道路交通灯控制设计说明书

1、25/33机电一体化强化训练单片机系统设计说明书 交通灯控制设计 院（系） 机电工程系 专 业 机械自动化 班 级 机械（10）班 学生XX 古彬 马云山 张伟雄 指导老师 姚超友 2012年06月12日华 南 理 工 大 学 广 州 学 院单 片 机 系 统 设 计 任 务 书兹发给 09级机械（10） 班学生 古彬 马云山 张伟雄 课程设计任务书，内容如下：设计题目：交通灯控制设计 应完成的项目：原理图设计 PCB图设计 电路板制作 程序编写 说明书一份 参考资料以与说明：姚超友.光电一体化强化训练实训教材单片机篇，M广东：华南理工大学广州学院，2011,9. 朱定华.单片机原理与接口技术

2、M：电子工业，2001，4. 王幸之，钟爱琴，王雷，王闪.AT89系列单片机原理与接口技术M.航空航天大学，2004,5. 韩志军，沈晋源，王振波.单片机应用系统设计入门向导与设计实例M：机械工业，2005，1. 本设计任务书于2012 年2月28日发出，应于2012年 6 月 15日前完成，然后进行答辩。 专业教研室、研究所负责人核实2012 年 6月 5日指导教师签发 2012 年 6 月 5 日课程设计评语：课程设计总评成绩：设计答辩负责人签字：年 月 日摘 要本设计详细介绍了“交通灯控制系统演示电路设计与研究”，在设计中，信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，

3、数码管开始倒计时，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。南北红灯亮维持46秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持26秒。南北绿灯亮维持40秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。周而复始。单片机控制系统程序采用单片机汇编语言进行编辑，经实践证明，该系统显示误差小，性能稳定，结构合理，扩展能力强。目 录TOC o 1-2 h z uHYPERLINK l

4、_Toc308003126摘要 PAGEREF _Toc308003126 h IHYPERLINK l _Toc308003127目录 PAGEREF _Toc308003127 h IIHYPERLINK l _Toc308003128绪论 PAGEREF _Toc308003128 h 1HYPERLINK l _Toc308003129第一章原理图设计与分析 PAGEREF _Toc308003129 h 2HYPERLINK l _Toc30800313011 硬件系统电路设计 PAGEREF _Toc308003130 h 2HYPERLINK l _Toc30800313112

5、元器件性能分析 PAGEREF _Toc308003131 h 6HYPERLINK l _Toc308003132第二章 PCB图设计与分析 PAGEREF _Toc308003132 h 10HYPERLINK l _Toc30800313321 PCB封装制作 PAGEREF _Toc308003133 h 10HYPERLINK l _Toc30800313422 PCB图设计 PAGEREF _Toc308003134 h 11HYPERLINK l _Toc308003135第三章电路板制作 PAGEREF _Toc308003135 h 13HYPERLINK l _Toc308

6、00313631 焊接前期 PAGEREF _Toc308003136 h 13HYPERLINK l _Toc30800313732 焊接过程 PAGEREF _Toc308003137 h 13HYPERLINK l _Toc30800313833 焊接后期 PAGEREF _Toc308003138 h 14HYPERLINK l _Toc308003139第四章程序编写 PAGEREF _Toc308003139 h 15HYPERLINK l _Toc30800314041 软件应用 PAGEREF _Toc308003140 h 15HYPERLINK l _Toc30800314

7、142 程序设计 PAGEREF _Toc308003141 h 16HYPERLINK l _Toc30800314243 下载调试 PAGEREF _Toc308003142 h 18HYPERLINK l _Toc30800314344 仿真调试 PAGEREF _Toc308003143 h 19HYPERLINK l _Toc308003144结束语 PAGEREF _Toc308003144 h 21HYPERLINK l _Toc308003145参考文献 PAGEREF _Toc308003145 h 23HYPERLINK l _Toc308003146附录 PAGEREF

8、_Toc308003146 h 24绪 论任务书设计题目：交通灯控制设计1）系统功能(1)在LED数码管上显示倒计时秒的时间(2)采用LED摸拟信号灯，信号灯分东西，南北二组，分别有“红”“黄”“绿”三种颜色。其工作状态由单片机程序控制，“启动”，“停止”按钮分别控制信号灯的启动和停止。“白天/黑夜”开关控制信号灯白天/黑夜转换。按下“启动”按钮开始工作，按下“停止”按钮停止工作，“白天/黑夜”开关按下闭合时为黑夜工作状态，断开时按时序控制图工作。2）系统硬件电路设计(1)单片机采用MCS51系列(2)键盘为44行列式键盘，按键设有启动，停止，白天，黑夜功能键。3）系统软件设计(1) 键盘管理

9、程序(包括键扫描、键处理程序)。(2) LED动态显示程序。(3)控制交通灯程序。注意：交通灯要预先焊接成交通十字路口模型。第一章 原理图设计与分析11 硬件系统电路设计本系统从经济性，电路结构，系统性能等多方面考虑，选用如下主要元器件：单片机AT89S521芯片作控制器、USB接口，六脚电源开关、四脚按钮开关、电阻510、有极电容10pF 、无极电容30pF、晶振12MHZ、排阻510、LED数码管、8050三极管、44行列式键盘集成件等。1电源电路本设计所需电源为直流五伏电压源，采用USB接口提供电源，1个六脚电源开关，一个1K的限流电阻，1个发光二极管，2个22pF的有极电容构成回路实现

10、电压源。电路如图1所示：2晶振电路一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路。电路如图2所示：图2 晶振电路3数码管显示电路根据任务要求，使用4个共阴LED数码管，通过一个510上拉排阻与三个8050NPN型号的三极管来驱动数码管的工作，并利用芯片AT89C52其中的三个I/O口进行对数码管的片选信号。电路如图3所示：4.键盘电路在本系统中，主机的数据和控制信号通过串口或键盘输入，为节省单片机I/O口，简化硬件线路，采用4*

11、3矩阵式键盘1。键盘共设有12个键，其中包括数字键和功能键。如图所示，由AT89C52的P1.0-P1.3四条行线和P1.5-P1.7三条列线构成。按键设置在行、列交点上，行。列线分别连接到按键开关两端，列线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键动作时，列线处于高电平状态，而当有键按下时，必须将行、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。键盘中有无键按下是由行线送入全扫描，用列线读列线状态来判断的。键盘中哪个键按下是逐行扫描低电平后，检查列输入状态来确定的。 12 元器件性能分析1芯片AT89C52在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51、AT89S51、AT8

12、9C52较实用。芯片AT89C52不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，均带有这些功能，写入单片机内的程序还可以进行加密，价格便宜，市场供应也很充足。元件如下图所示：2.数码管显示电路 如图所示，为两个从机的显示电路，本系统采用的是一位共阳极数码管作为显示器，当ag为低电平时，发光二极管点亮。其a、b、c、d、e、f、g、dp八个引脚分别接单片机的P2.0-P2.7，中间加一个330欧姆的限流电阻。19共9个数字，共阳极型LED的编码分别为: F9H、A4H、B0H、99H、92H、82H、F8H、80H

13、和90H。1.3软件程序设计(1).键盘程序设计1#2#灭789456123键盘扫描消抖延时有无键按下取键盘码功能键？功能键处理程序发送数据返回NYYN（2）.主机程序设计流程本系统选用12MHZ晶振，采用2400HZ波特率。程序流程如图4.9所示，其定时器串行口通信的初始化步骤如下： （1）确定串口工作于方式3，并允许接收对SCON寄存器送控制字C0H（SM0=1,SM1=1,REN=1）； （2）确定定时器T1工作于方式2对TMOD寄存器送控制字20H(M1=1,M0=0) （3）装入定时器T1的初值TH1=F3H,TL1=F3H； （4）启动定时器1TCON中的TR1位置1； （5）串行

14、口用中断方式收发数据，开CPU和源中断对IE寄存器送控制字90H(EA=1,ES=1)。第二章 PCB图设计与分析21 PCB封装制作本次任务的PCB图设计使用的是Altium Designer Winter 09版本软件，它是桌面环境下继Protel99之后，以设计管理和协作技术为核心的全方位印刷电路板设计系统，它集强大的设计能力，复杂工艺的可生产性和设计过程管理于一体，可完整实现电子产品从概念设计到生成物理生产数据的全过程，以与中间的所有分析，仿真和验证。整个过程包括以下几个步骤：PCB工程文件建立原理图文件建立和PCB图文件建立元件库的建立、元器件设计和原理图设计封装库的建立、封装制作和

15、PCB图设计 设计流程图对原理图生成网络表后，在PCB编辑环境下进行PCB图的设计与编辑了，在PCB环境下导入网络表，再设计好的图层进行布局、布铜、布线，最好进行打印出图。设计流程如下图所示：22 PCB图设计在原理图设计时，当调用元器件时，如果需要用到一些现存库中没有的元件，要对原理图设计软件包中的库做些补充，添加一些新的元件。以使原理图上的所有元件都能在库中找到。绘制完原理图需要对各个元件进行封装，一般器件封装库内都有相应的封装，没有适当的封装时应当自己进行封装图设计，并将该封装图设计调入封装库中，以便自己对元器件封装时可以用到。在原理图文件中，要将所有元器件导入PCB图中，点击在设计Up

16、date PCBDocument PCB1.Pcbdoc可对所设计的电路图进行检查与导入，不通过检查的话根据提示进行修改，例如没有接好线，封装不当，引脚定义设定不正确等，直到没有显示错误报警即可。1.布局要求板子尺寸：100X150双面覆铜板。首先在Mechanical层绘制出100X150的矩形框，再对原理图生成网络表后，就可以在PCB编辑环境下进行PCB图的设计与编辑了，在PCB环境下导入网络表，这时在PCB设计界面内将出现所有器件的封装图，将所有的元件拖入布线区进行手动布局调整。2.布线要求在所有器件布局好之后，设定好连线宽度与布线规则，一般使用自动布线命令全部指令进行自动布线即可，自动

17、布线之后再进行手工的修改调整。布线区域：在Top Lverlay层和Bottom Overlay层进行布线；安全距离：焊盘与焊盘之间、焊盘与线条之间的距离，设定为0.3mm；走线方向：垂直与水平，这两个方向的更换要用45度的过渡，这个过渡的长度不需要很大，但要要有，否则可能出现信号掉失现等现象；走线宽度：一般信号线0.3mm、电源线0.35mm。PCB布线如下图所示：3.布铜要求布铜要求就是将布铜区域定义为机械层的区域，不同的层为顶层与底层。PCB布铜如下图所示：图18 PCB布铜第三章 电路板制作31 焊接前期1.打磨因为原始的电路板铜板面上会沾有污渍与手印油污，所以要用360或500砂纸打

18、磨其表面，用水冲净，打磨后要求达到铜板面上的水能全部盖满即可，并且不要用手触摸打磨后冲净的板子，以免再次沾上手印油污，影响热转印。2.打印图纸将绘制好，并经检查无误的PCB电路图，打印到热转印纸上，打印后仔细检查纸上电路是否错漏断路现象，无误后供热转印使用。3.热转印电路图将打磨后的铜板放在刚打印出来的PCB电路图上面，调整好铜板位子，在用转印纸将铜板包好压实，以免PCB电路图没有完全覆盖在铜板上，然后把包好的铜板通过温度为135150度的热转印机，进行35次的重复热转印。最后将热转印好的铜板与转印纸分开，仔细检查所有含碳粉的电路图是否都转印到铜板上。4.腐蚀将热转印后检查无误的铜板放进腐蚀箱

19、里进行腐蚀，待铜板彻底腐蚀好之后，将铜板取出用清水清洗干净，在仔细检查铜板腐蚀是否干净，原先的PCB电路图是否到呈现在铜板上。5.钻孔将腐蚀好检查无误的电路板放在微型钻机进行钻孔，最好在焊盘较正中的位置钻孔，这样可较好保证在焊接元器件时，不会造成器件断路或虚焊。32 焊接过程焊接开始前必须清点好待焊接的元器件，并用万用表确保带焊接元器件没有损坏，清理好工作台面，准备好电烙铁、焊料、焊剂和镊子等必备的工具。本次焊接使用的是实心焊锡，松香助焊剂，首先保证电烙铁头处于“吃锡”状态，对于有污渍的引脚和有绝缘漆的线头必须要用小刀将其表面处理干净，这样便于焊接。在焊接操作中，如果养成将元器件预先上锡的良好

20、习惯，才会真正做好焊接的工作，最好所焊接出来的电路板才会符合要求。 33 焊接后期焊接后期主要是检测验收环节，方法多种。在通常条件下，则采用观察外观法、带松香重焊法和仪器检测法等。 1.外观观察检验法 一个焊点的焊接质量最主要的是要看它是否为虚焊，其次才是外观。个良好的焊点其表面应该光洁、明亮，不得有拉尖、起皱、鼓气泡、夹渣、出现麻点等现象；其焊料到被焊金属的过渡处应呈现圆滑流畅的浸润状凹曲面。用观察法检查焊点质量时最好使用一只35倍的放大镜，在放大镜下可以很清楚地观察到焊点表面焊锡与被焊物相接处的细节，而这里正是判断焊点质量的关键所在，焊料在冷却前是否曾经浸润金属表面，在放大镜下就会一目了然

21、。 2.带松香重焊检验法 检验一个焊点虚实真假最可靠的方法就是重新焊一下：用满带松香焊剂、缺少焊锡的烙铁重新熔融焊点，从旁边或下方撤走烙铁，若有虚焊，其焊锡一定都会被强大的表面张力收走，使虚焊处暴露无余。带松香重焊是最可靠的检验方法，同时多用此法还可以积累经验，提高用观察法检查焊点的准确性。 3.仪器检测法利用万用表检测电路板是否有短路现象，元器件与焊盘之间，元器件与电路之间是否存在虚焊，短路，断路，相关引脚固定等焊接缺陷，比较便利的检测方法，能准确、快捷地检测出是否出现问题，便于后续的修整工作。 第四章 程序编写41 软件应用本设计中源程序程序的编写与调试是在Keil u3.0集成环境uVi

22、sion中进行的。Keil能兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境uVision将这些部分组合在一起。1.新建工程文件。单击“Ptoject”菜单，在弹出的下拉菜单中选择“New Project”选项。然后选择你要保存的路径，输入工程的名字然后点击保存。这时会弹出一个对话框，要求你选择单片机的型号，根据你所用的单片机来选择，Keil几乎支持所有的51内核的单片机，在本设计中选择的是AT89C52。单击“F

23、ile”菜单，在下拉菜单中选择“New”，这时编辑窗口会出现一个Text1窗口，光标在该窗口中闪烁，首先保存该空白文档，单击菜单上的“File”， 在弹出的下拉菜单中选择“Save As”选项，在出现的对话框中键入欲使用的文件名并同时键入正确的后缀名(本设计中为.c)，然后保存。回到编辑界面后，单击“Target 1”前面的“+”，然后在“Source Group 1”上单击右键，在弹出菜单中选择“Add Files to Group Source Group 1”，选中设计所需要的源程序文件，然后单击“Add”，这时注意到“Source Group 1”文件夹中多了若干个子项，子项的多少跟所

24、增加的源程序的多少一样。这时就可以键入应用程序了。Keil会自动识别关键字，并以不同的颜色提醒用户加以注意，这样会使用户少犯错误，有利于提高编程效率。2.在线调试程序。在编写好程序之后，还要进行参数设置，device可更改单片机芯片的设置，target可设置晶振的数值，与单片机运行模式，output可编译并生成HEX文件输出，选项使程序编译后产生HEX代码，供下载器软件使用。debug是否在线仿真，还是直接生成hex文件，下载到单片机中；编译使用的三个功能：只对程序进行编译、对整个工程文件进行编译、整合以上两种编译功能；仿真操作，编译过后，若无问题可进行在线仿真，仿真前，需要将串口线连接到学习

25、板的串口（数据通信），USB接口连接到电脑（供电源），准备就绪即可在线调试。42 程序设计系统功能：1）系统功能(1)实现两台单片机之间的全双工通信(2)每一方都可以发送0偶的数字在本机显示，同时发送给对方显示。2）系统硬件电路设计(1)单片机采用MCS51系列(2)键盘为44行列式键盘，按键设有10个数字键09，和2个功能键依次是：输入确认键和发送键。(3)有6个LED管，显示输入的数字。3）系统软件设计(1) 键盘管理程序(包括键扫描、键处理程序)。(2) LED动态显示程序。(3)发送和接收程序。43 下载调试本设计中程序是单片机是AT89C52和Progisp(USB)编程器烧写的。该

26、软件编程器是一款操作简单、容易自制、容易扩充、非常稳定、灵活的ISP编程器、通过progisp对免驱动USB下载器进行在线升级、编写所有atmel的低压isp编程接口的avr单片机、自定义支持最新型号的芯片的编程、速下载、合progisp实现编程项目的工程化管理，支持hex文件，有重载的文件对话框，让你不必到处去找文件而且有热键支持，让我们调试程序时效率更高。图20 程序烧录页面设置打开软件后，选择好我们单片机的型号AT89C52，接着就是对软件进行擦除的操作，其次，调入需要下载的程序，调入Flash文件，最后，自动完成，软件会自动完成程序的下载过程。在程序烧写操作中，有可能出现连接掉失的情况

27、，这种种况最简单的操作方法是将下载器的USB线重新地拔插一次。将烧写好程序的芯片放到所设计的电路板上进行测试，通过反复地修改、下载、测试等，通过这样的循环不断地调试程序，最终实现我们本任务系统设计的要求。程序烧录页面设置如图20所示：44 仿真调试Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。该软件的特点是：1.实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机与其外围电路组

28、成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。2.支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以与各种外围芯片。3.提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。4.具有强大的原理图绘制功能。

29、Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图1-2所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。在模拟调试的之前，应当在在工作界面绘制好相应的仿真原理图，并在Keil C51 uVision2中生成编译得到的HEX文件，然后选中单片机AT899C52，左键点击AT89C52，在出现的对话框里点击Program File按钮，然后点击“OK”按钮就可以模拟了。点击模拟调试按钮的运行按钮 ，进人调试状态。我们还可以单步模拟调试，点击按钮，进人单步调试状态。在这个对话

30、框里。我们可以设置断点。在单步模拟调试状态下，点击菜单栏的“Debug”，点击Simulation Log会出现和模拟调试有关的信息：点击8051 CPU SFR Memory会出现特殊功能寄存器(SFR)窗口；点击8051 CPU Internal (IDATA)Memory出现数据寄存器窗口。比较有用的还是Watch Window窗口，在这里可以添加常用的寄存器。我们可发现无论在单步调试状态还是在全速调试状态，Watch Window的内容都会随着寄存器的变化而变化，这点是很有用的。结束语通过为期14周的单片机课程学习，在实验中心的老师们的指导下，我查阅了许多相关资料，综合运用了大学中所学

31、相关知识，基本上完成了交通灯控制设计。在此之间，也遇到了许多难题，通过自学、请教老师、请教同学、耐心思考、上网查询等方式，终于解决了一个又一个难题，完成了设计。此过程中，我受益颇丰。本次我们小组的任务是基于两个单片机之间的全双工通信，其基本的电路原理设计思路比较简单，条理清晰，并以AT89C52为主体控制芯片，根据要求扩展其他驱动电路，以求达到设计任务的要求。通过自身的努力，本次设计算是圆满结束，但是限于时间和能力等方面的限制，还存在一些不足之处，有待进一步完善。现总结如下：1.系统电路设计方面：电路通过对通用AT89C52单片机芯片，8255A扩展芯片，74LS373寄存器芯片等的理解，芯片

32、之间的连接与控制，常用元器件驱动电路设计，常用元器件的性能与使用，更好地掌握了一般单片机硬件电路系统设计与各款芯片的应用联系。2.软件掌握应用方面：硬件电路系统设计包括元件图、原理图、封装图和PCB图等使用的是Altium Designer Winter 09版本软件；源程序程序的编写与程序在线调试使用的是Keil u3.0版本软件；程序烧录下载与调试使用的是Progisp(USB)烧录器。整一个系统设计下来，对上述在本次单片机课程设计使用到的各种软件有了更深刻的理解与应用。3.电路板制作工艺方面：在硬件电路中，焊接是最后把关的一个重要环节。能否将元器件准确无误地焊接在电路板上，确保能够与铜板上的电路导通，就显得焊接技术的重要性了，因为是新手的缘故，加上本组制作的是双面覆铜板，在顶层与底层之间的过孔焊接技术最艰巨，稍有不慎，就会影响顶层与底层之间电路的连通，最终有不少的焊盘和引脚短接或断接了，最终影响了部分的显示功能，不过在焊接的工作当中，增强我们自身的动手能力。4.程序编写方面：在本系统所有硬件与电路都检查无误后，编写程序是本次系统设计最后成败的环节了。通过查阅大量相关的参考程序设计，专业书籍，标准手册、图册与网络电子资源，并通过小组全体成员的各方努力，最终编写出了本系统设计的主要程序代码，因为硬件电路在焊接过程中，出现个别无法弥补的缺陷，导致电路在驱动方