强化交通灯.docx
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强化交通灯
【关键字】强化
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/方向机械电子工程
班级2008级机械4班
学生姓名陈华庆郑梓劲区锡彬郑劲郑彬宏
指导老师姚超友
月31日
课程设计任务书
兹发给班学生课程设计任务书，内容如下：
1．设计题目：
交通灯控制设计
2.应完成的项目：
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模拟信号灯，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，这时只有黄灯闪烁，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4×4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）键盘管理程序（包括键扫描、键处理程序）
（2）LED数码管显示程序
（3）控制交通灯程序
3.参考资料以及说明：
[1]李全利仲伟峰徐军，单片机原理及应用，北京：
清华大学出版社
[2]姚超友，光机电一体化强化训练实训教材——单片机篇，华南理工大学机械工程实验教学中心：
2011.9
[3]赵文博刘文涛，单片机语言C51程序设计，北京：
人民邮电出版社，2005.10
2．本设计任务书于2011年10月25日发出，应于2011年11月4日前完成，然后进行答辩。
专业教研室、研究所负责人审核年月日
指导教师签发年月日
设计评语：
设计总评成绩：
设计答辩负责人签字：
年月日
[摘要]……………………………………………………………………1
第1章绪论……………………………………………………………………2
1.1引言……………………………………………………………………2
1.2课题背景……………………………………………………………………2
1.3研究的意义和内容……………………………………………………………..2
第2章基础知识介绍…………………………………………………………..4
2.1交通灯的组成……………………………………………………………….4
第3章系统总体设计方案……………………………………………………...7
3.1交通灯设计控制要求……………………………………………………...7
3.2总体设计方案……………………………………………………………….8
3.3交通灯设计思想…………………………………………………………..8
3.4单片机STC89S52介绍……………………………………………………...9
3.5两位LED数码管…………………………………………………………10
3.6主控电路系统设计…………………………………………………………11
3.7最终设计电路……………………………………………………………...12
3.84*4键盘…………………………………………………………………..12
第4章软件设计……………………………………………………………...13
4.1设计要求…………………………………………………………………..13
4.2主程序流程图……………………………………………………………...14
4.3显示子程序流程图…………………………………………………………16
第5章PCB设计……………………………………………………………...18
5.1元器件的布局……………………………………………………………...18
5.2布线和覆铜…………………………………………………………………..18
第6章PCB制作……………………………………………………………...19
6.1打磨……………………………………………………………………….19
6.2打印图纸…………………………………………………………………..19
6.3热转印电路图……………………………………………………………...19
6.4腐蚀……………………………………………………………………….19
6.5钻孔……………………………………………………………………….19
6.6焊接……………………………………………………………………….19
第7章程序下载与调试…………………………………………………….20
7.1应用软件的编制、调试；………………………………………………..20
结束语……………………………………………………………………………22
参考文献……………………………………………………………………….23
附录一分工表
摘要
本文对交通灯控制系统进行了设计，系统功能为：
以MCS-51系列单片机作为控制核心，设计并制作交通灯控制系统。
设计包括硬件和软件两大部分。
硬件部分包括单片机最小系统、时间显示、交通灯显示三部分。
选用89S52单片机作为控制核心，东西南北四个方向设置了LED时间显示和交通灯显示，时间显示采用两位LED数码管显示。
交通灯显示则采用红绿双色高亮发光二极管来模拟。
软件采用了模块化的设计方法，主要分为主程序、定时器中断服务子程序、倒计时显示子程序、交通灯模拟显示子程序四部分。
在实验板上制作了基于单片机的交通灯控制系统样机，对硬件和软件部分分别进行了调试，再进行了软硬件联调，得到的交通灯控制系统样机实物，可圆满地完成毕业设计任务书所要求的功能。
关键字：
单片机；交通灯；LED数码管
第一章绪论
1.1引言
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
1.2课题背景
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
为此，本次设计完成的就是交通灯设计。
1.3研究的意义及内容
随着我国社会经济的发展，城市化、城镇化进程的加快，道路交通堵塞问题日趋严重，如何对交通进行合理的管理和调度而尽可能减少堵车现象成为目前我国很多地方尤其是特大城市急需解决的问题，显然交通灯在其中起着不可缺少的作用。
该课题研究的内容主要是单片机，单片机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
随着单片机在各个领域的广泛应用，单片机以其自身的特点，已广泛的应用于智能仪器、工业控制、家用电器、电子玩具等各个领域。
这种将单片机嵌入到对象体系中的嵌入式系统已渗透到每个单位、每个家庭和个人。
随着社会需求的不断增长，单片机的应用有着广泛的和稳定增长的市场
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
由单片机和交通等模组即可构成交通灯，在单片机内运行适当的程序即构成了交通灯控制系统。
第二章基础知识介绍
2.1交通灯的组成
交通灯控制系统的原理框图如图2-1所示。
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
图中：
TL:
表示南车道或北车道绿灯亮的时间间隔为20秒，即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到，TL=1，否则，TL=0。
TY：
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到，TY=1，否则，TY=0。
ST：
表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
两方向车道的交通灯的运行状态共有4种，如图2-2所示
一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：
（1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙车
道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第
（1）种工作状态。
第三章系统总体设计方案
3.1交通灯控制设计要求
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模拟信号灯，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，这时只有黄灯闪烁，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4×4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）键盘管理程序（包括键扫描、键处理程序）
（2）LED数码管显示程序
（3）控制交通灯程序
3.2总体设计方案
交通灯控制系统总体设计方案共有五个部分组成，分别是：
单片机89S52、LED交通灯电路、数码管显示电路、晶振及复位控制电路。
该设计的设计方框图如图3-1所示。
3-1交通灯总体设计图
3.3交通灯设计思想
1.具体设计思想
利用89S52单片机控制交通灯系统工作。
其中P0口接数据输出口，与外部数码管连接，P2口与数码管的COM口连接，用于选择数据输出的地址，这样就可以实现时间的动态显示，并且节省了端口数。
P1口作为红黄绿灯的控制口，通过上拉电阻将红黄绿灯的正极接高电平，负极接在P1口上，我们可以利用控制单片机的P1口的输出数据控制红黄绿灯的亮灭。
同一方向的交通灯的状态是一致的，所以一个端口控制同方向的两盏灯，交通灯与P1口之间的关系如3-2表所示。
3-2交通灯与P1口之间的关系
2．交通灯控制系统状态
通过软件编程控制P1口的高低电平来实现交通灯的亮灭，通过单片机内部的定时器来设定时间以确定各个路口红绿灯亮灭的时间，各个路口交通灯的状态如3-3表所示。
3-3各个路口交通灯的状态
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，这时只有黄灯闪烁，断开时按时序控制图工作。
3.4单片机STC89S52介绍
STC89S52是低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大STC89S52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
STC89S52单片机为40引脚双列直插芯片,有四个I/O口P0、P1、P2、P3,每一条I/O线都能独立地作输出或输入。
STC89S52PDIP管脚封装，如图3-4所示。
图3-4STC89S52PDIP管脚封装
STC89S52包含以下部分:
（1）一个8位微处理器CPU
（2）片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR
（3）片内程序存储器ROM
（4）两个定时/计数器T0、T1，可用作定时器，也可用以对外部脉冲进行计数
（5）四个8位可编程的并行I/O端口，每个端口既可作输入，也可作输出
（6）一个串行端口，用于数据的串行通信
（7）中断控制系统
（8）内部时钟电路
3.5两位LED数码管
3-3两位LED数码管
发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件（半导体显示器）。
分段式显示器（LED数码管）由7条线段围成8字型，每一段包含一个发光二极管。
外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。
只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。
LED数码管有共阳、共阴之分。
3.6主控系统电路设置：
图3-6单片机的主控电路
3.7最终设计电路：
图3-7最终设计电路原理图
3.84×4键盘
矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。
在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。
这样键盘中按键的个数是4×4个。
这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。
本次用的薄膜矩阵键盘的内部接线如下图1-4所示，行线接P1.4－P1.7，列线接P1.0－P1.3。
图3-8矩阵键盘内部电路
第四章软件设计
软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。
系统功能是由软件
共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。
因此，软件是本系统的灵魂。
软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性
4.1设计要求
（1）设计一个交通信号灯控制器，由一条东西干道和一条南北干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。
（2）南北干道亮绿灯时，东西干道亮红灯；南北道亮红灯时，东西干道亮绿灯。
两者交替允许通行，南北干道每次放行20秒，东西干道每次放行40秒，设立46秒显示电路。
（3）在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮6秒黄灯作为过渡，使行驶中的车辆有时间停到禁行线外。
4.2主程序流程图
软件总体设计主要完成各部分的软件控制和协调。
本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，等待外部中断，发送显示数据，以及根据所需要的功能进行相应的操作。
其流程图如图4-2所示
图4-2
4.3显示子程序流程图
图4-3
4.4定时子程序流程图
图4-4
定时/计数器的实质是加1计数器（16位），由高8位和低8位两个寄存器组成。
TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。
加1计数器输入的计数脉冲有两个来源,一个是由系统的时钟振荡器输出脉冲经12分频后送来；一个是T0或T1引脚输入的外部脉冲源。
每来一个脉冲计数器加1，当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使TCON中TF0或TF1置1，向CPU发出中断请求（定时/计数器中断允许时）。
如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果工作于计数模式，则表示计数值已满。
可见，由溢出时计数器的值减去计数初值才是加1计数器的计数值。
80C51单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。
TMOD用于设置其工作方式；TCON用于控制其启动和中断申请。
工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。
其格式如表4-5：
表4-5
M1M0：
工作方式设置位。
定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。
表4-6
加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。
计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。
定时器模式时有:
N＝t/Tcy计数个数与计数初值的关系为：
X=216-N。
第五章PCB设计
5.1元件的分布
采用手动布局，这样既可以避免很多不必要的问题出现，又可以使布出的元器件更加人性化。
涉及到PCB板的尺寸问题，每个系统所用的材料和本身局限不同，所以个别的系统所要用到的板的大小也就不一样了。
对于我们组所做的系统而言，所需要的PCB板的最佳尺寸为：
100*150。
5.2布线与覆铜
由于最后是通过腐蚀自己做板出来的，所以要求布线的要求是：
1.单面板，知识在底层完成，也就是要在BottomOverlay这个层进行布线；
2.安全距离：
焊盘与焊盘之间，焊盘与线条直接的距离设定为0.3mm;
3.走线方向，垂直与水平，这两个方向的更换要用45度的过渡，这个过渡的长度需要不需要很大，但是要有，否则可能出现信号的丢失等现象。
4.走线宽度，一般的信号线：
0.3mm（特殊情况下：
0.254mm），电源线：
0.35mm;
5.将覆铜区域定义为机械层的区域；布铜的层位底层；
图5-1
第六章PCB制作
6.1打磨
所有的板子在进行PCB制作前先进行打磨，将板子的表面打磨干净，上面的痕迹、手印等都要去掉；打磨用到的就是砂纸；
6.2打印图纸
在板子应经准备好得情况下，将已经绘制好得PCB电路图打印出来；
6.4腐蚀
将板子放到箱子里，再用抽水机抽出箱子里的腐蚀液在板子上流动，腐蚀完之后，用清水清洗板子。
6.5钻孔
在板子已经进行腐蚀后，使用微型钻机进行钻孔；在钻孔的时候，要特别注意，该板上的焊盘位置和大小，就要使用到不同的钻头，要实时的更改；否则，加工完的板子可能出现电源器件安装不上，或者焊盘给钻掉了没法焊接；
6.6焊接
焊接的时候要讲究各个元件的焊接顺序，否则某些元件就焊不到板子上了，或者焊接有一地的难度；一般的焊接顺序是；先焊接小的，体积小的、矮点的，比如电阻、无极电容、晶振等，接着是稍大点的，高一点的，比如电解电容、LED等，再接下来就是大一点的。
焊接完成后，进行检测工作；检测室对焊接完的板子，使用万用表等工具进行检测是否有短路，短路等情况出现，如果有的话就要进行相关的处理了。
第七章程序下载与调试
7.1应用软件的编制与调试
电路连接完后，要进行调试，以检测是否达到要求。
实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。
这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。
然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。
因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。
调试的常用仪器有：
万用表、示波器、信号发生器。
调试前的检查
电子安装完毕，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。
其检查内容包括：
（1）连线是否正确
检查的方法通常有两种方法：
a.按照电路图检查安装的线路
这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。
按照实际线路来对照原理图电路进行查线
这是一种以元件为中心进行查线的方法。
把每个元件引脚的线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。
为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。
元器件的安装情况
检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。
调试方法与原则
通电观察
把经过准确测量的电源接入电路。
观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。
一步对电路参数提出合理的修正。
调试中注意的事项
为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。
为此，需注意以下几点：
（1）正确使用测量仪器的接地端
（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。
因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。
（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。
要正确选择测量点。
（4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。
（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。
记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。
只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。
（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。
因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。
我们应该认真检查.
调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。
对于本交通灯来说，只要不出现异常的现象，一般不需要调试，直接进行测量。
测试电路中线路是否接通
同上用万用表的欧姆档，测试每一组的连通的线，将两表笔接到被测的一组线的起始线和末端线的两端，看电阻是否为零，如果是零，则证明是通的；如果是无穷大，则证明中间有线是短开的，则要一根一根的检查该组的没一根线，直到查出为止。
通电后的测试
（1）测试电源
用万用表的直流电压档，测试输入电源的电压，看是否达到额定电压（本产品为+5V），如果不是，则换电源。
（2）测试芯片的电源输入端
同上用万用表的直流电压档，测试芯片的接地端与接电源端的点呀，看是否达到芯片的额定电压（本产品所用的芯片都是+5V），如果不是，则检查其线路是否接错。
结束语
在老师的精心指导下，和同组内其他成员的共同交流下才得以顺利完成。
经过本次设计把我在大学学习几年来所学的理论知识转化为实际应用，既锻炼了我们的实际操作能力，又使理论知识得以加强和升华，激发了创新意识。
但是这个题目也让我涉足了很多没涉足过的领域，如18脚数码管是怎样驱动才能够显示得不亮，究竟是USB电源出问题了？
还是焊接不好呢？
所以在设计的最终方案制定前我也查阅了很多的资料，和多次上论坛和网友讨论了一番。
电路原理的了解是最重要的部分，所以我查找以及阅读了很多相关的资料和书籍，解决问题。
由于之前也参加过电子CAD的培训，所以我比较熟悉DXP的操作，在确定方案以及各模块的设计后，绘制原理图和PCB图对于我来说就不是什么大问题了。
然后就是打印、热转印、腐蚀、钻孔、焊接了，实验室为我们提供了很多的工具，这点是很好的。
但焊接电路板的时候每个人的焊接技术参差不齐，所以电路板做坏的大有人在。
不过万幸的是，焊接电路板中间的过程中，我们虽然遇到了不少困难，（
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