本課程設(shè)計是在學(xué)完單片機原理及課程之后綜合利用所學(xué)單片機知識完成一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計并在實驗室實現(xiàn)。該課程設(shè)計的主要任務(wù)是通過解決一、兩個實際問題，鞏固和加深“單片機原理與應(yīng)用”課程中所學(xué)的理論知識和實驗?zāi)芰?，基本掌握單片機應(yīng)用電路的一般設(shè)計方法，提高電子電路的設(shè)計和實驗?zāi)芰?，加深對單片機軟硬知識的理解，獲得初步的應(yīng)用經(jīng)驗，為以后工作打下一定的基礎(chǔ)。

在今天，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。通過三個星期的學(xué)習(xí)，本人對單片機的結(jié)構(gòu)和功能已有了初步的了解和認識。單片機在交通控制中起到了舉足輕重的作用，掌握了單片機的工作原理也就基本了解了交通燈的運做原理。作為一個學(xué)生，為了更好地掌握單片機的結(jié)構(gòu)和功能，為了進一步加強自己的實踐能力，本人設(shè)計了以下的一款交通燈。

一、工程簡介

(一）、概述

本設(shè)計是交通燈的控制實驗，必須要先了解實際交通燈的變化規(guī)律。假設(shè)一個路口為東西南北走向，即十字路口，初始狀態(tài)零為東西南北燈都熄滅。然后轉(zhuǎn)狀態(tài)一東西綠燈通車，南北為紅燈。過段時間轉(zhuǎn)狀態(tài)二，東西綠燈閃幾次轉(zhuǎn)黃燈，延時幾秒，南北仍為紅燈。再轉(zhuǎn)狀態(tài)三南北綠燈通車，東西紅燈。過段時間轉(zhuǎn)狀態(tài)四南北綠燈閃幾次轉(zhuǎn)黃燈，延時幾秒，東西仍為紅燈。最后循環(huán)至狀態(tài)一。交通信號燈模擬控制系統(tǒng)設(shè)計利用單片機的定時器定時，控制十字路口紅綠燈交替電亮和熄滅，并且用LED數(shù)碼管顯示時間，但由于時間及水平的不足，在此實驗中不顯示。用十二個發(fā)光二極管代替交通燈進行實驗設(shè)計。

這次設(shè)計是《微機接口與控制技術(shù)》課程的綜合訓(xùn)練，我們通過理論學(xué)習(xí)，課題選擇，資料查閱，軟、硬件設(shè)計，系統(tǒng)調(diào)試等環(huán)節(jié)，鞏固所學(xué)的知識及提高應(yīng)用水平．在此我們要學(xué)會從提出問題，觀察與分析問題，到最終解決問題科學(xué)方法．提高自己的思維能力和動手能力，在設(shè)計中獲得一些實操經(jīng)驗，更是要培養(yǎng)我們的工作作風(fēng)和工作態(tài)度。為今后的畢業(yè)設(shè)計、及從事微機控制系統(tǒng)的設(shè)計與維護奠定堅實的基礎(chǔ)。

這次課題設(shè)計的意義在于通過具體的控制系統(tǒng)的設(shè)計，掌握微機控制系統(tǒng)設(shè)計的一般方法和處理問題的思路，特別是一些常用的技術(shù)手段。使我們能在實踐教學(xué)環(huán)境中累積設(shè)計經(jīng)驗，開拓思維空間，全面提高個人的綜合能力。

(二)、工藝流程圖

因為本實驗是交通燈控制實驗，所以要先了解實際交通燈的變化規(guī)律。假設(shè)一個十字路口為東西南北走向。初始狀態(tài)0為東西南北燈都熄滅。然后轉(zhuǎn)狀態(tài)1東西綠燈通車，南北紅燈。過一段時間轉(zhuǎn)狀態(tài)2，東西綠燈閃幾次轉(zhuǎn)亮黃燈，延時幾秒，南北仍然紅燈。再轉(zhuǎn)狀態(tài)3，南北綠燈通車，東西紅燈。過一段時間轉(zhuǎn)狀態(tài)4，南北綠燈閃幾次轉(zhuǎn)亮黃燈，延時幾秒，南北仍然紅燈。最后循環(huán)至狀態(tài)1。交通信號燈模擬控制系統(tǒng)設(shè)計利用單片機的定時器定時，令十字路口的紅綠燈交替點亮和熄滅，并且用LED數(shù)碼管顯示時間，但由于時間和水平的限制就不顯示時間。用十二個發(fā)光二極管燃滅，模擬交通燈管理。具體的接口如下圖一。

二、工程設(shè)計

（一）、控制方案的確定

交通燈控制系統(tǒng)的原理主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。如圖2完整的電路板。

圖2完整的電路板

（二）、硬件部分

（1）、交通燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計：

交通燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括：存儲器的擴展（62256），I/O口的擴展（8255），地址的鎖存（74LS373或74LS273），還有反向器（7407）。

數(shù)據(jù)緩沖器，I/O控制邏輯，控制和定時寄存器及定時與控制電路，掃描計數(shù)器，回復(fù)緩沖器，F(xiàn)IFO /傳感器RAM及其狀態(tài)寄存器，顯示RAM及顯示地址寄存器等組成。

（2）、硬件系統(tǒng)的設(shè)計具備以下原則：

1.滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，易于操作維護。

2.系統(tǒng)功能靈活，便于擴展。

3.具有自動診斷功能。

（3）、硬件結(jié)構(gòu)框圖（如圖3所示）。

硬件系統(tǒng)在該系統(tǒng)中的作用主要是進行數(shù)據(jù)的傳送，有關(guān)邏輯的計算，并且提供顯示，人為的進行數(shù)據(jù)的修改，系統(tǒng)的啟動，停止等等。此外系統(tǒng)運行的安全可靠性要靠硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)。

（4）、交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖（如圖4所示）。

圖4 交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖

圖中：

TL: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，TL=1，否則，TL=0。

TY：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到，TY=1，否則，TY=0。

ST：表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。由它控制定時器開始下個工作狀態(tài)的定時。

1.定時器

定時器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計數(shù)器構(gòu)成，要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從零開始進行增1計數(shù)，向控制器提供模5的定時信號TY和模25的定時信號TL。（電路圖如圖5所示）

圖5 定時器電路圖

2.控制器

控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。從ASM圖可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表1所示。選用兩個D觸發(fā)器FF1、FFO作為時序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY，當(dāng)控制器處于Q1n+1Q0n+1＝ 00狀態(tài)時，如果TL＝ 0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果，則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1＝ 01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY無關(guān)，所以用無關(guān)項"X"表示。（控制器邏輯圖如圖6所示）

根據(jù)表1可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程，其方法是：將Q1n+1、Q0n+1和 ST為1的項所對應(yīng)的輸人或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中"1"用原變量表示，"0"用反變量表示，然后將各與項相或，即可得到下面的方程：

? ? ? ??

控制器邏輯圖（如圖6所示）

圖6

3.譯碼器

74.LS138譯碼器

74LS138譯碼器有3個輸入端，組成8種輸入狀態(tài)，輸出端有8個，每個輸出端對應(yīng)8種輸入狀態(tài)的一種，低電平有效。此外還有3個使能端E3，E2，E1，這3個使能端必須同時輸入有效電平，譯碼器才能工作，既E3=1，E2=0，E1=0。

譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出 Q1、 Q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關(guān)系如表 12、4所示。實現(xiàn)上述關(guān)系的譯碼電路請讀者自行設(shè)計。

4.交通燈驅(qū)動電路（如圖7所示）

圖 7

5.電路圖（如附錄B）及電路圖說明

電路圖說明

1.這個LED動態(tài)顯示電路用了一個單片機的一個I/O口P0口。

2.P0口的低四位輸出顯示數(shù)字的BCD碼，輸出的BCD碼送到74LS138中進行譯碼。然后輸出段代碼經(jīng)上拉電阻上拉后送到顯示器的各顯示段的引腳。

3..P03、P04、P05這三個口輸出位選信號。位選信號送到74LS138中經(jīng)譯碼產(chǎn)生顯示器的位選信號。

4.當(dāng)輸出短代碼后，低電平的端口將會把這個口的電平拉低。所以此時發(fā)光二極管將不發(fā)光，而高電平的端口則會向這個發(fā)光二極管的陽極提供一個高電平，只要這個位被選中，那么這個發(fā)光二極管將發(fā)光，在在段代碼表找查找就能出現(xiàn)響應(yīng)的數(shù)字。每一個位選電路由一個PNP三極管組成。當(dāng)位選口發(fā)出低電平，那么這一位的三極管就會飽和導(dǎo)通，由于顯示器是共陰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)三極管飽和導(dǎo)通時相當(dāng)于將顯示器接地。

5.當(dāng)脈沖到MCS—51單片機時，LED8位顯示器就接收信號，并將信號儲存到擴展寄存器中，當(dāng)P0口的低四位輸出顯示數(shù)字的BCD碼，輸出的BCD碼送到74LS138譯碼器譯碼，然后在顯示提示符段碼中查詢顯示數(shù)字。

6.前面四位顯示干道通行時間，后面四位顯示支道時間，通過LED顯示器的顯示來控制車輛的放行、禁行情況。

（5）、8279的結(jié)構(gòu)及引腳功能：

8279的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)緩沖器,I/O控制邏輯,控制和定時器及定時控制電路,掃描計數(shù)器,回復(fù)緩沖器,FIFO/傳感器RAM及其狀態(tài)寄存器,顯示RAM及顯示地址寄存器等部分組成.

(a)數(shù)據(jù)緩沖器及I/O控制邏輯 數(shù)據(jù)緩沖器是一個雙向緩沖器,它連接內(nèi)部總線和外部總線,用于傳送CPU和8279之間的命令,數(shù)據(jù)和狀態(tài).I/O控制邏輯完成對芯片的讀寫控制,芯片選擇以及端口選擇.

(b)控制和定時器及定時用來寄存操作命令字.

(c)掃描計數(shù)器 掃描計數(shù)器有兩種工作方式.一種為外部譯碼方式.計數(shù)器以二進制方式計數(shù),4位計數(shù)狀態(tài)從掃描線SL0-SL3輸出,經(jīng)外部譯碼器譯碼后,形成16位掃描信號;另一種為內(nèi)部譯碼方式.該方式下,掃描計數(shù)器的低二位經(jīng)內(nèi)部譯碼后從SL0-SL3輸出,形成4位掃描信號.

(d)回復(fù)緩沖器, 回復(fù)緩沖器緩沖并鎖存來自SL0-SL7八根回復(fù)線的回復(fù)信號.

(e)FIFO/傳感器RAM及其狀態(tài)寄存器 FIFO/傳感器RAM是一個雙重功能的8*8RAM.

(f)顯示RAM及顯示地址寄存器 顯示RAM用來存儲顯示數(shù)據(jù),容量為16*8位.在顯示過程中,存儲的顯示數(shù)據(jù)輪流從顯示寄存器輸出.

在燈火控制實驗中，它的片選信號線接Q0、數(shù)據(jù)選擇輸入線接的是Q1，所以他的控制口地址是FF82H，數(shù)據(jù)口地址是FF80H，中斷是懸空的。

8051最小應(yīng)用系統(tǒng)

8051是片內(nèi)無程序存儲器的供應(yīng)狀態(tài)芯片.因此,其最小應(yīng)用系統(tǒng)必須在片外擴展EPROM.外接程序存儲器的地址線A8-A15由P2口提供;A0-A7由P0口通過地址鎖存器提供. 地址鎖存器的鎖存信號為ALE.指令數(shù)據(jù)由P0口讀入.程序存儲器的取指信號為/ALE.其片選線直接接地.同時必須有單位及時鐘電路.

8255可編程接口芯片

三個并行I/O口-A口，B口，C口在此設(shè)計中用到了A，B兩個口。

1)工作方式控制電路；

2)讀寫控制邏輯電路；

數(shù)據(jù)總線緩沖器；

(三)、軟件部分

（1）、延時子程序的計算：

采用寄存器R0、R1、R2作為記數(shù)值，R2中暫存1，R1中存0。當(dāng)減1后變?yōu)?55即R1中存數(shù)256。R0中存數(shù)#0B2H即178。各指令共占指令周期數(shù)為（見圖延時程序后所附）

DELAY2延時為：

N=（2+2+2+1+1+2*178）+255*（1+1+2+2*178）=9164。

共計9164個指令周期，而系統(tǒng)晶振為11.0592。所以T=12/11.0592=1.085（微秒）

延時DELAY2為:

t=9164*1.085/1000000=0.09996

約等于0.1（秒）

通過改變R2的值可以改變延時的秒數(shù)。

（2）、流程圖（如圖8所示）

首先四個路口所有的燈滅，在東西綠燈亮南北紅燈亮延時20s,綠燈閃三下，為3秒轉(zhuǎn)黃燈亮2秒 ，在南北綠燈亮東西紅燈亮延時20s，綠燈閃三下，為3秒轉(zhuǎn)黃燈亮2秒 ，如此循環(huán)。

（3）、源程序（如附錄A）

（4）、程序的執(zhí)行的表達（如表2）

三、系統(tǒng)的試調(diào)運行

（一）、硬件調(diào)試

利用DVCC實驗與開發(fā)系統(tǒng)、基本測試儀器（萬用表、示波器等），檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。其中硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試兩步進行。

（1）、靜態(tài)調(diào)試

是在用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢測。

第一步：目測。檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點。

第二步:用萬用表測試。先用萬用表復(fù)核目測中有疑問的連接點，再檢測各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象。

第三步:加電檢測。給板加電，檢測所有插座或是器件的電源端是否符合要求的值

第四步:是聯(lián)機檢查。因為只有用單片機開發(fā)系統(tǒng)才能完成對用戶系統(tǒng)的調(diào)試。

（2）、動態(tài)調(diào)試

是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)部故障、器件連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。動態(tài)調(diào)試的一般方法是由近及遠、由分到合。由分到合是指首先按邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬件電路分為若干塊，當(dāng)調(diào)試電路時，與該元件無關(guān)的 器件全部從用戶系統(tǒng)中去掉，這樣可以將故障范圍限定在某個局部的電路上。當(dāng)各塊電路無故障后，將各電路逐塊加入系統(tǒng)中，在對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進行調(diào)試。由分到合的調(diào)試既告完成。由近及遠是將信號流經(jīng)的各器件按照距離單片機的邏輯距離進行由近及遠的分層，然后分層調(diào)試。調(diào)試時，仍采用去掉無關(guān)元件的方法，逐層調(diào)試下去，就會定位故障元件了。

四、系統(tǒng)設(shè)計及總結(jié)特點

通過這次的課程設(shè)計，讓我受益匪淺，也讓我了解和掌握了一些編程思想和對I/O口的使用和應(yīng)用的條件的思考，對單片機的各個管腳功能的理解和掌握。實現(xiàn)了軟件和硬件的有效結(jié)合，缺一不可。設(shè)計讓我把單片機的理論知識用在實踐中，實現(xiàn)了理論和實踐相結(jié)合，從中更懂得理論的是實踐的基礎(chǔ)，實踐有能檢驗理論的正確性，更激發(fā)了我對專業(yè)知識的渴求，這些對我以后參加工作或者繼續(xù)學(xué)習(xí)都會有很大的幫助和影響。

這次課程設(shè)計也讓我學(xué)會了撰寫論文，懂得了論文的要素，這些對于我在以后寫畢業(yè)設(shè)計論文有很大的幫助，并且在我將來的工作中也會有很多益處。在撰寫論文中，也使我在單片機的基本原理、單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，以及在常用編程設(shè)計思路技巧的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后成為合格的應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。

而作為一位學(xué)生，在對交通燈的設(shè)計中，因知識和經(jīng)驗的不足，只能通過模仿其它的編程思路，再加上一些自己的思想去完成這個設(shè)計，因此在各個方面都會有一些不足，敬請指正。但我會在以后的學(xué)習(xí)中逐漸去完善、鞏固我的單片機知識。

審核編輯：劉清