交通灯控制系统毕业论文设计

交通灯控制系统

毕业院校：河南农业职业学院系别：电子信息工程系专业班级：电气自动化09-2班姓名：尤勇斐指导老师：王海娜杨彩红

摘要

本文设计主要研究最为典型的二车道的交通灯自动控制系统，它由晶振模块，定时模块，三色灯控制模块组成，并且利用三色灯（红，黄，绿）的指示和倒计时显示来实现功能，在设计中主要开放了了外部中断EX0。一般情况下交通路口中的突发事件包括闯红灯和救护车通过。对于外部的所有突发事件都可以当中断处理。

关键词：PROTEUS; 80C51;三色灯；LED数码显示

目录

1 绪论 (1)

2 总体设计思路、基本原理和框图

2．1 设计思路 (2)

2．2 基本原理 (3)

2．3 总体设计框图 (3)

3 交通灯自动控制电路硬件设计

3.1交通灯自动控制实现 (4)

3.2主要元器件选择 (4)

3.3交通路口模型 (5)

3.4总电路图 (5)

4 交通灯自动控制电路软件设计

4. 1 单片机中断系统基本结构 (6)

4. 2 每秒钟的设定 (7)

4. 3 计数器初值计算 (7)

4. 4 显示原理 (7)

5 系统仿真 (8)

6 总结与体会 (11)

参考文献

1 绪论

作为一种交通规则的指示，交通灯它起着及其重要的作用。从最初的单车道到现在的四车道八车道等，交通指示的自动控制也越来越完善。它不再仅仅拥有交通指示的作用，还有其它特殊情况的处理，比如对闯红灯的肇事者进行的监督，紧急救护车的通过时保持道路畅通，等等都需要非常的处理，这也是对交通灯功能的新要求。而且，也从最初的只有红，黄，绿三种灯的指示到现在的倒计时电子显示，让人们从单一的信号判别到时间的准确明了有了进一步认知。这都表明交通灯的研究还具有它实际的意义。

2总体设计思路、基本原理和框图

2．1 设计思路

交通灯的自动控制系统的主要功能包括：普通交通灯的显示、LED倒计时显示、突发事件的外部处理和交通路口的模拟。本设计的控制系统由以下电路模块组成：

振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。

设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断电路组成。

设计显示部分：LED数码显示部分。LED数码显示部分由七段数码显示管组成。

2．2 基本原理

主体电路：交通灯自动控制模块。这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等组成。

本设计先是从普通三色灯的指示开始进行设计，用P1口作为输出。程序的初始化是东西南北方向的红灯全亮。然后南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，60秒后东西方向黄灯闪亮5秒后南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。重复执行。倒计时用到定时器T0，用P2口作为LED的显示。二位一体的LED重复执行60秒的倒计时。作为突发事件的处理，本设计主要用到外部中断EX0。用一模拟开关作为中断信号。实际中可以接其它可以产生中断信号的信号源。

2．3 总体设计框图

晶振模块

定时模块

三色灯控制模块

LED显示模块

驱动电路

外部中断2.4交通灯自动控制的设计程序流程框图

开始

初始化程序

END

60秒倒计时显示

东西黄灯闪亮5秒

南北绿灯亮，东西红灯亮

60秒倒计时显示

南北黄灯闪亮5秒

南北红灯亮，东西绿灯亮

3交通灯自动控制电路硬件设计

3.1单片机的结构

单片微机(Single-Chip Microcomputer)简称为单片机。它在一块芯片上集中成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数和多功能输入/输出

I/O口,如并行口I/O、串行口I/O和转换A/D等。就其组成而言，一块单片机就是一台计算机。其典型结构如图所示。由于它具有体积小、功能强和价格便宜等优点，因而被广泛地应用于产品智能化和工业控制自动化上。

3.2 主要元器件选择

1 开关管的选择：BUTTON按钮

2 LED发光二极管 LED－RED LED－YELLOW LDE－GREEN

发光二极管的主要技术参数有额定电压和额定工作电流。LED显示电路如图3.1

所示，图中限流电阻Ｒi是限制线路电流的，阻值的大小由I=U/R计算得到。

例如发光二极管的额定电压为2V，额定工作电流为20mA，计算Ri＝

(5-2)/0.02=150Ω。

3 二位一体数码管 7SEG-MPX2-CAT-RED:共阳数码管（红色）

4 PN4249:驱动三极管

5 AT89S51系列单片机

3.3设计显示部分

LED数码显示部分。LED数码显示部分由七段数码显示管组成。

1．发光二极管显示原理

发光二极管是采用砷化镓、镓铝砷和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。发光二极管在制作时，使用的材料不同，那么就可以发出不同颜色的光。

3.5交通路口模型

S

G

S

R

S

Y

S

Y

1

S

R

1

S

G

1

ZR

ZY

ZG

ZY1

ZR1

ZG1

ZY0

ZR0

ZG0

ZY

ZR

ZG

S

G

S

R

S

Y

S

G

S

R

S

Y

D13

LED-GREEN

D14

LED-GREEN

D15

LED-GREEN

D16

LED-GREEN

D17

LED-RED

D18

LED-RED

D19

LED-RED

D20

LED-RED

D21

LED-YELLOW

D22

LED-YELLOW

D23

LED-YELLOW

D24

LED-YELLOW

图4.7 交通路口模型

3.6总电路图

总电路功能介绍：设计主要研究二车道的交通灯自动控制。本次设计的内容包括四个方面，一是普通三色灯的指示；二是两位一体数码管的倒计时显示；三是对一此交通中的意外情况进行的处理。最后就是对交通灯的模拟设计。

ZG

S

R

ZR

ZY

S

Y

S

R

S

G

Z

G

Z

G

1

Z

R

1

Z

Y

1

S

R

1

S

Y

1

Z

Y

Z

R

S

Y

S

G

1

S

G

Z

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Z

R

Z

G

S

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S

R

S

G

S

G

S

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S

Y

S

Y

1

S

R

1

S

G

1

ZR

ZY

ZG

ZY1

ZR1

ZG1

ZY0

ZR0

ZG0

ZY

ZR

ZG

S

G

S

R

S

Y

S

G

S

R

S

Y

A

B

7

6

5

4

3

2

1

A

B

6

5

4

3

2

1

1

2

3

4

5

6

7

B

A

A B76543210

76543210

B

A

B A

X

T

A

L

2

1

8

X

T

A

L

1

1

9

A

L

E

3

E

A

3

1

P

S

E

N

2

9

R

S

T

9

P

A

D

3

9

P

1

A

D

1

3

8

P

2

A

D

2

3

7

P

3

A

D

3

3

6

P

4

A

D

4

3

5

P

5

A

D

5

3

4

P

6

A

D

6

3

3

P

7

A

D

7

3

2

P

1

1

P

1

1

2

P

1

2

3

P

1

3

4

P

1

4

5

P

1

5

6

P

1

6

7

P

1

7

8

P

3

R

X

D

1

P

3

1

T

X

D

1

1

P

3

2

N

T

1

2

P

3

3

N

T

1

1

3

P

3

4

T

1

4

P

3

7

R

D

1

7

P

3

6

W

R

1

6

P

3

5

T

1

1

5

P

2

7

A

1

5

2

8

P

2

A

8

2

1

P

2

1

A

9

2

2

P

2

2

A

1

2

3

P

2

3

A

1

1

2

4

P

2

4

A

1

2

2

5

P

2

5

A

1

3

2

6

P

2

6

A

1

4

2

7

U1

AT89C51

D1

LED-GREEN

D3

LED-GREEN

D4

LED-GREEN

D5

LED-RED

D6

LED-RED

D7

L

E

D

-

R

E

D

D8

LED-RED

D9

LED-YELLOW

D10

LED-YELLOW

D11

LED-YELLOW

D12

ly

R1

50

R2

50

R3

50

R4

50

R5

50

R6

50

R7

50

R8

50

R9

50

R10

50

R11

50

R12

50

D2

L

E

D

-

G

R

E

E

N

C1

33p

C2

33p X1

CRYSTAL

D13

LED-GREEN

D14

LED-GREEN

D15

LED-GREEN

D16

LED-GREEN

D17

LED-RED

D18

LED-RED

D19

LED-RED

D20

LED-RED

D21

LED-YELLOW

D22

LED-YELLOW

D23

LED-YELLOW

D24

LED-YELLOW

Q1

PN4249

Q2

PN4249

R13

1k R14

1k

R15

10k

10k

3.7显示原理：

当定时器定时为1秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。

图 4.1 LED与单片机连接电路

4 交通灯自动控制电路软件设计

XTAL2

18

XTAL1

19

ALE

30

EA

31

PSEN

29

RST

9

P0.0/AD0

39

P0.1/AD1

38

P0.2/AD2

37

P0.3/AD3

36

P0.4/AD4

35

P0.5/AD5

34

P0.6/AD6

33

P0.7/AD7

32

P1.0

1

P1.1

2

P1.2

3

P1.3

4

P1.4

5

P1.5

6

P1.6

7

P1.7

8

P3.0/RXD

10

P3.1/TXD

11

P3.2/INT0

12

P3.3/INT1

13

P3.4/T0

14

P3.7/RD

17

P3.6/WR

16

P3.5/T1

15

P2.7/A15

28

P2.0/A8

21

P2.1/A9

22

P2.2/A10

23

P2.3/A11

24

P2.4/A12

25

P2.5/A13

26

P2.6/A14

27

U1

AT89C51

D1

LED-GREEN

D3

LED-GREEN

D4

LED-GREEN

D5

LED-RED

D6

LED-RED

D7

L

E

D

-

R

E

D

D8

LED-RED

D9

LED-YELLOW

D10

LED-YELLOW

D11

LED-YELLOW

D12

ly

R1

50

R2

50

R3

50

R4

50

R5

50

R6

50

R7

50

R8

50

R9

50

R10

50

R11

50

R12

50

D2

L

E

D

-

G

R

E

E

N

C1

33p

C2

33p

X1

CRYSTAL

C3

10uF

R13

10k

4.1单片机中断系统基本结构

中断是一项重要的计算机技术，是处理正常工作与紧急状态的好办法，是实现人机实时交互的重要途径，在单片机应用系统中，中断技术得到了广泛应用。下面详细介绍单片机中断系统基本结构、与中断相关的特殊寄存器的设置及中断应用系统编程方法。

当CPU查询到系统有中断请求时，如果系统处于中断允许状态，CPU将停止当前的工作，响应中断请求，转向中断服务，中断服务完成后，返回原程序继续执行当前任务，这叫单片机中断。

8051系列单片机中断系统结构如图3.7所示。能让CPU产生中断的信号源叫中断源。8051单片机有NT0、INT1、T0、T1、TI、RI六个中断源，但只有EX0、ET0、EX1、ET1、ES五个向量,

图3.7 单片机中断系统基本结构

INT0、INT1：外部中断源，由P3.2和P3.2引脚输入。具有低电平和脉冲两种触发方式，在每个机器周期的S5P2采样引脚信号，如有效则由硬件将它的中断请求标志IE 置1，请求中断。当CPU响应中断时，由硬件复位。

T0、T1：定时/计数器中断，当定时/计数器产生溢出时，置位中断请求标志TF请求中断处理。

RI、TI：串行中断，RI是接收，TI为发送。单片机串行口接收到一个字符后RI置1，发送完一个字符TI置1。值得注意的是，RI、TI在响应中断后，必须由用指令将其复位。

中断响应

CPU在执行程序的过程中，在每个机器周期的S5P2对中断标志位按中断优先级进行查询，一旦查询到有中断请求，CPU只要不在执行同级或高级的中断服务程序和当前指令（RETI指令或访问IE、IP的指令除外）执行完毕两种情况，则响应中断。如果当前正在执行的指令是RETI或访问IE、IP的指令，则当前指令执行完毕后，CPU才可响应

1

IT0=0

IT0=1

TI

RI

IT0=1

IT0=0

IE0

TF0

IE1

TF1

TI

RI

IT0=0

ET0

EX0

EX1

ET1

ES EA

中

断

优

先

级

1

IP

中断。中断响应时间可以从中断信号被查询开始算起，中断响应时间在以下三种情况下，响应时间还会更长：

①CPU正在执行一个比要响应的中断源优先级相等或更高的中断源的中断服务程序，此时须等到中断服务程序执行完毕才可中断响应。

②正在执行的当前指令不是在最后一个机器周期，只有指令执行完后才响应中断。

③如果当前执行的是RETI或访问IE、IP的指令，则当前指令执行完毕后，CPU

需再执行一条指令才可以中断响应，因此附加等待响应时间不会超过5个机器周期。

中断入口

单片机响应中断后，将转向特定的入口进行中断服务，单片机的中断入口地址如表3.2所示。

表3.2 MCS-51单片机中断服务程序入口地址表

中断源入口地址

IE0（外部中断0）0003H

TF0（定时器0溢出中断）000BH

IE1（外部中断1）0013H

TF1（定时器1溢出中断）001BH

RI+TI（串行口中断）0023H

从表中可以看出，两相邻中断源的入口地址间隔为8个单元。这意味着如果要把中断源对应的中断服务程序从入口地址开始存放，则程序的长度不能超过8个字节，否则会影响到下一个中断源的入口地址的使用。而通常的情况下，中断服务程序的长度不止8个字节，因此，常见的处理方法是：在入口地址处存放一条无条件转移指令，通过这条转移指令转向对应的中断服务程序入口，中断服务程序以RETI为结束。

中断请求的撤销

CPU响应中断请求，在中断返回（RETI）之前，该中断请求应被撤除，否则会引发另一次中断。

定时/计数器中断请求撤销：CPU在响应中断后，由硬件自动清除中断请求标志TF。

外部中断请求撤销：如果采用脉冲触发方式，CPU在响应中断后，由硬件自动清除中断请求标志IE；对于电平触发方式的外部中断请求，中断标志的撤销是自动的，由于

造成中断请求的低电平继续存在，所以在响应中断后再次会产生中断请求，为此响应中断后要撤销外部信号。

单片机有INT0、INT1两个外部中断源，INT0对应单片机P3.0，INT1对应P3.2。单片机的外部中断与特殊寄存器IE、TCON、IP有关。INT0中断入口地址是0003H，INT1中断入口地址是000BH，下面介绍单片机外部中断的设置与应用。

4.2每秒钟的设定

延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。

4.3计数器初值计算

定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC 可得到如下计算通式：TC=M-C

5 系统仿真

由交通灯自动控制程序一开始可以看到，四个红灯很快闪亮，然后就是相应的二极管点亮情况。紧接着就是数码管的六十秒倒计时显示，二极管的点亮到倒计时之间时间很短暂，所以视觉可以是同时发生的。同样按中断控制键看到不同的结果。仿真结果如下所示。

交通灯运行仿真图

ZG

S

R

ZR

ZY

S

Y

S

R

S

G

Z

G

Z

G

1

Z

R

1

Z

Y

1

S

R

1

S

Y

1

Z

Y

Z

R

S

Y

S

G

1

S

G

Z

Y

Z

R

Z

G

S

Y

S

R

S

G

S

G

S

R

S

Y

S

Y

1

S

R

1

S

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1

ZR

ZY

ZG

ZY1

ZR1

ZG1

ZY0

ZR0

ZG0

ZY

ZR

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S

G

S

R

S

Y

S

G

S

R

S

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A

B

7

6

5

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3

2

1

A

B

6

5

4

3

2

1

1

2

3

4

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6

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B

A

A B76543210

76543210

B

A

B A

X

T

A

L

2

1

8

X

T

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L

1

1

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A

L

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3

E

A

3

1

P

S

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2

9

R

S

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.

/

A

D

3

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.

1

/

A

D

1

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.

2

/

A

D

2

3

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.

3

/

A

D

3

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.

4

/

A

D

4

3

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P

.

5

/

A

D

5

3

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.

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/

A

D

6

3

3

P

.

7

/

A

D

7

3

2

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1

.

1

P

1

.

1

2

P

1

.

2

3

P

1

.

3

4

P

1

.

4

5

P

1

.

5

6

P

1

.

6

7

P

1

.

7

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3

.

/

R

X

D

1

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3

.

1

/

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X

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1

1

P

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2

/

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N

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1

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/

I

N

T

1

1

3

P

3

.

4

/

T

1

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P

3

.

7

/

R

D

1

7

P

3

.

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/

W

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1

1

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2

.

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2

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/

A

8

2

1

P

2

.

1

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9

2

2

P

2

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2

/

A

1

2

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2

.

3

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1

1

2

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2

.

4

/

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1

2

2

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2

.

5

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1

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1

4

2

7

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LED-GREEN

D3

LED-GREEN

D4

LED-GREEN

D5

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D6

LED-RED

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D

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R

E

D

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LED-RED

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LED-YELLOW

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LED-YELLOW

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R2

50

R3

50

R4

50

R5

50

R6

50

R7

50

R8

50

R9

50

R10

50

R11

50

R12

50

D2

L

E

D

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G

R

E

E

N

C1

33p

C2

33p X1

CRYSTAL

D13

LED-GREEN

D14

LED-GREEN

D15

LED-GREEN

D16

LED-GREEN

D17

LED-RED

D18

LED-RED

D19

LED-RED

D20

LED-RED

D21

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D22

LED-YELLOW

D23

LED-YELLOW

D24

LED-YELLOW

Q1

PN4249

Q2

PN4249

R13

1k R14

1k

R15

10k

10k

黄灯闪亮时的仿真图

ZG

S

R

ZR

ZY

S

Y

S

R

S

G

Z

G

Z

G

1

Z

R

1

Z

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1

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S

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Z

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S

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S

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S

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S

G

S

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S

Y

S

Y

1

S

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1

S

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1

ZR

ZY

ZG

ZY1

ZR1

ZG1

ZY0

ZR0

ZG0

ZY

ZR

ZG

S

G

S

R

S

Y

S

G

S

R

S

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A

B

7

6

5

4

3

2

1

A

B

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外部中断的响应仿真图

6总结与体会

岁月如梭，光阴似箭。转眼间几个月的毕业论文设计即将结束。在毕业论文结尾之际，借此机会，我向在我做毕业设计过程中给予我支持和帮助的老师和同学们表示衷心的感谢！

首先要感谢我的指导老师——张淑敏老师。在繁忙的事务中依然抽出时间在学习方法上和设计方面给予了我大量的指导，并且一点点的指出我的论文中的不足及错误，让我在此期间顺利的完成了毕业论文。

其次我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的自动化专业的全体老师还有同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在此，我还要感谢在校期间帮助我的同学和室友们，在我做毕业论文过程中，每当我遇到困难时，他们都会给予我热心的帮助，用友谊维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。而现在我们马上都要各奔前程了，望大家珍重！

最后，祝各位老师各位同学：身体健康、工作顺利、万事如意、心想事成、天天开心！

参考文献

[1] 张迎新，等.单片机初级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000。

[2] 王幸之，等.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004。

[3] 何立民.单片机高级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000。

[4] Atmel Corporation. Microcontroller Data Book.2004。

[5] 李维偍,郭强. 液晶显示应用技术[M].北京：电子工业出版社，2000。