簡易交通燈控制邏輯電路設(shè)計52123

1、電子技術(shù)課程設(shè)計報告題 目： 簡易交通燈控制邏輯電路設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 年 級： 2014級 專 業(yè)： 自動化 班 級： （1）班 指導(dǎo)教師： 機(jī)械與電氣工程學(xué)院制2017年5月簡易交通燈控制邏輯電路設(shè)計機(jī)械與電氣工程學(xué)院 自動化專業(yè)1設(shè)計的任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計的任務(wù) 本系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示、交通燈顯示系統(tǒng)組成。系統(tǒng)除基本的交通功能外，還具有倒計時。東西、南北兩個干道交于一個十字路口，各干道有一組紅、綠、黃三色的指示燈。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。1.2 課程設(shè)計的要求本次課程設(shè)計實現(xiàn)的交通燈是帶有額外的功能，預(yù)期實現(xiàn)的主要

2、功能如下。(1)具有時間顯示功能，就是數(shù)碼管倒計時功能；(2)紅綠燈具有兩種狀態(tài)，南北直行，東西直行；(3)具有模式轉(zhuǎn)換功能，切換到不同狀態(tài)，交通燈通行時間不一樣；程序開始運(yùn)行先南北段通行、東西段禁止60s，后東西段通行、南北段禁止60s，依此循環(huán)。系統(tǒng)分三種工作模式：正常模式、繁忙模式、特殊模式，并且通過三個按鈕“正?！?、“繁忙”、“特殊”可相互轉(zhuǎn)化。正常模式：直行時間顯示數(shù)碼管顯示60。此時南北段直行通行（綠燈）、東西段禁止（紅燈）60s，倒計時到3s時，黃燈亮，提醒人們注意了。然后是東西段通行（綠燈），南北段禁行（紅燈），一直循環(huán)下去。繁忙模式：南北段、東西段的通行時間改為30s，其它與

3、正常模式類似。特殊模式：特殊模式紅燈全亮，倒計時20s，到最后3秒黃燈閃3次后并轉(zhuǎn)入正常模式。 2 簡易交通燈控制邏輯電路設(shè)計方案制定2.1 簡易交通燈控制邏輯電路設(shè)計的原理系統(tǒng)上電或手動復(fù)位之后，系統(tǒng)先顯示狀態(tài)燈及LED數(shù)碼管，將狀態(tài)碼值送顯P1口，將要顯示的時間值的個位和十位分別送顯P0口，在此同時用軟件方法計時1秒，到達(dá)1s就要將時間值減1，刷新LED數(shù)碼管。時間到達(dá)一個狀態(tài)所要全部時間，則要進(jìn)行下一狀態(tài)判斷及銜接，并裝入次狀態(tài)的相應(yīng)狀態(tài)碼值以及時間值，當(dāng)然，還要開啟兩個外部中斷，其一為緊急情況處理中斷，一旦信號有效，即K鍵為低電平時進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，東西南北路口的保持現(xiàn)有通行狀態(tài)，再

4、按一下鍵，中斷結(jié)束返回。其二為通行時間調(diào)整中斷，若按鍵有效，進(jìn)入相應(yīng)的中斷子程序，對時間進(jìn)行調(diào)整，可延長或減少某一路段的通行時間，此后再按鍵則中斷結(jié)束返回。2.2 簡易交通燈控制邏輯電路設(shè)計的技術(shù)方案 單 P0口 片 機(jī) P2口P1口 P3口數(shù)碼管紅綠燈模式顯示按鈕 圖1 簡易交通燈硬件框圖開始初始化黃燈閃3S南北停東西行南北行東西停NN60S？60S？YY 圖2 總程序流程圖INTO響應(yīng)T0定時器中斷正常模式設(shè)置“正?！辨I按下1S到？“繁忙”鍵按下繁忙模式設(shè)置倒計時減1計數(shù)清空特殊模式設(shè)置返回“特殊”鍵按下返回圖3 定時器中斷的流程圖 圖4 外部中斷0的中斷流程圖3 簡易交通燈控制邏輯電路設(shè)

5、計方案實施3.1復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機(jī)的兩個機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計算出時間常數(shù)。復(fù)位電路由手動復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。上電復(fù)位電路要求接通電源后，通過外部電容充電來實現(xiàn)單片機(jī)自動復(fù)位操作。上電瞬間RESET引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RERST引腳的高電平將逐漸下降。RERST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。手動復(fù)位：手動復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、RST也被拉到高電平

6、，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE和PSEN信號，即ALE=1和PSEN=1。這表明單片機(jī)復(fù)位期間不會有任何取指操作。圖5 復(fù)位電路3.2 振蕩電路單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。單片機(jī)的時鐘電路設(shè)計有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。在內(nèi)部時鐘方式下單片機(jī)內(nèi)部的高增益、反相放大器通過XT

7、AL1、XTAL2外接作為反饋元件的外部晶體管振蕩器與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，向內(nèi)部時鐘電路提供振蕩時鐘。震蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率。MCS-51單片機(jī)的晶體振蕩頻率可以在1-12MHz范圍內(nèi)選擇，電容C1、C2的選擇范圍是15-45pF，電容的大小會影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振速度。外部時鐘方式是把外部已有的時鐘信號引入到單片機(jī)內(nèi)。此方式常用于多片單片機(jī)同時工作，以便于各單片機(jī)的同步。一般要求外部信號高電平的持續(xù)時間大于20s，且為頻率低于12MHz的方波。本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，采用12MHz的晶振和兩個22pF的電容。圖6 振蕩電路圖7 最小系統(tǒng)3.3 LE

8、D顯示器 LED顯示器由七個發(fā)光二極管組成，因此也稱之為七段LED顯示器，此外，顯示器中還有一個圓點(diǎn)型發(fā)光二極管（在圖中以dp表示），用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過七段發(fā)光二極管的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母或者其他符號。LED顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法。如圖3-3所示。（1）共陽極接法 把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。使用時公共陽極接+5V。這樣陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平的則不點(diǎn)亮。 （2）共陰極接法 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平的則不點(diǎn)亮。此設(shè)計用共陰級的2位數(shù)

9、碼管。圖8 LED引腳圖及兩種接法LED顯示分為動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示：（1） 靜態(tài)顯示，是指顯示器顯示某一字符時，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。這種顯示方法每一位都需要有一個8位輸出控口控制，占用硬件資源多，一般用于顯示位數(shù)較少場合。靜態(tài)顯示時，較小的驅(qū)動電流就可以得到較高的顯示亮度，所以可由接口芯片直接驅(qū)動。（2） 動態(tài)顯示，是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管。對于多位LED顯示器的接口電路來說，需要有兩個輸出口：各位數(shù)碼管的段控線相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個8位的I/O口控制，還學(xué)要一個輸出口輸出位控制信號，“位控”實際上就是對LED顯示器的公共端進(jìn)行控制，位控信號的數(shù)目與顯示器個數(shù)相同。這種電

10、路的特點(diǎn)是節(jié)省I/O口線，硬件電路相對靜態(tài)顯示方式簡單。動態(tài)顯示方式的硬件電路簡單，動態(tài)顯示采用多路復(fù)用技術(shù)的動態(tài)掃描顯示方式，利用人眼的暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管發(fā)光時間的長短，發(fā)光的亮度等因素。靜態(tài)顯示程序簡單，且CPU占用率低，但每個LED數(shù)碼管需要一個鎖存器來鎖存每一個顯示位的代碼，硬件開銷大，僅適合顯示位數(shù)較少的場合。 本設(shè)計采用兩個二位一體共陰數(shù)碼管，不管將幾位數(shù)碼管連在一起，數(shù)碼管的顯示原理都是一樣的，用P0口來控制LED數(shù)碼管的段控線和和利用P2口控制位控線，動態(tài)顯示采用動態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示及循環(huán)點(diǎn)亮每一個數(shù)碼管，雖然任何時刻都只有一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，但由于人眼存在暫留效應(yīng)，只要每位

11、數(shù)碼管間隔時間足夠短，就可以給人以同時顯示的感覺。圖9 二位數(shù)碼管3.4 發(fā)光二極管模擬紅綠燈它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能，常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時

12、必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。圖10 啟動與停止電路3.5 按鍵模塊程序開始運(yùn)行先南北段通行、東西段禁止60s，后東西段通行、南北段禁止60s，依此循環(huán)。系統(tǒng)分三種工作模式：正常模式、繁忙模式、特殊模式，并且通過三個按鈕“正常”、“繁忙”、“特殊”可相互轉(zhuǎn)化。這里用到了二極管做開關(guān)，是為了防止有一按鍵被按下3根線同時低， 中斷無效。二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一只接通的開關(guān)；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止?fàn)顟B(tài)，如同一只斷開的開關(guān)。利用二極管的開關(guān)特性，可以組成各種邏輯電路。圖11 按鍵電路3.7電子秒表系統(tǒng)電路圖圖12 簡易交通燈控制邏輯電路總電路圖3.8

13、 元器件清單表1 實驗原器件清單表序號編號名稱型號/參數(shù)數(shù)量1U1STC89C52單片機(jī)AT89C5212無七段兩位數(shù)碼管7SEG-MAX2-CC13D9、D12、D15、D18D7、D11、D14、D16紅、黃交通燈LED-REDLED-YELLOW各4個4D4、D5、D6、D7、D10、D13、D16綠發(fā)光二極管LED-GREEN75D1、D2、D3普通二極管DIDOE36R1-R17電阻RES/220177C3有極性電容CAP-ELEC18C1、C2普通電容CAP/22pF29無按鍵BUTTON410X1晶振CRYSTAL111RP1排阻RESPACK-814 簡易交通燈控制邏輯電路的仿

14、真實現(xiàn) 4.1 仿真軟件介紹4.1.1 STC89C52簡介STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。功能:STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器,一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz

15、靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)點(diǎn)模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，指導(dǎo)下一個中斷或硬件復(fù)位為止。4.1.2 C語言介紹C語言是一種通用的計算機(jī)程序設(shè)計語言，它既可以用來編寫計算機(jī)的系統(tǒng)程序也可以用來編寫一般的應(yīng)用程序。以前計算機(jī)的系統(tǒng)軟件主要用匯編語言編寫，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)更是如此。由于匯編語言程序的可讀性和可移植性都較差，采用匯編語言編寫單片機(jī)應(yīng)用程序不但周期長，而且調(diào)試和排錯也比較困難，為了提高單片機(jī)應(yīng)用程序的開發(fā)效率，改善程序的可讀性和可移植性，采用高級語言無疑是一種最好

16、的選擇。 C語言既具有一般高級語言的特點(diǎn)，又能直接對計算機(jī)的硬件進(jìn)行操作，表達(dá)和運(yùn)算能力也較強(qiáng)，許多以前只能采用匯編語言來解決的問題現(xiàn)在都可以用C語言來解決。綜上所述，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，故本課題采用C語言實現(xiàn)軟件功能。4.1.3 Keil uVision4介紹本課題采用Keil uVision4軟件開發(fā)系統(tǒng)，Keil uVision4是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Keil uVision4是一款可用于多種8051MCU的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），該IDE同時也是PK51及其它開發(fā)套件的一個重要組件。除增加了

17、源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進(jìn)的搜索功能外，uVision4還提供了一個配置向?qū)Чδ?，加速了啟動代碼和配置文件的生成。此外其內(nèi)置的仿真器可模擬目標(biāo)MCU，包括指令集、片上外圍設(shè)備及外部信號等。uVision4提供邏輯分析器，可監(jiān)控基于MCU的I/O引腳和外設(shè)狀態(tài)變化下的程序變量。4.1.4 Proteus仿真器介紹Proteus是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具?？梢苑抡?1 系列、AVR，PIC 等常用的MCU 及其外圍電路（如LCD，RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，AD/DA，部分SPI 器件，部分IIC 器件，.）。Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片

18、機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。4.2 簡易交通燈控制邏輯電路仿真實現(xiàn)本設(shè)計是一款的多功能交通燈，采用STC89C52單片機(jī)為核心，2位LED數(shù)碼管顯示，本設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，硬件設(shè)計包括單片機(jī)模塊、顯示模塊、發(fā)光二極管模塊、相關(guān)控制模塊等的模塊化設(shè)計與制作；整個設(shè)計過程是硬件和軟件相結(jié)合的，并采用C語言編寫實現(xiàn)。根據(jù)要求用單片機(jī)

19、對其進(jìn)行控制，取得了以下研究成果： （1） 控制系統(tǒng)接線圖 （2） 控制系統(tǒng)工作原理的闡述 （3） 硬件電路的完成 由于使用的是單片機(jī)作為核心的控制元件，使得電路的可靠性比較高，功能也比較強(qiáng)大，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求的結(jié)果，實現(xiàn)了交通燈3個狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，數(shù)碼管的倒計時功能，和特殊情況下的交通燈的變化。圖13 簡易交通燈控制邏輯電路仿真結(jié)果圖5 總結(jié)及心得體會經(jīng)過兩周的努力工作，終于完成了簡易交通燈控制邏輯電路的課程設(shè)計。雖然設(shè)計仿真調(diào)試的過程很艱辛，但結(jié)果還是好的，看到仿真結(jié)果出來，看到交通燈的循環(huán)閃爍，心情頓時好起來，調(diào)試過程中的種種怨言都沒有了。這次課程設(shè)計主要是軟件仿真，由于器材有限就沒有弄硬件部分。在軟件的設(shè)計與調(diào)試過程中，我覺得它主要考驗?zāi)愕乃季S邏輯能力及你對指令的熟悉程度?？梢哉f再整個軟件設(shè)計過程中，我感覺又重新學(xué)了一次單片機(jī)，在學(xué)習(xí)的過程中不僅學(xué)會了延時的兩種方法，即軟件延時和硬件延時，還掌握數(shù)碼管的兩種顯示方式（即動態(tài)顯示與靜態(tài)顯示）及其如何選擇。通過幾次反復(fù)調(diào)試過程，使得我對c語言有了更深刻的理解。同時在整個課程設(shè)計過程我還學(xué)會熟練使用Keil、proteus等軟件，對我在今后的學(xué)習(xí)中會有很大的幫助。 我對這個課程設(shè)計課有著深刻的體會：要想做好這個課程設(shè)計，就必須認(rèn)認(rèn)真真地去做，