单片机交通灯控制系统课程设计报告 从电路原理图到程序设计的DIY实践

摘要：本课程设计以单片机为核心，设计并实现了一个模拟十字路口交通灯控制系统。通过自主设计电路原理图、编写控制程序以及完成硬件搭建，深入理解了单片机在嵌入式系统中的实际应用。

一、设计目标与功能要求

1. 设计目标：模拟一个标准十字路口的交通信号灯控制，具备自动循环、时间可调及紧急手动控制等功能。
2. 功能要求：

• 南北方向与东西方向交替通行，遵循“绿灯→黄灯→红灯”的循环。

• 每个方向设置通行（绿灯）、等待（黄灯）和禁止（红灯）三种状态。

• 绿灯与红灯时间可程序设定，黄灯作为过渡固定为3秒。

• 设置紧急模式按键，可手动切换为全方向红灯，模拟紧急情况。

二、系统总体设计
系统采用模块化设计思想，主要由以下模块构成：

1. 控制核心：STC89C52单片机，负责逻辑处理与定时控制。
2. 显示模块：采用红、黄、绿三色LED模拟交通灯，每个方向各一组。
3. 输入模块：独立按键用于切换紧急模式及重置系统。
4. 电源模块：提供稳定的5V直流电源。

三、电路原理图设计

1. 单片机最小系统：包括晶振电路（12MHz）、复位电路（上电复位与手动复位）以及电源滤波电路。
2. LED驱动电路：采用共阳极接法，单片机I/O口通过限流电阻（220Ω）直接驱动LED。考虑到I/O口驱动能力，若需增加亮度可加入三极管放大电路。
3. 按键电路：采用独立式按键，一端接地，另一端接I/O口并上拉至VCC，实现低电平有效检测。
4. 完整原理图整合：使用EDA软件（如Altium Designer或Proteus）绘制，确保电气连接正确，并标注元件参数。

四、程序设计
程序采用C语言在Keil uVision环境下开发，结构清晰，便于维护。

1. 主程序流程：初始化→进入主循环→扫描按键→执行正常模式或紧急模式。
2. 定时器应用：使用单片机内部定时器0，工作于模式1（16位定时），产生精确的1秒基准时间。
3. 状态机设计：将交通灯周期划分为四个状态（南北绿/东西红、南北黄/东西红、南北红/东西绿、南北红/东西黄），通过状态变量平滑切换。
4. 关键代码片段：
`c
// 定义时间常数（单位：秒）
#define GREEN_TIME 30

#define YELLOW_TIME 3

#define REDTIME (GREENTIME + YELLOWTIME)

// 状态处理函数示例
void handlestatenormal() {
switch(currentstate) {
case 0: // 南北绿灯，东西红灯
setlights(SOUTHNORTH, GREEN);
setlights(EASTWEST, RED);
if(timercount >= GREENTIME) {
currentstate = 1;
timercount = 0;
}
break;
// ... 其他状态类似
}
}
`

1. 按键去抖：采用软件延时法，检测到按键按下后延时10-20ms再次确认，提高稳定性。

五、系统仿真与调试

1. 软件仿真：使用Proteus软件加载原理图与编译后的HEX文件，进行逻辑功能仿真，验证时序正确性。
2. 硬件调试：

• 焊接前检查：核对元器件型号与参数。

• 分模块测试：先测试最小系统能否正常启动，再依次测试LED模块与按键模块。

• 联调：下载程序后观察实际运行效果，使用万用表测量关键点电压，确保电路工作正常。

1. 常见问题与解决：

• LED亮度不足：检查限流电阻是否过大，或增加驱动电流。

• 程序跑飞：检查复位电路与晶振连接，优化程序结构。

• 按键响应不灵：调整去抖延时参数，检查硬件连接。

六、设计与扩展思考
通过本次DIY实践，完整经历了从理论设计到实物制作的嵌入式系统开发流程。掌握了单片机I/O口控制、定时器编程、状态机设计以及硬件调试等核心技能。
可能的扩展方向包括：

1. 增加倒计时数码管显示，提升信息直观性。
2. 引入车流量传感器（如红外对管），实现自适应配时。
3. 通过无线模块（如蓝牙）与上位机通信，实现远程监控与参数设置。

七、附录

1. 完整电路原理图（图纸或图片）。
2. 程序源代码清单。
3. 元器件清单表。

参考文献
[1] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术[M]. 清华大学出版社.
[2] 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程[M]. 电子工业出版社.

（注：本报告为课程设计范例，实际制作中请根据具体元器件与实验条件进行调整，注意用电安全。）