交通灯模拟控制系统..

课程设计说明书

课程设计名称：专业课程设计

课程设计题目：交通灯模拟控制系统

学院名称：信息工程学院

专业：电子信息工程班级：110413 学号：11041327 姓名：王争盛评分：教师：陶秋香

20 14 年 6 月27 日

电子信息工程专业课程设计任务书

20 13 －20 14学年第2 学期分散1周第17 周－19 周集中

题目交通灯模拟控制系统

内容及要求

1．用单片机扩展一片8255，用12个发光二极管模拟一个十字交叉路口的红、绿、黄灯，并设置二个紧急放行按键；

2．正常行驶时，东西或南北方向的灯按绿灯亮10秒，黄灯闪烁3秒，红灯亮12秒控制；

3．当东西或南北方向的紧急放行按键按下时，如果禁行方向为红灯，则红灯继续维持12秒；如果禁行方向为绿灯，则立即变为黄灯闪烁3秒；如果禁行方向为黄灯，则黄灯继续维持。

进度安排

1. 分散1周：布置任务、查阅资料、选择方案。

注意：学生的设计方案需经指导老师检查通过后方可进实验室进行制作。

2. 第17周：模块训练，软件设计及调试。

3. 第18周-第19周：领元器件、制作、焊接、硬件调试、软硬件调试调试、验收及测试并上交报告。

学生姓名：王争盛，徐淑艳

指导时间分散1周，集中指导：2014.6.9-6.27 指导地点：E 楼 505室任务下达2014 年 5 月 21日任务完成2014 年 6 月 27日

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

随着计算机科学技术的不断发展，单片微型机得到了广泛的应用，是人们利用计算机设计和开发各种应用系统的基础。

同时单片机接口技术也是一门实践性

制的设计目的。

交通灯是交通安全的关键，已广泛应用于城乡的十字路口，它的有无作为交通安全检查的重要依据，是交通秩序正常进行的有力保障。

本次的交通灯控制系统主要由单片机结合8255A 并行口等芯片组成。整个课程设计使用单片机的P1口和P0口扩张端口至

8255

8255的PA 口和PB 口实现交通灯的并由开关K1、K2实现东西、南北方向的紧急放行。这个系统看上去比较简单，但它运用了单片机的定时功能、IO 口的扩展功能以及对8255A 的熟悉运用。

8255A 、紧急情况、定时

考核方式 1.评阅 □ 2.答辩 □ 3.实际操作□ 4.其它□ 指导教师

陶秋香

系（部）主任

贾杰

目录

第一章设计内容及要求 (1)

第二章系统组成及工作原理 (2)

2.1 AT89C52的工作原理 (2)

2.2 8255的工作原理 (4)

2.2.1 8255特性 (4)

2.2.2 8255A的工作方式 (4)

2.2.3 引脚信号 (4)

2.3 发光二极管 (6)

2.4 紧急放行按键 (6)

2.5 74ALS573 (6)

第三章硬件电路方案设计 (7)

3.1 方案选择 (7)

3.2 交通灯各部分功能分析及各逻辑器件描述 (8)

3.2.1 单片机输入输出引脚 (8)

3.2.2 时钟定时控制部件 (9)

3.2.3 LED数字显示电路 (10)

3.2.4 复位电路 (11)

3.2.5 红黄绿灯显示电路 (12)

3.2.6 扩展并行I/O口8255 (12)

3.2.7 74ALS573芯片简介 (13)

3.2.8 紧急情况 (14)

3.3 电路参数分析 (15)

第四章软件设计 (16)

4.1 主程序流程图 (16)

4.2子程序流程图 (17)

4.3 程序详细设计 (21)

4.3.1 初始化定时器程序 (21)

4.3.2 中断程序 (21)

4.3.3 红绿灯控制程序 (21)

4.3.4 延时程序 (23)

第五章调试与测试结果分析 (24)

5.1 硬件和软件的测试 (24)

5.2 调试过程中遇到的问题 (24)

5.3 实验结果分析 (24)

结论 (25)

参考文献 (26)

附录 (27)

附录一 (27)

附录二 (33)

附录三 (34)

第一章设计内容及要求

(1）用单片机扩展一片8255，用12 个发光二极管模拟一个十字交叉路红、绿、黄灯，并设置二个紧急放行按键。

(2)正常行驶时，东西或南北方向的灯按绿灯亮10 秒，黄灯闪烁3 秒，红灯亮12秒控制。

(3)当东西或南北方向的紧急放行按键按下时，如果禁行方向为红灯，则红灯继续维持12 秒；如果禁行方向为绿灯，则立即变为黄灯闪烁3 秒；如果禁行方向为黄灯，则黄灯继续维持。

第二章系统组成及工作原理

2.1 AT89C52的工作原理

89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8K片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

下面介绍89C52各管脚图及各引脚的功能与连接方法：

89C52各管脚图

VCC：供电电压。GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，

它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

2.2 8255的工作原理

2.2.1 8255特性

(1)一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口。

2)具有24个可编程设置的I/O口,即使3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC 口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4~PC7),B 组包括B口及C口(低4位,PC0~PC3).A组可设置为基本的I/O口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。

2.2.2 8255A的工作方式

方式0---基本输入输出方式；

方式1---选通输入输出方式；

方式2---双向选通输入输出方式。

2.2.3 引脚信号

8255A的引脚如图2.1所示，分为数据线、地址线、读/写控制线、输入/输出端口线和电源线。

图2.1 8255管脚图

RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.

RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU 将数据或控制字写入8255。

D0～D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

PA0～PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

PB0～PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。

PC0～PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

A0,A1:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器。

当A0=0,A1=0时,PA口被选择；当A0=0,A1=1时,PB口被选择；

当A0=1,A1=0时,PC口被选择；当A0=1.A1=1时,控制寄存器被选择。

2.3 发光二极管

发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。发光二极管正极接高电平时，负极为低电平则灯亮。

2.4 紧急放行按键

本系统需两个紧急按键，实现当某个方向车流量较大时延长放行时间或紧急改变放行方向。

2.5 74ALS573

74ALS573 锁存器它构成了外部数据存储器与单片机的接口电路

该锁存器有以下特点：工作电压电压7.0V ；工作温度范围0°到70°；引脚数20 ；三态输出属TTL工艺；最大传输延迟时间：14ns 。

第三章硬件电路方案设计

3.1 方案选择

方案一利用89C52的P1口控制放行键,用8255控制交通灯及倒计时显示

图3.1使用89C51和8255控制框图

方案二用利两片8255进行端口扩展，其中一片用于控制指示灯，另一片用于制控倒计时显示及矩阵式键盘控制，

图3.2利用两8255扩展I/O端口控制框图

方案一优点：直接用51系统控制开关控制紧急放行键，容易控制。在扩展的8255芯片中控制LED和时间显示。

缺点：51系统利用少，8255要控制两部分，操作复杂。

方案二优点：利用的硬件源资源相对较多，但由于使用了两片8255进行I/O端口扩展，所以有充足的端口资源，对系统的功能完善提供了方便的硬件资源。缺点：若只是用于实现一般的控制功能，则存在一定的资源浪费，不利于产品的商业化。

方案选择：选择方案一,本次课程设计要求能做出实物功能和仿真图,7279 protues仿真中没有,而且方案一简单实际,所以选择方案一。

3.2 交通灯各部分功能分析及各逻辑器件描述

3.2.1 单片机输入输出引脚

(1) P1端口[P0.0-P0.7] P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。对内部Flash 程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。

在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。

(2) P1端口[P1.0－P1.7] P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。

(3) P2端口[P2.0－P2.7] P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。

(4) P3端口[P3.0－P3.7] P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入

用。对内部Flash程序存储器编程时，接控制信息。除此之外P3端口还用于一些专门功能，具体请参看下表。

P3引脚兼用功能

P3.0 串行通讯输入（RXD）

P3.1 串行通讯输出（TXD）

P3.2 外部中断0（ INT0）

P3.3 外部中断1（INT1）

P3.4 定时器0输入(T0)

P3.5 定时器1输入(T1)

P3.6 外部数据存储器写选通WR

P3.7 外部数据存储器写选通RD 3.2.2 时钟定时控制部件

由于AT89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路，该电路采用的是内部方式，如图3-3所示。

图3-3 时钟定时电路

在XTAL1和XTAL2的两端接石英晶体振荡器，与内部反向器构成稳定的自激振荡器，发出的时钟脉冲直接进入片内定时定时控制部件。用以提供交通灯时钟信号。

在该电路的设计过程中，C1、C2的选取对频率有微调作用，选取值是22pF 。为了减少寄生电容，保证振荡器稳定和可靠的工作，在接线时将晶振和电容的管脚接在单片机最近的地方。 3.2.3 LED 数字显示电路

显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料及产品工艺，单片机应用系统中常用的显示器有： 发光二极管LED 显示器、液晶LCD 显示器、CRT 显示器等。LED 显示器是现在最常用的显示器之一，如图3-4所示。

图3-4 LED 显示器的符号图

发光二极管（LED ）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED 显示器件（半导体显示器）。分段式显示器（LED 数码管）由7条线段围成8字型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。LED 数码管有共阳、共阴之分。图3-5是共阳式、共阴式LED 数码管的原理图和符号。表3-1是两种数码管段码与显示字形的关系。

图3-5 数码管原理图和数码管符号图

a b

c d e g GND f dp

GND a b c

e

f g

d ·

dp

a b c d e f g dp

dp

g f e d c b a ＋5V （a ）（b ）

表3-1段码与显示字形的关系

3.2.4 复位电路

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在80C51的9（RST ）引脚上时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0－P3口均置1，引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR 全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM 的00H 处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用12MHz 时，C 取10μF ，R 约为10K Ω。复位操作不会对内部RAM 有所影响。常用的复位电路如图3-6所示：

图3-6 单片机复位电路

显示字型 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 段码 共阳 C0H F9H A4H B0H 99H 92H 82H F8H 80H 90H 共阴

3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH 6FH

3.2.5 红黄绿灯显示电路

红黄绿灯显示电路如图3-7所示。二极管的正极通过上拉电阻接+5v的电源VCC，负极分别接89C52单片机的外部接口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5口，我们可以通过控制单片机P1口的数据输出来控制二极管的亮灭。例如为P1口送值为#0DEH，则南北红灯亮禁止通行，东西绿灯亮允许通行。交通灯电路如下图所示。

图3-7 交通灯及数码管倒计时显示电路

3.2.6 扩展并行I/O口8255

8255A芯片是一个采用NMOS工艺制造的、40引脚双列直插式封装组建的大规模集成电路，采用单一+5V电源供电。40个引脚中有24个为与外围设备的口。

(1)数据总线缓冲器

这是一个三态双向缓冲器，其宽度是8位，用做8255的内部数据总线与系统中的数据总线相连时的缓冲部件。缓冲器向数据总线送出数据，或从数据总线接收数据都是CPU指令控制下进行的。

(2)读写逻辑控制

这一部件用来管理所有的数据、控制字或状态资的传送。他接收来自CPU 的各种控制信号，并以此为依据，控制数据总线缓冲器数据的传送方向。与CPU 相连的个引脚说明如下：

1) CS：芯片选择信号。来自地址译码器，低电平有效。

2) RD：芯片读出信号。来自系统总线，低电平有效。

3) WR：芯片写入信号。来自系统总线，低电平有效。

4) RESET复位信号。当它为高电平时，清除所有内部寄存器的内容，并将3

个数据端口PA,PB,PC置为输入方式。

5) A1，A0：端口地址选择信号。用于选择8255A的3个数据端口和1个控

制口。当A1A0为00、01、10时，分别选择数据端口PA、PB、PC；当A1A0 为11时，选择控制口。

6)Vcc、GND：电源和地线。

(3) 端口PA、PB与PC

8255A有三个与外围设备相连的端口PA，PB，PC。各端口可以独立工作，由程序控制位将它设成各种不同的工作方式。端口A，B一般用做独立的输入或输出端口，每个端口包括一个四位琐存器，分别与A口，B口配合使用，作为与外设之间的联络信号

3.2.7 74ALS573芯片简介

74ALS573 是一种带三态门的8D锁存器，其管脚示意图3-9所示。

其中：D0--D7为8个输入端。

Q0--Q7为8个输出端。

LE为数据打入端：

当LE为“1”时，锁存器输出状态同输入状态；

当LE由“1”变“0”时，数据打入锁存器

OE为输出允许端：

当OE=0时，三态门打开；

当OE=1时，三态门关闭，输出为高阻状态。

图3-8 74ALS573管脚封装图

3.2.8 紧急情况

当开关key_a（key_b）按下时，即P1.0（P1.1）口变为低电平，此时将P1.0（P1.1）口的状态送至PA（PB）口。12个LED灯的状态会根据PAPB口的内容发生相应的变化。

图3-9紧急开关

电路图及元器件见附录二