机电一体化技术课程设计

课程课程设计说明书课程名称：机电一体化技术设计题目：交通信号灯模拟控制系统的设计专业：机电一体化技术班级：姓名：学号：指导教师：设计时间：**机电高等专科学校机电工程系1绪论1.1引言当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。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，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。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。1.2单片机概述单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3、4代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。2MSC-8051单片机的结构及原理2.1MSC-8051型单片机的基本结构8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统几个部分，其结构框图如图2-1所示。定时/计数器RAMROM时钟电路 定时/计数器RAMROM时钟电路CPUCPU中断系统串行接口并行接口中断系统串行接口并行接口 P0P1P2P3TXDRXDINT0INTI图2-1MSC-8051系统结构框图在一个芯片上集成了一个单片机的各个组成部分，其功能如下：中央处理器(CPU)：是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。片外数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义片内程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。（5）中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。（6）时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。2.2MSC-8051型单片机的引脚功能MCS-51系列单片机中的8051采用40Pin封装的双列直接DIP结构，图2-2是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。图2-21电源引脚VSS和VCCVCC：电源+5V输入。VSS：GND接地。2外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。3控制或与其它电源复用引脚、、、RESET/VPD复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图2-3。此外，RESET/VPD还是一复用脚，VCC掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。图2-3 当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。。外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。1、内部ROM读取时，不动作；2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；3、外部RAM读取时，两个脉冲被跳过不会输出；4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。在编程时，EA/VPP脚还需加上21V的编程电压。4.输入/输出引脚P0口P1口P2口P3口P0口有三个功能：1、外部扩展存储器时，当做数据总线。2、外部扩展存储器时，当作地址总线。3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。P2口：扩展外部存储器时，当作地址总线使用。做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。P3口有两个功能：除了作为I/O使用外，还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。2、有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的。2.3数据存储器数据存储器分为内、外两部分，8051内部有128BRAM地址为00H-7FH;片外最多扩展64KBRAM,地址为0000H-FFFFH。内、外RAM地址有重叠。可通过不同的指令来区分；“MOV”是对内部RAM进行读写的操作指令；“MOVX”是对外部RAM进行读写的操作指令。8051内部128BRAM的应用最广，可用于暂存运算结果及标志位等。按其用途可以分为三个区域：工作寄存器、位寻地址、用户RAM区。2.4程序存储器程序存储器用于存放编好的程序、表格和常数。8051内部有4KBROM,片外最多可扩展64KBROM，两者是统一编址的。CPU的控制器专门提供一个控制信号来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区0000H-0FFFH;当接高电平时单片机从片内4KBROM中取其指令。而当指令地址超过0FFFH后，就自动的向片外ROM取指令。在程序存储器中，有6个单元具有特殊功能。0000H-0002H:是所有执行程序的入口地址，8051复活后，CPU总是从0000H单元开始执行程序。0003H:外部中断0入口。000BH:定时器0溢出中断口。0013BH:外部中断1入口。001BH:定时器1溢出中断入口。0023BH:串行口中断入口。2.5单片机的时钟电路与时序2.5.1时钟电路时钟电路用于单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由内部时钟和外部时钟两种方式产生。如图2-4所示。内部时钟方式8051内部有一个高增益反相放大器。用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自励振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。振荡器频率范围是1.2-12MHz。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容器应尽可能安装得与单片机芯片靠近。外部时钟方式是采用外部振荡器，外部振荡脉冲信号由XTAL2端接入后直接送至内部时钟发生器，输入端XTAL1应接地。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议接一个上拉电阻。图2-42.5.2时序定时单位时序是表达指令执行中各控制信号在时间上的相互关系。时序是用定时单位来说明的，8051时序单位共有4个，从小到大依次是拍、状态、机器周期、指令周期，如图2-5所示。图2-5拍（P）:振荡器脉冲的周期称为拍，它就是晶体的振荡周期，或是外部振荡脉冲的周期，拍实MCS-51单片机中最小的时序单位。状态或时钟周期（S）：振荡周期经过二分频后，就得到单片机的时钟信号，把时钟信号的周期称为状态。一个状态包含两个拍，分别称作P1和P2，时钟周期是单片机中最基本的时间单位，在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。机器周期：通常把CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一个机器周期由6个状态（或12拍）组成，可以依次表示为S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，…，S6P1，S6P2。当时钟振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1us；当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2us。指令周期：指令周期就是执行一条指令所需的时间。指令周期是MCS-51单片机中最大的时序单位，一半后若干个机器周期组成。指令不同，所需要的机器周期数也不相同，但一条指令的周期应在1-4个机器周期范围内。3系统设计3.1拟定方案东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。在此只考虑其中一条干道，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。指示灯交替变换的方案如表3-1。东西干道或南北干道30S5S30S5S……红灯亮黄灯亮绿灯亮黄灯亮……表3-1说明：用红、绿、黄三色发光二极管做信号灯，只考虑一条道路相对的两个方向，每个方向有红、绿、黄三个灯、红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，每隔30秒红绿黄灯交替变化。在每次由绿灯变成红灯亮或者由红灯亮变成绿灯亮的交替变化转换时间要求黄灯闪烁5秒，给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。3.2系统硬件设计选用8051单片机一片，8255并行通用接口芯片一片，74LS07两片，MAX692‘看门狗’一片，共阴极的七段数码管两个双向晶闸管若干，7805三端稳压电源一个，红、黄、绿交通灯各两个，开关键盘、连线若干。3.3软件设计3.3.1程序流程图如图3-1所示。图3-13.3.2程序代码ORG0000HLJMPSTARTORG0030HSTART:MOVP1,#00H；信号灯初始状态全灭SETBP1.2；东西方向绿灯亮，东西方向放行SETBP1.3；南北方向红灯亮，南北方向禁止放行MOVR4,#32H；延时30秒LP1:LCALLDLDJNZR4，LP1CLRP1.2;熄灭东西方向绿灯SETBP1.1；东西方向黄灯亮MOVR4，0AH；延时5秒LP2:LCALLDLDJNZR4，LP2MOVP1，00HSETBP1.0；东西方向红灯亮，禁止通行SETBP1.5；南北方向绿灯亮，南北方向放行MOVR4,#32H；延时30秒LP3:LCALLDLDJNZR4，LP3CLRP1.5;熄灭南北方向绿灯SETBP1.4；南北方向黄灯亮MOVR4，0AH；延时5秒LP4:LCALLDLDJNZR4，LP4LJNPSTART；重新开始下一个周期DL:MOVR7，05H；0.5秒软件延时子程序DL1:MOVR6，#0C8HDL2:MOVR5，#0FAHDJNZR5，＄DJNZR6，DL2DJNZR7