交通灯模拟控制系统设计.docx
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交通灯模拟控制系统设计
学号
XX城建大学
实习报告
（生产实习）
起止日期：
2014年6月16日至2014年7月11日
学生XX
班级
成绩
指导教师（签字）
计算机与信息工程学院
2014年7月11日
XX城建大学
生产实习任务书
2013—2014学年第2学期
设计题目：
交通灯模拟控制系统设计
完成期限：
自2014年6月23日至2014年7月3日共2周
设计依据、要求及主要内容：
一．实习的目的
1.进一步熟悉和掌握单片机系统设计和编程原理。
2.掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性、控制方法。
3.通过设计，掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术。
4.通过实际程序设计和调试，掌握模块化程序设计方法和调试技术。
5.通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，了解开发单片机应用系统的全过程，为今后从事相应开发打下基础。
二．实习的基本要求
1.认真认识设计的意义，掌握设计工作程序，学会使用工具书和技术参考资料，并培养科学的设计思想和良好的设计作风。
2.提高模型建立和设计能力，学会应用相关设计资料进行设计计算的方法。
3.提高独立分析、解决问题的能力，逐步增强实际应用训练。
4.设计的说明书要求简洁、通顺，电路图内容完整、清楚、规X。
三．实习主要内容
a）设计实现功能
STC12C5A60S2（引脚排序及基本功能同AT89S51）作为主控芯片，设计利用交通灯扩展电路实现十字路口交通灯控制系统，系统要求：
1.系统运行时，模拟十字路口交通灯变化。
2.按键调整当前路口红灯，绿灯时间
3.可预置为禁行模式，即全部为红灯禁止通行状态。
b）原理图设计
1.原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。
2.图中所使用的元器件要合理选用，电阻、电容等器件的参数要正确标明。
3.原理图要完整，CPU、外围器件、外扩接口、输入/输出装置要一应俱全。
c）程序调计
1.根据要求，将总体功能分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。
2.根据总体要求及分解的功能模块，确定各功能模块之间的关系，设计出完整的程序流程图。
d）程序调试
1.编写相关程序，并进行仿真。
2.将程序下载到单片机，进行运行调试。
e）设计说明书
1.原理图设计说明
简要说明设计目的，原理图中所使用的元器件功能及在图中的作用，各器件的工作过程及顺序。
2.程序设计说明
对程序设计总体功能及结构进行说明，对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述。
3.画出工作原理图，程序流程图并给出相应的程序清单。
第一章元器件、电路介绍
1.1电阻
色环标示主要应用圆柱型的电阻器上，如：
碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、保险丝电阻、线绕电阻。
在早期，一般当电阻的表面不足以用数字表示法时，就会用色环标示法来表示电阻的阻值、公差、规格。
主要分两部分。
第一部分：
靠近电阻前端的一组是用来表示阻值。
两位有效数的电阻值，用前三个色环来代表其阻值，如：
39Ω，39KΩ，39MΩ。
三位有效数的电阻值，用前四个色环来代表其阻值，如：
69.8Ω，698Ω，69.8KΩ，一般用于精密电阻的表示。
第二部分：
靠近电阻后端的一条色环用来代表公差精度。
第一部分的每一条色环都是等距，自成一组，容易和第二部分的色环区分。
三色环电阻：
第一色环是十位数，第二色环是个位数，第三色环代表倍率。
四色环电阻：
第一、二环分别代表两位有效数的阻值；第三环代表倍率；第四环代表误差。
五色环电阻：
第一、二、三环分别代表三位有效数的阻值；第四环代表倍率；第五环代表误差。
如果第五条色环为黑色，一般用来表示为绕线电阻器，第五条色环如为白色，一般用来表示为保险丝电阻器。
如果电阻体只有中间一条黑色的色环，则代表此电阻为零欧姆电阻。
六色环电阻：
六色环电阻前五色环与五色环电阻表示方法一样，第六色环表示该电阻的温度系数。
图1-1色环电阻
色环电阻识别技巧：
技巧1：
先找标志误差的色环，从而排定色环顺序。
最常用的表示电阻误差的颜色是：
金、银、棕，尤其是金环和银环，一般绝少用做电阻色环的第一环，所以在电阻上只要有金环和银环，就可以基本认定这是色环电阻的最末一环。
技巧2：
棕色环是否是误差标志的判别。
棕色环既常用做误差环，又常作为有效数字环，且常常在第一环和最末一环中同时出现，使人很难识别谁是第一环。
在实践中，可以按照色环之间的间隔加以判别：
比如对于一个五道色环的电阻而言，第五环和第四环之间的间隔比第一环和第二环之间的间隔要宽一些，据此可判定色环的排列顺序。
技巧3：
在仅靠色环间距还无法判定色环顺序的情况下，还可以利用电阻的生产序列值来加以判别。
比如有一个电阻的色环读序是：
棕、黑、黑、黄、棕，其值为：
100×10000=1MΩ误差为1%，属于正常的电阻系列值，若是反顺序读：
棕、黄、黑、黑、棕，其值为140×1Ω=140Ω，误差为1%。
显然按照后一种排序所读出的电阻值，在电阻的生产系列中是没有的，故后一种色环顺序是不对的。
表1-1色环识别表
银
金
黑
棕
红
橙
黄
绿
蓝
紫
灰
白
无
有效数字
—
—
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
—
数量级
10^-2
10^-1
10^0
10^1
10^2
10^3
10^4
10^5
10^6
10^7
10^8
10^9
—
允许偏差（%）
±10
±5
—
±1
±2
—
—
±0.5
±0.25
±0.1
±0.05
—
±20
温度关系/（×10/℃）
—
—
—
100
50
15
25
—
10
5
—
1
—
1.2电容
电容分直标法、色标法和数标法3种。
电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：
毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。
没有极性，没有数字标示。
1.3电感
电感线圈是将绝缘的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。
直流可通过线圈,直流电阻就是导线本身的电阻,压降很小;当交流信号通过线圈时,线圈两端将会产生自感电动势,自感电动势的方向与外加电压的方向相反,阻碍交流的通过,所以电感的特性是通直流阻交流,频率越高,线圈阻抗越大。
电感在电路中可与电容组成振荡电路。
电感一般有直标法和色标法,色标法与电阻类似。
如：
棕、黑、金、金表示1uH（误差5%）的电感。
电感的基本单位为：
亨（H）
1.4极性元件识别
二极管：
二极管的识别，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。
发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。
图1-2二极管
三级管：
晶体三极管（简称三极管）是内部含有2个PN结，并且具有放大能力的特殊器件。
其中三极分别为基极、集电极、发射极。
它分NPN型和PNP型两种类型，这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。
三极管基极、集电极、发射极判定方法：
（a）判定基极。
用万用表R×100或R×1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。
当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。
这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。
黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子为PNP型三极管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管如9013，9014,9018。
（b）判定三极管集电极c和发射极e。
（以PNP型三极管为例）将万用表置于R×100或R×1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。
在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。
图1-3三极管
电解电容：
代号：
E/C；极性：
本体上标有“+”、“-”字样。
一般黑色记号边为负极。
1.5发射电路工作原理
由QI,Lrl（U形印刷线）,Cr1,C1,C2构成射频振荡发射电路，通过调节Crl将发射频率控制在250MHz-300MHzX围内（一般选250MHz），在这一频率X围内，可使外界干扰信号降到最小，有利于发射性能的提高。
Q2,Q3,X1等元件组成门铃控制信号振荡器，X1一般选用频率为32.768kHz的电子表所用石英晶体。
按下微动开关ANI，由Q2,Q3,X1产生的低频门铃控制信号，经R3加到QI基极，对射频振荡发射电路进行“幅度键控”调制辐射，红色LED点亮；断开AN1电路因断电而无射频辐射。
发射器采用9V叠层电池供电，由Q4,Q5组成稳压电路，将工作电压稳压在3.73V（实测值），以保证发射器不受电池电压降低的影响。
图1-4发射电路原理图
1.6接收电路工作原理
由QI、Lrl,Cr1,C4等组成超再生接收电路。
Lrl（用中0.9mm漆包线绕制）、Crl是确定高频振荡频率的谐振回路，当天线接收到的由发射器辐射出来的载波信号时，谐振电路与其发生谐振，并由C4形成正反馈，因而在电路两端产生很高的电压。
由L1（高频扼流圈）、R2,C2等组成低频振荡，产生熄灭（又称淬灭、淬熄）电压，使高频振荡处于间歇工作状态。
在该电路中高频振荡和熄灭电压由同一个晶体管Q1完成，所以这种超再生接收电路被称为“自熄式”超再生接收电路，广泛应用于无线遥控小家电之中。
由超再生电路接收并检波解调出来的门铃控制信号，经R3、C6滤波（主要抑制超再生接收电路特有的“沙沙”噪声），再经C13藕合加到IC1①脚。
IC1为六反相器CD4069，微弱的门铃控制信号先由FI,F2,F3组成的三级高增益放大器放大，其中R19、R20、R21为反馈电阻同时又起偏置作用，将CMOS反相器的工作点偏置在高低电平转换曲线阂值附近，利用阂值点附近的一段线性区，使数字集成电路在特殊条件下能够对小信号进行线性放大。
在门铃控制信号得到高倍放大的同时，一些杂波信号同样也得到高倍放大，将对接收电路形成干扰，为此设一级X1晶体选频（稳频），滤掉干扰信号，并且加一级由F4,R18,D2组成的整形电路，对门铃控制信号进行整形，再经F5、F6并联缓冲输出，最后经R17加至IC2⑥脚。
IC2型号HT2810D，是能够发出“叮咚”响声的专用门铃音乐芯片，⑥脚为触发端，③脚为输出端。
每当⑥脚受到一次门铃控制信号触发时，③脚的输出经Q2放大，微型扬声器SP接连发出两次“叮咚一叮咚”响声，同时红色LED发光。
图1-5接收电路原理图
第二章焊接过程
3.1实施焊接
（1）焊接之前应先将被焊工件加热可融化温度，为了便于热传导，烙铁头上沾上少许焊料，同时要掌握好烙铁头的角度。
尽可能增加与被焊工件的接触面积。
（2）当焊接点达到适当温度时，利用焊料由低温到高温流动特点，焊料应填充在焊点上距电烙铁加热部位最远的地方。
切忌直接接触烙铁头来熔化焊料，将焊料简单的堆附在焊接点上。
这样做有可能掩盖了因被焊工件温度不够或氧化严重而造成的虚、假焊。
有些导线和元件看上去较光亮，实际上表面仍有一层氧化层，直接焊上后形成焊锡包住引脚，看上去是一个封闭的焊点，也很可能形成虚焊。
（3）在焊接点上的焊料熔化后，应将仅靠在焊接点上的烙铁头根据焊接点的形状移动，以使熔化的焊料在助焊剂的帮助下充分浸润被焊工件表面，渗入被焊面的缝隙。
（4）在焊接时，有人习惯用烙铁头作为运载焊锡的工具，这是不正确的。
因为手工焊接通常是用有焊剂的焊料，若烙铁头先接触焊料，并作为运载工具，那么焊剂在高温下早就分解挥发，使焊接时已处于无焊剂状态，容易产生焊接缺陷。
焊接时要一手拿烙铁，一手拿焊锡丝，，边加热边提供焊料。
（5）如果停止填充焊料后仍继续加热，就会使已形成的焊料流淌，助焊剂完全挥发，从而造成焊点面积太大、表面粗糙、拉尖，失去光泽；如果填充焊料时过早离开电烙铁，加热时间太短，则温度不够，焊点不能充分浸润，造成松香焊，虚焊等不完全焊接。
（6）当烙铁离开焊点后，应让其自然冷却，严禁用嘴吹或其它强制冷却方法，以免发生焊锡烫伤的危险或被焊物因外力而改变位置。
3.2焊后处理
当焊接结束后，应检查有无漏焊、错焊（极性焊反）、短路、虚焊等现象，清理PCBA板上的残留物如：
锡渣、锡碎、元件脚等。
第三章调试过程
发射调整：
装上12V电池，用万用表测发射电流（电流表跨接在K两端），应在3到8mA间，若用手触摸C2两端时电流应大幅升高，说明已起振。
接收调整：
装上2节5号电池，测量接收整机电流小于lmA，按下发射机开关K不放，将发射机放在待调的接收机附近，用无感起子微调CL如果调到某点，门铃发出声音，就说明接收机和发射机的频率大致相同；反义微调CL直到距离最远即可。
在安装好各个部件后，按动门铃按钮，可以听见叮咚的声音，并且测量电路中的输出电压，它的数值应与理论值大致符合，否则说明电流出现了故障，设法查找出故障并加以排除。
图4-6门铃实物图
第四章总结
遥控门铃是实习的第一个任务，此次课程设计的主要目的就是提高我们的基础理论知识、基本动手能力，使我们对日常的电子产品以及相关电路处理原理及方法有较为全面的了解，从老师手中接过所发的元器件，我先把电路板上的电路图认真看了一遍，然后开始焊接。
每焊一个元器件都要仔细观察不能焊错，尤其是集成电路，缺口要与焊接面相对应，集成电路焊不能长时间烫热，否则很容易坏掉，三级管在安装时，一定要注意极性不要插反，将三极管平面面向自己，脚向下，自左向右，分别为e,b,c脚，安装时必须注意。
经过自己的细心与耐心，同学的帮助，再三调试后门铃终于响起，在门铃响起那一刹那，我内心的激动与成就感不是言语所能形容的。
通过这次课程设计，我发现了自己的很多不足之处，焊接过程也是一个很考验耐心的过程，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高，设计思维也要加强。
当然，在设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
参考文献
[1]周良权傅恩锡李世馨编模拟电子技术基础（第三版）[M].:
高等教育,2005
[2]X玉莲编电子CAD（Protel99SE）实训指导书（第一版）[M].XX电子科技大学，2007
[3]林春景编模拟电子线路（21世纪普通高等教育电子信息类规划教材）（第一版）[M].机械工业，2009
[4]杨利军《电子技术实验与实训教程》中南大学
[5]周良权方向乔《数字电子技术基础》高等教育2008-3
附录
发射板清单
序号
名称
规格
数量
位置
1
按钮
1
2
电容
100
1
R1
3
电容
10K
1
R7
4
电容
22K
3
R2\3\4
5
电容
180K
1
R5
6
电容
220K
1
R6
7
电容
10p
2
C1
8
电容
5p
1
C2
9
电容
222p
1
C3
10
微调
1
CL
11
电感
1
LI
12
开关
1
K
13
F3红
1
LED1
14
9014
2
Q1\2
15
9018
1
Q3
接收板清单
序号
名称
规格
数量
位置
1
电容
1000u
1
C12
2
电容
10u
1
C10
3
电容
1u
1
C5
4
电容
104p
1
C11
5
电容
103p
1
C9
6
电容
222p
1
C6
7
电容
152p
2
C3
8
电容
102p
1
C7
9
电容
39p
2
C4/8
10
电容
5p
2
C1/2
11
电阻
1M
3
R7/8/9
12
电阻
470K
1
R5
13
电阻
120K
1
R1
14
电阻
47k
1
R6
15
电阻
10K
1
R2
16
电阻
5.6K
1
R3
17
电阻
1K
1
R10
18
电阻
510
1
R4
19
电感
1
LI
20
9018
1
Q1
21
9014
1
Q2
22
1N4148
1
D1
23
音乐片
1
IC2
24
CD4069
1
IC1
第一章总体设计方案、方案框图
1.1芯片的选择与简单介绍
1.1.1主控芯片
主控芯片采用AT89S52单片机（其管脚图如图所示）。
单片机，亦称单片微型计算机。
它是把中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。
于是，微型计算机（即单片机）在这种情况下诞生了。
纵观生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
图1-1AT89S52管脚图
单片机以体积小、功能全、性价比等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。
如果说C语言程序设计课程设计的基础课，那么单片机以其系统硬件构架完整、价格低廉、学生能动手等特点，成为工科学生硬件设计基础课。
MCS-51单片机是指由美国INTEL公司（大名鼎鼎的INTEL）生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。
8051单片机包含中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,现在我们分别加以说明：
1.中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
2.数据存储器（RAM）
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
3.程序存储器（内部ROM）
程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。
通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。
AT89S51内部配置了4KB闪存。
（1）定时/计数器（ROM）：
定时/计数器用于实现定时和计数功能。
AT89S51共有2个16位定时/计数器。
（2）并行输入输出（I/O）口：
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。
它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。
4.全双工串行口
A89S51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
5.时钟电路：
时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。
6.中断系统：
中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。
AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。
7.定时/计数器
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
1.1.2MAX7219
MAX7219/MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。
其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。
只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。
MAX7221与SPI™、QSPI™以及MICROWIRE™相兼容，同时它有限制回转电流的段驱动来减少EMI（电磁干扰）。
一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。
每个数据可以寻址在更新时不需要改写
所有的显示。
MAX7219/MAX7221同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。
整个设备包含一个150μA的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。
图1-2max7219管脚图
1.2系统方框图
第二章单元模块、电路原理图
2.1单片机最小系统
单片机最小系统以80S52为核心,外加时钟和复位电路,电路结构简单,抗干扰能力强,成本相对较低,非常符合本设计的所有要求。
89C51单片机系列是MCS-51系列的基础上发展起来的,是当前8位单片机的典型代表,采用CHMOS工艺,即互补金属氧化物的HMOS工艺,CHMOS是CMOS和HMOS的结合,具有HMOS高速度和高密度的特点,还具有CMOS低功耗的特点。
时钟电路在单片机的外部通过XTAL1,XTAL2这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容,构成稳定的自激振荡器.本系统采用的为12MHz的晶振,一个机器周期为1us,C2,C3为30pF。
复位电路分为上电自动复位和按键手动复位,RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效.上电自动复位通过电容C1和电阻R4来实现,按键手动复位是图中复位键来实现的。
2.2时间显示电路
因为系统要求南北和东西方向的信号灯时间不一样，所以就利用单片机的P0口送出数据的段码，位选信号用P2口送出，用动态扫描的方法显示东西、南北的倒计时间（如图-4所示）。
数码管使用共阴数码管，需要接上470欧上拉电阻以提供足够大的电流来驱动数码管，数码管的每段的电流是约10毫安。
2.3交通灯电路
图2-3交通灯电路
本设计利用单片机的p0口来驱动和控制各种信号灯的燃亮和燃亮时间，在实际中，交通灯的信号灯需要用高电压控制，在这里我们只是模拟一下它的控制信号，所以我们就只用单片机的信号引脚直接来控制发光二极管，如图2-3所示，交通灯状态显示电路由东西南北四个方向各三个LED灯组成，分别显示四个方向上红、黄、绿三个状态，用以指示十字路口各方向车辆的行驶。
通过软件编程，可使路口交通变化情况为：
南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉
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