else data_bus=num_table10; sn_h=0;sn_l=0; ew_h=0;ew_l=1; break; delay(3);键盘扫描函数 */*void keyscan()if(k1=0)/ 键盘消抖delay(10); if(k1=0) TR0=0; / 关定时器 0 v=0;/ 标志位 v 赋 0，v 为 0 时 K2K3 实现时间的加减功能i+;if(i>2)v=1; / 标志位 v 赋 1， v 为 1 时 K2K3 实现强制南北、强制东西、紧急、夜 间功能TR0=1; / 开定时

31、器 0i=0;sn_num=sn_num0; / 存储调节好的时间供调节返回后立即从设定好的值执行 ew_num=ew_num0;switch(i) / 选择显示模式case 0:a=0;break;case 1:a=1;break;case 2:a=2;break;default:break; while(k1=0);delay(10);if(k2=0) delay(10); if(k2=0) if(v=0) if(a=1) / 通行时间加 sn_num0+;if(sn_num0>99) sn_num0=99; if(a=2) ew_num0+;if(ew_num0>99) ew

32、_num0=99;if(v=1) / 进入禁止南北、禁止东西通行模式 j+; if(j=0) a=0; else if(j=1) a=3; else if(j=2) a=4; else a=0; j=0; sn_num=sn_num0; ew_num=ew_num0; while(k2=0); delay(10); if(k3=0) delay(10);if(k3=0)if(v=0)if(a=1) / 通行时间加sn_num0-;if(sn_num0<0)sn_num0=0;if(a=2)ew_num0-;if(ew_num0<0)ew_num0=0;if(v=1) / 进入紧急、

33、夜间通行模式k+;if(k=0)a=0;else if(k=1)a=5;else if(k=2)a=6;elsea=0;k=0;sn_num=sn_num0; ew_num=ew_num0; while(k3=0);delay(10);控制函数 *void cotrol_led()if(a=0)/第一状态，南北干道路绿灯亮，东西干道红灯亮if(b=0)s_red=1;n_red=1;e_yellow=1; w_yellow=1;/ 关东西黄灯e_green=1;/关东西绿灯w_green=1;n_green=0;/ 开南北绿灯s_green=0;if(sn_num>shu)s_yello

34、w=1;/ 时间大于 shu 时/ 关南北黄灯n_yellow=1;e_red=0;/ 开东西红灯w_red=0;if(sn_num<=hu) / 第二状态，当 sn_num =4s 时，南北干道绿灯灭， 黄灯每隔一秒亮一次，至零为止n_green=1;s_green=1;/ 关南北绿灯if(c=1) / 南北黄灯闪烁s_yellow=1;n_yellow=1;elses_yellow=0;n_yellow=0;display(sn_num,sn_num);/ 显示南北通行时间 e_red=1; w_red=1;if(b=1)/第三状态，南北干道路红灯亮，东西干道绿灯亮s_yellow=

35、1; n_yellow=1;n_green=1;s_green=1;e_green=0; w_green=0;if(ew_num>shu)e_yellow=1;w_yellow=1;s_red=0;n_red=0; if(ew_num<=shu) / 第四状态，当 ew_num =4s 时，东西干道绿灯灭，黄灯 每隔一秒亮一次，至零为止e_green=1;w_green=1;if(c=1)e_yellow=1;w_yellow=1;elsee_yellow=0;w_yellow=0;display(ew_num,ew_num); / 显示东西通行时间elseif(a=1)n_red

36、=1; / 设定时间时关闭所有灯 n_yellow=1;n_green=1;s_red=1; s_yellow=1; s_green=1;e_red=1; e_yellow=1; e_green=1;w_red=1; w_yellow=1; w_green=1;display(sn_num0,sn_num0); / 显示设定的南北时间 if(a=2)/ 设定时间时关闭所有灯n_red=1; n_yellow=1; n_green=1;s_red=1; s_yellow=1; s_green=1;e_red=1; e_yellow=1; e_green=1;w_red=1; w_yellow=1