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1、 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告1前言随着经济发展，汽车保有量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通拥塞已成为一个城市管理的难题。为了缓解这一难题交通信号灯出现于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使人与人、车与车之间尽可能减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。因此十字路口的红绿灯就成为了指挥着行人和车辆的安全通过的一种方式，实现红绿灯自动指挥也就成为城市管理自动化的重要课题。围绕这一课题，多年来有众多设计方案来实现这一功能，随着数字技术、软件编程的发展和进步，实现这一功能的新的设计方案更是层出不穷。就目前而言，在这一方面，比较普遍使用而技术又先进
2、的主要是以 CPLD 和 MCU 为核心的实现方案。然而本次课程设计将通过 C/OS-II 软件编程实现十字路口交通信号灯控制系统，该系统采用了以 8051 为内核的单片机芯片 AT89s51 作为核心控制器，以嵌入式操作系统 RTX51为软件开发平台，通过用红、绿、黄三种颜色作为交通控制信号，分别指示主道和支道的通行状态，来控制城市十字路口的交通。该系统具有制作简单、成本低、功能实用等特点。 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告21. 设计要求本次设计用红、绿、黄三种颜色作为交通信号控制，分别指示主道和支道的通行状态实现十字路口的红绿灯控制。 在相应信号灯字母的下方，用数字表示该信号灯
3、切换的剩余时间。该时间每秒钟减一，减为零时，切换信号灯。信号灯切换时间缺省为 60 秒。某方向由红灯切换为绿灯时，应有 5 秒钟的缓冲时间，以确保另一方向的车辆安全通过。即在切换信号灯时，有 5 秒钟的时间两个方向的信号灯都是红灯。不能出现两个方向都是绿灯的情况。用户可通过键盘输入信号灯切换时间，切换时间范围为 20 秒至 120 秒之间。用户输入的数字以回车键结束。对于错误的输入，系统可不作任何响应。对于正确的输入，下次信号灯切换后，采用新输入的切换时间。2 . 设计原理 2.1 显示模块 2.1.1 电路的显示模块电路的显示模块可分为三部分，因为有三种显示部分，红绿灯显示、人行横道显示、时
4、间显示，红绿灯显示器是最简单的一种电路连接方式，它有三种颜色的发光二极管，每种颜色的有 7 个二极管并连接起来，假如每个发光二极管的电流为 10mA，所以一种发光颜色的电流为 70mA，电路的并联虽然会产生较大的电流，但他所需要电压低，小电压就能驱动起来，如果 7 个二极管都串联所需电流比较低但所需总电压高，假如每个二极管的导通压降为 1.5V，那么一种颜色发光所需要 10.5V 电压来驱动，这样很有可能损坏二极管，并且串联的二极管如果有一支损坏就都不会点亮导致工作的可靠性不高，因此采用并联。见图 2.1 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告3图 2.1 红绿灯显示2.1.2 人行横道显
5、示人行横道显示部分是比较复杂的一个设计了，它不像红绿灯一样只要三种状态显示就行，它需要动态人行走动显示，但单片机只提供了三种状态输出，所以我们的人行横道显示必须进行电路的设计。我采用的是二极管隔离显示，采用 13 个二极管隔离，以完成目的。人行横道人行走路显示为绿色灯显示，暂停为红色灯显示。见图 2.2： 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告4图 2.2 人行横道原理图2.1.3 时间显示 CD4511 是七段码十六进制锁存译码驱动芯片，它能将四位二进制数编码转换为七段 LED 显示器的字段码，同时具有锁存和驱动能力。CD4511 有四个输入端,ABCD-BCD 码输入端,LE锁存允许端
6、。当 LE 锁存允许端为 0 时，4 位 BCD 码进入锁存器，当 LE锁存允许端为 1 时，输入的数据被锁存。CD4511 的输出接七段数码显示器，七段数码显示器是共阴极。见图 2.3图 2.3 时间显示电路2.1.4 电源部分 本实验采用直流稳压电源。如图 2.4 所示。电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值。交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是电流强度大小还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给集成电路供电的，而要通过整流电路将交流电变成直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。滤波的任务，
7、就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近稳恒的直流电。但这样的电压还随电网电压波动，一般有10%左右的波动， 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告5负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。220V 交流电通过 9V 变压器变为 9V 的交流电，9V 交流电通过四个二极管的全桥整流后变为 9V 直流电，然后经过电解电容（10F）进行一级滤波，以去除直流电里面的杂波，防止干扰。9V 直流电出来后再经过三端稳压器 LM7805 稳压成为稳定的 5V 电源，其中 7805的 Vin
8、 脚是输入脚，接 9V 直流电源正极，GND 是接地脚，接 9V 直流电源负极，Vout为输出脚，它和接地脚的电压就是+5V 了。5V 电源出来再经过电解电容的二级滤波，使 5V 电源更加稳定可靠。同时在 5V 稳压电源加上一个 10K 的电阻和一个红色发光二极管，当上电后，发光二极管点亮，表示电源工作正常。 图 2.4 3.3V与 2.5V电源输出2.2 LED 2.2.1 LED灯具的优点LED 照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED 作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED 光源使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低，因而在 LED 手电筒、LED 矿灯及便携照明；在建筑照明、
9、装饰照明、标识牌照明；在汽车的仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯.。 LED 高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管 0.03 瓦-1 瓦）电光功率转换接近 100%，相同照明效果比传统光源节能 80%以上。 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告6LED 利环保：LED 是一种绿色光源，环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线，热量低和无频闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。2.2.2 LED灯具驱动原理LED 灯具驱动需要先将高压的交流电变换成低压的交流电（AC/AC）,然后将低压的交流电经桥式整流
10、变换成低压的直流电（AC/DC），再通过高效率的 DC/DC 开关稳压器降压和变换成恒流源，输出恒定的电流驱动 LED 光源。LED 光源是按灯具的设计要求由小功率或大功率 LED 多串多并而组成。每串的 IF 电流是按所选用的 LED 光源 IF 要求设计，总的正向电压VF 是 N 颗 LED 的总和。LED 灯具选用 36V 以下的交流电源可以考虑非隔离供电，如选用 220V 和 100V 的交流电源应考虑隔离供电。目前 MR11、MR16 射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等 LED 灯具大多选用散热较好的自带铜基或铝基板的 1W、3W 大功率 LED 光源，使用 AC/DC
11、12-36V 电源，因而需要使用 DC/DC 的降压（Buck）+ 恒流给 LED 提供 VF 和 IF。LED 灯具大多使用低压电源，因此在这类灯具的电路设计上，LED 的串联个数在 1-9 颗，尤以 1-3 颗为常见。串联的总VF 应低于电源 Vin。如三颗 LED 串联，VF=3.4V X 3=10.2V。在 Vin12V，能正常工作。MR11、MR16 射灯常见的是 1W X 3 串联或 3W X 1；水底灯常见的是 1W X 3 串联 2-3 并，三个一组；洗墙灯常见的是 1W X 7-9 串联；路灯常见的是 1W X 9 串联 3 并，4-6 个一组；、汽车工作灯常见的是 1W X
12、 3-6 串联 3 并。当然 LED 的串并联的方案是多种多样的，串联个数与其工作电压（Vin）有关，这里就 DC12-36V 工作电压而言。目前 1W 的 LED 光源散热较好，因此选用较多。2.2.3 LED灯具对低压驱动芯片的要求驱动芯片的标称输入电压范围应当满足 DC5-40V，以覆盖应用面的需要，耐压如能大于 40V 更好；AC 12V 或 24 V 输入时简单的桥式整流器输出电压会随电网电压波动，特别是电压偏高时输出直流电压也会偏高，驱动 IC 如不能适应宽电压范围，往往在电网电压升高时会被击穿，LED 光源也因此被烧毁。驱动芯片的标称输出电流要求大于 1.2-1.5A，作为照明用
13、的 LED 光源，1W 功率 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告7的 LED 光源其标称工作电流为 350mA，3W 功率的 LED 光源其标称工作电流为 700mA，功率大的需要更大的电流，因此 LED 照明灯具选用的驱动 IC 必需有足够的电流输出，设计产品时必需使驱动 IC 工作在满负输出的 70-90%的最佳工作区域。使用满负输出电流的驱动 IC 在灯具狭小空间散热不畅，容易疲劳和早期失效。驱动芯片的输出电流必需长久恒定，LED 光源才能稳定发光，亮度不会闪烁；同一批驱动芯片在同等条件下使用，其输出电流大小要尽可能一致，也就是离散性要小，这样在大批量自动化生产线上生产才能有效和
14、有序；对于输出电流有一定离散性的驱动芯片必选在出厂或投入生产线前分档，调整 PCB 板上电流设定电阻（Rs）的阻值大小，使之生产的 LED 灯具恒流驱动板对同类 LED 光源的发光亮度一致，保持最终产品的一致性。2.3 系统设计 2.3.1 设计方案东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案如下表60S 5S 60S 5S东西道 红灯亮 黄灯亮 绿灯亮 黄灯亮南北道 绿灯亮 黄灯
15、亮 红灯亮 黄灯亮表 1 指示灯燃亮的方案（1）当东西方向为红灯、南北道为绿灯；东西干道车辆、行人禁止通行，南北干道车辆、行人通行。时间为 60 秒。（2）黄灯闪烁 5 秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。（3）当东西方向为绿灯，南北方向为红灯；东西干道车辆、行人通行；南北道车辆行人禁止通过。时间 60 秒。 东西方向车流量大通行时间长。 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告8（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。（5）此表可根据车流量动态设定红绿灯初始值。2.3.2 交通信号灯控制方案信号灯 R Y G 主红支绿 30s 1 0 0
16、 0 0 1主路口街道 主干道 次干道红支黄 5s 1 0 0 0 1 0主绿支红 40s 0 0 1 1 0 0主黄支红 5s 0 1 0 1 0 0主干道车辆通行时间是 30s，次干道为 20s，红绿灯转换之间黄灯亮 5s，控制三色灯的信号为开关信号，约定逻辑 0 表示灯灭，逻辑 1 表示灯亮。 这是一个非常简单的微控制器最小系统，其中，发光二极管实际为若干发光二极管组成的阵列，每个发光二极管只是一个像素点，能显示红、黄、绿三种颜色，这是因为每个发光二极管封装内包含两个发光二极管。仅当 Red 亮时，灯显红色，仅当Green 亮时，灯显绿色，当两者同时点亮时，由混色原理可知，灯显黄色。2.3.3 C/OS-II
