简易交通灯控制逻辑电路设计.docx
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简易交通灯控制逻辑电路设计
电子技术课程设计报告
题目：
简易交通灯控制逻辑电路设计
学生：
学生学号：
年级：
2014级
专业：
自动化
班级：
（1）班
指导教师：
机械与电气工程学院制
2017年5月
简易交通灯控制逻辑电路设计
机械与电气工程学院自动化专业
1设计的任务与要求
1.1课程设计的任务
本系统由单片机系统、数码管显示、交通灯显示系统组成。
系统除基本的交通功能外，还具有倒计时。
东西、南北两个干道交于一个十字路口，各干道有一组红、绿、黄三色的指示灯。
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。
1.2课程设计的要求
本次课程设计实现的交通灯是带有额外的功能，预期实现的主要功能如下。
（1）具有时间显示功能，就是数码管倒计时功能；
（2）红绿灯具有两种状态，南北直行，东西直行；
（3）具有模式转换功能，切换到不同状态，交通灯通行时间不一样；
程序开始运行先南北段通行、东西段禁止60s，后东西段通行、南北段禁止60s，依此循环。
系统分三种工作模式：
正常模式、繁忙模式、特殊模式，并且通过三个按钮“正常”、“繁忙”、“特殊”可相互转化。
正常模式：
直行时间显示数码管显示60。
此时南北段直行通行（绿灯）、东西段禁止（红灯）60s，倒计时到3s时，黄灯亮，提醒人们注意了。
然后是东西段通行（绿灯），南北段禁行（红灯），一直循环下去。
繁忙模式：
南北段、东西段的通行时间改为30s，其它与正常模式类似。
特殊模式：
特殊模式红灯全亮，倒计时20s，到最后3秒黄灯闪3次后并转入正常模式。
2简易交通灯控制逻辑电路设计方案制定
2.1简易交通灯控制逻辑电路设计的原理
系统上电或手动复位之后，系统先显示状态灯及LED数码管，将状态码值送显P1口，将要显示的时间值的个位和十位分别送显P0口，在此同时用软件方法计时1秒，到达1s就要将时间值减1，刷新LED数码管。
时间到达一个状态所要全部时间，则要进行下一状态判断及衔接，并装入次状态的相应状态码值以及时间值，当然，还要开启两个外部中断，其一为紧急情况处理中断，一旦信号有效，即K键为低电平时进入中断服务子程序，东西南北路口的保持现有通行状态，再按一下Ｋ键，中断结束返回。
其二为通行时间调整中断，若按键有效，进入相应的中断子程序，对时间进行调整，可延长或减少某一路段的通行时间，此后再按键则中断结束返回。
2.2简易交通灯控制逻辑电路设计的技术方案
图1简易交通灯硬件框图
图2总程序流程图
图3定时器中断的流程图图4外部中断0的中断流程图
3简易交通灯控制逻辑电路设计方案实施
3.1复位电路
单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。
当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。
复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。
具体数值可以由RC电路计算出时间常数。
复位电路由手动复位和上电复位两部分组成。
上电复位电路要求接通电源后，通过外部电容充电来实现单片机自动复位操作。
上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。
RERST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。
手动复位：
手动复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。
单片机复位期间不产生ALE和PSEN信号，即ALE=1和PSEN=1。
这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。
图5复位电路
3.2振荡电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
单片机的时钟电路设计有两种
方式，一种是部时钟方式，一种是外部时钟方式。
在部时钟方式下单片机部的高增益、反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的外部晶体管振荡器与电容组成的并联谐振回路构成一个稳定的自激振荡器，向部时钟电路提供振荡时钟。
震荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率。
MCS-51单片机的晶体振荡频率可以在1-12MHz围选择，电容C1、C2的选择围是15-45pF，电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振速度。
外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机。
此方式常用于多片单片机同时工作，以便于各单片机的同步。
一般要求外部信号高电平的持续时间大于20μs，且为频率低于12MHz的方波。
本设计采用部时钟方式，采用12MHz的晶振和两个22pF的电容。
图6振荡电路
图7最小系统
3.3LED显示器
LED显示器由七个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器，此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。
通过七段发光二极管的不同组合，可以显示多种数字、字母或者其他符号。
LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法。
如图3-3所示。
（1）共阳极接法把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接+5V。
这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。
（2）共阴极接法把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接
地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。
此设计用共阴级的2位数码管。
图8LED引脚图及两种接法
LED显示分为动态显示和静态显示：
（1）静态显示，是指显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。
这种显示方法每一位都需要有一个8位输出控口控制，占用硬件资源多，一般用于显示位数较少场合。
静态显示时，较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度，所以可由接口芯片直接驱动。
（2）动态显示，是一位一位地轮流点亮各位数码管。
对于多位LED显示器的接口电路来说，需要有两个输出口：
各位数码管的段控线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制，还学要一个输出口输出位控制信号，“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器个数相同。
这种电路的特点是节省I/O口线，硬件电路相对静态显示方式简单。
动态显示方式的硬件电路简单，动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式，利用人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短，发光的亮度等因素。
静态显示程序简单，且CPU占用率低，但每个LED数码管需要一个锁存器来锁存每一个显示位的代码，硬件开销大，仅适合显示位数较少的场合。
本设计采用两个二位一体共阴数码管，不管将几位数码管连在一起，数码管的显示原理都是一样的，用P0口来控制LED数码管的段控线和和利用P2口控制位控线，动态显示采用动态扫描的方法进行显示及循环点亮每一个数码管，虽然任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在暂留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。
图9二位数码管
3.4发光二极管模拟红绿灯
它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。
图10启动与停止电路
3.5按键模块
程序开始运行先南北段通行、东西段禁止60s，后东西段通行、南北段禁止60s，依此循环。
系统分三种工作模式：
正常模式、繁忙模式、特殊模式，并且通过三个按钮“正常”、“繁忙”、“特殊”可相互转化。
这里用到了二极管做开关，是为了防止有一按键被按下3根线同时低，中断无效。
二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。
利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。
图11按键电路
3.7电子秒表系统电路图
图12简易交通灯控制逻辑电路总电路图
3.8元器件清单
表1实验原器件清单表
序号
编号
名称
型号/参数
数量
1
U1
STC89C52单片机
AT89C52
1
2
无
七段两位数码管
7SEG-MAX2-CC
1
3
D9、D12、D15、D18
D7、D11、D14、D16
红、黄交通灯
LED-RED
LED-YELLOW
各4个
4
D4、D5、D6、D7、D10、D13、D16
绿发光二极管
LED-GREEN
7
5
D1、D2、D3
普通二极管
DIDOE
3
6
R1-R17
电阻
RES/220
17
7
C3
有极性电容
CAP-ELEC
1
8
C1、C2
普通电容
CAP/22pF
2
9
无
按键
BUTTON
4
10
X1
晶振
CRYSTAL
1
11
RP1
排阻
RESPACK-8
1
4简易交通灯控制逻辑电路的仿真实现
4.1仿真软件介绍
4.1.1STC89C52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。
功能:
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种软件可选择节点模式。
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容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，指导下一个中断或硬件复位为止。
4.1.2C语言介绍
C语言是一种通用的计算机程序设计语言，它既可以用来编写计算机的系统程序也可以用来编写一般的应用程序。
以前计算机的系统软件主要用汇编语言编写，单片机应用系统更是如此。
由于汇编语言程序的可读性和可移植性都较差，采用汇编语言编写单片机应用程序不但周期长，而且调试和排错也比较困难，为了提高单片机应用程序的开发效率，改善程序的可读性和可移植性，采用高级语言无疑是一种最好的选择。
C语言既具有一般高级语言的特点，又能直接对计算机的硬件进行操作，表达和运算能力也较强，许多以前只能采用汇编语言来解决的问题现在都可以用C语言来解决。
综上所述，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，故本课题采用C语言实现软件功能。
4.1.3KeiluVision4介绍
本课题采用KeiluVision4软件开发系统，KeiluVision4是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
KeiluVision4是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境（IDE），该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。
除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uVision4还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。
此外其置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。
uVision4提供逻辑分析器，可监控基于MCU的I/O引脚和外设状态变化下的程序变量。
4.1.4Proteus仿真器介绍
Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。
可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，...）。
Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。
因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。
对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。
4.2简易交通灯控制逻辑电路仿真实现
本设计是一款的多功能交通灯，采用STC89C52单片机为核心，2位LED数码管显示，本设计采用模块化的设计方法，硬件设计包括单片机模块、显示模块、发光二极管模块、相关控制模块等的模块化设计与制作；整个设计过程是硬件和软件相结合的，并采用C语言编写实现。
根据要求用单片机对其进行控制，取得了以下研究成果：
（1）控制系统接线图
（2）控制系统工作原理的阐述
（3）硬件电路的完成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，达到了预期设计要求的结果，实现了交通灯3个状态的转化，数码管的倒计时功能，和特殊情况下的交通灯的变化。
图13简易交通灯控制逻辑电路仿真结果图
5总结及心得体会
经过两周的努力工作，终于完成了简易交通灯控制逻辑电路的课程设计。
虽然设计仿真调试的过程很艰辛，但结果还是好的，看到仿真结果出来，看到交通灯的循环闪烁，心情顿时好起来，调试过程中的种种怨言都没有了。
这次课程设计主要是软件仿真，由于器材有限就没有弄硬件部分。
在软件的设计与调试过程中，我觉得它主要考验你的思维逻辑能力及你对指令的熟悉程度。
可以说再整个软件设计过程中，我感觉又重新学了一次单片机，在学习的过程中不仅学会了延时的两种方法，即软件延时和硬件延时，还掌握数码管的两种显示方式（即动态显示与静态显示）及其如何选择。
通过几次反复调试过程，使得我对c语言有了更深刻的理解。
同时在整个课程设计过程我还学会熟练使用Keil、proteus等软件，对我在今后的学习中会有很大的帮助。
我对这个课程设计课有着深刻的体会：
要想做好这个课程设计，就必须认认真真地去做，不要怕麻烦，遇到不懂的问题就要主动去问同学或者老师。
最后我希望课程设计课能够再多一点给我们提供动手的机会，并让我们多点发挥主观能动性和创造能力，这样可以在学到东西的同时又能发散大家的思维。
总之，通过这次练习我有了很多收获。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了动手能力。
6参考文献
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清华大学，2014年
[2]来清编,手把手教你学CAN总线,[M]：
航空航天大学，2010年
[3]齐、朱宁西主编,单片机应用系统设计技术第3版,[M]：
电子工业,2015年
[4]郭天祥主编,51单片机C语言教程：
入门、提高、开发、拓展全攻略,电子工业,2012年
[5]谭浩强主编,C程序设计第4版,清华大学,2015年
[6]黄继昌,电子元器件应用手册[M],人民邮电出版.2004
[7]齐,单片机原理及应用:
基于Proteus和KeilC第2版,电子工业,2013
[8]王琰琰，唐功友,实时控制交通信号机的设计与实现,中国海洋大学,2010
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[11]肖业伟，郭雪峰，黄辉先.盘宏斌,自适应的智能交通信号机系统设计,[M]：
电子工业，2009
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年月日
答辩过程及评价
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