交通燈控制器設(shè)計(jì)與制作季嚴(yán)清

1、明達(dá)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2009 -2010 學(xué)年度信息工程系電子信息工程技術(shù)專業(yè)班級(jí) 07 電信（1 ）班 學(xué)號(hào) 43073127課題名稱交通燈控制器地設(shè)計(jì)與制作學(xué)生姓名季嚴(yán)清指導(dǎo)教師_ 陳慕銘2009 年 12 月 25 日交通燈控制器地設(shè)計(jì)與制作摘要:本次設(shè)計(jì)地交通燈利用 8051 單片機(jī)地 P1 口輸出段碼經(jīng)由 74LS373 鎖存然后控制 4 個(gè)數(shù)碼管，P0 口控制 6 個(gè)彩 燈作為交通指示燈，并通過(guò)鍵盤(pán)調(diào)整時(shí)間.關(guān)鍵詞:8051 單片機(jī) 74LS373 數(shù)碼管鍵盤(pán)目錄緒言.第一章方案地選擇與論證萬(wàn)案一 萬(wàn)案一第二章電源電路地組成和工作原理電源電路地組成及工作原理. 6單元電

2、路. 61變壓器.2橋式整流電路3濾波電路及其原理.84穩(wěn)壓電路. 10第三章 硬件電路及其工作原理. 11一主電路圖. 11二主電路工作原理. 11第四章 電路安裝與調(diào)試. 12一電路地組裝. 12二故障地檢測(cè)與排除. 12三電路各部分電壓與波形地測(cè)試 . 12心得體會(huì). 13參考文獻(xiàn). 14附錄. 15緒言隨著人民生活水平不斷地提高 ,衣食住行地水平也越來(lái)越高 ,交通地好壞直接關(guān)系到一個(gè)城市地形象 ,而交通地暢通與否直接跟它所擁有地交通燈及其功能相關(guān),本次實(shí)驗(yàn)要設(shè)計(jì)一個(gè) 4 向（其中 2 個(gè)方向相同故忽略不計(jì)） 6 燈 2 個(gè)數(shù)碼管地簡(jiǎn)易交通燈 .要求 2 個(gè)方向地 紅燈對(duì)應(yīng)另一個(gè)方面綠燈

3、和黃燈在紅燈亮 25 秒后換成黃燈亮 5 秒再變成綠燈亮 25 秒,其 亮滅情況與數(shù)碼管顯示數(shù)字一致 ,并且時(shí)間可以由外接地 3 個(gè)簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)調(diào)整 .電源部分一直是一個(gè)至關(guān)重要地環(huán)節(jié) ,它能體現(xiàn)資源地合理利用 ,信息時(shí)代各種簡(jiǎn)易地 電路充斥著市場(chǎng) ,便利著廣大群眾 ,而為這些簡(jiǎn)易電路供電地電源也變地越來(lái)越簡(jiǎn)單且節(jié)能,本次小型交通燈地實(shí)驗(yàn)就是采用這種簡(jiǎn)易地穩(wěn)壓電源,他不僅供電穩(wěn)定并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理 ,是實(shí)驗(yàn)用電源地良好模型 .本次實(shí)驗(yàn)中地電源是由額定 220V 電源通過(guò)變壓器形成電源后 ,經(jīng)過(guò)橋式整流電路整流 后再經(jīng)過(guò)濾波電容地濾波形成交流電壓通過(guò) W7805 三端穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后輸出一個(gè) 5V 地電

4、源與其他電源相比無(wú)論在功能是或者是成本上都有強(qiáng)力地競(jìng)爭(zhēng)力 .本論文不僅僅是對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)地概述 , 同時(shí)也是對(duì)三年專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)地總結(jié) .平時(shí)學(xué)到地 很多知識(shí)點(diǎn)在該論文中都得到了體現(xiàn) .在本論文寫(xiě)作過(guò)程中參考了一些書(shū)刊雜志 , 且引用了其中地部分資料 ,難以一一列舉 , 同時(shí)次論文地完成也離不開(kāi)指導(dǎo)老師地細(xì)心指導(dǎo) , 在此 , 一并向有關(guān)書(shū)刊雜志地作者及指 導(dǎo)老師表示衷心地感謝 .第一章方案地選擇與論證本次設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心地城市交通燈控制裝置，要求為：（1）應(yīng)有紅、黃、綠三種不同地交通信號(hào)燈；（2）紅燈、綠燈信號(hào)持續(xù) 30 秒,黃燈信號(hào)持續(xù) 5 秒,并通過(guò) 相應(yīng)地顯示單元顯示出來(lái)；（3）紅燈、

5、綠燈持續(xù)地時(shí)間可以任意調(diào)整.1、萬(wàn)案一圖 1該方案主要由控制器、定時(shí)器、譯碼器和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時(shí)器和控制器地標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈地控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū) 動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作，控制器是系統(tǒng)地主要部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器工作，其工作 原理框圖如圖 1 所示：其中 TL 表示甲車道或者乙車道綠燈亮地時(shí)間間隔為 25 秒,即車輛 正常通行地時(shí)間間隔.定時(shí)時(shí)間到，TL=1,否則,TL=OTY 表示黃燈亮地時(shí)間間隔為 5 秒，定時(shí)時(shí)間到,TY=1,否則,TY=OST 表示定時(shí)器到了規(guī)定時(shí)間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)移信號(hào)它由控制定時(shí)器開(kāi)始下一 個(gè)狀態(tài)地定時(shí)2

6、、方案二采用單片機(jī) 8051 作為控制單元,利用 74LS373 傳輸并鎖存段碼,通過(guò)數(shù)碼管顯示,每 組各有紅、綠、黃三種指示燈指示，并可通過(guò)鍵盤(pán)調(diào)整紅燈與綠燈時(shí)間其如電路系統(tǒng)方 框圖如圖 2 所示.圖 23、方案選擇方案二在電路結(jié)構(gòu)上相對(duì)于方案一而言比較簡(jiǎn)單，其在時(shí)間 1S 地準(zhǔn)確度也比方案一來(lái) 得精確，而方案二更可以調(diào)整紅燈與綠燈持續(xù)時(shí)間綜上所述,選擇方案二作為本次設(shè)計(jì)方案第二章電源電路地組成和工作原理一電源電路原理小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，工作原理圖如圖 3 所示.用二極管地單向?qū)щ娦越M成整流電路，可將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電 壓.把整流二極管當(dāng)

7、作理想元件，即認(rèn)為它地正向?qū)娮铻榱?，而反向電阻為無(wú)窮大.但 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮到二極管有內(nèi)阻，整流后所得波形，其輸出幅度會(huì)減少 0.61V,當(dāng)整 流電路輸入電壓大時(shí)，這部分壓降可以忽略但輸入電壓小時(shí)，例如輸入為 3V,則輸出只有 2V 多,需要考慮二極管正向壓降地影響.橋式整流電路是利用變壓器先將 220V 電壓降壓變 成 15V 地電路然后經(jīng)過(guò)整流電路整流后輸出10V 電壓經(jīng)過(guò) W7805 三端穩(wěn)壓器將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷鹤詈筝敵?5V 地穩(wěn)壓電源.1、變壓器變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗地器件，當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓（或電

8、流）變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上地繞組，其中接電源地繞組叫初級(jí)線圈，其余地繞 組叫次級(jí)線圈.2、橋式整流電路整流電路是利用二極管地單向?qū)щ娮饔脤⒔涣麟娮儞Q成單方向地直流電地因此，二極管是構(gòu)成整流電路地關(guān)鍵元件.常見(jiàn)地小功率整流電路，有半波整流、全波整流、和橋 式整流等幾種.其中以橋式整流電路最為常用，本次設(shè)計(jì)中選用地是橋式整流電路.為分析簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管地正向?qū)娮铻榱?，?向電阻為無(wú)窮大1整流電路工作原理單相橋式整流電路如圖 4 和圖 5 所示，圖中，四個(gè)整流二極管 D1D4接成電橋形式（故 名橋式整流電路）,其輸入是來(lái)自電源變壓器

9、 T 副邊地正弦交流電壓 U2（=2Usinwt ）,其輸 出加至要求直流供電地負(fù)載電阻上.需特別指出地是，整流橋地四個(gè)二極管，必須嚴(yán)格按照 圖 4 所示地方式連接于 A,B,C,D 四點(diǎn)之間,否則，將導(dǎo)致變壓器短路.圖 5 是橋式整流電路 地簡(jiǎn)化畫(huà)法.圖 5JD由二極管地單向?qū)щ娦?不難得出橋式整流電路地工作波形當(dāng) U2= （ 2Usinwt ）處于正半周時(shí),圖 4所示電路中地 A 點(diǎn)電位高于 B點(diǎn)二極管D和 D3處于正向偏置而導(dǎo)通Q2Q4則因反偏而截止.電源經(jīng) D,D3向負(fù)載供電，輸出一個(gè)與 U2正半波相同地電壓，同理，當(dāng) U2為 負(fù)半周時(shí),B 點(diǎn)電位高于 A 點(diǎn),DI,D3轉(zhuǎn)為反偏而截止

10、，D2與D則因正偏而導(dǎo)通.電源經(jīng) D2,D4向負(fù)載供電，此時(shí),U0=-U2,其波形與 U2地正半波相同.可見(jiàn)，在交流電壓 U2變化一周時(shí)，負(fù)載 R 上得到地卻是單方向脈動(dòng)地電壓 U0和電流 i0. 由于該電路在正弦電壓 U2地正,負(fù)半周都有輸出，故稱這種整流方式為全波整流.濾波電路主要由儲(chǔ)能元件電容，電感組成.下面著重介紹小功率整流電路中最常用地 形式電容濾波電路.3、濾波電路濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓 U3中地大部分紋波加以濾除，以得 到較平滑地直流電壓 UI. UI與交流電壓 U2地有效值 U2地關(guān)系為：UI=（1.11.2）U2在整流電路中，每只二極管所承受地最大反向

11、電壓為：URM =：2U2流過(guò)每只二極管地平均電流為：.IR0.45U2ID2 R其中：R 為整流濾波電路地負(fù)載電阻，它為電容 C 提供放電通路，放電時(shí)間常數(shù) RC 應(yīng)滿足:其中：T = 20ms 是 50Hz 交流電壓地周期.濾波電路地原理交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出地是脈動(dòng)直流，其中既有直流成分又有交流成份.濾 波電路利用儲(chǔ)能元件電容兩端地電壓（或通過(guò)電感中地電流）不能突變地特性，將電容與 負(fù)載 RL 并聯(lián)（或?qū)㈦姼信c負(fù)載 RL 串聯(lián)）,濾掉整流電路輸出電壓中地交流成份，保留其直 流成份,達(dá)到平滑輸出電壓波形地目地.2電容濾波R-接入（且 R-C 較大）時(shí)如圖 6 所示電容通過(guò) R-放電，

12、在整流電路電壓小于電容電壓時(shí)，二極管截止，整流電路不為電容充 電，Uo會(huì)逐漸下降.RC(3 5)T2圖 63電容濾波電路地特點(diǎn)（a）輸出特性（外特性）輸出波形隨負(fù)載電阻 RL或 C 地變化而改變,U0和 S 也隨之改變.如：R 愈小（IL 越大），U0下降多,S增大（b）UL與 RC 地關(guān)系：R-C 愈大 C 放電愈慢 LL（平均值）愈大一般?。篟LC （3-5）T/2（T:電源電壓地周期）近似估算：LL=1.2L2圖 8（c）流過(guò)二極管瞬時(shí)電流很大整流管導(dǎo)電時(shí)間越短 iD地峰值電流越大結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動(dòng)不大地場(chǎng)合4、穩(wěn)壓電路由于輸入電壓 ui發(fā)生波動(dòng)

13、、負(fù)載和溫度發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸出地直流電壓 UI會(huì) 隨著變化.因此,為了維持輸出電壓 UI穩(wěn)定不變，還需加一級(jí)穩(wěn)壓電路.穩(wěn)壓電路地作用是 當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時(shí)，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定地輸出.穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成.采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)地穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).集成穩(wěn)壓器地類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用地是三端穩(wěn)壓器.按輸出電壓 類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型.常見(jiàn)地有 CW78 （ LM78 ）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79（LM79 ）系列三端固定式負(fù)

14、電壓輸出集成穩(wěn)壓器 三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個(gè)接地端子.型號(hào)中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓地穩(wěn)定值，有 5V、6V、9V、15V、18V 和 24V.穩(wěn)壓器使用時(shí),要求輸入電壓 UI與輸出電壓 U。地電壓差 UI- Uo2V. 穩(wěn)壓器地靜態(tài)電流 Io= 8mA.當(dāng) Uo= 5 18V 時(shí)，UI地最大值 Uimax= 35V ;當(dāng) Uo=18 24V 時(shí)，UI地最大值 UImax= 40V.第三章硬件電路及工作原理一、主電路圖主電路圖見(jiàn)附錄一二、主電路原理利用 8051 單片機(jī)作為控制單元,同時(shí)利用定時(shí)計(jì)數(shù)器 TO 定時(shí) 1S 鐘.每經(jīng)過(guò) 1S,通過(guò) P1 口輸出其段碼,并經(jīng) 74LS

15、373鎖存驅(qū)動(dòng),通過(guò)數(shù)碼管顯示紅燈與綠燈地時(shí)間,其中紅燈持 續(xù) 30S,綠燈持續(xù) 25S,黃燈持續(xù) 5S,同時(shí)利用單片機(jī) P0 口控制發(fā)光二極管用來(lái)顯示紅、黃、綠三種指示信號(hào)燈 .第四章 電路地裝調(diào)和故障解讀在本次實(shí)驗(yàn)中電路地組裝與調(diào)制是至關(guān)重要地一個(gè)環(huán)節(jié) , 直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)地成功與否 本次實(shí)驗(yàn)是利用 8051 地 P1 口輸出段碼然后由 74LS373 鎖存后再由數(shù)碼管輸出,而 P0 口 是控制 2 個(gè)方向地指示信號(hào)燈情況 .一、 電路地裝調(diào)組裝該電路時(shí)，起先組裝電路地時(shí)候鎖存用地是 74LS244 由于不知道其各部分引腳功 能所以導(dǎo)致數(shù)碼管輸出亂碼，通過(guò)網(wǎng)上與圖書(shū)館地資料了解了 74LS2

16、44 各引腳地功能以及 各部分地輸入輸出端后重新組裝電路 ,使數(shù)碼管可以正常運(yùn)行并顯示對(duì)應(yīng)地?cái)?shù)字 .二、 故障地檢測(cè)與排除在組裝好電路以后 , 編輯好相應(yīng)地程序 , 執(zhí)行后發(fā)現(xiàn)輸出斷碼沒(méi)有問(wèn)題 , 但是數(shù)碼管無(wú) 法顯示相應(yīng)地?cái)?shù)值 , 總是在聽(tīng)到啪嗒一聲后又恢復(fù)以前地?cái)?shù)值 . 從各方面資料中得出結(jié) 論,74LS244地鎖存功能特別差致使斷碼無(wú)法鎖存,故輸出與實(shí)際偏差很大,經(jīng)過(guò)指導(dǎo)老師 地幫助,得到了解決這個(gè)問(wèn)題地方法，將 74LS244 替換為 74LS373 加一個(gè) 74LS02,其中 74LS02 提供 3 個(gè)或非門(mén) ,74LS373 無(wú)論在功能或者鎖存方面都比較突出 , 將電路重新連接 后

17、把 74LS373 換上, 再啟動(dòng)電路發(fā)現(xiàn)這次數(shù)碼管地顯示正常穩(wěn)定 .74LS373 引腳圖如圖 12 所示.三、電路各部分電壓與波形地測(cè)試當(dāng)電壓由變壓器降壓后變成10.6V,其輸出波形為正弦波，通過(guò)橋式整流電路整流后其輸出地電壓為 10.5V,而波形變?yōu)榘胂也ǎ@時(shí)電壓經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟妷?，接下?lái) 10.5V 直 流電壓通過(guò)電容濾波后且輸出電壓仍然不變 ,波形地頻率降低 ,最后 10.5V 直流電壓通過(guò) 3 端穩(wěn)壓管輸出 4.8V 直流電壓，波形慢慢趨于平緩，最后成為一條直線心得體會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)月地努力 , 畢業(yè)設(shè)計(jì)基本完成了 , 在畢業(yè)設(shè)計(jì)地實(shí)踐中 , 學(xué)到很多有用地知 識(shí)：在本文地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

18、中 , 本人對(duì)一個(gè)完整地電路設(shè)計(jì)地基本方法有了基本地了解 , 對(duì) 元件地焊接、排線、組裝都有了一定地學(xué)習(xí) , 也積累了不少寶貴地經(jīng)驗(yàn) .點(diǎn)擊運(yùn)行,也基本 達(dá)到預(yù)期地效果 ,虛榮地成就感在沒(méi)人地時(shí)候也總會(huì)冒上心頭 . 但由于能力和時(shí)間地關(guān)系 , 總是覺(jué)得有很多不盡人意地地方，譬如功能不全、外觀粗糙不美觀等不合理數(shù)不勝數(shù) 可是, 我又會(huì)有點(diǎn)自戀式地安慰自己：做一件事情, 不必過(guò)于在乎最終地結(jié)果 , 可貴地是過(guò)程 中 地 收 獲 . 以 此 語(yǔ) 言 來(lái) 安 撫 我 尚 沒(méi) 平 復(fù) 地 心 .畢業(yè)設(shè)計(jì) , 也許是我大學(xué)生涯交上地最后一個(gè)作業(yè)了 . 在這三年以來(lái)給我?guī)椭厮?老師、同學(xué) , 你們地友誼是我人生地財(cái)富 , 是我生命中不可或缺地一部分 .大學(xué)生活即將匆匆忙忙地過(guò)去 , 但我卻能無(wú)悔地說(shuō)： “我曾經(jīng)來(lái)過(guò) . ”大學(xué)三年 , 但它給我地影響卻不能用時(shí)間來(lái)衡量 ,這三年以來(lái) ,經(jīng)歷過(guò)地所有事 ,所有人,都將是我以后生 活回味地一部分 , 是我為人處事地指南針 . 就要離開(kāi)學(xué)校 ,