数理与信息工程学院
《单片机原理及应用》期末课程设计
题 目： 基于单片机的交通灯控制系统设计
专 业： 计算机科学与技术（专升本） 班 级： 计算机071班 姓 名： 孙 斌 学 号： 07191114 指导老师： 余 水 宝 成 绩：
( 2008.6 )
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数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的交通灯控制系统设计
目 录
第1节 引 言 ........................................................ 3
1.1 交通灯控制系统概述 ................................................ 3
1.2 本设计的主要任务 .................................................. 3
1.3 主要设计思路 ...................................................... 4
第2节 系统部分主要硬件设计及原理 .................................... 5
2.1各芯片间的关系及原理 .............................................. 5
2.2 138译码器地址译码的设计原理 ...................................... 5
2.3 各接口芯片引脚的介绍及其功能 ...................................... 6
2.4 8255与 数码显示管的连接如下图所示 ................................ 8
2.5 8253和8259的电路连接图如下 ...................................... 9
第3节 系统软件设计 ................................................. 10
3.1主程序流程图 ..................................................... 10
3.2中断服务程序流程 ................................................. 12
3.3实现红绿灯交替的流程图 ........................................... 14
3.4 源程序清单 ....................................................... 14
第4节 总结 ......................................................... 20
参考文献 ............................................................. 21
附录一 ............................................................... 22
附录二 ............................................................... 23
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数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的交通灯控制系统设计
基于单片机的交通灯控制系统设计
数理与信息工程学院 07计算机专升本 孙斌
指导教师：余水宝
第1节 引 言
近年来，随着科技的迅猛发展，单片机在各行各业中的应用不断扩张和深入。与此同时，也带动了传统控制、检测等各项技术的日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，但只有单片机方面的知识仍然是不够的，还应根据具体的硬件结构，软硬件结合，这样才能设计制作出具有相应的基本应用功能的系统，尔后再在此基础上不断完善，使系统更加趋于成熟。
在单片机的诸多实际应用系统中，交通红绿灯的应用系统设计是较早和较为普遍及广泛的。相信通过对交通灯控制系统的设计，对于提高自身的软硬件能力，尤其是单片机的实际应用能力会有相当大的裨益与收获。
1.1 交通灯控制系统概述
当今社会，红绿灯普遍存在于各个街道路口，为疏导川流不息的交通车辆起着不可忽略的重要作用。
交通红绿信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故的发生有着明显效果。
红绿信号灯的含义为：
绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行；
红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
本交通灯控制系统，由于器材等原因的，以红绿两色灯的亮灭控制为主要研究对象，但其仍然具有较强的实用性且操作简单、扩展功能强。
1.2 本设计的主要任务
由于器材等原因的，本设计的主要任务是利用可编程接口芯片8255A、8523和中断控制器8259设计一个基于单片机的交通灯控制系统，要求能在TDN86/51实验
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箱和PC机上，根据交通灯的实际亮灭规律成功的对其进行控制。
根据实验实际情况，将交通灯的亮灭规律定义如下：
设有一个十字路口，1、3为南，北方向， 2、4为东，西方向，初始态为1、3路口的绿灯亮， 2、4路口的红灯亮，数码显示管开始倒计时， 1、3路口方向通车。数码显示管的数值为零后， 1、3路口的绿灯熄灭， 1、3路口的红灯亮， 同时2、4路口的绿灯亮，数码显示管重新置入初值， 2、4路口方向开始通车。 数码显示管的数值为零后， 2、4路口的绿灯熄灭，再切换到1、3路口方向。 之后，重复上述过程。
1.3 主要设计思路
在TDN86/51实验箱上完成硬件电路的搭建，PC机上完成程序的编写，调试。 用8088做CPU，8253做定时器，8255做LED和数码显示管的接口芯片，8259做中断控制器。
数码显示管的初值定为60秒，8253定时时间为1秒，定时时间到引起中断，执行中断服务程序。
在中断服务程序中，检查数码显示管的数值是否为零，若为零，则改变1、3和2、4交通灯的状态，数码显示管置初值；否则，数码显示管当前值减一，交通灯状态不变。
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第2节 系统部分主要硬件设计及原理
在本交通灯控制系统设计过程中，用到了8255（可编程并行通信接口芯片），8259（可编程中断控制器），74LS373（地址锁存器），74LS245（双向数据传送器），8284（时钟发生器），和8253（定时计数器）。
用8088做CPU，用8253做定时器，8259做中断控制器。
2.1各芯片间的关系及原理
8253的OUT0输出到8259的IRQ0上，8259的INT发出中断请求信号到8088的INTR，8088的INTA （低电平有效）发出中断响应信号给8259的INTA ，用8255来连接数码显示管的接口芯片和发光二级管， 8088CPU数据信号和地址信号通过8282，8286发送出去，用32K的62256存储器来存储这些程序和数据。地址通过138译码器进行译码。
2.2 138译码器地址译码的设计原理
M/IOA15A14A13A12A11A10A9A8A7A1G Y0GA Y1GB Y28259的CSA3A2 Y3 Y48253的CSA6A5A4 Y5C Y6B Y7A8255的CS图2-1 138译码器地址译码的设计原理
译码器有3个控制端，分别为G（高电平有效），G2A（低电平有效），G2B（低电平有效），当G=1，GA和GB全为0时，译码器处于工作状态。根据8255的端口号：60H，61H，62H，63H，8259的端口地址：20H，21H。8253的端口号：40H，41H，42H，43H，分别写出他们的16位二进制表示形式，可观察出从A7——A15及A2——A3都
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是0，连接到或门上。A4，A5，A6位中的数是变化的，分别接到A，B，C三个端口中。Y2的端口号为20H，21H，所以与8259的CS（低电平有效）相连，Y4与8253的CS（低电平有效）相连，Y6与8255的CS相连。
2.3 各接口芯片引脚的介绍及其功能
8088CPU包括16条数据线和20条地址线，和其他的控制信号共同构成了40个引脚的双列直插式封装结构。它有两种工作方式：最大模式和最小模式。在本设计中采用了最小模式。
由于8088的外形数据总线只需，因此分时复用地址数据总线只有AD7——AD0，而A1——A8专门用来传送地址。在T1状态下，复位A16——A19通过8282地址锁存器输入到存储器中，T2——T4状态下，复用信号AD0——AD7通过8282输入到存储器中，A8——15直接输入到存储器中。
RD（低电平有效）读信号，三态输出，表示当前CPU正在读存储器或I/O端 WR（低电平有效）写信号，三态输出，表示当前CPU正在写存储器或I/O端口。 M/IO存储器或I/O端口访问信号，当它为高电平时，表示当前CPU正在访问I/O端口；为低电平时，表示当前CPU正在访问存储器。
READY 准备就绪信号，外部输入，高电平有效。表示CPU访问的存储器或I/O端口已经为传送做好准备。
INTR 中断请求信号，由外部输入，电平触发，高电平有效，当它有效时，表示外部向CPU发出中断请求。CPU在每个指令的最后一个时钟周期对它进行测试。
INTA（低电平有效）中断响应信号，外部输入，用来响应外部发来的INTR信号，在中断响应周期中，可作为读选通信号。
NMI不可屏蔽中断请求信号，由外部输入，边沿触发，正跳沿有效，CPU一旦测试到NMI请求有效，待当前指令执行完就自动从中断入口地址表中找到类型2中断服务程序的入口地址，并去执行。
RESET 复位信号，由外部输入，高电平有效。它至少保持4个时钟周期。CPU接受到该信号后，停止进行的操作，并将标志寄存器、段寄存器、IP和指令队列等复位到初始状态。
ALE 地址锁存允许信号，由外部输入，高电平有效，它可作为8283的选通信号。 DT/R 数据发送/接受控制信号，在该设计中用来控制数据的传送方向。当它为高电平时，表示数据从CPU向外部输出，为低电平时，表示数据从外部向CPU输入。
DEN（低电平有效），数据允许信号，三态输出。在最小模式下用来做数据收发器
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的选通信号。
CLK 主时钟信号，由8284时钟发生器输入。
SS0总线高字节有效信号，三态输出，低电平有效，它与DT/R，IO/M一起表示8088在最小模式下的工作周期状态。
8255是可编程并行通信接口芯片，一共有40个引脚。 与外设相连接的有：
PA7——PA0：A口数据信号线，在该设计中连接数码显示管的位码。 PB7——PB0：B口数据信号线，在该设计中连接数码显示管的段码。 PC7——PC0：C口数据信号线，在设计中连接红绿灯的D0——D7接口。 与CPU相连的RESET：复位信号，高电平有效。当该信号来到时，所有内部寄存器都被清除。
D7——D0是8255A的数据线，和系统数据总线相连。 CS：片选信号，低电平有效。
A1、A0为端口选择信号，8255A内部有3类数据端口和1个控制端口，共4个端口，当A1，A0为00时，选中A端口；为01时，选中B端口；为10时，选中C端口；当为11时，选中控制口。其地址分别为：60H，61H，62H，63H。
8259是可编程中断控制器（PCI），又称优先级控制器具有+5V电源供电，可与其它8259A芯片级联开扩大中断功能。在该设计中，为了实现中断和定时的功能，8259的IRQ7与8253的OUT2产生级联，IRQ0与8253中的IRQ0产生级联。
IR0——IR7 与外部设备连接的中断请求输入引脚。
D0-D7，WR(低电平有效)，RD（低电平有效），INTA（低电平有效），INT。与CPU连接的数据通路和控制信号。
用于8259A级联的引脚CAS0——CAS2，SP/EN。 端口地址选择信号CS，A0。
8282 地址锁存器，具有8位数据输入端DI7——DI0及8位数据输出端DO7——DO0，当STB端的选通脉冲变为低电平时，DI0——DI7的数据被锁存起来，当输出允许信号OE为低电平时，数据才会出现在8282的数据输出端DO7——DO0，否则，三态缓冲器的输出DO7——DO0处于高阻状态，在8086/8088系列微机中，8282/8283用来作为地址锁存器，用ALE信号作为选通脉冲STB输入。这样才能在总线周期的第一个时钟周期经过总线将地址信息锁存于8283中，从而保证了在整个总线周期内存储器和I/O接口芯片都能获得稳定的地址信息。
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8253是计数/定时控制器，一共有三个计数器。每个计数器都有三个引脚。 CLK 脉冲输入引脚：计数器对该引脚输入的脉冲进行计数。它的输入脉冲可以是任何脉冲提供的。
GATE门控脉冲输入引脚：这是外部控制计数器工作的脉冲输入引脚，当GATEW为0时禁止计数器工作，为1时允许工作。
OUT计数到0/定时时间到输出引脚：当计数到0时，该引脚输出。在不同的工作方式下，输出不同形式的信号。
8284 时钟发生器：8284除了为CPU 和系统提供时钟信号外，还提供经时钟同步的复位信号RESET和就绪信号READY。
X1，X2 晶体输入端，它连接外接晶体的接线端，晶体频率是CPU时钟频率的3倍。
CLK 处理器时钟（输出）它用作8086/8088CPU以及直接与处理器局部总线相连的器件的时钟信号或定时信号。CLK信号频率是晶体频率的1/3，其高电平为4.5V，用于驱动MOS器件。
2.4 8255与 数码显示管的连接如下图所示
XD0XD1XD2XD3XD4XD5XD6XD7aabf.gedpabcabf.gedplabcabf.gedpabcabf.gedpD0D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPB0ggggbclllll..PB7PA0D7dDPdDPLED共阴dDPdDPLED共阴X1X2X3X4LED共阴LED共阴8255llllXIORXIOWXA0XA1RESETIOY3PA1PA2PA3PC0..PC7图2-2 8255与数码显示管的连接图
说明：8255数码显示管及二极管的连接：8255中B口分别连接到数码显示管的段码a,b,c,d,e,f上, A口分别连接到数码显示管的位码x1,x2,x3,x4中，C口连接到发光二极管的PC0——PC6 （A口和B口和数码显示管的连接可根据实际程序设计改变）。
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2.5 8253和8259的电路连接图如下
8 IR0 2 IR7598OUT2 2CLK2 5 3OUT0 图2-3 8253和8259的电路连接图
说明：8253中 OUT2连接到8259的IR7中，产生中断，发送中断类型码到8088中，8088根据中断类型码从存储器中找到中断向量，读取中断向量程序，判断数码显示管中的数值是否为0，若为0，则红、绿等交替；否则，数值-1。定时1s，产生中断请求，如此反复，实现了设计要求。
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第3节 系统软件设计
本交通灯控制系统选用汇编语言编写主程序以及各芯片调试子程序。并努力做到：界面友好、操作方便；实现功能要求；模块功能明确。
3.1主程序流程图
开始关中断写中断向量表初始化8259初始化8255初始化8253开中断动态显示等待中断结束图3-1 主程序流程图
;8259A初始化，其中地址为20H，21H
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mov al,13h ;设置ICW1，单片，上升沿触发，需要设置ICW4 out 20h,al ;ICW1写入8259A的偶地址中
mov al,08h ;设置ICW2，中断类型号的基值（即IR0的类型号）为08H out 21h,al ;ICW2写入8259A的奇地址中 ;由于是单片8259，所以不需要设置ICW3
mov al,09h ;设置ICW4，非自动结束，缓冲方式，完全嵌套 out 21h,al ;ICW4写入8259A的奇地址中
mov al,6fh ;设置OCW1，开放4和7的中断请求口 out 21h,al ;OCW1写入8259A的奇地址中
;8255A初始化，其中地址A口：60H，B口：61H，C口：62H，控制口：63H mov al,80h ;设置8255A工作方式控制字，A、B口都为方式0，输出 out 63h,al mov al,0ffh out 61h,al
;8253初始化，其中地址为通道0：40H，通道1：41H，通道2：42H，控制寄存器：43H
mov al,35h ;设置8253控制字,通道0为工作方式2,BCD计数,先读写低字节,后读写高字节
out 43h,al
mov al,00h ;设置计数通道0的计数初值,先送低字节 out 40h,al
mov al,50h ;计数通道0的计数初值高字节 out 40h,al
mov al,0b1h ;设置8253控制字，通道2为工作方式0，BCD计数，先读写低字节,后读写高字节
out 43h,al
mov al,37h ;把计数初值写入通道2,先送低字节 out 42h,al
mov al,02h ;计数通道2的计数初值高字节 out 42h,al sti
;初始化完毕，开中断
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3.2中断服务程序流程
中断处理程序十个位是否为0Y个位是否为0N个位数值减1 N个位数值减1 YN个位是否为0灯交替 Y十位数值减1数码显示管显示初值60个位数值置9中断返回图3-2 中断服务程序流程图
;中断服务程序
irq7:push ax ;保护现场 push cx
mov al,37h ;把计数初值写入通道2,先送低字节 out 42h,al
mov al,02h ;计数通道2的计数初值高字节 out 42h,al xor di,di mov cx,2
mov di,offset number
l5: cmp word ptr[di],0 ;先比较个位再比较十位 jz l7
dec word ptr [di]
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jmp exit l7: add di,2
cmp word ptr [di],0 jne l3
mov si,offset aa
;将aa的地址送si;
;内容送al
mov al,byte ptr[si] out 62h,al
not al ;先输出再取反，实现红绿灯的交替 mov byte ptr[si],al mov word ptr[di],6 jmp exit l3: sub di,2
mov word ptr [di],9 add di,2
cmp word ptr[di],0 jz l4
dec word ptr[di] jmp exit
l4: mov word ptr[di],5 add di,2 loop l5 exit:pop cx ;恢复现场 pop ax mov al,20h
out 20h,al ;发中断结束命令
sti ;开中断,因为系统在响应中断时,除了保护断点外,还自动关闭了中断允许位
iret ;中断返回
;重新对al赋值
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3.3实现红绿灯交替的流程图
灯的初始态数码显示管变为01，3绿灯亮；2，4红灯亮倒计时，当显示0时1，3红灯亮；2，4绿灯亮（取反）重置初值倒计时为0返回
图3-3 红绿灯交替的流程图 设计思路：
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，数码显示管开始倒计时， 1、3路口方向通车。数码显示管的数值为零后， 1、3路口的绿灯熄灭， 1、3路口的红灯亮， 同时2、4路口的绿灯亮，数码显示管重新置入初值， 2、4路口方向开始通车。 数码显示管的数值为零后， 2、4路口的绿灯熄灭，再切换到1、3路口方向。 之后，重复上述过程。
3.4 源程序清单
;用8253定时时钟,8259A作中断,8255传送数据给4位的数码显示管 data segment
table db 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh
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number dw 4 dup (0) 要显示的数字
aa db 0c3h data ends
stack segment stack dw dup(?) stack ends code segment
;开辟了4个字空间，用来存放四个数码显示管
assume cs:code,ds:data start:
mov ax,data mov ds,ax
cli ;关中断开始初始化
;把中断服务程序的入口地址写入中断向量表中，使用的中断类型号为0FH push ds xor ax,ax mov ds,ax mov si,4*0fh
;找到该中断类型号在中断向量表中的首地址
mov ax,offset irq7 add ax,2000h
mov word ptr [si],ax ;把中断服务程序的偏移地址放入低字中 mov ax,0
mov word ptr [si+2],ax ;把中断服务程序的段地址放入高字中 pop ds
;8259A初始化，其中地址为20H和21H
mov al,13h ;设置ICW1，单片，上升沿触发，需要设置ICW4 out 20h,al ;ICW1写入8259A的偶地址中
mov al,08h ;设置ICW2，中断类型号的基值（即IR0的类型号）为08H out 21h,al ;ICW2写入8259A的奇地址中 ;由于是单片8259，所以不需要设置ICW3
mov al,09h ;设置ICW4，非自动结束，缓冲方式，完全嵌套
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out 21h,al ;ICW4写入8259A的奇地址中
mov al,6fh ;设置OCW1，开放4和7的中断请求口 out 21h,al ;OCW1写入8259A的奇地址中
;8255A初始化，其中地址A口：60H，B口：61H，C口：62H，控制口：63H mov al,80h ;设置8255A工作方式控制字，A、B口都为方式0，输出 out 63h,al mov al,0ffh
out 61h,al ;B口屏蔽
;8253初始化，其中地址为通道0：40H，通道1：41H，通道2：42H，控制寄存器：43H
mov al,35h ;设置8253控制字,通道0为工作方式2,BCD计数,先读写低字节,后读写高字节（方式2不用写初值）
out 43h,al
mov al,00h ;设置计数通道0的计数初值,先送低字节 out 40h,al
mov al,50h ;计数通道0的计数初值高字节 out 40h,al mov al,0b1h 读写低字节,后读写高字节
out 43h,al
mov al,37h ;把计数初值写入通道2,先送低字节 out 42h,al
mov al,02h ;计数通道2的计数初值高字节 out 42h,al
sti ;初始化完毕，开中断
;4位数码显示管动态显示,并等待中断 mov al,0fh out 62h,al call delay again:
xor bx,bx ;将bx清零
;设置8253控制字，通道2为工作方式0，BCD计数，先
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mov cx ,02h mov ah,0feh next:
mov si,offset table;用si来存放段码 add si,[number +bx]
mov al,byte ptr [si] ;把段码送B口 cmp cx,02h
jz l6 ;结果相等则转移 or al,80h ;置1，控制小数点亮 l6: out 61h,al
mov al,ah ;把位码送A口 out 60h,al
call delay ;延时2ms mov al,0ffh ;关闭显示管 out 61h,al
rol ah,1 ;获得下一个位码 add bx,2 ;指向下一个要显示的段码 mov si,[number+bx] mov al,byte ptr [si] out 61h,al
mov al,ah ;把位码送A口 out 60h,al
call delay ;延时2ms mov al,0ffh ;关闭显示管 out 61h,al
rol ah,1 ;获得下一个位码 sub bx,2 loop next
jmp again ;中断服务程序 irq7:
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push ax ;保护现场 push cx
mov al,37h ;把计数初值写入通道2,先送低字节 out 42h,al
mov al,02h ;计数通道2的计数初值高字节 out 42h,al xor di,di mov cx,2
mov di,offset number
l5: cmp word ptr[di],0 ;先比较个位，再比较十位 jz l7
dec word ptr [di] jmp exit l7: add di,2
cmp word ptr [di],0 jne l3
mov si,offset aa mov al,byte ptr[si] out 62h,al not al
mov byte ptr[si],al mov word ptr[di],6 jmp exit l3: sub di,2
mov word ptr [di],9 add di,2
cmp word ptr[di],0 jz l4
dec word ptr[di] jmp exit
l4: mov word ptr[di],5
;重新对al赋值
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add di,2 loop l5 exit:
pop cx ;恢复现场 pop ax mov al,20h
out 20h,al ;发中断结束命令
sti ;开中断,因为系统在响应中断时,除了保护断点外,还自动关闭了中断允许位
iret ;中断返回 ;延时子程序 delay:
push cx mov cl,0fh l2: mov ch,0fh l1: dec ch jnz l1 dec cl jnz l2 pop cx ret code ends end start
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第4节 总结
本系统的实现，根本上得益于老师教授的各方面知识，因为只有拥有老师教授的这些知识的基础上，本人才能进一步思考和摸索，才会有本系统的实现。所以，在此向老师表示感谢。
通过对此次本交通灯控制系统的设计，使得自身对于单片机方面的知识有了比较深刻的巩固和掌握，很大程度上提升了自身对于问题的思考和解决的能力。同时，通过该次设计的论文书写，掌握了写好一篇设计性论文最基本的格式要求和步骤。相信，有了此番这样的经历和经验，在以后的日子里，对于问题处理和论文格式要求等我会处理的更加完善，做的更加的好。
此次，本人所做的是交通灯控制系统的设计。该系统虽然及不上其他基于单片机系统的复杂和精深，但其作为较早出现在单片机应用领域，在现今也是较普遍和广泛的与单片机相结合而实际应用的系统之一。同时，交通灯控制系统具有较强的实用性和操作简单，扩展功能强等特点。因此，对于单片机学习者巩固自身所学知识和提高自身实际动手实践应用能力的较为适合的选择。
本系统在完成后经模拟测试，基本可以实现预先设想的既定目标。其效果为： 4个数码显示管同时显示60秒倒计时。1、3为南，北方向， 2、4为东，西方向，当数码显示管显示0时，1、3路口绿灯亮，2、4路口的红灯亮，数码显示管开始倒计时，当下一个60秒过后，1、3路口红灯亮，2、4路口绿灯亮，重复此过程。
通过此次系统设计，我对微机原理中8259中断控制器的工作原理和8253定时计数器，8255可编程并行通信接口芯片以及数码显示管的结构等都有了更深入的认识和理解,对于中断程序等的设计也有了更深的领会。
此次系统的设计虽然已经基本实现预期的目标，但针对于复杂的交通情况，还可以继续在现有的基础上进一步的进行完善和功能扩充。例如：可以根据车流量的情况设定红绿灯初值，以减免车辆不必要的等待时间，进一步提高道路的通行效率。
本人针对本系统对应于实际复杂的交通情况，在本系统实现的基础上进一步设想，认为可以通过对在绿灯时通过路口的车流量进行粗略的统计计算，进而手工或自动设置之后的红绿灯亮灭时间，避免车辆不必要的等待时间，以实现提高道路通行率的效果。由于实验器材以及自身能力和时间等诸多因素的局限，本人对此还只是一个设想，还无法真正去实现。此设想的系统框架图和主体流程图在附录中。
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数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的交通灯控制系统设计
参考文献
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数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的交通灯控制系统设计
附录一：
总结中系统改进设想的系统框架图
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数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的交通灯控制系统设计
附录二：
总结中系统改进设想的主体流程图
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