单片机课程设计示例(交通灯控制)

第四章单片机课程设计示例(交通灯控制)

4.1 课题设计内容

对基于单片机的交通灯控制系统进行设计。所设计的系统功能为：以MCS-51系列单片机作为控制核心，在东西南北四个方向设置左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯，用计时器显示路口通行转换剩余时间。在出现紧急情况时，可以由交警手动实现全路口车辆禁行而行人通行状态，在特种车辆如119、120通过路口时，系统可自动转为特种车辆放行，其他车辆禁止通行状态。

4.2 设计方案论证

根据设计内容要求，提出了如下三种方案：

方案一：采用40脚、片内带8kB Flash ROM的AT89S52单片机作为控制核心，采用四组高亮红绿双色二极管作为东西南北四个路口的通行指示灯，采用四组3位LED数码管作为四个路口的通行倒计时显示器，LED显示采用动态扫描方式，以节省端口数。方案一结构框图如图4-1所示，按照这种结构设计，单片机端口资源刚好满足要求。

复位晶振RST

X1 X2

特种车

辆检测

INT1

手动自动/

控制转换P3.7

AT89S52

组）

南北通行灯(2

组）

东西通行灯(2

显示

位LED

3

列扫描驱动

口

P1

口

P2

口

P0

口

P3

图4-1 方案一：采用LED动态扫描的交通灯控制系统结构框图方案二：采用20脚、片内带2kB Flash ROM的AT89C2051单片机作为控制器，左拐、右拐、直行及行人4种通行指示采用16×16点阵双色LED发光管，通行倒计时显示也采用16×16点阵LED发光管。LED点阵的列驱动采用74LS595，以实现串行端口扩展，行译码采用4/16译码器74LS154，74LS154生成16条行选通信号线，每条行线上需要较大的驱动电流，选用大功率三极管作为驱动管。方案二结构框图如图4-2所示，

方案三：采用AT89C2051单片机作为控制器，左拐、右拐、直行、行人通行指示及通行倒计时指示采用单块LCD液晶点阵显示器。

三种方案的特点比较如下：方案一具有电路简单，设计方便，显示亮度高，耗

RXD TXD 列驱动器LS595

74LED 双色显示点阵)

7(个每个路口行译码器154

LS 74口

I/O AT89C2051

...

...

行驱动器

...

图4-2 方案二：采用16×16点阵LED 发光管设计的交通灯控制系统结构框图

电较少，可靠性高等特点；方案二的图案显示逼真，单片机占用端口资源少，缺点是需要大量的硬件，电路复杂，耗电量大，不太适合于模型制作；方案三设计占用单片机的端口最少，硬件也少，耗电也最少，虽然显示图案也很精美，但由于

亮度太暗，晚上还得开背光灯，不够实用。可见方案一优于其他两种方案，因此本设计选用方案一：采用LED 动态扫描的方案进行设计。

4.3 系统硬件设计

采用LED 动态扫描的交通灯控制系统电路原理图如图4-3所示系统由控制模块、通行灯显示模块、时间显示模块、电源模块四部分组成。 4.3.1控制模块

控制模块电路如图4-4所示。主控制器采用A T89S52。

AT89S52的晶振及复位电路按典型电路设计，元器件参数如图4-4中所示，晶振频率选为12MHz 。P1口用于控制南北通行灯，P2口用于控制东西通行灯，P0口用于四组3位LED 显示器的段码控制，P3.0～P3.2口用于3位LED 显示器的位码控制。对不同城市，准备采用两种倒计时方式：对车流量较大的大城市采用120S 倒计时，对中小城市采用60S 倒计时。两种倒计时采用P3.6上的S2开关进行转换。在出现紧急情况时，由交警手动按S3实现全路口车辆禁行而行人通行状态。现场特种车的到来信号可以采用红外线接收器采集，使用单片机的外部中断1响应特种车的通行要求。此处采用S4按键模拟特种车的到来信号，按一下S4表示有特种车要通行，执行相应的中断服务程序。由于A T89S52使用片内的8KB 的Flash 程序存储器，所以片内外程序存储器选择引脚EA /V PP 接＋5V 电源。 4.3.2 通行灯显示模块

通行灯显示模块如图4-5所示（以西路口和北路口为例）。通行灯指示采用高亮共阴红绿双色发光二极管，左拐、右拐、直行及行人各一个。双色发光二极管的共阴极通过电阻接地，阳极接P1口或P2口（南北为P1口，东西为P2口），经74HC244控制。当发光电流为6mA 时，限流电阻按公式R=（5-1.8）/0.006计算，取标称值为510Ω。由于通行时南北双向指示牌相同，东西双向指示牌相同，因此每个端口应具有12mA 的驱动电流能力，在单片机的输出口接驱动电路74HC244，以保护单片机的输出端口。 4.3.3 时间显示模块

通行剩余时间显示模块如图4-6所示（以北路口为例）。

4

1A121A241A361A4

8

2A1112A2132A3152A417

1Y1181Y2161Y3141Y4

122Y1

92Y272Y352Y43

1G 12G

19

IC5

74H C2441A121A241A361A48

2A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y43

1G 12G

19

IC3

74H C244

1A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4

122Y192Y272Y352Y431G 12G

19

IC4

74H C244

EA/VP 31

X119X218RESET 9RD 17

WR

16INT012

INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178

P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN

29

ALE/P

30

TXD

11RXD

10IC1AT89S 52

1

2

3

4

D17

BRIDGE

C630pF C40.1uF

C20.1uF

Y1

12 M HZ

C1220uF

C3220uF

Q9A S9012

Q12A S9012

Q6A S9012

Q2A S9012

Q10A S9012

Q8A S9012

Q11A S9012

Q7A S9012

Q4A S9012

Q3A S9012

Q5A S9012

Q1A S9012

IN 3

A D J

1

OUT

2

IC27805

D8

D4

D10

D12

D9

D7

D3

D11

D14

D15

D16

D13

D5

D1

D2

D6

R26

10K

R2510K

R2310K

R28

10K

R11

510Ω

R7510Ω

R2710K

R2410K

R2110K

R1710K

R2010K

R1910K

R8

510Ω

R9

510Ω

R2510Ω

R6

510Ω

R5

510Ω

R3

510ΩR22

10K

R4

510Ω

R1810K

R12

510Ω

R1510Ω

R10510Ω

R13510Ω

R14510Ω

R15510Ω

R16510Ω

R29510Ω

D18

S4

S1

C730pF R3010K

1A11A21A31A42A12A22A32A41A11A21A31A4

2A12A22A32A4P21P22P23P24P25P26P27

P20P21P22P23P24P25P26P27

1234567

1234567

123456712345671234567123456712345671234567

1234567

1234567

1234567

1234567

1234567

a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp

C O M

C O M

DS1a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp

C O M

C O M

DS2

a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp

C O M

C O M

DS3a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp

C O M

C O M

DS4

a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp

C O M

C O M

DS5

a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp

C O M

C O M DS6

a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp C O M

C O M

DS11

a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp C O M

C O M

DS10

a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp C O M

C O M

DS9

a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp C O M

C O M

DS8a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp C O M

C O M

DS7

a b f c g d

e

DP Y 1234567a b c d e f g 8

dp

dp

C O M

C O M

DS121Y11Y21Y31Y4

2Y12Y22Y32Y41Y1

1Y21Y3

1Y4

2Y12Y2

2Y32Y4

1Y1

1Y2

1Y3

1Y4

2Y1

2Y2

2Y3

2Y4

P10P11P12P13P14P15P16P17P10

P11

P12

P13P14

P15

P16

P17

P10

P11

P12P13

P14

P15

P16P17

15VAC

行人灯

右拐灯直行灯

左拐灯

左拐灯

直行灯右拐灯

行人灯

左拐灯

直行灯右拐灯

行人灯

行人灯

右拐灯

直行灯

左拐灯

西路口

北路口

南路口

东路口

P3.1

P3.0

P3.2

P3.1

P3.0

P3.2

P3.1

P3.0

P3.2

P3.1

P3.0

P3.2

东路口显示器

南路口显示器

西路口显示器

北路口显示器

P3.2P3.0P3.1C5

20uF

+5V

S2

510Ω*8

+5V

+5V

R31-R33510Ω*3

+5V

VCC GND

+5V

+5V

+5V

GND

GND GND VCC VCC VCC 2010

10

20+5V

R34-R41+5V P202040

+5V

P3.3P3.7P3.6

S3

图4-3 采用LED 动态扫描的交通灯控制系统电路原理图