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基于单片机的交通信号灯模拟控制系统方案.docx
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建筑工程学院
课程设计报告
课程名称:交通信号灯模拟控制系统
系:
专
电气工程系
电子信息工程
电子 09 班
业:
级:
号:
班
学
学生:
指导教师:
职 称:
杜春辉
讲 师
2012 年 6 月 30 日
交通信号灯模拟控制系统设计
一、课程设计的性质和目的
本课程设计的主要目的是通过对电子技术与单片机原理的学习,综合掌握电子
电路综合设计的过程,设计要求和具体的设计方法。通过设计更好的复习、理解模拟
电子、数字电子和单片机等课程容,使理论和实际相结合,加强学生的动手能力以与
查阅相关资料解决实际问题的能力,培养学生从事设计工作的整体观念。
二、设计任务:
1.完成交通灯的变化规律,即一个十字路口为东西向和南北向,四个路口均有
红黄绿三等和两个 LED 数码显示管。交通灯上电以后进入初始状态即东西红灯,南北
红灯。5s 后转状态 1:南北绿灯亮通车,东西红灯亮,禁止通行,持续 30s;30s 后
转状态 2:南北绿灯灭转黄灯闪亮,延迟 5s,东西仍然红灯;5s 后转状态 3:东西绿
灯亮通车,南北转红灯,持续 30s;30s 后转状态 4:东西绿灯灭转亮黄闪灯,延迟
5s,南北仍然红灯。最后循环至状态 1。
2.用 8 个 LED 数码管(各方向均有两个 LED 数码管,分别表示个位和十位),显
示倒计时。倒计时用于提醒驾驶员或者行人信号灯发生改变的时间,以便他们在“停
止”和“通行”两者做出合适的选择。
3.紧急状态下,通过 K1 键手动设置,将所有路口的灯变为红灯。
三、设计方案与原理:
方案一、采用 74LS138 译码器和 CD4511 译码器的交通灯系统
1 / 21
图 1 方案一 采用 74LS138 和 CD4511 译码器的交通灯系统框图
该方案使用了 CD4511 显示译码器和 74LS138 译码器。通过 CD4511 将单片机输出
的 BCD8421 码转换成为七段码然后送 LED 数码管显示;通过 74LS138 译码器将单片机
输出的三位二进制码转换成八位只有一个低电平的代码,从而对 LED 数码管进行片
选。时钟电路和复位电路为单片机提供正常的工作环境。按键电路为在紧急情况下的
应急处理系统,作用是使东西南北的等变为红灯。红绿灯电路由单片机 I/O 口直接驱
动。
图 2 方案二 直接进行片选和驱动 LED 数码显示的交通灯系统
该方案直接采用单片机的 I/O 口对 LED 数码管进行数字显示和片选的驱动。时
钟电路和复位电路为单片机提供正常的工作环境。按键电路为在紧急情况下的应急处
理系统,作用是使东西南北的等变为红灯。红绿灯电路由单片机 I/O 口直接驱动。
方案比较:
方案一采用了 CD4511 译码器和 74LS138 译码器,理论上为单片机的使用节省了
9 个 I/O 口,实际需要 29 个而采用该方案以后仅仅使用了 20 个,但是由于使用了两
个译码器,所以在成本上增加了花销。
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方案二直接用单片机的 I/O 口进行 LED 数码管字位驱动,使用的 I/O 口比较多,
但是成本较低。
通过比较两种方案,结合交通灯的实际情况,红绿灯和数码管的东西方向和南北
方向一致,所以可以节省 10 个 I/O 口,因此此系统仅仅需要 19 个 I/O 口就足够了,
使用 CD4511 和 74LS138 不仅增加了成本,而且也没起到什么太大的作用,采用方案
一节省下来的 I/O 口在该系统中也没有什么用处,而且在编程的时候也大大增加了编
程的难度,电路也相对复杂了。所以综合考虑,我们采用方案二的设计。
四、元件清单
表 1 元器件清单
名 称
单片机
排阻
规 格
AT89C52
9 脚 4.7K
9 脚 330
11.0592MHz
GREEN
1
1
1
1
4
4
4
4
5
2
1
2
排阻
晶振
按键
电解电容
独石电容
10uF
30pF
1.AT89C52 单片机
AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压,
高性能 CMOS 8 位单片机,片含 8k bytes 的可反
复擦写的只读程序存 储器(PEROM)和 256 bytes
的随机存取数据存储器 (RAM) ,器件采用 ATMEL
公司的高密度 ,非易失性存储技术生产 , 与标准
MCS-51 指令系统与 8052 产品引脚兼容 , 片置
通用 8 位中央处理器 (CPU) Flash 存储单元 ,
和 功能强大 AT89C52 单片机适合于许多较为
复杂控制应用场合.
9
AT89C52 为 8 位通用微处理器,采用工业标
准的 C51 核,在部功能与管脚排布上与通用的
8xc52 一样,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主 IC 部寄存器、数据 RAM 与外部
接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚
测试图控制,红外遥控信号 IR 的接收解码与与主
板 CPU 通信等。主要管脚有:XTAL1(19 脚)和
XTAL2(18 脚)为振荡器输入输出端口,外接
P1.0/T2
P1.1/T2EX
P1.2
图 3 AT89C52 单片机
3 / 21
12MHz 晶振。RST/Vpd9 脚)为复位输入端
口,外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40 脚)和 VSS(20 脚)为供电端口,分
别接+5V 电源的正负端。P0~P3 为可编程通用 I/O 脚,其功能用途由软件定义,在本
设计中,P0 端口(32~39 脚)被定义为 N1 功能控制端口,分别与 N1 的相应功能管
脚相连接,13 脚定义为 IR 输入端,10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口,分别连
接 N1 的 SDAS(18 脚)和 SCLS(19 脚)端口,12 脚、27 脚与 28 脚定义为握手信
号功能端口,连接主板 CPU 的相应功能端,用于当前制式的检测与会聚调整状态进
入的控制功能。
本实验硬件电路搭建采用 STC89C52 单片机,软件仿真的时候采用的是 AT89C52
单片机,虽然两个单片机电路功能稍有区别,但是在使用与编程的时候引脚通用,编
程无影响。所以硬件编程代码同样适用于软件仿真。
2.LED 数码管
LED 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成
的 , 加 上 小 数 点 就 是 8 个 。 这 些 段 分 别 由 字 母
a,b,c,d,e,f,g,dp 来表示。当数码管特定的段加上电压
后,这些特定的段就会发亮,以形成我们眼睛看到的 2 个
8 数码管字样了。如:显示一个“2”字,那么不同之分,
也有 0.5 寸、1 寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔
画常用一个发光二极管组成,而大尺寸的数码管由二个或
图 4 LED 数码管
多个发光二极管组成,一般情况下,单个发光二极管的管压降为 1.8V 左右,电流不
超过 30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数
码管,发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用 LED
数码管显示的数字和字符是 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。
LED 数码管分为共阴极和共阳极两种,本实验在硬件电路搭建的时候采用的是共
阳极 LED 数码管,这样使用单片机容易驱动,而采用共阴极则不易驱动二极管。而在
proteus 软件仿真的时候由于采用共阴极数码管时出现乱码,在寻找错误时也没有发
现什么不对的地方,为了方便起见在软件仿真时选用了共阴极 LED 数码管,这时就需
要在 P0 口驱动的时候加上一个反相器其结果才和硬件电路一样。
3.发光二级管
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。
发光二极管和数码二极管一样分为共阴极和共阳极两种,本
图 5 发光二级管
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