电路CAD交通信号灯的设计

一、设计任务和要求

1.1要求和任务

①东西与南北方向灯轮流交替工作，按照下面示意图进行。

图一循环流程图

②要求设计中所用的计数器为一个到两个，定时时间最长为4分钟。在南北向和东西向增加强行绿灯按钮，可以强制某个方向通行而另一个方向禁止。

③路口增加车辆传感器，某方向无车辆时可跳过绿灯时段。

④红绿灯时段长度做成可调的，方便设置通行的时间。

⑤增加译码显示电路，使用数码管显示倒计时。

二、方案选择与论证

2.1使用数字逻辑电路

使用数字电路需要进行计时电路以及显示电路的设计，元件规模小，电路也可靠，采用状态机方式实现也具有可操作性。

2.2选择使用51单片机控制电路

使用51单片机的优点是电路简单，作为本次设计完全具备硬件控制要求，在成本上也与数字逻辑电路相当。另外，单片机控制方便，电路修改性强，可根据具体的情况修改程序，从而达到更切合实际的效果。

综上，此次我们选择STC89C51单片控制电路实现。

三、单片机资源分配与程序设计

3.1一秒定时的实现

由于单片最长定时时间为65536us，所以无法需要计数形式的定时。我们采用方式二定时，一次定时200us，则需要重复5000次，具体定时程序如下：TMOD=0x2; //设置为采用方式二定时

TH0=0x38; //赋初值

TL0=0x38; //赋初值

设置一个变量Y，当Y=5000时，定时器溢出，则开始下一次计时。这样实现了1s的定时。

3.2控制选择设置

本次需要增加了方向传感器和强制按钮以及检测按钮，所以设计嵌套和优先级关系，还有时间调节按钮。它们关系为时间调节按钮最大，强制开关是稍次，其次是检测开关，控制循环结构的跳转，最低的是最基本的灯循环工作结构。对应程序部分如下：

i f(q1==0)

{

时间调节部分；

}

else if(q2==0)

{

南北方向强制控制部分；

}

else if(q3==0)

{

东西方向强制控制部分；

}

else

{

基本指示循环工作；

}

3.3数码管显示倒计时设计

本次采用四位数码管，基本的循环指示状态下两位数码管显示倒计时，而在调节时间是，每两位分别显示当前南北和东西的绿灯定时时间。数码管采用三极管共阳形式接法。

图二数码管驱动原理

3.4循环指示工作的实现

对于循环工作的实现，本次设计定义了两个标志a和b，共计四种状态。a=0且b=0时为东西绿灯，南北红灯；a=0,b=1时为东西绿灯闪烁，南北红灯;a=1，b=0时为东西红灯，南北为绿灯；a=1,b=1时为东西红灯，南北绿灯闪。程序实现如下

if(a==0&&b==0)

{

if(timegre1<=5)

{

a=0；b=0；

}

}

if(a==0&&b==1)

{

if(timegre1<=0)

{

a=1；b=0；

}

｝

if(a==1&&b==0)

{

if(timegre2<=5)

{

a=1；b=1;

}

}

if(a==1&&b==1)

{

if(timegre2<=0)

{

a=0；b=0;

}

｝

3.5时间调节的设计

针对时间的调节部分，我们采用按键形式，分别定义东西绿灯时间加和减，南北时间加和减，共计四个按键。采用扫描判断，有低电平来时，认为按键按下，对应数码管显示当前设置的时间。具体部分程序入下

if(q1==0)

{

关闭各个方向的指示灯；

if(zz==0)

{

yanshi(10); //消除抖动

i f(zz==0)

{

按键按下，执行东西方向绿灯时间加动作；

}

while(!zz) ; //等待按键的弹起

}

if(jj==0)

{

yanshi(10) ;

if(jj==0)

{

按键按下，执行东西方向绿灯时间减动作；

}

while(!jj) ;

}

if (jj2==0)

{

yanshi(10) ;

if (jj2==0)

{

按键按下，执行南北方向绿灯时间加动作；

}

while(!jj2) ;

}

if (zz2==0)

{

yanshi(10) ;

if (zz2==0)

{

按键按下，执行东西方向绿灯时间减动作；

}

while(!zz2) ;

}

dispaly2(z_timegre1 ,z_timegre2 ) ; //调用数码管显示函数，同时显示两个方向时间

}

本次设计完整的程序设计详见附录一。

3.6单片机输入输出端口分配以及基本参数定义

有以上分析，我们对单片机的输入输出端口进行分配，还针对控制部分定义参数。

输入部分管脚定义输出部分管脚定义参数定义说明

时间调节

控制按钮q1=P3^5;东西绿灯gre1=P2^5timegre1东西绿

灯

时间变

量

东西绿灯

强制按钮q2=P3^6;东西红灯red1=P2^6;z_timegre1东西调

节

时间变

量

南北绿风

强制按钮q3=P3^7;南北绿灯gre1=P2^5;timegre2南北绿

灯

时间变

量

东西车流

检测开关ceshi1

=P3^2;

南北红灯red2=P2^2;z_timegre2东西调

节

时间变

量

南北车流

检测开关ceshi2=P3^

3;

y定时辅助循

环变量

东西绿灯

时间增加zz=P2^0;S绿灯闪

烁

定时变

量

东西绿灯

时间减少jj=P2^3;a状态控

制

标志1

南北绿灯

时间增加zz2=P2^7B状态控

制

变量2

南北绿

灯

时间减

少

jj2=P2^4;

表一输入输出分配及参量定义

3.7实验结果分析

本次程序的编写是在keil 4实现的，程序运行过程经过了实物的具体验证，程序能够完成设计目标，达到了设计的具体要求。

四、protel原理图绘制

本次原理图绘制采用的是protel99版本软件。

具体原理图设计见附录二

五、PCB版图设计

本次PCB版图绘制采用的是protel99版本软件。

具体PCB版图见附录二

六、元件清单

项目规格数量封装说明

单片机STC89C51 1 DIP40

四位共阳数码管SM410564 1 自建的封装

NP N三极管9012 4 TO-92A

LED发光二极管普通规格 4 DIODE0.4T

电阻 4.7k16 AXIAL0.3

电阻10k 6 AXIAL0.3

按键两脚形式 6 RAD0.2

电容22p 2 RAD0.2

晶振12M 1 RAD0.2

导线耐流0.5A若干

七、设计总结

本次设计完成了设计的全部要求，具体的指标都是达到要求的。在数码管显示部分和强制调节以及车流检测部分都是实现了，通过按键方便实用。只采用了一个定时功能，单片机还可以有着很大的扩展性。通过对protel的使用，增加了从产品原理图设计到PCB版图设计的认识，加深了对CAD知识的了解和掌握,设计当中一些小细节，例如元件封装，创建原理图库和PCB封装库等都是很需要细心与耐心的。

另外，本次设计可以提高的地方，我们可以从实际的需求考虑：1、在现实的十字路口中黄灯是肯普遍的，所以可以增加黄灯的部分。2、可以在增加人行道的红绿灯部分，而不仅仅是局限在道路的指示。3、对于道路的通行车流随时段的变化规律进行一种统计计算，自动改变各个道路的通行时间不需要认为的操纵。

通过本设计，还有报告的撰写，虽然条件很多很复杂，但是对于以后的毕业设计写作和论文的写作都是一种提前的锻炼，也大有裨益的。

八、参考文献

1．电路CAD讲义．萧宝瑾．太原理工大学．

2．单片机技术基础教程与实践．夏路易. 电子工业出版社3．单片机接口与原理技术．牛煜光. 电子工业出版社

附录一

#include

unsigned char code dispcode[]={0xC0,0xF9,0xA4, 0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90 };

bit a=0,b=0 ;

sbit q1=P3^5;

sbit q2=P3^6;

sbit q3=P3^7;

sbit red1=P2^6;

sbit gre1=P2^5;

sbit red2=P2^2;

sbit gre2=P2^1;

sbit zz=P2^0;

sbit jj=P2^3;

sbit zz2=P2^7;

sbit jj2=P2^4;

sbit shi=P1^2;

sbit ge =P1^3;

sbit zhuang =P1^0;

sbit zhuang2 =P1^1;

sbit ceshi1 =P3^2;

sbit ceshi2 =P3^3;

unsigned char timegre1=24, z_timegre1=10；unsigned char z_timegre2=10,timegre2=36；unsigned char shan1=5,shan2=5 ;

unsigned int y,s ;

void yanshi(unsigned int a) //延时函数

{

unsigned char j;

while(a--)

{

for (j=0;j<50;j++);

}

}

//下面的显示函数是在调节时间时显示时间

void dispaly2(unsigned char k,unsigned char j)

{

unsigned char q1,q2,p1,p2 ;

q1=j/10 ;

q2=j%10 ;

p1=k/10 ;

p2=k%10 ;

zhuang2=1; zhuang=1 ;

shi=0;

ge=1 ;

P0=dispcode[q1] ;

yanshi(2) ;

zhuang=1 ;

zhuang2=1;

shi=1;

ge=0 ;

P0=dispcode[q2] ;

yanshi(2) ;

zhuang=0 ;

zhuang2=1;

shi=1;

ge=1 ;

P0=dispcode[p1] ;

yanshi(2) ;

zhuang=1 ;

zhuang2=0;

shi=1;

ge=1 ;

P0=dispcode[p2] ;

yanshi(2) ;

}

// 这是在循环指示结构中显示倒计时的void display(unsigned char x)

{

unsigned char m,n ;

m=x/10 ;

n=x%10 ;

zhuang=1 ;

zhuang2=1;

shi=0;

ge=1 ;

P0=dispcode[m] ;

yanshi(2) ;

zhuang=1 ;

zhuang2=1;

shi=1;

ge=0 ;

P0=dispcode[n] ;

yanshi(2) ；}

void main()

{

TR0=1; //开启定时器

ET0=1; //打开定时0中断

EA=1; //打开总的中断开关TMOD=0x2; //选择定时方式2

TH0=0x38;

TL0=0x38;

while(1)

{

if(q1==0) //此模式为时间的设置{

s=0 ;

y=0 ;

red1=1 ;

gre1=1 ;

gre2=1 ;

red2=1 ;

if(zz==0) //东西方向时间增加{

yanshi(10) ;

if(zz==0)

{

z_timegre1++;

if(z_timegre1<=5) z_timegre1=6 ;

if(z_timegre1>98) z_timegre1=99 ; timegre1=z_timegre1 ;

}

while(!zz) ;

}

if(jj==0) //东西方向时间减少{

yanshi(10) ;

if(jj==0)

{

z_timegre1--;

if(z_timegre1<=5) z_timegre1=6 ;

if(z_timegre1>98) z_timegre1=99 ; timegre1=z_timegre1 ;

}

while(!jj) ;

}

red2=0 ;

zhuang=0 ; if (jj2==0) //南北方向时间增加

{ yanshi(10);

if (jj2==0)

{

z_timegre2--;

if(z_timegre2<=5) z_timegre2=6 ;

if(z_timegre2>98)

z_timegre2=99 ;

timegre2=z_timegre2 ;

}

while(!jj2) ;

}

if (zz2==0) //南北方向时间减少

{ y anshi(10) ;

if (zz2==0)

{

z_timegre2++;

if(z_timegre2<=5) z_timegre2=6 ;

if(z_timegre2>98) z_timegre2=99 ;

timegre2=z_timegre2 ;

}

while(!zz2) ;

}

dispaly2(z_timegre1 ,z_timegre2 ) ;

}

else if(q2==0) //此模式为东西方向强制{

red1=0 ;

gre1=1 ;

gre2=0 ;

red2=1 ;

zhuang=0 ;

ge= 1 ;

shi=1 ;

P0=dispcode[0] ;

y=0;

s=0;

}

else if(q3==0) //此模式为南北方向强制{

red1=1 ;

gre1=0 ;

gre2=1 ;

ge= 1 ;

shi=1 ;

P0=dispcode[1] ;

y=0;

s=0;

}

else / /此模式为基本的指示循环结构{

if(a==0&&b==0)

{

if(ceshi1==0&&ceshi2==1)

{

a=1;

b=0;

timegre2=z_timegre2 ;

}

else

{

red1=1 ;

gre1=0 ;

gre2=1 ;

red2=0 ;

if(timegre1<=5)

{

a=0;

b=1;

}

display(timegre1);

}

}

if(a==0&&b==1)

{

red1=1 ;

//gre1=~gre1 ;

gre2=1 ;

red2=0 ;

if(timegre1<=0)

{

a=1;

b=0;

}

}

void timer0(void) interrupt 1 // 定时函数{

timegre2=z_timegre2 ;

}

display(timegre1);

}

if(a==1&&b==0)

{

if(ceshi2==0&&ceshi1==1)

{

a=0;

b=0;

timegre1=z_timegre1 ;

}

else

{

red1=0 ;

gre1=1 ;

gre2=0 ;

red2=1 ;

if(timegre2<=5)

{

a=1;

b=1;

}

display(timegre2);

}

}

if(a==1&&b==1)

{

red1=0 ;

gre1=1 ;

// gre2=~gre2 ;

red2=1 ;

if(timegre2<=0)

{

a=0;

b=0;

timegre1=z_timegre1 ;

}

display(timegre2);

}

}

y++ ; //1s定时变量

s++ ; //绿灯闪烁定时变量

if(y==5000) //1s定时时间到，开始减一{

timegre1--;

timegre2--;

shan1--;

shan2--;

y=0;

}

if(s==2500)

{

if(a==1&&b==1) //此时为南北方向绿灯闪烁{

gre2=~gre2 ;

}

if(a==0&&b==1) //此时为东西方向绿灯闪烁{

gre1=~gre1 ;

}

s=0 ;

}

}

图一protel原理图

图二PCB版图

图三实物运行图一

图四实物运行图二

图五调节两个方向通行时间界面

图六背面焊接示意图