交通灯控制电路方案设计书

1、交通灯控制电路设计作者姓名： 2B专业名称： 测控技术与仪器指导教师： 2B 讲师摘要本设计主要分为三大模块 : 输入控制电路、时钟控制电路和显示电路。以AT89C51单片机为中心器件来设计交通灯控制器，实现了 AT89C51芯片的 P0 口设置红灯、绿灯和黄灯的燃亮功能；为了系统稳定可靠，采用了 74LS14 施密特触发器芯片的消抖电路，避免了系统因输入信号抖动产生误操作；显示时间直接通过AT89C51的 P2 口输出，由 CD4511驱动 LED数码管显示红灯燃亮时间。关键词： AT89C51LED显示交通灯 控制AbstractThis design mainly divided int

2、o three modules: input control circuit, control circuit and the clock display circuit. With AT89C51 single-chip microcomputer as the center device to designing traffic light controller, realize the AT89C51 chip P0 mouth red lights, a green light and set up the yellow lights brighten function。 In ord

3、er to system is stable and reliable, and USES 74 LS14 Schmitt toggle circuit chip away shaking, to avoid the system for the input signal jitter produce false operation。 Show time directly through the P2 mouth AT89C51 output, driven by CD4511 LED digital display red light lit the time.Keywords: AT89C

4、51, LED, display, traffic, control目录摘要 IABSTRACTI目录 I1绪论11.1 道路交通控制的发展背景11.2 道路交通控制的目的和作用12 设计方案与比较12.1 设计任务 22.2 总体方案设计3方案比较 3方案论证与确定33 系统原理分析 43.1工作原理简介 43.2总体方框图见图 443.3系统电路模块分析 43.3.1消抖电路 43.3.2振荡、时钟电路和 CPU时序 53.3.3复位电路 73.3.4LED 驱动显示电路 73.3.5AT89C51 芯片控制电路 103.3.6辅助电源设计 143.4 程序设计 143.4.1主程序设计

5、143.4.2P0 口的算法 153.4.3程序流程图 164 元件参数设定 174.1 复位元件电路选折184.2 消抖电路元件选折185 系统调试 185.1 系统的调试与故障排除18硬件调试 18软件调试 195.2 系统的实际效果196 结束语 19 参考文献 19附录 20DJNZR1, DEL2 231 绪论1.1道路交通控制的发展背景随着经济发展，城市化速度加快，机动车辆占有量急剧增加，由此引发出日益严重的交通问题：交通拥挤甚至堵塞，交通事故频繁，空气和噪声污染严重，公共运输系统效率下降等。解决这一问题通常有两种办法，一种是修路造桥，这对道路交通状况的改善是一种最直接的办法，但它

6、需要巨额的投资，且在城市中心区受拆迁的限制，很难实施另一种是在现有的道路交通条件下，实施交通控制和管理，充分发挥现有道路的通行能力，大量事实已经证明这种方法的有效性。通常，一个经验丰富的交通警察能在极短的时间内把一个交叉路口的交通阻塞缓解或解除，但他的作用范围往往局限于单个交叉路口。而现代的道路交通非常复杂，常常是几个或几十个甚至是成百上千路口互相关联，在这种情况下，任何一个经验丰富的交通警察都无能为力了因此，人们越来越关注把先进的科学技术用于交通管理，从而促进了交通自动控制技术的不断发展1 。1.2道路交通控制的目的和作用道路交通控制的目的可定义为：在确定的行政规定约束下，采用合适的营运方法

7、来确保公共和私人运输方式具有最佳的交通运行状态。围绕这一目的研制出的道路交通控制系统，把受控对象看成一个整体，采用对交通流科学地时间分割的方法，最大限度地保证交通流运动的连续性，使受控区域的交通流减少冲突，同时平稳地、有规则地运动 1 。道路交通控制的作用主要表现为以下几个方面：1) 改善交通秩序，增加交通安全。2) 减少交通延误，提高经济效益。3) 降低污染程度，保护生态环境。4) 节省能源和土地消耗。2 设计方案与比较2.1设计任务下图 1为本设计十字路口交通信号灯控制示意图，信号灯的动作受按键开关总体控制：No rthDRGN0 GP0. 1.0PGP0.2 RWestGNDGNDEas

8、tRGP0.D3NRGGSou th图 1 十字路口交通信号灯控制示意图1) 按一下开始按键，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环动作；2) 按一下停止按键，所有信号灯全部熄灭；3) 三基色发光管与 AT89C51的连接图 1 所示，其中奇数口代表红色 , 偶数口代表绿色 , 奇偶同用为黄色。当只有奇数口输出 1 时，红灯亮；当只有偶数口输出1 时，绿灯亮；当两个输出都为1 时，黄灯亮。4) 本设计，红灯亮 9S，绿灯亮 5S，绿灯闪亮 2S，黄灯亮 2S。具体控制要求见表1。表 1 十字路口交通信号灯控制要求信号绿灯亮绿灯闪亮黄灯亮红灯亮东西5s2s2s9s时间信号红灯亮绿灯亮绿灯闪亮黄灯亮

9、南北9s5s2s2s时间2.2总体方案设计方案比较方案一本方案主要以 8031 为核心，用一块 74LS373 锁存器 ，2764 扩展片外存储器。电路特点扩展电路复杂。图 2 方案一方框图复位方案二模拟 8 只发光二极管开始8031控制按键本方案主要以 AT89C51 为核心，利用8255 扩展 I/O 口。电路特点 I/O 口总数停止驱动显示电路较多。电源提供 5V 工作电压74LS3732764 片外存储交通灯模拟8 只复位8D 锁存器器控制按键发光二极管开始图 3 方案二方框图扩展口方案三停止AT89C518255四方向的LED 显示电路 4*LED本电路采用AT89C51为核心，用一

10、块CD4511 译码器，一块 74LS14 反相器（施密特）解决按键抖动问题。采用AT89C51 芯片使电路更加智能化，可靠性电源提供 5V 工作电压高，电路成本大大下减。用三基色发光管形象的把交通灯模拟出来，更好达到设计的效果。电路特点系统电路简单，容易实现，不用扩展I/O 口。电源指示灯 ,CPU 指图 4方案三方框图示灯电路模拟交通灯发光2.2.2方案论证与确定管电路 , 四路方向控复位硬件消抖灯。三基色发光综合上述三个方案，各有特点和缺点 :管 4 只制开始电路程序控制芯片按方案一：采用老式的 8031，其本身无内部存储器，为了扩展电路，使电路复停止74LS14AT89C51CD451

11、LED键杂化，而且无按键消抖电路，容易发生误操作，难以实现设计目的。数1 译码方案二：采用 AT89C51和扩展口8255 组成，电路器电码I/O 口较多，但在本电路中路管造成 I/O 口浪费和成本的提高。同样无消抖电路，容易发生误操作。方案三：采用 AT89C51、 CD4511译码器和 74LS14 施密特反相器，且用三基色电源提供 5V 工作电压12MHZ时发光管，本方案克服了方案一和方案二之中共钟电同路存在的容量少、无消抖、成本较高、电路复杂的问题。系统电路不复杂，设计合理，可靠性高，较容易实现交通灯的控制。所以，经论证和比较决定采用第三个方案更符合实际和经济。3 系统原理分析3.1工

12、作原理简介当 AT89C51上电复位后，给 AT89C51置数 , 让四方向的红灯全亮 , 四方向的 LED 全显示 0。进行测试 , 后等待开始命令。当按下开始按钮 , 中断 INT1 非响应 , 并执行中断服务子程序 : 南北红灯亮 , 东西绿灯亮 5S南北红灯亮 , 东西绿灯闪亮 2S南北红灯亮 , 东西黄灯亮 2S延时 1S东西红灯亮 , 南北绿灯亮 5S东西红灯亮，南北绿灯闪亮 2S东西红灯亮 , 南北黄灯亮 2S不断循环上述过程。 LED数码管同时倒计时显示四方向红灯亮的时间。当有停止命令, 按下 SB2,INT0 非响应 , 因为其为优先级中断 , 所以不管 INT1 非执行到任

13、何地方都中断。INT0 非中断响应后 ,LED 数码管与交通灯全灭 , 等待再次开始 .3.2总体方框图见图43.3系统电路模块分析消抖电路在单片机应用系统中, 按键起到了人机对话的主要设备, 用于向单片机应用系统输入数据、程序和操作命令。当按钮按下或松开时，会向单片机CPU输入一个 0 电平或 1 电平， CPU根据接收到的 0 或 1 电平信号，决定具体的操作。但是，在按键的按下和松开时，开关的机械触点会产生抖动，一般抖动时间是5 10ms左右，抖动的波形如图5。在拉动期间CPU不能按收到稳定的电平而无法做出正确的判断，因此，需在对按钮进行去抖动处理。图 5 按钮产生抖动的波形示意图为了消

14、除抖动 , 如图 6 所示 , 是利用反相器集成电路来实现消除抖动功能的。当开始按钮按下时，反相器的端为高电平，尽管按下按键会产生抖动，但由于反相器的作用，在端产生一个稳定的低电平。在按钮松开的过程中，由于变为低电平，同样由于反相器的作用，在端产生一个稳定的高电平。停止消抖动电路原理一样。.R1VCC SB11kSW-PBC1U1A+12INT 11uf74L S14R210kGND.图 6 除抖动电路原理图74LS14 芯片介绍：74LS14 是一个 6 反相器，如果输入端为高电平，那么输出为低电平。如果输入低电平，那么输出为高电平。本电路用 74LS14 而不用 74LS04。74LS14

15、 与 74LS04 都是 74 系列的非门。两者不同的是输入不一样。74LS04 输入是 TTL 电平， 74LS14 输入是施密特输入（有滞回特性）。因为输入不一样，两个芯片的应用场合也有所不同。74LS04多用于板内一般数据的“非”控制，而74LS14 一般用于某些信号的整形或者异受干扰信号的缓冲等 3。大部分情况下74LS14可以替代74LS04。振荡、时钟电路和CPU时序1) 振荡、时钟电路振荡、时钟电路。如图7 所示，时钟是单片机的心脏，各部分都以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍的工作。因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有内

16、部时钟和外部时钟两种。本设计利用AT89C51内部一个高增益的反相放大器，XTAL1和 XTAL2分别是放大器的输入、输出端。这两个引脚外接一个石英晶体或陶瓷谐振器就可以与片内振荡器一起构成一个自激振荡器。对外接电容的要求虽然没有严格的要求, 但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定性。对电容C4和电容 C5的要求为：石英晶体： 30PF10PF；陶瓷谐振器： 40PF10PF。把一个12.0MHZ 晶振和两个33PF 电容器组成的外部时钟振荡电路，接于XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）之间。这样振荡器发出的脉冲直接送入内部的时钟电路

17、。C433pfY112MHZX1C5X233pfGND图 7 时钟电路2)CPU时序单位因为单片机系统经常要控制一些外部的实时器件 , 这需要单片机系统提供实时的时钟信号 , 为了与 CPU同步故必须采用同样的时钟信号。单片机以晶体振荡器的振荡周期 ( 或外部引入的时钟周期 ) 为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。振荡频率二分频后形成状态周期或称 s 周期，所以， 1 个状态周期包含有 2 个振荡周期。 Fosc 振荡频率 l2 分频后形成机器周期 MC。所以， 1 个机器周期包含有 6 个状态周期或 12 个振荡周期。 1 个到 4 个机器周期确定一条指令的执行时间，这个

18、时间就是指令周期。AT89C51单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1 个到 4 个机器周期之间。 4 种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值( 例如，波特率、定时器的定时时间等) 的基本时序单位。下面是本设计单片机外接晶振频率12MHz时的各种时序单位的大小：振荡周期 1/fosc=1/12MHz=0.8335us状态周期 =2/fosc=2/12MHz=1.6665us机器周期 =12/fosc=12/12MHz=1us指令周期 =(1 4) 机器周期 =14us复位电路当 MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上的高电平

19、时，单片机就执行复位操作。如果 RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。本设计的 AT89C51的系统时钟频率为 12MHZ，那么，它的复位脉冲至少应为 2us 以上。复位期间， ALE、 PSEN、 P0 口、 P1 口、 P2 口和 P3 口都要保持高电平。复位后 SP=07H，此时堆栈的栈底为 07H。内容为 00H的特殊功能寄存器表明复位后其值被清零。 P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3口这四个端口的锁存器为 1，使它们为输入状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。本设计采用了上电或开关复位。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，

20、并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如图 8 所示。上电后，由于电容 C3的充电和反相器的作用，使 RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键 SB3后松开，也能使 RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。U1CR556VCCRE SET10K+ C310UF74L S14SB3GND图 8 开关复位电路图驱动显示电路为了更加直观的显示红灯燃亮时间,本设计采用了LED 数码管显示。这里用常用的8 字型数码管，既它由8 只发光管组成，管子上所显示的数字与8 只 LED 管的发光情况相联系。也就是说，我们要显示一个数据其实就

21、是控制数码管上8 只管的亮暗组合，具体显示原理下面介绍。为了能驱动LED 电路 ,本系统利用CD4511BCD 码 七段码译码器，特点如下：具有 BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路，能提供较大的拉电流，可直接驱动LED 显示器。1)CD4511集成块CD4511A1116VCCA2f215LTg314BIa413LEb512A3c611A4d710GNDe89图 9 D4511 引脚图其功能介绍如下：BI ：4 脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT ：3 脚是测试输入端，当BI=1， LT=0

22、时，译码输出全为1，不管输入状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当LE=0 时，允许译码输出。LE=1 时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、 A3、A4 为 8421BCD码输入端。 a、 b、 c、 d、 e、 f 、 g 为译码输出端，输出为高电平1 有效。 CD4511 的内部有上拉电阻，在输入端与数码管段选端接上限流电阻就可工作。逻辑功能如下表：表 2 CD4511 逻辑功能十进制输入BI输出字或功能LELTDCBAa b c d e f g型0010000111111101010001101100002

23、01001011101101301001111111001401010010110011501010111011011601011010011111701011111110000801100011111111901100111111011消 隐×1××××00000000锁 定11× ×××1锁定在上一个 LE=0 时灯 测 试×0× ××××11111112)LED 数码管1、LED数码管的外形如图10 所示1 a2ba3c4fbdg5 e6f

24、ec7dgdp8 dpGND9图 10 LED 数码管的外形图2、LED 灯的显示原理 : 通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形。如g,f,e,d,c,b,a管脚上加上3FH，SP 上显示0，不亮其余为 TTL 高电平，全亮则显示为8。采用共阴极连接 :LED 的输入 a 至 g 与 CD4511的输出 a 至 g 相连接。3、驱动代码表表 3 驱动代码表显示数值dop g f e d c b a驱动代码（ 16 进制）0001111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011006DH

25、6011111007DH70000011107H8011111117FH90110011167H3) 本设计的数码管显示模块 , 用一个 CD4511驱动四个数码管 , 四个数码管分别显示东西南北四方向的红灯燃亮的时间。P1.0 和 P1.1控制数码管。由于 AT89C51单片机的 I/O口输出电流只有约 1.2mA, 驱动能力不够 ,P1口输出应先接三极管的基极，放大电流后，集电极再接数码管的接地端。电路图如下图11所示:DS1DS2DS3DS4BLUECCBLUECCBLUECCBLUECCTa1aa1aa1aa1aP2.7013ab2b2b2b2AAbabababaP2.11BB12bc

26、3cfbc3cfbc3cfbc3cfbP2.22CC11cd4dd4dd4dd4dggggP2.63DD10de5eece5eece5eece5eecVCC9ef6f6f6f6Effff315fg7dg7dg7dg7dLTFgdpgdpgdpgdp414g8888BIGdpGNDdpGNDdpGNDdpGND5LEGND45119999P1.0 R7S1P1.1 R8S2NPNNPN1K1K图 11 驱动数码管显示图芯片控制电路1)AT89C51芯片简介AT89C51是美国 ATMEL公司生产的 , 一种带 4K 字节闪速可编程可擦除只读存储器（ FPEROM FlashProgrammabl

27、e and ErasableRead OnlyMemory） 的低 电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。由于将多功能 8 位 CPU和闪速存储器组合在单个芯片中， ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C2051是它的一种精简版本。 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案, 功能强大 , 适合于许多较复杂的控制应用场合。 AT89C51的管脚排列如图 12：1P1 0P003 923 8P1 1P0133 7P1 2P0243 6P1 3P0353 5P1 4P0463 4P1 5P0

28、573 3P1 6P0683 2P1 7P0713I NT1P202 1122 2I NT0P212 3P22152 4T 1P23142 5T 0P242 6P25312 7EA/ VPP262 819P27X118X29RE SETRXD1 01 1TXD173 0RDALE/ P162 9W RP SEN图 12 AT89C51 引脚图2)设计主要用到AT89C51 的 P0 口、 P1 口、 P2 口、 INT 0 (P3.2)、 INT 1(P3.3)、 RST、ALE 、EA/VPP 、 XTAL1 和 XTAL2 。具体功能介绍如下：P0.0-0.7 ：是漏极开路双向口，可以写为

29、1使其状态为悬浮用作高阻输入。P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线。P1.0-1.7 ：是带内部上拉的双向口，向P1口写入时， P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。P2.0-2.7:是带内部上拉的双向口，向P2 口写入1 时,P2口被内部上拉为高电平,可用作输入口当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。INT 0 (P3.2)：外部中断0。INT 1(P3.3)：外部中断1。RST: 复位输入线。当晶振在运行中，只要复位管脚至少出现2个机器周期高电平即可复位。ALE:

30、 地址锁存允许 / 编程线。访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE 输出信号恒定为 1/6振荡频率。并可用作外部时钟或定时, 注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。EA/VPP : 片外程序存储器访问/ 编程器电源线。在访问整个外部程序存储器时， EA 必须置低。如果为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址 5 。XTAL1: 反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。XTAL2：反相振荡放大器输出。3) 为了实现设计的目的 , 用 AT89C51控制外围电路。 P0 口低四位控制四方向的红灯、绿灯和黄灯 ,P1 控制四方向 LED

31、数码管。考虑到 P1 口输出电流小，驱动发光管电压不够，先接上拉电阻，后再驱动发光管发亮。显示时间直接通过P2 口输出到 CD4511的输入端。外部中断0 和外部中断1 控制单片机的停止和开始工作。ALE 引脚接限流电阻R6，后使发红光的二极管亮，达到显示电源和CPU指示灯效果。总原理图如下：.R1VCC SB11kSW-PBU1AC1+121ufR274LS14.VCCR10 R11R95.1kR125.1k5.1k5.1kQ1P11.039 P0.00P10P00.P12.138 P0.10P11P01P337 P0.22P12P022436 P0.31North.012012P0.1P0

32、0.201East10kC2GNDU1B+34SB21ufR374LS14VCCSW-PB1kC4J1VCCR4210k33pf1GNDCON2GNDC5GND33pfU1CVCCR55610K+ C374LS1410UF SB3DS1SW-PBBLUECCa1ab2ba3ccfb4ddGNDe5gef6ecfg7dgdp8dpGND95P13P0335West10P14P040634P15P05733P16P06832P17P07T13INT1P20217AA13 a1222112 bINT0P21BB23211 cP22CC1524610 dT1P23DD1425VCC9 eT0P24EV

33、CC263a15 fP25LTF31274b14 gEA/VPP26BIG285cY1 19P27LEd.X112MHZGNDe 451118X29RESETRXD10D911LEDTXDR61730GNDRDALE/P1629100WRPSEN8051DS2DS3DS4BLUECCBLUECCBLUECCa1aa1aa1ab2b2b2bababac3c3c3cfbcfbcfbd4d4d4ddde5ge5ge5geeef6ecf6ecf6ecfffg7dg7dg7dgdpgdpgdp888dpGNDdpGNDdpGND999P02.3210210South12NPNS1S2P1.0R7NPNP

34、1.1R81K1K图 13 总原理图在以上各部分独立设计时，考虑了各部分的可实现性，在整个系统的原理设计时具体端口功能如下：P0.0南北方向绿灯控制口P0.1南北方向红灯控制口P0.2东西方向绿灯控制口P0.3东西方向红灯控制口P1.0东西 LED数码管控制口P1.1南北 LED数码管控制口P2.0CD4511 A输入口P2.1CD4511 B输入口P2.2CD4511 C输入口P2.3CD4511 D输入口辅助电源设计硬件要工作，要有电源供电。本设计用到+5V 电源。具体电路用到整流桥和7805 稳压器等。11Vin 7805 Vout35VDR13T16VD3N1KG. 220V422C1

35、2.C10C112200UFC13TRANS12200UF0.1UF0.1UFD10BRIDGE1LED3.图 14 电源设计图3.4程序设计硬件系统作为实体，为单片机工作提供了基础和条件，但要使单片机有效工作，还必须有软件配合。概括地说，计算机的软件系统包括系统软件、应用软件和程序设计语言三部分。但单片机由于硬件支持和需要所限，为特定应用而设计的软件不明显区分系统软件和应用软件，而是把两者结合起来，只是程序设计时采用模块化设计，使软件系统设计方便，有易于维护。主程序设计本设计用到AT89C51单片机的两个外部中断源( INT 0 和 INT 1) ， INT 1是开始控制 , INT 0 是

36、停止控制。主程序开始先进行初始化。程序主要设计如下：ORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMP INT_A；外部中断 0 入口ORG0013HAJMP INT_B；外部中断 1 入口ORG0030HMAIN：MOV A ， #0FAH；所有方向红灯MOV P0，AMOV A， #00H；四方向同时为“”MOV P2， ACLRP1.0；位选东西、南北 LEDCLRP1.1SETB EA；开中断打开CLR IT0；低电平触发有效CLR IT1；低电平触发有效SETB EX0；外部 0中断开放SETB EX1；外部 1中断开放SETB PX0；外部 0停止优先中断口的算法P0口输出控制三基色发光管，实现对模拟的交通灯的控制。P0口的具体控制为：南北红灯亮, 东西绿灯亮5S南北红灯亮, 东西绿灯闪亮2S南北红灯亮, 东西黄灯亮2S东西红灯亮 , 南北绿灯亮5S东西红灯亮，南北绿灯闪亮2S东西红灯亮 , 南北黄灯亮 2S。具体字节算法如下：表 4 P0 口的字节表南北东西P0 口状态南北时东西P0 口状态时间时间字节间时间字节南北禁止通行，东西可以通行东西禁止通行，南北可以通行南北红灯亮南北红灯亮5S5SF65S5SF9