基于51單片機(jī)的交通燈Proteus仿真程序一個數(shù)碼管顯示

ID:362692 · 發(fā)表于 2022-4-26 23:28

設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路，要求南北方向和東西方向兩個交叉路口的車輛交替運行。

2) 每次綠燈變紅燈時,要求黃燈先亮5S,才能變換運行車輛.

3) 東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用數(shù)碼管顯示器進(jìn)行顯示（采用LED倒計時的方法）

附件有仿真電路，程序，框圖，參考文檔等等

仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）

制作出來的實物圖如下：

整個系統(tǒng)的構(gòu)成以STC89C52RC單片機(jī)為核心，由I/O口擴(kuò)展，LED數(shù)碼管顯示，還有復(fù)位電路、時鐘電路等組成。單片機(jī)作為整個硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路等組成。

行車方向指示采用LED發(fā)光二極管，可有紅、綠兩種顏色指示放行與禁止，黃燈作為紅綠轉(zhuǎn)換的提示，形象直觀。系統(tǒng)采用雙數(shù)碼管倒計時計數(shù)功能，最大顯示數(shù)字99。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1交通燈通行模式及行車方向指示

按交通燈控制規(guī)則，每個道口有紅、黃、綠三種指示燈，交道口模型如圖2.1所示：

圖3.1 交道口模型圖

2組LED數(shù)碼管按照設(shè)置的通行時間（各路口默認(rèn)的通行時間均為30s）進(jìn)行倒計時，倒計時到5S時，綠燈變成黃燈，并各自進(jìn)行紅、黃、綠燈顯示，共有兩種通行方式分別為：

圖3.2 通行方式一示意圖圖3.3 通行方式二示意圖

通行方式一：倒計時時間為30s（通行時間），紅綠燈狀態(tài)為：東西通行：綠，南北禁行：紅;如圖3.2所示。

通行方式二：倒計時時間為30s（通行時間），紅綠燈狀態(tài)為：南北通行：綠；東西禁行：紅;如圖3.3所示。

通行默認(rèn)時間為30s，系統(tǒng)設(shè)置了任意更改功能，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，以提高車輛通過率，緩減交通壓力。在通行結(jié)束前5秒鐘，黃燈亮直至結(jié)束。本設(shè)計選用LED發(fā)光二極管的紅綠燈狀態(tài)用來指示交通指示信息。綠色表示通行，紅色則表示禁止通行，黃燈等待。你所有指示信息一目了然。

3.2各單元電路模塊功能3.2.1時鐘電路模塊

時鐘電路由一個晶體振蕩器12MHZ和兩個30pF的瓷片電容組成。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地工作。其電路如圖3.4所示:

圖3.4 時鐘電路模塊

3.2.2復(fù)位電路模塊

電容在上接高電平，電阻在下接地，中間為RST。這種復(fù)位電路為高電平復(fù)位。其工作原理是：通電時，電容兩端相當(dāng)于是短路，于是RST引腳上為高電平，然后電源通過電阻對電容充電，RST端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，單片機(jī)開始正常工作。其電路如圖3.5所示：

圖3.5 復(fù)位電路模塊

3.2.3主控制系統(tǒng)模塊

主控制器采用STC89C52RC，STC89C52RC 單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)，12 時鐘/機(jī)器周期和 6 時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。

其特點如下：

1. 增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)，6 時鐘/機(jī)器周期和 12 時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051.

2. 工作電壓：5.5V～3.3V（5V 單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V 單片機(jī)）

3. 工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～80MHz，實際工作頻率可達(dá) 48MHz

4. 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié)

5. 片上集成 512 字節(jié) RAM

6. 通用 I/O 口（32 個）復(fù)位后為：， P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。

7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片

8. 具有 EEPROM 功能

9. 具有看門狗功能

10. 共 3 個 16 位定時器/計數(shù)器。即定時器 T0、T1、T2

11. 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒

12. 通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART

13. 工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級）

14. DIP 封裝

圖3.6主控置系統(tǒng)模塊電路

3.2.4交通燈輸出控制模塊

道口交通燈指示采用紅、黃、綠發(fā)光二極管進(jìn)行提示。其圖如圖3.7所示：

圖3.7LED顯示模塊電路

當(dāng)R=1000歐時，按公式A=(5-1.8)/R計算，電路中的電流大小應(yīng)為A=3.2mA。由于每個路口的通行雙向指示處理相同，因此每個端口應(yīng)具有6.4mA的吸收電流能力。

3.2.5時間顯示電路模塊

考慮設(shè)計需要，我們在各個方向分別用二位數(shù)碼管用來顯示倒計時時間，構(gòu)成交通提示信息，形象逼真。本系統(tǒng)使用數(shù)碼管完成倒計時顯示功能。以方向東西為為例，數(shù)碼管顯示的數(shù)值從綠燈的設(shè)置時間最大值往下減，每秒鐘減1，一直減到0。然后又從紅燈的設(shè)置時間最大值往下減，一直減到0。接下來又顯示綠燈時間，如此循環(huán)。

系統(tǒng)共有1個二位的LED 數(shù)碼管，分別放置在模擬交通燈控制板上四組交通燈中間。四個方向上都應(yīng)該顯示同樣的內(nèi)容，所以我們可以把它們同樣對待，只用了一組數(shù)碼管來模擬。也就是說各個方向的數(shù)碼管個位（把數(shù)碼管第二位定義為個位，第一位定義為十位）用一根信號線控制，十位用另一根信號線控制。

道口通行剩余時間采用紅色7段數(shù)碼管顯示，采用共陰數(shù)碼管，如用單片機(jī)P0口加上拉電阻驅(qū)動，P3.0/P3.1來控制數(shù)碼管的位。其顯示電路如圖3.8所示：

圖3.8數(shù)碼管顯示模塊電路

3.2.6系統(tǒng)電源模塊電路

由于該系統(tǒng)中 51 單片機(jī)及三極管工作電壓均為 5V 電壓，所以要保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，需要設(shè)計一個可以穩(wěn)定提供 5V 電壓的供電系統(tǒng)。本設(shè)計采用外置5V穩(wěn)壓開關(guān)電源作為系統(tǒng)的供電電源，系統(tǒng)電源輸入接口要加濾波電容以確保工作電壓穩(wěn)定。電源輸出接口加上LED 電源指示燈，用來判定電源是否正常工作。該系統(tǒng)電源電路設(shè)計如圖3.9所示：

圖3.9系統(tǒng)電源電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)實際交通燈的變化情況和規(guī)律。假設(shè)一個十字路口為東南西北走向。初始狀態(tài)1東西綠燈通車，南北紅燈亮。過30s，轉(zhuǎn)狀態(tài)2，東西綠燈滅黃燈亮，南北紅燈滅黃燈亮，過5s，再轉(zhuǎn)狀態(tài)3，南北綠燈通車，東西紅燈亮。過30s，轉(zhuǎn)狀態(tài)4，南北綠燈滅黃燈亮，東西紅燈滅黃燈亮，過5s，又循環(huán)至狀態(tài)1。對于交通信號燈來說東西南北共四組燈，由于同一道上的兩組的信號燈的顯示情況是相同的，因此，采用單片機(jī)內(nèi)部的I/O口來控制12個信號燈。通過編寫程序，實現(xiàn)對發(fā)光二極管的控制，來模擬交通信號燈的管理。

4.1 軟件總體流程圖

軟件總體設(shè)計及流程圖見圖3-1，主要完成各部分的軟件控制和協(xié)調(diào)。本系統(tǒng)主程序模塊主要完成的工作是對系統(tǒng)的初始化，發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，同時對按鍵進(jìn)行掃描，等待外部中斷，以及根據(jù)所需要的功能進(jìn)行相應(yīng)的操作。其流程圖如圖4.1

圖4.1正常情況下交通燈控制流程

5 系統(tǒng)調(diào)試分析及結(jié)果
因本設(shè)計本身要求有穩(wěn)定性高、免維護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)等功能，系統(tǒng)調(diào)試除了驗證數(shù)據(jù)處理的精度，確保判斷的準(zhǔn)確性外，同時必須確認(rèn)各項功能的正常運行。
5.1 電路板實物的制作
5.1.1印制電路板PCB圖的繪制
由于本電路硬件設(shè)計中，用單片機(jī)的一個IO口控制各路交通燈的循環(huán)點亮。用同一芯片單片機(jī)的P0口來控制數(shù)碼管的顯示點亮。因此，在同一芯片中，所要接的線路比較多。在硬件的布局中，各位LED燈和數(shù)碼管的布局比較固定化，集中分布在所控制的兩個路口。因此，若采用雙面PCB板的話，這個電路的布線比較容易實現(xiàn)。但是，現(xiàn)實水平中做雙面板會出現(xiàn)一些焊點接觸不良而導(dǎo)致電路調(diào)試過程不易實現(xiàn)。因此，決定使用單面板布線。單片面板的布線需要犧牲本設(shè)計電路板一部分實際電路的美觀。印制電路板的設(shè)計是以電路原理圖為根據(jù)，實現(xiàn)電路設(shè)計者所需要的功能。印刷電路板的設(shè)計主要指版圖設(shè)計，需要考慮外部連接的布局、內(nèi)部電子元件的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、電磁保護(hù)、熱耗散等各種因素。優(yōu)秀的版圖設(shè)計可以節(jié)約生產(chǎn)成本，達(dá)到良好的電路性能和散熱性能。
5.1.2實物的制做
準(zhǔn)備工作：采購萬能板若干張，實物電路所需的各種元器件；
還有其他的基本電子器件和制板工具。
①總制板工藝程序
1)先將所有元器件擺放到萬能板上，確實各個原件的最有位置，原則是，既美觀，又容易焊接。
2)把擺好位置的元器件焊到板子上，最好用焊臺來完成。
3)根據(jù)原理圖，把所有的連線連接起來，連接的導(dǎo)線，盡量用細(xì)一點的。
②制板心得：我們在制板過程中，
1)首先是PROTEL設(shè)計的時候出現(xiàn)的錯誤導(dǎo)致印制電路板制作錯誤。
2)其次是由于設(shè)計的理論和實際有誤差導(dǎo)致無法實現(xiàn)目標(biāo)。
3)焊接過程中出現(xiàn)了一些問題，比如焊跳線的時候，由于接線太多，而且是手工焊接，并且焊接設(shè)備不好，烙鐵頭高溫下容易老化氧化和溫度不可控制。因此導(dǎo)致焊盤脫落，原件燙傷等原因?qū)е聢髲U了好幾塊板子。此外，有些焊盤太小并且有損壞跡象，所以焊接很不方便。但為了不出現(xiàn)虛焊，卻花了很長時間去焊，有些焊點并不是很美觀。
4)焊接過程中，有時候焊錫會不小心將相鄰的兩根引線短路。所以，此次做板積累了一些經(jīng)驗，主要是，再次做板的時候一定要注意PCB的引線之間的距離不能設(shè)置太近。因為是手工制作，精度和密度都必須有一個自由度和能力所及的范圍，并且考慮到手工制板的局限性和線路過細(xì)密導(dǎo)致的氧化和短路故障。擁有了這些寶貴的經(jīng)驗，相信今后制板，一定會完美保證電路的實現(xiàn)！

5.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試
在設(shè)計過程中，實物交通燈控制系統(tǒng)的PCB電路板焊接工作量非常大，電路安裝完成后，首先進(jìn)行檢查，即確認(rèn)電路無虛焊，無短路，無斷路，集成元件安裝是否正確，之后進(jìn)行電路功能模塊的分級調(diào)試，根據(jù)電路功能逐級進(jìn)行：通行方式功能調(diào)試：包括對兩種通行方式控制調(diào)試，指示燈亮度和驅(qū)動電路調(diào)試；倒計時功能調(diào)試：數(shù)碼管亮度調(diào)試；復(fù)位功能調(diào)試。
5.3 系統(tǒng)軟件調(diào)試
本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)很大，選用一般的單片機(jī)通信C語言程序進(jìn)行編寫和調(diào)試。除了語法差錯外，當(dāng)確認(rèn)程序沒問題時，通過直接下載到單片機(jī)來調(diào)試。采取的是自下到上的調(diào)試方法，即單獨調(diào)試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)，最后完成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。
5.4 系統(tǒng)總體調(diào)試
系統(tǒng)做好后，進(jìn)行系統(tǒng)的完整調(diào)試。主要任務(wù)是檢驗實現(xiàn)的功能及其效果并校正誤差。
測試一開始，我們就發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)出現(xiàn)了兩個問題：一是有一部分交通燈亮度不夠，所發(fā)出來的光非常的微弱以致于幾乎感覺不到它的亮度；二是數(shù)碼管不工作，沒有時間顯示。這與設(shè)計的要求完全不符。為了找出這個問題和解決方法，查找了電路的輸出各部分的輸出電平。發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，我們采用的數(shù)碼管是共陰極數(shù)碼管。而控制數(shù)碼段顯示的P3.0和P3.1口輸出的是高電平。
經(jīng)多方查閱資料，解決第二個問題可以有兩個解決方法。其一，將硬件電路作修改，將數(shù)碼管換成共陽極的數(shù)碼管。這樣數(shù)碼管就可以正常進(jìn)行時間顯示了。其二，修改程序，讓控制數(shù)碼管段碼的P0輸出的是低電平。若采用修改硬件電路的方法的話，硬件電路就得作變動。已經(jīng)布好的線也必須有相應(yīng)的變動，操作起來比較麻煩。所以，我們采用了第二種方法。修改了程序電路中的段碼代碼。再次調(diào)試，按照設(shè)計要求的指標(biāo)，系統(tǒng)數(shù)碼管電路部分基本能按照預(yù)先設(shè)定的要求來進(jìn)行倒計時的顯示。亮度要求也基本符合預(yù)先設(shè)想。
接下來還有一個問題有待解決，交通燈亮度不足，以致于部分交通燈只能勉強(qiáng)看得出來它在亮而已。這明顯不能滿足設(shè)計要求。經(jīng)多方檢測，我們認(rèn)為這是由于LED燈驅(qū)動能力不足引起的亮度弱問題。若要修正這個問題，那就得為LED燈增加驅(qū)動電路以提高電路的驅(qū)動能力。要實現(xiàn)這一步驟必須對硬件電路進(jìn)行一定的改動。LED燈的驅(qū)動電路可以用集成電路電路芯片來進(jìn)行驅(qū)動。在初步方案中考慮要用集成電路來完成。但是由于客觀方面的原因，沒有制作實物的環(huán)境條件。因此，這部分改進(jìn)只作了一個設(shè)想，并沒有時間去付諸實施。但基本問題和解決問題的原理還是有一定的了解。

附錄B:總體電路原理圖、PCB、仿真圖及實物圖

單片機(jī)源程序如下:

#include<reg51.h>
#include<intrins.h> //包含庫文件
sbit smg1=P3^0; //定義南北方向數(shù)碼管低位
sbit smg2=P3^1; //定義南北方向數(shù)碼管高位
sbit N_green=P2^0; //定義北向綠燈端口
sbit N_red=P2^1; //定義北向紅燈端口
sbit N_yellow=P2^2; //定義北向黃燈端口
sbit S_green=P2^7; //定義南向綠燈端口
sbit S_red=P2^6; //定義南向紅燈端口
sbit S_yellow=P2^5; //定義南向黃燈端口
sbit W_green=P1^0; //定義西向綠燈端口
sbit W_red=P1^1; //定義西向紅燈端口
sbit W_yellow=P1^2; //定義西向黃燈端口
sbit E_green=P1^7; //定義東向綠燈端口
sbit E_red=P1^6; //定義東向紅燈端口
sbit E_yellow=P1^5; //定義東向黃燈端口
int js=0,djs=30; //初始倒計時時間
int table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x40}; //共陰極數(shù)碼管段值
/************以下為函數(shù)聲明*************/
void jtd();
void jtda();
void jtdb();
void djsxs();
void yj();
void jj();
void jtday();
void jtdby();
/*****************************************************/
/* 函數(shù)名：delayms */
/* 功能：產(chǎn)生毫秒級延時 */
/*****************************************************/
void delayms(int x)
{
char i;
while(x--)
{
for(i=150;i>0;i--);
}
}
/*****************************************************/
/* 函數(shù)名：Timer0_init() */
/* 功能：定時器0初始化 */
/*****************************************************/
void Timer0_init()
{
js=0;
TMOD=0x01; //定義定時器0工作模式
TH0=0x4c; //賦初值高位
TL0=0x00; //賦初值低位
TR0=1; //啟動定時器
ET0=1; //開中斷
EA=1; //開全局中斷
}
/*****************************************************/
/* 函數(shù)名：timer0() interrupt 1 using 1 */
/* 功能：定時器0中斷服務(wù)函數(shù) */
/*****************************************************/
void timer0() interrupt 1 using 1
{
TF0=0;
TH0=0x4c;
TL0=0x00; //重新賦高地位初值
js++;
if(js==22)
{ js=0;
djs--;
}
}
/*****************************************************/
/* 函數(shù)名：djsxs11() */
/* 功能：數(shù)碼管動態(tài)顯示 */
/*****************************************************/
void djsxs11() //此函數(shù)注視同djsxs22()
{ int b1,b2;
b1=djs/10; //將倒計時時間的高位賦予b1
b2=djs%10; //將倒計時時間的低位賦予b2
P0=table[b1];
smg1=0;
delayms(3);
smg1=1; //顯示b1
P0=table[b2];
smg2=0;
delayms(3);
smg2=1; //顯示b2
}
/*****************************************************/
/* 函數(shù)名：qm() */
/* 功能：使所有的交通信號燈全部熄滅 */
/*****************************************************/
void qm()
{
N_green=1;
N_red=1;
N_yellow=1;
S_green=1;
S_red=1;
S_yellow=1;
W_green=1;
W_red=1;
W_yellow=1;
E_green=1;
E_red=1;
E_yellow=1;
}
/*****************************************************/
/* 函數(shù)名：jtdb() */
/* 功能：交通燈東西方向綠燈亮，紅燈滅 */
/* 交通燈南北方向紅燈亮，綠燈滅 */
/*****************************************************/
void jtdb()
{
qm(); //所有信號燈滅
W_green=0; //西向綠燈亮
E_green=0; //東向綠燈亮
N_red=0; //北向紅燈亮
S_red=0; //南向紅燈亮
while(1)
{
if(djs>5) //當(dāng)?shù)褂嫊r時間大于5秒時，執(zhí)行
{
djsxs11(); //數(shù)碼管時間顯示
}
if(djs<=5) //當(dāng)?shù)褂嫊r時間小于5秒時，執(zhí)行
{
jtdby(); //調(diào)用函數(shù)
}
}
}
/*****************************************************/
/* 函數(shù)名：jtdby() */
/* 功能：交通燈東西方向黃燈亮，紅燈滅 */
/* 交通燈南北方向紅燈亮，綠燈滅 */
/*****************************************************/
void jtdby()
{
qm(); //所有信號燈全滅
W_green=1; //西向綠燈滅
E_green=1; //東向綠燈滅
W_yellow=0; //西向黃燈亮
E_yellow=0; //東向黃燈亮
N_red=0; //北向紅燈滅
S_red=0; //南向紅燈滅
while(1)
{
djsxs11(); //數(shù)碼管時間顯示
if(djs<0) //當(dāng)?shù)褂嫊r時間小于0秒時，執(zhí)行
{
djs=30;
jtda(); //調(diào)用jtda()函數(shù)
}
}
}
/*****************************************************/
/* 函數(shù)名：jtda() */
/* 功能：交通燈南北方向綠燈亮，紅燈滅 */
/* 交通燈東西方向紅燈亮，綠燈滅 */
/*****************************************************/
void jtda()
{
qm(); //所有信號燈滅
N_green=0; //北向綠燈亮
S_green=0; //南向綠燈亮
W_red=0; //西向紅燈亮
E_red=0; //東向紅燈亮
while(1)
{
if(djs>5) //當(dāng)?shù)褂嫊r時間大于5秒時，執(zhí)行
{
djsxs11(); //數(shù)碼管時間顯示
}
if(djs<=5) //當(dāng)?shù)褂嫊r時間小于5秒時，執(zhí)行
{
jtday(); //調(diào)用函數(shù)
}
}
}
/*****************************************************/
/* 函數(shù)名：jtday() */
/* 功能：交通燈南北方向黃燈亮，紅燈滅 */
/* 交通燈東西方向紅燈亮，綠燈滅 */
/*****************************************************/
void jtday()
{
qm(); //所有信號燈全滅
N_green=1; //北向綠燈滅
……………………
…………限于本文篇幅余下代碼請從51黑下載附件…………