课程设计报告模拟交通灯

1、学科基础课硬件课程设计设计说明书模拟交通灯学生姓名学号0618014069班级计本062成绩指导教师计算机科学与技术系2009年9月11日25学科基础课硬件 课程设计评阅书题目模拟交通灯学生姓名学号0618014069指导教师评语及成绩指导教师签名： 年 月 日答辩评语及成绩答辩教师签名： 年 月 日教研室意见总成绩： 室主任签名： 年 月 日课程设计任务书20092010学年第1 学期专业： 计算机科学与技术 学号： 0618014069 姓名： 课程设计名称： 学科基础课硬件课程设计 设计题目： 模拟交通灯 完成期限：自 2009 年 8 月 31 日至 2009 年 9 月 11 日共

2、2 周设计内容：用汇编语言和微型计算机原理与应用技术设计模拟交通灯。设计要求:1）问题分析和任务定义：根据设计题目的要求，充分地分析和理解问题，明确问题要求做什么？（而不是怎么做？）限制条件是什么？确定问题的输入数据集合。2）逻辑设计：对问题描述中涉及的操作对象定义相应的数据类型，并按照以数据库为中心的原则划分模块，定义主程序模块和各抽象数据类型。逻辑设计的结果应写出每个抽象数据类型的定义（包括数据窗口的描述和每个基本操作的功能说明），各个主要模块的算法，并画出模块之间的调用关系图；3）详细设计：综合考虑系统功能，使得系统结构清晰、合理、简单和易于调试，抽象数据类型的实现尽可能做到数据封装，基

3、本操作的规格说明尽可能明确具体。详细设计的结果是基本操作做出进一步的求精； 4）程序编码：把详细设计的结果进一步求精为程序设计语言程序。同时加入一些注解和断言，使程序中逻辑概念清楚；5）程序调试与测试：能够熟练掌握调试工具的各种功能，设计测试数据确定疑点，通过修改程序来证实它或绕过它。调试正确后，认真整理源程序及其注释，形成格式和风格良好的源程序清单和结果；6）结果分析：程序运行结果包括正确的输入及其输出结果和含有错误的输入及其输出结果；7）编写课程设计报告；以上要求中前三个阶段的任务完成后，先将设计说明数的草稿交指导老师面审，审查合格后方可进入后续阶段的工作。设计工作结束后，经指导老师验收合

4、格后将设计说明书打印装订，并进行答辩。指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期： 年 月 日摘 要随着科技的飞速发展，十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。本文介绍了基于8255a的交通灯管理系统，重点讲述了软件系统的编写方法。本系统采用8255a芯片、8253芯片和8259芯片实现了a、b口设置红、绿灯点亮时间的功能；红绿灯循环点亮，红绿灯变换之间，黄灯闪烁5秒。经多次调试，基本达到了设计要求。关键词： 交通灯；8255a芯片；8253芯片；8259芯片 目 录1 课题描述12.系统设计22.1、交通灯控制系统介绍22.1.1主

5、要内容22.1.2工作原理22.2 芯片选择32.3 系统原理43 详细设计53.1硬件设计53.1.1 8255a并行接口53.1.2 8259a可编程中断控制器73.1.3、8253可编程定时器/计数器83.1.4 设计电路图113.2软件设计123.2.1. 软件设计思路123.2.2. 主程序设计133.2.3 定时中断子程序143.2.4 外部中断服务子程序153.3 程序流程图173.4设备连接图184 程序源代码：195调 试215.1 实验步骤215.2调试记录与分析216 运行与结果22总 结23参考文献241 课题描述随着计算机科学技术的不断发展，微型计算机得到了广泛的应用

6、，是人们利用计算机设计和开发各种应用系统的基础。同时微型计算机接口技术也是一门实践性较强的课程， 理论与实践相结合可以更好的掌握知识，这也是这次交通灯系统控制的设计目的。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。十字道口的红绿灯是交通法规的无声命令，是司机和行人的行为准则。十字道口的交通红绿灯控制是保证交通安全和道路畅通的关键。当前，国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯，它具有固定的“红灯绿灯”转换间隔，并自动切换。它们一般由“通行与禁止时间控制显示、红黄绿三色信号灯和方向指示灯”三部分组成。交通灯的时间控制显示，

7、以固定时间值预先“固化”在单片机中，每次只是以一定周期交替变化。但是，实际上不同时刻的车辆流通状况是十分复杂的，是高度非线性的、随机的，还经常受认为因素的影响。采用定时控制经常造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压。它不顾当前道路上交通车辆数的实际情况变化，其最大的缺陷就在于当路况发生变化时，不能满足司机与路人的实际需要，轻者造成时间上的浪费，重者直接导致交通堵塞，导致城市交通效率的下降。目前，有一种使用“模糊控制”技术控制交通灯的方法。能够根据十字路口两个方向上车辆动态状况，自动判断红绿灯时间间隔，以保证最大车流量，减少道口的交通堵塞。但是却不像定时控制，能用数字

8、显示器显示当前灯色剩余时间，以便于驾驶员随时掌握自己的驾驶动作，及时停车或启动。 日常生活在十字路口需要两个方向通车和行人行走，为了行人和车辆的安全和正常的交通次序，每次只能一个方向通车和行人。在每个方向都有相应的指示灯指挥车辆的通行，当红灯亮起的时候表示这个方向禁止通行；绿灯亮的时候起表示这个方向可以通行；黄灯闪烁时表示这个方向将由可以通行状态转变为禁止通行状态。每个方向车流量不同，通车放行时间也不同。当有紧急车辆，如：急救车，消防车，公安出勤车等过来时，每个方向都禁止通车亮红灯，方便紧急车辆通过，等紧急车过去后马上恢复紧急车辆来之前的状态。发光二极管有电流通过时就会发光。采用不同的材料，就

9、会发出不同的光。单片机通过对p1口写操作，使p1口的口线出现高电平和低电平来决定相应的发光二极管亮和息，控制车辆的通行状态.本次的交通灯控制系统主要由8255a并行口、8253定时/计算器、8259单极中断控制器以及74ls139译码器实验等芯片组成。整个课程设计主要使用8255a的a口和b口模拟十字路口交通灯的闪烁情况。2.系统设计2.1、交通灯控制系统介绍十字道口的红绿灯是交通法规的无声命令，是司机和行人的行为准则。十字道口的交通红绿灯控制是保证交通安全和道路畅通的关键。当前，国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯，它具有固定的“红灯绿灯”转换间隔，并自动切换。它们一般由“通行与禁止时间

10、控制显示、红黄绿三色信号灯和方向指示灯”三部分组成。假设为某个十字路口设计一个交通灯控制系统，1、3为东，南方向， 2、4为西，北方向，初始态为4个路口的红灯全亮。 之后， 1、3路口的绿灯亮， 2、4路口的红灯亮， 1、3路口方向通车。 延迟一段时间后， 1、3路口的绿灯熄灭，而1、3路口的黄灯开始闪烁。闪烁若干次后， 1、3路口的红灯亮， 同时2、4路口的绿灯亮， 2、4路口方向开始通车。 延迟一段时间后， 2、4路口的绿灯熄灭，而黄灯开始闪烁。闪烁若干次后，再切换到1、3路口方向。 之后，重复上述过程。2.1.1主要内容在十字路口的东西和南北两个方向都各有红、黄、绿三个信号灯。红、黄、绿

11、交通灯的变化规律为： 1）南北方向的绿灯、东西方向的红灯同时亮20秒。2）南北方向的绿灯灭、黄灯亮5秒，同时东西方向的红灯继续亮。3）南北方向的黄灯灭、红灯亮，同时东西方向的红灯灭、绿灯亮，持续20秒。4）南北方向的红灯继续亮，同时东西方向的绿灯灭、黄灯亮5秒。5）转1）重复。2.1.2工作原理交通灯的工作过程如下：设十字路口的1、3为南，北方向，2、4为东西方向，初始态为4个路口的红灯全亮。之后，1、3路口的绿灯亮，2、4路口的红灯亮，1、3路口方向通车，2个路口的led数码管开始倒计时25秒。延迟20秒后，1、3路口的绿灯熄灭，而1，3路口的黄灯开始闪烁（1hz）。闪烁5次后，1、3路口的

12、红灯亮，同时2、4路口的绿灯亮，2、4路口方向开始通车，2个路口的led数码管重新开始倒计时25秒。延迟20秒时间后，2、4路口的绿灯熄灭，而黄灯开始闪烁。闪烁5次后，再切换到1、3路口方向。之后，重复上述过程。当有紧急情况时，2个方向都红灯亮，倒计时停止，车辆禁止通行，当紧急情况结束后，控制器恢复以前的状态继续工作。 在设计中采用6个发光二极管来模拟2个路口的黄红绿灯，每个路口用2个数码管来显示通行或禁止剩余的时间。紧急情况用一个单脉冲发生单元申请中断来模拟，紧急情况结束后，再发一个中断来恢复以前的状态。根据前面的介绍，本设计硬件由定时模块、发光二极管模块、数码管显示模块和紧急中断模块组成。

13、定时模块采用硬件定时和软件定时相结合的方法，用8253定时/计数器定时100ms，再用软件计时实现所需的定时。发光二极管模块由8255控制发光二极管来实现。数码管显示模块由实验平台上的led显示模块实现。紧急中断模块是由单脉冲发生单元和8279中断控制器组成。程序主要是由定时子程序、发光二极管显示子程序、数码管显示子程序和中断服务程序组成。包括对8253、8255以及8259等可编程器件的编程。交通灯显示模块图2.1 交通灯显示模块2.2 芯片选择 1用实验系统8255a实现对信号灯的控制（所用端口自定）；2位数码显示用 8255a实现控制。 2. 用实验系统8253的计数器2定时向实验系统主

14、片8259a的irq7请求中断， 以实现定时；实验系统8253的计数器2的clk2接opclk，频率为1.19318mhz；gate2已接 +5v；定时采用软硬件相结合的方式实现。3. 用实验系统的发光二极管模拟红绿灯。2.3 系统原理本次系统利用8253定时，8259中断、8255a并口输出实现交通灯模拟控制的硬件电路，利用汇编语言程序编写源程序代码实现软件部分；能自动控制和手动控制，可以调整自动模式的绿灯和红灯时间。通过接口芯片8255构成并行接口电路，用它的a口和b口模拟交通灯的闪烁情况，a口表示东、南方向，b口表示西、北方向,绿灯和红灯共同表示黄灯。首先片选对应的端口地址，定义8255

15、a的工作方式位0；然后对端口a和b进行不同的数据写入，控制交通灯的亮度以及闪烁情况，采用延时子系统。3 详细设计3.1硬件设计本课题的设计可通过实验平台上的一些功能模块电路组成，由于各模块电路内部已经连接，用户在使用时只要设计模块间电路的连接，因此，硬件电路的设计及实现相对简单。完整系统的硬件连接如图3.1所示。硬件电路由定时模块、发光二极管模块、数码管显示模块和紧急中断模块组成。定时模块是由8253的计数器0来实现定时100ms。clk0接实验平台分频电路输出q6，f46875hz。gate0接8255的pa0，由8255输出来控制计数器的起停。out0接8259的irq2，定时完成申请中断

16、，进入中断服务程序。q6out0 8253 gate0 clk0 pa0 8255 pc地址 cs1译码 cs2电路 cs3 cs4路数码管显示模块irq28259irq3发光二极管电路单脉冲发生单元pc bus图3.1 系统硬件电路图3.1.1 8255a并行接口3.1.1.1 8255a的引脚及功能 8255a是一个采用nmos工艺制造的40个引脚的双列直插式组建， 其外部引脚如下图所示：图3.1.2 8255a外部引脚线图功能：8255a具有面向主机系统总线和面向外设两个方向的连接能力，即通过8255a，cpu可直接同外设相连接，负责cpu和外设之间的数据传送。1、面向系统总线的信号线d

17、0d7：双向数据线;cpu通过它向8255a发送命令、数据；8255a通过它向cpu回送状态、数据/cs：选片信号线，该信号线低电平有效，由系统总线经i/o地址译码器产生a1、a0：芯片内部端口地址信号线，与系统地址总线地位相连/rd：读信号线，该信号低电平有效，cpu通过执行in指令，发读信号将数据或状态信号从8255a读至cpu/wr：写信号线，该信号低电平有效，cpu通过执行out指令，发写信号，将命令或数据写入8255areset：复位信号线，该信号高电平有效。2、面向i/o设备的信号线pa0pa1:端口a的输入/输出线pbopb7:端口b的输入/输出线pc0pc7:端口c的输入/输出

18、线这24根信号线均可用来连接i/o设备，通过它们传送数字量信息或开关量信息3.1.1.2 8255的内部结构1、数据总线缓冲器2、读/写控制逻辑3、a组和b组控制电路4、数据端口a、b、c3.1.1.3 8255的工作方式1、方式0基本输入/输出方式8255工作在方式0时，三个端口分成彼此的两个8位口，即a口和b口，两个4位口，这4个并行口都能设定为输入或输出。方式0常用于无条件查询传送2、方式1选通输入/输出方式3、方式2双向输入/输出方式3.1.2 8259a可编程中断控制器3.1.2.1 8259a的引脚及功能8259a的引线分为3部分，即与cpu的接口引线，与外设的引线和用于级联的接口

19、引线，如下图所示图3.1.3 8259a外部引脚线图1、8259a与cpu的接口引线d7d0：数据线，双向，三态。与cpu数据总线直接相连/wr： 写信号，输入，低电平有效/rd： 读信号，输入，低电平有效a0： 地址线，输入，用于寻址8259a内部的两个端口，此引脚连接cpu系统地址线/cs: 片选信号，输入，低电平有效。此引脚连接译码电路输出端int：中断请求信号，输出，高电平有效，连接cpu的可屏蔽中断请求输入端intr/inta； 中断响应信号，低电平有效，用于接收cpu送回的中断响应负脉冲3.1.2.2内部结构1、数据总线缓冲器2、读/写逻辑3、级联缓冲/比较器4、中断请求寄存器5、

20、终端屏蔽寄存器6、优先权分析器7、中断服务寄存器8、控制逻辑3.1.2.3工作方式1、屏蔽中断源方式2、设置优先级的方式3、中断结束方式4、查询中断方式5、读取状态方式6、级联方式7、连接系统总线方式3.1.3、8253可编程定时器/计数器3.1.3.1 8253定时/计数器的引脚及功能8253是nmos工艺制成，采用单一+5v电源，24引脚双列直插式封装，外部引脚如下所示图3.1.4 8253外部引脚线图1、8253与cpu的接口引线d7d0:双向数据线：可直接与数据总线相连，用于传递各种数据信息/wr：写信号，输入，低电平有效，用于控制cpu对8253的写操作/rd：读信号，输入低电平有效

21、。用于控制cpu对8253的读操作a1、a0：地址线，输入信号/cs：片选信号，输入信号，低电平有效。当/cs为0时，8253被选中，允许cpu对其进行读/写操作2、8253与外设的接口引线clkoclk2：时钟输入信号；gate0gate2：门控输入信号；out0out2：计数输出端3、定时与计数方式3.1.3.2内部结构 图3.1.5 8253的内部结构1、数据总线缓冲器2、读/写逻辑电路3、控制字寄存器4、计数器3.1.3.3 8253方式控制字定时/计数器8253的每个计数通道根据cpu发命令写入控制寄存器的控制字确定工作方式和计数格式。8253控制字的格式如下所示：图3.1.6 82

22、53的方式控制字d7、d6:计数器选择位sc1、sc0。8253的3个计数器相互独立，并且都有一个控制寄存器。但这三个控制寄存器占用同一个端口地址，即a1a0=11d5、d4：读/写指示位rw1、rw0。cpu向某个计数器写入初值和读取它们的当前值时不同的格式d3、d2、d1：工作方式选择位m2、m1、m0。8253有6种工作方式，选择哪种工作方式由m2、m1、m0编码确定do：数值计数格式，用来选择计数格式。do=o,计数器按二进制格式计数；d0=1,计数器按bcd码格式计数3.1.3.4 8253工作方式1、方式0计数结束中断方式2、方式1可编程单稳态输出方式3、方式2分频器4、方式3方波

23、发生器5、方式4软件触发选通设计电路图:3.1.4 设计电路图 图3.1.7 模拟交通灯电路图图3.1.8 模拟交通灯接口原理图3.2软件设计3.2.1. 软件设计思路本程序由主程序、定时中断子程序和外部中断子程序组成。主程序主要负责系统初始化和等待中断。定时中断子程序主要负责数码管显示刷新和红绿黄灯各种状态切换。外部中断子程序负责紧急情况处理和处理完恢复。8253计数的起停由8255的pa0控制，8255的pa0输出1时，8253开始计数，交通灯按正常状态切换工作，pa0输出0时，计数器停止工作，交通灯不再按正常状态切换。8253开始计数后每100ms发出一个中断申请信号，在中断子程序中先刷

24、新数码管，然后判断当前状态，进入相应的处理程序进行处理。当有紧急情况时进入外部中断服务子程序，先让8253停止计数，然后点亮所有的红灯，下一次外部中断处理时，恢复原来的交通灯状况，启动8253开始工作。3.2.2. 主程序设计主程序负责系统的初始化，然后数码管数据输出显示，同时检测pc键盘按键，有按键就退出程序。主程序的流程图如图3.2.1所示。系统初始化包括8253的初始化，8255的初始化，中断向量初始化以及设置交通灯工作的初始状态。8253定时的时间是100ms，clk0的输入时钟f46875hz，所以计数初值为124fh。开始y初始化8253初始化8255设置中断向量设置交通灯初态启动

25、计数器数码管数据输出有按键结束n图3.2.1 主程序流程图3.2.3 定时中断子程序定时中断子程序是本设计的重点，负责完成数码管输出数据刷新和各个状态的处理切换。中断子程序包括数码管输出数据刷新程序和各状态处理程序。中断程序的流程图如图3.2.2所示。图3.2.2 定时中断服务子程序数码管输出数据刷新子程序是实现倒计时25s，用ledout表示输出的数据，cnt用来软件计时1s，就是计数10个100ms。led输出是要将输出的数据转化为段选码。led数码管倒计时显示子程序的流程图如图3.2.3所示。图3.2.3 led倒计时显示子程序根据当前的状态跳转到相应的处理程序，在处理程序中完成定时和状

26、态的切换。状态1和3的流程是一样的，先点亮对应的交通灯，再判断定时到了就可以切换了。状态2和4要实现黄灯的闪烁，间隔点亮和熄灭就可以了。状态1和3处理程序的流程图（以状态1为例）如图6所示，其中num是状态1对应的pc口输出，见前面的表中介绍。状态2和4处理程序（以状态1为例）的流程图如图3.2.4所示，其中num1和num2是状态1对应的pc口输出。 图3.2.4 状态1处理程序流程图3.2.4 外部中断服务子程序外部中断服务子程序主要用来处理紧急情况，将2个方向的车都停止运行，点亮所有红灯。下次中断来时恢复以前的状态。用一个标志位flag判断是第一次进入还是恢复状态。外部中断服务子程序的流

27、程图见图3.2.5所示。 图3.2.5 外部中断服务子程序流3.3 程序流程图初始化8255端口地址，定义数据变量，定义8255工作方式开 始写a口的数据，东方向绿灯亮，南方向红灯亮写b口发出的数据，西方向绿灯亮,北方向红灯亮写a口发出的数据，东方向黄灯亮,南方向红灯亮写a口发出的数据，西方向黄灯亮, 北方向红灯亮写a口发出的数据，东方向黄灯灭,南北方向红灯亮写b口发出的数据，西方向黄灯灭,南北方向红灯亮写a口发出的数据，东方向红灯亮,南方向绿灯亮写b口发出的数据，西方向红灯亮,北方向绿灯亮写a口发出的数据，南方向黄灯亮,东方向红灯亮写b口发出的数据，北方向黄灯亮,西方向红灯亮写a口发出的数据

28、，南北方向黄灯灭,东方向红灯亮写b口发出的数据，南北方向黄灯灭,西方向红灯亮判断m bios 功能调用是否有按键按下，调用功能号1, 无按键则跳回继续循环，有则退出dos系统功能调用，软件延时子程序东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮软件延时子程序，黄灯闪烁（即亮与灭）的时间间隔图3.3 程序流程图3.4设备连接图 gate0 clk08253 out01.19mhzirq0 8259a+5v pa0 pa78255 d0d7sw-led unit4 程序源代码：org 0000hljmp jod0org 0bb0hjod0: mov sp,#60h mov dptr,#0ff2bhmov a,#8

29、8hmovx dptr,a；8255初始化mov dptr,#0ff28hmov a,#0b6hmovx dptr,ainc dptrmov a,#0dhmovx dptr,a；点亮4个红灯mov r2,#25h；延时lcall delyjod3: mov dptr,#0ff28h mov a,#75h movx dptr,a inc dptrmov a,#0dhmovx dptr,a；东西绿灯亮，南北红灯亮mov r2,#55hlcall dely；延时mov r7,#05h；闪烁次数jod1:mov dptr,#0ff28hmov a,#0f3hmovx dptr,a inc dptrmo

30、v a,#0chmovx dptr,a；东西黄灯亮，南北红灯亮mov r2,#20hlcall dely；延时mov dptr,#0ff28hmov a,#0f7hmovx dptr,ainc dptrmov a,#0dhmovx dptr,a；南北红灯亮mov r2,#20hlcall dely；延时djnz r7,jod1；闪烁次数未到继续mov dptr,#0ff28hmov a,#0aehmovx dptr,ainc dptrmov a,#0bhmovx dptr,a；东西红灯亮，南北绿灯亮mov r2,#55hlcall dely；延时mov r7,#05h；闪烁次数jod2:mov

31、 dptr,#0ff28hmov a,#9ehmovx dptr,ainc dptrmov a,#07hmovx dptr,a；东西红灯亮，南北黄灯亮mov r2,#20hlcall dely；延时mov dptr,#0ff28hmov a,#0behmovx dptr,ainc dptrmov a,#0fhmovx dptr,a；东西红灯亮mov r2,#20hlcall dely；延时djnz r7,jod2；闪烁次数未到继续ljmp jod3；循环org 0c30hdely: push 02hdel2:push 02hdel3:push 02h；延时del4:djnz r2,del4po

32、p 02hdjnz r2,del3pop 02hdjnz r2,del2pop 02hdjnz r2,delyretend5调 试5.1 实验步骤（1） 连接8255并行口控制交通灯实验电路运行并使其能通过软件控制其交通灯控制系统。（2） 连接8259单极中断控制器实验电路运行并使其能成功完成中断控制。（3） 连接8253定时/计数器实验电路运行并使其能定时/计数器功能，并产生方波。（4） 用导线将以上实验电路模块连接起来，就是硬件控制的交通灯控制系统。（5） 编写程序代码，8255交通灯显示实验，a口表示东、南方向，b口表示西、北方向,绿灯和红灯共同表示黄灯（6） 将汇编好的实验程序装入（7

33、） 汇编调试（8） 记录运行结果，以及调试中遇到的问题5.2调试记录与分析在调试中，刚开始由于对一些芯片不是很了解以及汇编语言用的不是很熟练，所以起初错误比较多，要么灯都不显示，要么灯显示不全，再要么红灯绿灯时间分配不合理。总之是一头雾水，通过翻阅接口方面的书以及在网上查阅资料，有点了初步的进展。诸如像灯不显示或显示不全，一方面可能由于电路连接出错或者可能程序没写正确都会导致这些错误。而红黄绿时间分配不合理，比方说黄灯时间很久而绿灯时间很短，这都是时间设置问题，这些都要通过代码更改才能实现。其中8255a的a口表示东、南方向，b口表示西、北方向,绿灯和红灯共同表示黄灯，由于能力有限以及代码存在的一些错误，没能正确的调试出预期实验结果，希望通过以后不断的学习，提高自身能力。6 运行与结果在程序执行过程中，初始状态为四个路口的灯全亮，东西路口的绿灯亮，南北路口的红灯亮，东西方向路口通车，延时一段