畢業(yè)論文十字路口交通信號燈的控制系統(tǒng)設(shè)計

南昌工程學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGEPAGEI 南昌工程學院畢業(yè)設(shè)計(論文)08級機械與電氣工程學院電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）題目十字路口交通信號燈的控制系統(tǒng)設(shè)計（硬件部分）學生姓名班級2班學號指導(dǎo)教師完成日期2012年6月10日十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計（硬件部分）Thecrossingtrafficlightcontrolsystemdesign（Hardware） 總計畢業(yè)設(shè)計論文頁表格個插圖幅南昌工程學院本科畢業(yè)設(shè)計南昌工程學院本科畢業(yè)設(shè)計PAGEIVPAGE31第四章實際調(diào)試摘要隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注，人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。所以，如何采用合適的控制方法，緩解城市的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。因此，本文就是利用自動控制技術(shù)和單片機技術(shù)設(shè)計一個十字路口交通信號燈的自動控制系統(tǒng)，該路口由南北、東西兩條通行干道相交而成，四個路口各設(shè)一組紅、黃、綠三色信號燈，用兩位數(shù)碼管作倒計時顯示時間實現(xiàn)的控制。主要以單片機AT89C51控制器為主，一是控制74LS164移位寄存器擴展接口，實現(xiàn)8位共陽LED數(shù)碼管作靜態(tài)顯示；二是控制四組紅、黃、綠三色信號燈作交通燈；三是控制鍵盤電路，用于設(shè)置交通時間以及遇到交通事故時人為控制通行方向。實驗證明，用此方案設(shè)計的交通燈控制關(guān)鍵詞：控制器；移位寄存器；交通信號燈；LED顯示時間；

ABSTRACTAlongwithsocialeconomy'sdevelopment,themunicipaltransportationquestionarousespeople'sinterestmoreandmore.Theperson,thevehicle,roadthreerelations'coordinated,whichhasbecomeonewhichofimportantquestionsthetrafficcontroldepartmentneedstosolve.Themunicipaltransportationcontrolsystemisusesinthemunicipaltransportationdatamonitor,thestreet-trafficcontrollightscontrolandthetransportationunblockingcomputerintegratedmanagesystem,whichisinthemodernmunicipaltransportationmonitoringcommandsystemthemostimportantconstituent.Howtouseappropriatecontrolmethod,easetrafficcongestionincities,moreandmorebecometransportationmanagementandthecity'splanningdepartmentofthemainproblemstobesolved.Therefore,thisarticleistouseautomaticcontroltechnologyandsinglechipmicrocomputerdesignacrossingtrafficlightsoftheautomaticcontrolsystem.Theintersectionoftwothingsandtraffictrunkroadintersectionandbecome,fourintersectioneachhaveasetofgroupred,yellow,greenthreecolorlights,withtwodigitaltubingascountdownshowtimetoachievecontrol.Stableperformanceofthesystem,functional,practical.SubjectisAT89C51Controlsystem,Oneisthecontrol74LS164shiftregisterexpandinterface,realizeatotalofeightYangLEDdigitaltubingasstaticdisplay;Twoistocontrolthefourgroupsofred,yellow,andgreencolorsfortrafficlights;Threeistocontrolthekeyboardcircuit,usedtosettransportationtimeandmeetthetrafficaccidentartificialtrafficcontroldirection.Theexperimentresultsshowedthattheschemedesignoftrafficlightcontrolsystem,stableperformance,completefunctions,practicalstrong,isworthytobepopularized.Keyword:Controlsystem;Shiftregister;Thetrafficlights;LEDdisplaytime;

目錄摘要 3ABSTRACT 4第一章引言 6交通信號燈控制系統(tǒng)現(xiàn)狀和前景概述 6交通信號燈控制系統(tǒng)研究的目的和意義 7第二章交通信號燈的控制電路設(shè)計方案比較和論證 82.1主控制器電路模塊方案 82.2LED顯示電路模塊方案 92.3紅、黃、綠三色信號燈電路方案 112.4鍵盤電路的方案 12電源電路的方案 12第三章交通信號燈的控制電路的硬件設(shè)計 173.1交通信號燈的控制電路的結(jié)構(gòu) 17各主要單元電路模塊的設(shè)計及說明 173.2.189C51單片機控制器電路的設(shè)計 173.2.274LS64移位寄存器擴展LED顯示電路模塊的設(shè)計 213.2.3紅、黃、綠三色信號燈電路模塊的設(shè)計 223.2.4鍵盤電路的模塊電路的設(shè)計 243.2.5電源電路的設(shè)計 25第四章調(diào)試步驟 264.1.調(diào)試過程和結(jié)果 26總結(jié) 27參考文獻 28致謝 29附頁： 30

第一章引言交通信號燈控制系統(tǒng)現(xiàn)狀和前景概述早在1850年，城市交叉口處不斷增長的交通就引發(fā)了人們對安全和擁堵的關(guān)注。它是三色圓形四面投影器，被安裝在紐約市五號街的一座高塔上，由于它的誕生，使城市交通大為改善。第一次對交叉路口交通的控制嘗試起源于1868年英國倫敦，當時由警察手工輪流變換指揮用的旗幟，當時的控制指令可以稱之為旗語。這種控制方式在1908年傳到美國紐約，并且很快在全國傳播開來。城市電氣化的發(fā)展導(dǎo)致了1914年在俄亥俄州的克利夫蘭市出現(xiàn)了第一臺電力驅(qū)動的交通信號燈。世界上第一盞名副其實的三色燈(紅、黃、綠三種標志)于1918年誕生。它是三色圓形四面投影器，被安裝在紐約市五號街的一座高塔上，由于它的誕生，使城市交通大為改善。1919年，紐約市開始把手動指揮的旗子換成了電機控制的信號燈。在1923年，GarrettMorgan申請專利Morgan交通信號燈，后來賣給了通用電氣公司。到1932年，在布魯克林市Parkside大街上的最后一個手動控制的旗子也被電機控制信號燈取代。從1920年到1970年近50年的時間里，電機驅(qū)動的信號燈占據(jù)了交通信號控制系統(tǒng)的主要市場。周期長度是通過安裝合適的齒輪來進行保證的，通過在一個計時轉(zhuǎn)盤上插入銷子來把周期分成不同的時間間隔。為了適應(yīng)交通變化的需要，這種劃分時間的方式被稱為“三個時段”劃分法。同時為了保證相鄰的交叉口能夠在一個交通信號系統(tǒng)中以預(yù)計的信號周期、綠信比和相位差下工作，一種“七條線纜”連接的方式發(fā)展起來，以使相鄰的電機驅(qū)動的信號燈能夠在一種系統(tǒng)控制的方式下工作，即使現(xiàn)在我們步入了新千年，在一些城市的某些地方仍然使用這種基于三個時段劃分周期的信號控制器和七條線纜連接的系統(tǒng)。甚至，大部分在電機驅(qū)動的系統(tǒng)中發(fā)展起來的術(shù)語到現(xiàn)在仍然在現(xiàn)代的微處理控制器中使用。在20世紀60年代早期，計算機被引進到交通信號控制系統(tǒng)中。在1963年，第一個計算機控制的交通信號控制系統(tǒng)在加拿大的多倫多市安裝，到20世紀70年代，微處理器被普遍使用，相應(yīng)的硬件和軟件也開始起步。從最早的手牽皮帶到20世紀50年代的電氣控制，從采用計算機控制到現(xiàn)代化的電子定時監(jiān)控，交通信號燈在科學化、自動化上不斷地更新、發(fā)展和完善。現(xiàn)在，交通控制更是趨向智能化方向發(fā)展，相信我們將來的交通一定是暢通而便捷的。交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。隨著中國加入WTO，不但要在經(jīng)濟、文化、科技等各方面與國際接軌，在交通控制方面也應(yīng)與國際接軌。俗話說“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路還是無法保障暢通安全。因此，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，城市人口的日益壯大，出現(xiàn)了交通阻塞，交通事故發(fā)生頻率高，交通環(huán)境污染，交通治安混亂等一系列問題，嚴重影響著當前社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民的生活，進一步加強對十字路口交通信號燈的控制是非常必要的。隨著社會的發(fā)展和進步，路上的車輛越來越多，而道路建設(shè)往往跟不上城市發(fā)展的速度，因此城市交通問題日益突出，經(jīng)常在十字路口等交通繁忙的地方發(fā)生堵塞情況，出現(xiàn)交通混亂。為了解決車和路的矛盾，常用的有兩種方法：一是控制需求，最直接的辦法就是限制車輛的增加；二是增加供給，也就是修路。但是這兩個辦法都有其局限性。我國汽車工業(yè)正處在起步階段，限制車輛的增加不是解決問題的好方法。而采取增加供給，即大量修路，在資源、環(huán)境矛盾越來越突出的今天，有限的源和財力以及環(huán)境的壓力，也將受到限制。這就需要依靠除限制需求和提供道路設(shè)施之外的其他方法來滿足日益增長的交通需求。交通系統(tǒng)正是解決這一矛盾的途徑之一。交通控制研究的發(fā)展，旨在解決人類交通因需求的增多而日益繁重帶來的問題，局限于道路建設(shè)的暫時不足和交通工具的快速增長，就要使更多的車輛安全高效的利用有限的道路資源，避免因無序和搶行等無控制原因造成的不必要阻塞甚至癱瘓，另外，針對整個交通線路車輛的多少適時調(diào)整和轉(zhuǎn)移多條線路的分流也十分必要。交通網(wǎng)絡(luò)是城市的動脈，象征著一個城市的工業(yè)文明水平。交通關(guān)系著人們對于財產(chǎn)，安全和時間的利益。具有優(yōu)良科學的交通控制技術(shù)對資源物流和人們的出行都是十分有價值的，保證交通線路的暢通安全，才能保證出行舒暢，物流準時到位甚至是生命道路的延伸。研究城市交通信號控制系統(tǒng)具有相當?shù)膶W術(shù)價值和實用價值，解決了城市交通擁擠問題，提高了城市交通的效率，適應(yīng)未來的城市交通的發(fā)展，從長遠來看該研究具有巨大的現(xiàn)實意義。第二章交通信號燈的控制電路設(shè)計方案比較和論證在交通信號燈的控制系統(tǒng)中，根據(jù)前后相流量來決定信號燈配時的模糊控制系統(tǒng)的理論研究成果，用PLC或微機原理或單片機來實現(xiàn)單個十字路口交通信號燈模糊控制的方法，以單個十字路口4相位交通燈為例優(yōu)化信號燈的配時，從而可以有效的解決交通流量不均衡，具有控制精度高，操作簡單，以及性價比高等特點。因此，該選題要求采用單片機技術(shù)來實現(xiàn)模擬十字路口交通信號燈的控制是完全可行的?？傠娐贩娇驁D如圖2-1所示，由單片機控制電路、驅(qū)動電路、LED顯示電路、發(fā)光二極管指示燈電路、鍵盤電路、電源電路等模塊組成。單片機作為整個硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機、時鐘電路、復(fù)位電路等組成。單片機為主體，電源電路輸出電流電壓到單片機，復(fù)位電路為系統(tǒng)信號復(fù)位，內(nèi)部定時器、計數(shù)器控制單片機電路，并接受單片機發(fā)出的信號。單片機發(fā)出的信號通過驅(qū)動電路分別輸送到雙色顯示電路、LED顯示電路，顯示電路接受信號，顯示數(shù)字、顏色。通過鍵盤電路可以將給定的信號輸送至單片機電路。內(nèi)部秒定時器、計數(shù)器內(nèi)部秒定時器、計數(shù)器復(fù)位電路電源電路單片機電路驅(qū)動電路雙色顯示電路驅(qū)動電路驅(qū)動電路LED顯示電路鍵盤電路圖2-1電路方框圖主控制器電路模塊方案方案一：數(shù)字邏輯電路控制方案數(shù)字邏輯電路控制系統(tǒng)主要由各種邏輯元件構(gòu)成，包括計數(shù)器、觸發(fā)器以及各種門電路。為實現(xiàn)交通燈的控制，我們用基本的555芯片（利用單穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)定時），計數(shù)芯片（如74LS163，74LS160等）完成計時功能，控制電路芯片，譯碼芯片（如74LS138）等基本芯片，結(jié)合電阻，電容等基本元件，通過邏輯電路實現(xiàn)交通燈的功能。方案二：繼電器接觸器控制方案繼電接觸式控制系統(tǒng)主要由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關(guān)等組成，其控制方式是斷續(xù)的，所以又稱為斷續(xù)控制系統(tǒng)。方案三：單片機系統(tǒng)控制方案單片機是核心控制元件，包括微處理器、存儲器、輸入輸出口及其他功能部件。它們通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線連接起來。通過輸入/輸出口線與外部設(shè)備及外圍芯片相連。硬件電路較為簡單，主要用軟件來控制，控制方式靈活多樣，并可利用中斷等方式通過程序方便的實現(xiàn)調(diào)時。使用單片可編程來實現(xiàn)交通燈的功能。利用單片機的外圍擴展，顯示電路構(gòu)成基本硬件。然后編程實現(xiàn)對定時、控制、顯示電路的控制，然后調(diào)試，完成設(shè)計。優(yōu)缺點對比：方案一：這種系統(tǒng)硬件設(shè)計思路非常簡單，造價低廉，元件少，體積小，穩(wěn)定性好，可靠性和性價比都很高。難點在于電路的連線復(fù)雜，維護起來比較困難。方案二：這種系統(tǒng)也具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護容易、抗干擾能力強等優(yōu)點，但這種控制系統(tǒng)的缺點是采用固定接線方式，接線多，靈活性差，工作頻率低，觸電易損壞，可靠性差。方案三:它的特點是用軟件設(shè)計替代了硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的性價比。但在設(shè)計時硬件和軟件均要設(shè)計，抗干擾性能差，不通用，并且需要有接口電路與之配套，價格中等，制造較難，維修亦較難。結(jié)合實際情況，根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的要求，我們經(jīng)過討論和論證，最終一致選用第三種方案的設(shè)計思路對交通燈控制系統(tǒng)進行設(shè)計。LED顯示電路模塊方案方案一：動態(tài)掃描顯示電路方案數(shù)字動態(tài)掃描顯示電路是由固定頻率的信號做為節(jié)拍發(fā)生起器的時鐘，由它控制節(jié)拍發(fā)生器各引腳的輸出，使各引腳不斷的輸出高電平影響各個數(shù)碼管顯示，只有在和譯碼器相連的引腳輸出高電平時數(shù)碼管發(fā)光，否則不發(fā)光。當各引腳輸出高電平的頻率達到一定程度時，感覺不到數(shù)碼管的閃爍，從而保護了數(shù)碼管并且不會影響數(shù)據(jù)顯示。為了避免出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，掃描頻率不能太低，人眼的臨界閃爍是50HZ，一般可將顯示位數(shù)乘以50HZ，作為節(jié)拍發(fā)生器的時鐘。這里選用555震蕩器構(gòu)成的多諧振蕩器輸出的脈沖作為節(jié)拍發(fā)生器的時鐘。這里顯示的是四位數(shù)字，所以本設(shè)計中取振蕩器頻率為280HZ。節(jié)拍發(fā)生器電路是一個具有譯碼輸出端的計數(shù)器。它的各輸出端輪流輸出高電平，這樣可控制與計數(shù)器相連的譯碼器輸出，從而控制數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)據(jù).具體電路由具有10個譯碼輸出端的計數(shù)器4017實現(xiàn)，這里只顯示4位數(shù)字，所以4017的前四個輸出端，由清零端MR控制Q1~Q3四個引腳輪流的輸出高電平。當計數(shù)器計到四時，Q4引腳輸出高電平使 MR為高電平，計數(shù)器清零。如此循環(huán)，可驅(qū)動數(shù)碼管輪流發(fā)光顯示相應(yīng)的數(shù)字。譯碼器使用的是共陰極譯碼器74SL48：將Q0~Q3分別接到四個譯碼器的BI消隱輸入端，當哪一個引腳的輸出為高電平時，該位譯碼器為高電平，可以驅(qū)動相應(yīng)數(shù)碼管發(fā)光顯示。其它的則暫時不發(fā)光（注意用共陰極譯碼管時要接要接與之相對應(yīng)的電阻，此處用RPACK7）。方案二：靜態(tài)顯示電路方案靜態(tài)顯示電路主要包括計數(shù)器、顯示譯碼器、掃描電路構(gòu)成。每個方向需要2個信號燈，所以用2進制計數(shù)器即可，計數(shù)器從0到1循環(huán)計數(shù)。然后掃描電路根據(jù)每個時刻的計數(shù)值計數(shù)值，輸出相應(yīng)的數(shù)碼管選擇控制。當掃描到一個數(shù)碼管，根據(jù)此時需要的數(shù)值，利用顯示譯碼器翻譯為相應(yīng)數(shù)碼管顯示編碼即可。以秒為計時單位，采用8個LED數(shù)碼顯示器（每個方向2個）遞減計數(shù)作定時顯示，在遞減計數(shù)回零瞬間完成換燈操作。優(yōu)缺點對比：方案一它的優(yōu)點是能顯著降低LED功耗，能大大減少LED外部引線，能采用BCD碼多路輸出方式。其缺點是需要不斷刷新、掃描，占用CPU時間過多，影響顯示速度，穩(wěn)定性能不夠。適用于使用了多個LED的情況下或采用電池供電的便攜式數(shù)字儀表。方案二雖然它的硬件較動態(tài)復(fù)雜，I/O接口多，但它的優(yōu)點是不需要控制電路，顯示程序簡單，顯示亮度高，顯示效果穩(wěn)定，占用CPU時間少，適用于穩(wěn)定性要求高的信號燈控制系統(tǒng)。經(jīng)論證，本次設(shè)計采用方案二。2.3紅、黃、綠三色信號燈電路方案方案一：普通發(fā)光二極管電路方案每個方向各采用一組紅、黃、綠三色發(fā)光電路指示交通狀態(tài)，每組發(fā)光電路由三個發(fā)紅、綠、黃光的二極管和多條線路構(gòu)成，發(fā)紅光由磷砷化鎵制成的二極管構(gòu)成，發(fā)綠光由磷化鎵制成的二極管構(gòu)成，發(fā)黃光由碳化硅制成的二極管構(gòu)成。給二極管陽極端加正向電壓。如果東西紅燈亮，那南北方向就是綠燈亮，反之亦然，所以在硬件上連接圖上也是對稱分布的。如圖2-2所示：圖2-2信號燈電路圖方案二：雙色信號燈電路方案。采用4個紅、黃、綠三色信號燈（每個方向1個）指示交通通行狀態(tài)；雙色LED是由一個紅燈LED管芯和一個綠色LED管芯封裝在一起，公用負端。當紅色端加高電平，綠色正端加低電平，紅燈亮；當紅色端加低電平，綠色正端加高電平，綠燈亮；兩端都加高電平時，黃燈亮。優(yōu)缺點對比：方案一采用普通發(fā)光二極管其設(shè)計電路原理簡單，抗沖擊能力強，線路復(fù)雜，二極管使用多，LED過多不直觀，造價高。方案二采用雙色雙色信號燈電路形象直觀，線路簡潔明了，更方便控制。經(jīng)過論證，本次設(shè)計采用第二種方案。2.4鍵盤電路的方案方案一：獨立式按鍵電路獨立式鍵盤就是各鍵相互獨立，每個按鍵各接一個InputPin，通過檢測InputPin的電平狀態(tài)可以很容易的判斷哪個按鍵被按下。設(shè)置。如圖2-3所示。每個按鍵一端接地，另一端接上拉電阻。低電平有效，當按鍵按下端口接地，單片機捕獲到低電平，從而知道相應(yīng)的輸入信息。2-3按鍵電路方案二：矩陣式按鍵電路矩陣式鍵盤是一種常見的輸入裝置，在日常的生活中，矩陣式鍵盤在計算機、、w.dzsc/product/searchfile/2840.html"、微波爐等各式電子產(chǎn)品上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。采用4個按鍵（加1鍵、減1鍵、設(shè)定鍵、A/B方向鍵）任意設(shè)定紅、黃、綠三色信號燈所亮時間在01～99秒內(nèi)。優(yōu)缺點對比：方案一：獨立式按鍵電路無需編程，通過檢測電平狀態(tài)即可判斷哪個按鍵被按下。它在按鍵少時，操作速度快。在按鍵多時，需要較多Input，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。方案二:矩陣式按鍵電路通過編程驅(qū)動它運行，只有四個按鍵，其電路結(jié)構(gòu)簡單，按鍵少，節(jié)約空間，利于硬件成品的制作。經(jīng)過對比，本次設(shè)計采用第二種方案。電源電路的方案方案一：線性電源電路線性電源電路基本上由四部分組成：變壓器、二極管或橋堆、電容或電感、三端穩(wěn)壓塊，他們之間的組合則可構(gòu)成一個最基本的，也是最可靠的線性電源電路。其中變壓器降壓，二極管或橋堆整流，電容或電感濾波，三端穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓。給變壓器一次繞組加上交流電，由于電磁感應(yīng)的原理，在二次繞組上則有電壓輸出。變壓器選擇合適變比。整流電路的作用為將經(jīng)變壓器降壓后的交變電壓通過二極管變?yōu)閱蜗虻拿}動電壓。為考慮到成本與性能，我們一般采用橋式整流的方式。它相較半波、全波整流而言，具有二極管反向耐壓值較小，通過二極管的電流較小，同時能量的利用率高等特點。通過整流后，電源的脈動成分較大。濾波電路的作用就是降低整流后輸出電壓中的脈動成分的同時，盡量保持其中的直流成分。一般典型而有效的濾波電路就是電容濾波、電感濾波，利用它們在整流二極管導(dǎo)通時儲存一部分能量，然后再釋放出來，濾去電源中的脈動成分，從而得到比較平滑的電源波形。若將電容與電感合理的安排在電路中，則可以有效的降低交流成分，保持直流成分。方案二：開關(guān)電源電路開關(guān)電源電路由輸入電磁干擾濾波電路、整流電路、軟啟動電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、次級濾波電路構(gòu)成。整流電路的選擇比較1、整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習慣上稱單向脈動性直流電壓。電源電路中的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三種，下面分別介紹他們的工作原理（1）半波整流電路半波整流電路是一種最簡單的整流電路。它由電源變壓器B、整流二極管D和負載電阻Rfz，組成。變壓器把外部電壓變換為所需要的交變電壓e2，D再把交流電變換為脈動直流電。變壓器砍級電壓e2，是一個方向和大小都隨時間變化的正弦波電壓。在0～K時間內(nèi)，e2為正半周即變壓器上端為正下端為負。此時二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，e2通過它加在負載電阻Rfz上，在π～2π時間內(nèi)，e2為負半周，變壓器次級下端為正，上端為負。這時D承受反向電壓，不導(dǎo)通，Rfz，上無電壓。在π～2π時間內(nèi)，重復(fù)0～π時間的過程，而在3π～4π時間內(nèi)，又重復(fù)π～2π時間的過程…這樣反復(fù)下去，交流電的負半周就被"削"掉了，只有正半周通過Rfz，在Rfz上獲得了一個單一右向（上正下負）的電壓，如圖2-4所示，達到了整流的目的，但是，負載電壓Usc。以及負載電流的大小還隨時間而變化，因此，通常稱它為脈動直流。圖2-4（2）全波整流電路如果把整流電路的結(jié)構(gòu)作一些調(diào)整，可以得到一種能充分利用電能的全波整流電路。圖2-5是全波整流電路的電原理圖。全波整流電路，可以看作是由兩個半波整流電路組合成的。變壓器次級線圈中間需要引出一個抽頭，把次組線圈分成兩個對稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個電壓e2a、e2b，構(gòu)成e2a、D1、Rfz與e2b、D2、Rfz，兩個通電回路。全波整流電路的工作原理，可用圖5-4所示的波形圖說明。在0～π間內(nèi)，e2a對Dl為正向電壓，D1導(dǎo)通，在Rfz上得到上正下負的電壓；e2b對D2為反向電壓，D2不導(dǎo)通。在π-2π時間內(nèi)，e2b對D2為正向電壓，D2導(dǎo)通，在Rfz上得到的仍然是上正下負的電壓；e2a對D1為反向電壓，D1不導(dǎo)通。圖2-3（3）橋式整流電路橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種w/134362.htm"電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。整流電路橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz、D3通電回路，在Rfz，上形成上正下負的半波整洗電壓，e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖2-4中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整洗電路小一半。圖2-42、方案對比：方案一這種除去半周、圖下半周的整流方法，叫半波整流。不難看出，半波整說是以"犧牲"一半交流為代價而換取整流效果的，電流利用率很低（計算表明，整流得出的半波電壓在整個周期內(nèi)的平均值，即負載上的直流電壓Usc=0.45e2）因此常用在高電壓、小電流的場合，不適合本次的電路設(shè)計。方案二對比于半波整流輸出電壓波動小很多，缺點是變壓器次級線圈繞組增加了一倍，增大了鐵芯體積和漆包線圈，而且要順繞中心抽頭，整流管承受的最大反向電壓也較高，需要選擇耐壓高的整流管。而方案三成本較全波低，整流電壓脈動與全波整流相同,電源利用率高，輸出波動小。故經(jīng)過對三種方案的比較，本設(shè)計及制作采用了方案三。綜上所述，本次設(shè)計采用開關(guān)電源電路，其可控性好，電壓穩(wěn)定。第三章交通信號燈的控制電路的硬件設(shè)計3.1交通信號燈的控制電路的結(jié)構(gòu)如圖附圖1所示，由單片機控制電路、驅(qū)動電路、LED顯示電路、發(fā)光二極管指示燈電路、鍵盤電路、電源電路等模塊組成。電源電路輸出電流電壓到單片機，復(fù)位電路為系統(tǒng)信號復(fù)位，內(nèi)部定時器、計數(shù)器控制單片機電路，并接受單片機發(fā)出的信號。通過鍵盤電路可以將給定的信號輸送至單片機電路。單片機發(fā)出的信號通過驅(qū)動電路分別輸送到雙色顯示電路、LED顯示電路，顯示電路接受信號，顯示數(shù)字、顏色。各主要單元電路模塊的設(shè)計及說明3.2.189C51單片機控制器電路的設(shè)計1、89C51單片機包含中央處理器、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)的幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在加以說明：（1）中央處理器（CPU）：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部分，是八位數(shù)據(jù)的處理器，能處理八位二進制數(shù)據(jù)或者代碼，CPU負責控制，指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。（2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：89C51內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，他們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)。所以，用戶使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶的定義的字形表。（3）定時/計數(shù)器（ROM）：89C51單片機有兩個16位定時器/計數(shù)器，通過對機器周期計數(shù)達到定時的目的，通過對外部事件計數(shù)達到計數(shù)之目的。（4）并行輸入輸出（I/O）口：89C51共有四組8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)在整個傳輸過程中，并排前進，有多少個數(shù)據(jù)線就能同時傳送多少位數(shù)據(jù)。并行通信的特點是硬件連線多、傳送速率高，一般適用于近距離、高速率的通信領(lǐng)域。如：計算機主板與硬盤、打印機等之間的通信。（5）雙全雙工串行口：89C51內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。數(shù)據(jù)在傳輸過程中一位一位的串行傳輸，硬件連接比較簡單。最簡單時只需3根連線即可實現(xiàn)串行通信，相對于并行通信來講其通信速率低，一般適用于短距離數(shù)據(jù)通信。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常采用串行通信方式。（6）程序存儲器（ROM）：程序存儲器是用來存放已調(diào)試完成的程序和常數(shù)表格的。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用程序通常固化在片內(nèi)ROM中。CPU設(shè)置了一個專用寄存器——程序計數(shù)器PC，用以存放將要執(zhí)行的指令地址。PC的長度為16位，故程序存儲器的尋址范圍為64KB（0000H～FFFFH），也就是說，51系列單片機具有64KB的程序存儲器空間。2、89C51的引腳說明89C51單片機用40PIN封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，下圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。現(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：圖2.289C51系列單片機引腳電源引腳(40、20)：這當然是必不可少的了。單片機使用的是5V電源，其中40引腳接正極(VCC)，20引腳接負極(VSS)或地(GND)。振蕩電路(18、19)：單片機是一種時序電路，必須提供脈沖信號才能正常工作，在單片機內(nèi)部已集成了振蕩器，使用晶體振蕩器，接18、19腳。這兩個腳的定義是：(1)時鐘電路引腳(XTAL2)（18腳)：該腳的接外部晶體和微調(diào)電容的一段，在89C51內(nèi)部，它是振蕩電路反相放大器的輸出端。振蕩電路的頻率就是固有頻率。若采用外部時鐘電路，該引腳輸入外部脈沖。(2)時鐘電路引腳(XTEL1)（19腳）：該腳的接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該腳必須接地。復(fù)位引腳（RESET）（9腳）：它是復(fù)位信號輸入端，高電平有效，當此腳保持兩個機器周期，即24個時鐘振蕩周期為高電平時，即可完成復(fù)位操作。他還具有第二功能，即當主電源VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，將5V電源自動接入RST端，為單片機提供備用電源。以保證信息不丟失，電源恢復(fù)后，能夠正常工作。EA/VPP引腳(31腳)：訪問程序存儲器的控制信號端(又：外部存儲器地址允許輸入端)。(1)當EA引腳接高電平時，CPU訪問片內(nèi)EPROM(CPU讀取內(nèi)部程序存儲器<ROM>)，并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。(2)當EA腳接低電平時，CPU只訪問外部EPROM，并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令。而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。(3)此腳還具有第二功能VPP：是對89C51片內(nèi)同化編程時，作為施加較高編程電壓輸入端。即：89C51燒寫內(nèi)部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。PSEN(29腳):程序存儲器允許輸入端(也叫:外部程序存儲器讀選通信號端):在讀外部ROM時PSEN低電平有效，實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作：(1)內(nèi)部ROM讀取時，PSEN不動作；(2)外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次；(3)外部RAM讀取時，兩個PSEN脈沖被跳過不會輸出；(4)外接ROM時，和ROM的OE腳相接。要檢查一個89C51小系統(tǒng)上電后能否正確到EPROM中讀取指令，可用示波器看PSEN端有無脈沖，如有，說明基本工作正常。ALE(30腳):是地址鎖存控制信號端。89C51正常工作時，ALE腳不斷向外輸出正脈沖信號，頻率為振蕩器頻率fosc的六分之一，CPU訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE作為鎖存8位地址的控制信號。平時不訪問外部存儲器時，ALE以六分之一的振蕩頻率固定輸出正脈沖。因此，ALE信號可以作為對外輸出時鐘或定時信號。另外還有四個8位并行通訊端口：P0口：8位雙向I/O端口(39——P1口：8位雙向I/O端口(1——P2口：8位雙向I/O端口(21——P3口：8位雙向I/O端口(10——P0口有三個功能：(1)外部擴展存儲器時，當做數(shù)據(jù)總線。(2)外部擴展存儲器時，當做地址總線。(3)不擴展時，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應(yīng)在外部接上拉電阻。P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。P2口有兩個功能:(1)擴展外部存儲器時，當作地址總線使用；(2)做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。P3口有兩個功能：作為I/O使用外(其內(nèi)部有上拉電阻)，還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設(shè)置。有內(nèi)部EPROM的單片機芯片，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的。即：編程電壓(25V)：31腳(EA/Vpp)編程脈沖：30腳(ALE/PROG)3.2.274LS64移位寄存器擴展LED顯示電路模塊的設(shè)計顯示器是最常用的輸出設(shè)備。LED是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高，發(fā)光響應(yīng)時間極短，光色純，結(jié)構(gòu)牢固，抗沖擊，耐振動，性能穩(wěn)定可靠，重量輕，體積小，成本低等一系列特性。在單片機系統(tǒng)應(yīng)用中，LED連接方式有共陽極和共陰極兩種，本設(shè)計采用的是共陰極連接方式，即公共端接地。本設(shè)計是兩位的雙色LED顯示,采取靜態(tài)掃描方式。顯示器的工作方式有兩種：動態(tài)掃描和靜態(tài)掃描。動態(tài)掃描方式的特點：將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)，由為選線控制是哪一位數(shù)碼管有效，顯示亮的數(shù)碼管。靜態(tài)掃描方式的特點是每個數(shù)碼管的段選接一個8位數(shù)據(jù)線來保持顯示的字碼，每當送入一個字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。考慮到良好監(jiān)測和控制的目的，本次設(shè)計采用靜態(tài)掃描方式。靜態(tài)掃描，一個七段的LED就需占用一個I/O接口，LED太多I/O端口不夠用，因此用在LED使用不多的情況下，如果想要靜態(tài)顯示較多的LED需要一些串行輸入并行輸出的芯片，比如：74LS64、74HC595。本次設(shè)計使用8個LED，74LS64移位寄存器能擴展I/O端口。其中A、B（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個引腳按邏輯與運算規(guī)律輸入信號，共一個輸入信號時可并接。S（第8腳）為時鐘輸入端，每一個時鐘信號的上升沿加到S端時，移位寄存器移一位，8個時鐘脈沖過后，8位二進制數(shù)全部移入74LS164中。R（第9腳）為復(fù)位端，當R=0時，移位寄存器各位復(fù)0，只有當R=1時，時鐘脈沖才起作用。QA…QH（第3-6和10-13引腳）并行輸出端分別接LED顯示器的a···dp各段對應(yīng)的引腳上。在給出了8個脈沖后，最先進入74LS164的第一個數(shù)據(jù)到達了最高位，再來一個脈沖，第一個脈沖就會從最高位移出。靜態(tài)顯示電路由8個共陰極LED數(shù)碼管和8個74LS164構(gòu)成。其連線如下圖3-1：3-1LED顯示模塊電路圖3.2.3紅、黃、綠三色信號燈電路模塊的設(shè)計設(shè)在十字路口，分為東西向和南北向，在任一時刻只有一個方向通行，另一方向禁行，持續(xù)一定時間，經(jīng)過短暫的過渡時間，將通行禁行方向?qū)Q。其具體狀態(tài)如下圖所示。說明：黑色表示亮，白色表示滅。交通狀態(tài)從狀態(tài)1開始變換，直至狀態(tài)4然后循環(huán)至狀1，周而復(fù)始，即交通狀態(tài)指示燈如圖3-1所示：直至狀態(tài)4然后循環(huán)至狀態(tài)1，通過具體的路口交通燈狀態(tài)的演示分析我們可以把這四個狀態(tài)歸納如下：（狀態(tài)1）（狀態(tài)2）（狀態(tài)3）（狀態(tài)4）圖3-1交通狀態(tài)狀態(tài)1：東西方向紅燈滅，同時綠燈亮，南北方向黃燈滅，同時紅燈亮。此狀態(tài)下，東西向禁止通行，南北向允許通行。狀態(tài)2：東西方向綠燈滅，同時黃燈亮，南北方向紅燈亮。此狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。狀態(tài)3：南北方向紅燈滅，同時綠燈亮，東西方向黃燈滅，同時紅燈亮。此狀態(tài)下，東西向允許通行，南北向禁止通行。狀態(tài)4：南北方向綠燈滅，同時黃燈亮，東西方向紅燈亮。此狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。下面我們可以用圖表表示燈狀態(tài)和行止狀態(tài)的關(guān)系如下：表3-1交通狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài)狀態(tài)1狀態(tài)3狀態(tài)4狀態(tài)6東西向禁行等待變換通行等待變換南北向通行等待變換禁行等待變換東西紅燈1100東西黃燈0001東西綠燈0010南北紅燈0011南北綠燈1000南北黃燈0100東西南北四個路口均有雙色LED數(shù)碼顯示管2個，在任一個路口，遇紅燈禁止通行，轉(zhuǎn)綠燈允許通行，之后黃燈亮警告行止狀態(tài)將變換。狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài)如表3-1所示。說明：0表示滅，1表示亮。3.2.4鍵盤電路的模塊電路的設(shè)計將I/O口線的一部分作為行線，另一部分作為列線，按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點上，這就構(gòu)成了矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤中按鍵的數(shù)量可達行線數(shù)n乘以列線數(shù)m，如本設(shè)計中2行、2列的矩陣鍵盤的按鍵數(shù)可以達到4個。矩陣式鍵盤的工作原理：從上電路原理圖圖可見，4條I／O口線分為2條行線和2條列線，按鍵設(shè)置在行線和列線交點上，即按鍵開關(guān)的兩端分別接在行線和列線上。行線通過一個電阻接到+5V電源上，在沒有鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)。

判斷是否有鍵按下的方法分下面幾步：

(1)向所有的列線I／O口輸出低電平后，將行線的電平狀態(tài)讀人累加器A中。若無鍵下，行線仍保持高電平