单片机的交通信号灯控制电路设计
引言 1
一、交通灯的总体方案设计与论证 1
（一）单片机与外围接口选择 1
（二）电源方案 1
（三）输入键盘方案 2
（四）交通灯显示方案 2
（五）系统稳定运行保障方案 2
二、硬件的选择与简介 3
（一） 8051芯片简介 3
1、8051内部结构 3
2、8051的控制引脚说明 3
（二）8255芯片简介 4
（三）74LS373芯片简介 5
1、74LS373内部结构 5
2、74LS373的引脚说明 5
（四）看门狗MAX692 6
三、硬件电路设计 7
（一）理论分析与计算 7
（二）8051与其他硬件的连接 8
（三）看门狗电路 9
（四）按键电路 9
（五）交通灯时间显示驱动电路 10
（六）晶闸管灯显示电路 11
四、软件设计 13
（一）主程序流程框图 13
（二）交通灯1秒时间的设定 14
（三）8255输出信号与信号灯的连接 15
（四）8051与8255连接 16
五、程序调试 17
附录1：部分汇编程序代码 20
附录2：电路原理图 23
附录3：PCB设计图 24
参考文献 25
致谢 26
正 文
引言
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器。 由于其具有集成度高，体积小，功耗低，性价比高，功能强，应用灵活，可靠性高等优点，所 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
以目前在工业控制机电一体化，通信终端，智能仪表，家用电器等诸多领域中都起着十分重要的作用，并且应用越来越广泛。
本文正是应用单片机嵌入式控制实现十字路口的交通灯的智能控制设计。
一、交通灯的总体方案设计与论证
根据课题任务的要求，该系统具有红绿黄交通灯的明暗显示功能，倒计时功能，改变时间设定等功能。所以设计时把系统分为几个模块：倒计时显示器、键盘、交通信号灯、控制模块和看门狗电路。系统硬件框图如下：
图1系统硬件连接框图
（一）单片机与外围接口选择
系统控制芯片，单片机采用MCS-8051，它拥有128个8位内部用户数据存储单元和128个专用寄存器，两个16位可编程定时/计数器，以达到或定时器中断用于控制程序转向，控制系统能够满足设计要求。锁存器用74LS373芯片，选择微控制器输出的地址锁存信号。8255是通用并行接口电路，适用于各种各样的通用微处理器的8位并行输入/输出接口芯片，在系统中用来控制芯片的I/ O口扩展设计的计算机系统。
（二）电源方案
为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了三种电源方案 。
方案一：采用独立的稳压电源。此方有多种成熟的电路可供选择的优点；缺点是各模块都是独立的电源，可能会导致系统内部过于复杂，可能使电路电平受到影响。
方案二：通过单片机控制模块来提供电源。此方案有系统简洁，有利于成本的节约；但输出功率不高。
方案三：采用220V交流电源与稳压电源块给系统提供电源，这样既可以有高的输出功率，达到题目所给的要求。
综上所述，我们选择第三种方案。
（三）输入键盘方案
键盘在系统中完成手动设灯亮时间、紧急情况处理等功能。
按照结构，按键有两类，触点式开关按键和非触点式开关按键。目前，触点式开关按键最常见于微机系统中。
通过原理来分，按键又有编码键盘和非编码键盘两种，识别键符及给出相应键码的方法是这两者的区别，编码键盘则用硬件来实现对键的识别，非编码按键是由软件来实现键盘的定义与识别。编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，编码键盘一般还具有窜键保护电路和去抖动和多键，这些键盘虽然使用方便简单，但需要硬件的种类较多，所以价格较贵，一般的单片机应用系统很少采用。而非编码键盘只要提供简单地行和列矩阵，其它工作基本是软件完成。因为成本价格低，更多地应用于单片机系统中。
独立式的按键直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。本设计选择独立式非编码按键结构。独立式按键的典型应用如图2所示。
（四）交通灯显示方案
采用信号灯拼成箭头状作为人行提示/左右转提示，一定要清晰明了。双向晶闸管发光原理为：当控制极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当控制极为低电平时晶闸管关断，该支路指示灯灭。用220交流电驱动的晶闸管交通灯，一是供电方便，只要交流市电直接供电即可，二是其工作电流大可实现弱点控制大电流，这样就满足了在阳光下或者在雾天也可以看清楚交通灯信号（大电流）的需求。故本系统选择双向晶闸管控制LED。
（五）系统稳定运行保障方案
由于单片机自身的抗干扰能力比较差，尤其在一些条件比较恶劣、噪声大的场合，常会出现单片机因为受外界干扰而导致死机的现象，造成系统不能正常工作。为了使该系统在噪声大的路口同样可以比较稳定的运行，在系统中设计了硬件看门狗电路，用以保证系统在受到外界干扰死机或者不能正常工作时，可以自动重置。 本系统采用专用芯片MAX692作为外部看门狗电路，相较于软件看门狗，硬件看门狗尽管会导致电路略复杂，但抗干扰性能要优秀不少。
二、硬件的选择与简介
（一） 8051芯片简介
1、8051内部结构
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以达到定时、计数产生中断、来控制程序转向。8051共有4组8位I/O口，用于对外部数据的传输。8051内有1个全双工串行通信口，可以达到串行数据传送于其它设备，此串行口可以作为异步通信收发器和当同步移位器。8051拥有中断功能， 2个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，能提供不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。8051内含频率最高达12MHz电路，可产生整个在运行中的单片机脉冲时序，与此同时8051单片机需外置振荡电容。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位。
2、8051的控制引脚说明
MCS-51系列单片机中的8051是由40Pin封装的双列直接DIP组成。因其属于常规芯片，故此处不详细给出芯片详细引脚图和说明，仅就若干个控制引脚的脚号、名称、功能做一简单梳理，见下表。
RESET：复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。
（5）G是输出锁存控制端；当G等于1时，锁存器输出端同输入端，当G由1变为0时，数据输入锁存器中；
（6）OE为输出允许端，当OE等于0时，三态门打开，当OE等于1时，三态门关闭，输出呈高阻状态。
其基本工作原理就是，当锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。
一、交通灯的总体方案设计与论证 1
（一）单片机与外围接口选择 1
（二）电源方案 1
（三）输入键盘方案 2
（四）交通灯显示方案 2
（五）系统稳定运行保障方案 2
二、硬件的选择与简介 3
（一） 8051芯片简介 3
1、8051内部结构 3
2、8051的控制引脚说明 3
（二）8255芯片简介 4
（三）74LS373芯片简介 5
1、74LS373内部结构 5
2、74LS373的引脚说明 5
（四）看门狗MAX692 6
三、硬件电路设计 7
（一）理论分析与计算 7
（二）8051与其他硬件的连接 8
（三）看门狗电路 9
（四）按键电路 9
（五）交通灯时间显示驱动电路 10
（六）晶闸管灯显示电路 11
四、软件设计 13
（一）主程序流程框图 13
（二）交通灯1秒时间的设定 14
（三）8255输出信号与信号灯的连接 15
（四）8051与8255连接 16
五、程序调试 17
附录1：部分汇编程序代码 20
附录2：电路原理图 23
附录3：PCB设计图 24
参考文献 25
致谢 26
正 文
引言
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器。 由于其具有集成度高，体积小，功耗低，性价比高，功能强，应用灵活，可靠性高等优点，所 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
以目前在工业控制机电一体化，通信终端，智能仪表，家用电器等诸多领域中都起着十分重要的作用，并且应用越来越广泛。
本文正是应用单片机嵌入式控制实现十字路口的交通灯的智能控制设计。
一、交通灯的总体方案设计与论证
根据课题任务的要求，该系统具有红绿黄交通灯的明暗显示功能，倒计时功能，改变时间设定等功能。所以设计时把系统分为几个模块：倒计时显示器、键盘、交通信号灯、控制模块和看门狗电路。系统硬件框图如下：
图1系统硬件连接框图
（一）单片机与外围接口选择
系统控制芯片，单片机采用MCS-8051，它拥有128个8位内部用户数据存储单元和128个专用寄存器，两个16位可编程定时/计数器，以达到或定时器中断用于控制程序转向，控制系统能够满足设计要求。锁存器用74LS373芯片，选择微控制器输出的地址锁存信号。8255是通用并行接口电路，适用于各种各样的通用微处理器的8位并行输入/输出接口芯片，在系统中用来控制芯片的I/ O口扩展设计的计算机系统。
（二）电源方案
为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了三种电源方案 。
方案一：采用独立的稳压电源。此方有多种成熟的电路可供选择的优点；缺点是各模块都是独立的电源，可能会导致系统内部过于复杂，可能使电路电平受到影响。
方案二：通过单片机控制模块来提供电源。此方案有系统简洁，有利于成本的节约；但输出功率不高。
方案三：采用220V交流电源与稳压电源块给系统提供电源，这样既可以有高的输出功率，达到题目所给的要求。
综上所述，我们选择第三种方案。
（三）输入键盘方案
键盘在系统中完成手动设灯亮时间、紧急情况处理等功能。
按照结构，按键有两类，触点式开关按键和非触点式开关按键。目前，触点式开关按键最常见于微机系统中。
通过原理来分，按键又有编码键盘和非编码键盘两种，识别键符及给出相应键码的方法是这两者的区别，编码键盘则用硬件来实现对键的识别，非编码按键是由软件来实现键盘的定义与识别。编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，编码键盘一般还具有窜键保护电路和去抖动和多键，这些键盘虽然使用方便简单，但需要硬件的种类较多，所以价格较贵，一般的单片机应用系统很少采用。而非编码键盘只要提供简单地行和列矩阵，其它工作基本是软件完成。因为成本价格低，更多地应用于单片机系统中。
独立式的按键直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。本设计选择独立式非编码按键结构。独立式按键的典型应用如图2所示。
（四）交通灯显示方案
采用信号灯拼成箭头状作为人行提示/左右转提示，一定要清晰明了。双向晶闸管发光原理为：当控制极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当控制极为低电平时晶闸管关断，该支路指示灯灭。用220交流电驱动的晶闸管交通灯，一是供电方便，只要交流市电直接供电即可，二是其工作电流大可实现弱点控制大电流，这样就满足了在阳光下或者在雾天也可以看清楚交通灯信号（大电流）的需求。故本系统选择双向晶闸管控制LED。
（五）系统稳定运行保障方案
由于单片机自身的抗干扰能力比较差，尤其在一些条件比较恶劣、噪声大的场合，常会出现单片机因为受外界干扰而导致死机的现象，造成系统不能正常工作。为了使该系统在噪声大的路口同样可以比较稳定的运行，在系统中设计了硬件看门狗电路，用以保证系统在受到外界干扰死机或者不能正常工作时，可以自动重置。 本系统采用专用芯片MAX692作为外部看门狗电路，相较于软件看门狗，硬件看门狗尽管会导致电路略复杂，但抗干扰性能要优秀不少。
二、硬件的选择与简介
（一） 8051芯片简介
1、8051内部结构
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以达到定时、计数产生中断、来控制程序转向。8051共有4组8位I/O口，用于对外部数据的传输。8051内有1个全双工串行通信口，可以达到串行数据传送于其它设备，此串行口可以作为异步通信收发器和当同步移位器。8051拥有中断功能， 2个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，能提供不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。8051内含频率最高达12MHz电路，可产生整个在运行中的单片机脉冲时序，与此同时8051单片机需外置振荡电容。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位。
2、8051的控制引脚说明
MCS-51系列单片机中的8051是由40Pin封装的双列直接DIP组成。因其属于常规芯片，故此处不详细给出芯片详细引脚图和说明，仅就若干个控制引脚的脚号、名称、功能做一简单梳理，见下表。
RESET：复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。
（5）G是输出锁存控制端；当G等于1时，锁存器输出端同输入端，当G由1变为0时，数据输入锁存器中；
（6）OE为输出允许端，当OE等于0时，三态门打开，当OE等于1时，三态门关闭，输出呈高阻状态。
其基本工作原理就是，当锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。
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