課程名稱：      《單片機(jī)技術(shù)》     

設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)

學(xué)    院：  電子信息與電氣工程學(xué)院

學(xué)生姓名：栗*      

學(xué)    號(hào)：140208*      

專業(yè)班級(jí)：14級(jí)通信工程1班   

指導(dǎo)教師：段*         

本次課題是以單片機(jī)為核心控制器來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)交通燈紅、黃、綠三個(gè)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換，及用倒計(jì)時(shí)來(lái)顯示路口通行與禁行的交通燈系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以現(xiàn)實(shí)生活中的交通十字路口為模型，利用單片機(jī)的最小系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的電路功能，通過(guò)I/O端口的輸入和輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管和LED燈的控制。本次設(shè)計(jì)的交通燈不僅可以實(shí)現(xiàn)指示燈三個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和倒計(jì)時(shí)的顯示，而且可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)手動(dòng)，實(shí)現(xiàn)東西與南北方向的禁行與通行，且東西、南北方向的禁行與通行時(shí)間可靈活調(diào)整。

1.設(shè)計(jì)背景

1.1開(kāi)發(fā)背景

1.2發(fā)展前景

2.設(shè)計(jì)方案

2.1方案一

2.2方案二

2.3方案三

3. 方案實(shí)施

3.1設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.2 方案執(zhí)行

3.3制版與調(diào)試

4. 結(jié)果與結(jié)論

5.收獲與致謝

6. 參考文獻(xiàn)

7. 附件

7.1附錄1

7.2附錄2

7.3 附錄3

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的快速增加，人們對(duì)各種交通車輛的需求更是越來(lái)越大，交通工具的迅猛發(fā)展以及道路資源的局限性，給城市交通帶來(lái)巨大的壓力，交通擁堵問(wèn)題已成為影響現(xiàn)代城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控系統(tǒng)中最重要的組成部分。如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市道路，緩解城市道路壓力，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問(wèn)題。

傳統(tǒng)的解決途徑主要有兩個(gè)：一是加大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，但資金、土地等稀缺資源的有限性又是不可回避的問(wèn)題，道路基礎(chǔ)設(shè)施是不可能無(wú)限擴(kuò)展的；另一個(gè)就是限制交通流量，主要是通過(guò)法律和行政的手段實(shí)現(xiàn)。但是很顯然，傳統(tǒng)的方法滿足不了日益增長(zhǎng)的交通出行，因此人們就希望通過(guò)增加技術(shù)含量的方法提高現(xiàn)有道路的利用率，提高道路交通的安全程度和道路使用的舒適性，所以對(duì)交通燈的智能化需求越來(lái)越迫切。

         智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效的集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。對(duì)城市交通流進(jìn)行智能控制，可以使道路暢通，提高交通效率。合理進(jìn)行交通控制可以對(duì)交通流進(jìn)行有效的引導(dǎo)和調(diào)度，使交通保持在一個(gè)平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，從而避免或緩和交通擁擠狀況，大大提高交通運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行效率，還可以減少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，節(jié)省能源消耗。

        交通系統(tǒng)作為一個(gè)時(shí)變的、具有隨機(jī)性的復(fù)雜系統(tǒng)，越來(lái)越多研究控制理論的學(xué)者投身到交通控制的研究中，在交通信號(hào)控制領(lǐng)域提出了一些新方法、新思路。如靜態(tài)多段配時(shí)控制、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)多段配時(shí)控制、最優(yōu)控制、大系統(tǒng)遞階控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，網(wǎng)絡(luò)路由控制等。利用模糊控制智能控制技術(shù)進(jìn)行交叉口信號(hào)燈控制能取得比定時(shí)控制與感應(yīng)控制更好的效果，因此模糊交通控制已經(jīng)成為了交通信號(hào)控制的主流方向之一

采用標(biāo)準(zhǔn)AT89C52單片機(jī)作為控制器；通行倒計(jì)時(shí)顯示采用兩位數(shù)碼管；通行與禁行指示燈采用紅、黃、綠發(fā)光二極管；按以上系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，單片機(jī)端口資源剛好滿足要求。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便、顯示亮度高、耗電較少以及可靠性高等特點(diǎn)。整體電路組成框圖如圖1所示。

圖2 采用16×16點(diǎn)陣LED發(fā)光管設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)（見(jiàn)51hei附件）

采用AT89C52單片機(jī)作為控制器，通行倒計(jì)時(shí)顯示采用16×16點(diǎn)陣LED發(fā)光管，通行與禁行指示燈也采用16×16點(diǎn)陣雙色LED發(fā)光管。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。列驅(qū)動(dòng)采用74LS595以實(shí)現(xiàn)串行端口擴(kuò)展，行驅(qū)動(dòng)采用4/16譯碼器74LS154動(dòng)態(tài)掃描，譯碼器74LS154生成16條行選通信號(hào)線，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的行線。每條行線上需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，應(yīng)選用大功率三極管作為驅(qū)動(dòng)管。這種設(shè)計(jì)方案圖案顯示逼真，單片機(jī)占用端口資源少；缺點(diǎn)是需要大量的硬件，電路復(fù)雜，耗電量大。因此在模型制作中較少采用此方案。

采用AT89S51單片機(jī)作為控制器，通行倒計(jì)時(shí)及通行與禁行指示采用單塊LCD液晶點(diǎn)陣顯示器。這種設(shè)計(jì)方案占用單片機(jī)的端口最少，硬件也少，耗電也最小，顯示圖案也很精美，但亮度太暗，晚上還得開(kāi)背光燈，所以也較少采用。

綜上所述，方案一具有綜合設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，因此交通燈控制系統(tǒng)模型采用方案一設(shè)計(jì)。

此次設(shè)計(jì)的交通燈系統(tǒng)可分為三個(gè)模塊：電源模塊，單片機(jī)的最小系統(tǒng)模塊以及顯示模塊。

1.電源模塊

電源模塊是用來(lái)給單片機(jī)的工作提供電源的，此次設(shè)計(jì)的電源模塊需要為單片機(jī)工作提供+5V的固定穩(wěn)壓直流電壓，主要是用三端穩(wěn)壓器7805來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

該模塊包括三部分電路：整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路。整流電路的目的是將不能直接給單片機(jī)提供工作電源的交流電轉(zhuǎn)化成能為單片機(jī)提供電源的直流電。本電路中選用的是橋式整流，是通過(guò)KBP206G–BP整流橋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。濾波電路是用來(lái)對(duì)整流電路輸出的電壓進(jìn)行處理，整流電路輸出的直流電壓中脈動(dòng)成分比較大，所以需要經(jīng)過(guò)濾波電路的處理。本電路中選用的是電容濾波，是通過(guò)電容并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。穩(wěn)壓電路是指在輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度、電路參數(shù)等發(fā)生變化時(shí)仍能保持輸出電壓恒定。為了保證單片機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定的工作，就需要有相對(duì)穩(wěn)定的可用電源。本次設(shè)計(jì)中選用固定三端穩(wěn)壓器7805來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電路的工作。設(shè)計(jì)完成的電源模塊原理圖及仿真圖如

圖3.電源模塊仿真圖

2.單片機(jī)的最小系統(tǒng)模塊

最小系統(tǒng)模塊包括三部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)，復(fù)位電路，晶振電路。

晶振電路的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。在該設(shè)計(jì)中，我們選用的是11.0592MHz的晶振振蕩器，且采用的是內(nèi)部震蕩的典型電路。

復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位，它是一種用來(lái)使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路設(shè)備，可以確保單片機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作。它的優(yōu)勢(shì)在于一是在給電路通電時(shí)馬上進(jìn)行復(fù)位操作，二是在必要時(shí)可以由手動(dòng)操作，三是根據(jù)程序或者電路運(yùn)行的需要自動(dòng)地進(jìn)行。在本次設(shè)計(jì)中，我們選用的是手動(dòng)按鈕復(fù)位，復(fù)位電路用電阻和電容組合就可以實(shí)現(xiàn)了。

本次設(shè)計(jì)用到的單片機(jī)型號(hào)為AT89S51，是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kB的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器。它有32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。

       圖4.復(fù)位電路                           圖5.引腳圖

AT89S51單片機(jī)有40個(gè)引腳下邊簡(jiǎn)單介紹一下這40個(gè)引腳的功能。

①電源引腳2個(gè)

VCC：供電電壓

GND：接地

②時(shí)鐘引腳2個(gè)

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。用片內(nèi)振蕩器時(shí)，該腳接外部石英晶體和微調(diào)電容。外接時(shí)鐘源時(shí)，該腳接外部時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)。

XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器，該腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容。當(dāng)使用外部時(shí)鐘源時(shí)，本腳懸空。

③控制引腳（4個(gè)并行I/O口引腳P0、P1、P2、P3，RST，ALE/PROG，PSEN，EA/VPP）

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，將輸出電流。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容，在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流。

I/O口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式：讀端口，讀引腳。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。

PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。

EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

以上就是對(duì)AT89S51單片機(jī)引腳的介紹。

3.顯示模塊

通過(guò)I/O端口的輸入和輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管和LED燈的控制。

       基于以上方案原理及設(shè)計(jì)，我們用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)了原理圖并生成了PCB圖，用Proteus軟件進(jìn)行了仿真。

    Altium Designer軟件實(shí)現(xiàn)了原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，可以為設(shè)計(jì)者提供全新的設(shè)計(jì)解決方案。因此，在本次設(shè)計(jì)中我們也選擇用該軟件來(lái)進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)。原理圖如圖7所示，PCB圖如圖8所示

   Proteus軟件可完成從原理圖布圖、PCB設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路的協(xié)同仿真，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。Proteus軟件可以支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真圍芯片，還可以提供軟件調(diào)試功能，具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各變量以及寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，并支持第三方編譯和調(diào)試環(huán)境，因此，我們選用Proteus軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的仿真。仿真圖如圖9  

    在完成原理圖設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)成PCB圖，完成仿真之后，需要進(jìn)行程序的寫入。寫程序用的是C語(yǔ)言，程序見(jiàn)附錄，程序結(jié)構(gòu)框架如圖6所示

圖6.程序結(jié)構(gòu)框圖

   以電子線路為基礎(chǔ)的各種電子產(chǎn)品在安裝完成后一般都要進(jìn)行調(diào)試，才能正常地進(jìn)行工作。在調(diào)試過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)各種電路故障，經(jīng)過(guò)檢測(cè)、排查，才能準(zhǔn)確地排除故障。調(diào)試主要是包括調(diào)整和測(cè)試兩個(gè)部分。

調(diào)整主要是對(duì)電路參數(shù)的調(diào)整。一般是對(duì)電路中可調(diào)元器件，例如電容、電感等部分進(jìn)行調(diào)整，使電路功能達(dá)到預(yù)期的效果。測(cè)試主要是對(duì)電路的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和功能進(jìn)行測(cè)試和檢查，并與設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)相比較，以確定電路是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。

調(diào)試和調(diào)測(cè)試是相互依賴、互相補(bǔ)充的，統(tǒng)稱為調(diào)試。由于在實(shí)際工作中，二者是一項(xiàng)工作的兩個(gè)方面。經(jīng)測(cè)試、調(diào)整、再測(cè)試、再調(diào)整，直到實(shí)現(xiàn)電路要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)為止。能夠采用適當(dāng)?shù)姆椒ú檎摇⑴袛嗪痛_定故障的具體部位及其原因，是故障檢測(cè)的關(guān)鍵。

    在應(yīng)用中，我們檢測(cè)電子線路故障經(jīng)常采用觀察法。觀察法又分為靜態(tài)觀察法和動(dòng)態(tài)觀察法。所謂靜態(tài)觀察法就是在電子線路通電前通過(guò)目視檢查找出某些故障。主要檢查焊點(diǎn)是否虛焊、導(dǎo)線接頭是否接好、接插件是否松脫、管腳是否插錯(cuò)方向或折彎等。當(dāng)靜態(tài)觀察沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，可進(jìn)一步采用動(dòng)態(tài)觀察法。

動(dòng)態(tài)觀察法又稱通電觀察法，即給電路通電后，通過(guò)觀察電路內(nèi)有無(wú)打火，冒煙現(xiàn)象，或是聞到電路內(nèi)有無(wú)燒焦、燒糊的異味；手觸摸一些器件有無(wú)發(fā)燙。發(fā)現(xiàn)異常立刻斷開(kāi)電源。由通電觀察，可以確定故障原因，但大部分情況下并不能確認(rèn)故障的確切位置。

    預(yù)期的結(jié)果是該交通燈不僅可以實(shí)現(xiàn)指示燈三個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和倒計(jì)時(shí)的顯示，而且可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)手動(dòng)，實(shí)現(xiàn)東西與南北方向的禁行與通行，且東西、南北方向的禁行與通行時(shí)間可靈活調(diào)整。按下復(fù)位鍵，系統(tǒng)可以恢復(fù)到初始狀態(tài)進(jìn)行工作，按下東西方向的通行鍵，東西方向可以通行，按下南北方向的通行鍵南北方向可以通行。理想和現(xiàn)實(shí)還是有差距的，完成焊接和調(diào)試之后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的觀察和調(diào)試，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電路板上有開(kāi)路和短路現(xiàn)象，接通電源之后，紅黃綠三個(gè)狀態(tài)的指示燈相互轉(zhuǎn)化，復(fù)位鍵可以正常工作，但是數(shù)碼管并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，沒(méi)有得到預(yù)期的結(jié)果。電路板成品圖如圖10所示

通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我們進(jìn)一步了解和掌握了單片機(jī)的應(yīng)用和工作原理，同時(shí)也鞏固了C語(yǔ)言編程，熟悉了Altium Designer軟件的操作，熟悉了原理圖的設(shè)計(jì)和PCB圖的生成，更重要的是接觸到了Proteus軟件，又學(xué)到了一些新的知識(shí)，在這次的課程設(shè)計(jì)中，既鞏固了原來(lái)學(xué)過(guò)的舊知識(shí)，同時(shí)也接觸到了新的知識(shí)；既學(xué)到了知識(shí)，也鍛煉了自己的動(dòng)手能力，同時(shí)也加強(qiáng)了學(xué)生與學(xué)生之間的配合，融洽了師生之間的關(guān)系。同時(shí)也在告訴我們學(xué)無(wú)止境，要多多的去嘗試新的知識(shí)，接受新的事物。讓我們能在融洽的環(huán)境中學(xué)到知識(shí)，也不斷成長(zhǎng)。特別感謝學(xué)院和老師們能為我們提供這么好的學(xué)習(xí)條件，讓我們能在融洽的環(huán)境中學(xué)到知識(shí)，也不斷成長(zhǎng)。感謝老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，雖然課程設(shè)計(jì)的結(jié)果不盡人意，但是從中受益無(wú)窮。

[1] 張毅剛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M] .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[2] 李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ)[M] .北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992.

[3] 譚浩強(qiáng).單片機(jī)課程設(shè)計(jì)[M] .北京：清華大學(xué)出版社，1989.

[4] 先鋒工作室.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)例[M] .北京：清華大學(xué)出版社，2003.

圖7.原理圖

圖8.PCB圖

圖9.仿真圖

圖10實(shí)物圖