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課程課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程名稱:機(jī)電一體化技術(shù)設(shè)計(jì)題目:交通信號(hào)燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專業(yè):機(jī)電一體化技術(shù)班級(jí):姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師:設(shè)計(jì)時(shí)間:**機(jī)電高等??茖W(xué)校機(jī)電工程系1緒論1.1引言當(dāng)今,紅綠燈安裝在各個(gè)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。1858年,在英國(guó)倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈,用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。1868年,英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上,安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成,紅色表示“停止”,綠色表示“注意”。1869年1月2日,煤氣燈爆炸,使警察受傷,遂被取消。電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó),這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成,1914年始安裝于紐約市5號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”,綠燈亮表示“通行”。1918年,又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈,一種是把壓力探測(cè)器安在地下,車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈;另一種是用擴(kuò)音器來(lái)啟動(dòng)紅綠燈,司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭,就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí),它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間,推遲汽車放行,以免發(fā)生交通事故。信號(hào)燈的出現(xiàn),使交通得以有效管制,對(duì)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。1968年,聯(lián)合國(guó)《道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定》對(duì)各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號(hào),面對(duì)綠燈的車輛可以直行,左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎,除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號(hào),面對(duì)紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號(hào),面對(duì)黃燈的車輛不能越過停車線,但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。1.2單片機(jī)概述單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支,也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī),特別適用于控制領(lǐng)域,故又稱為微控制器。通常,單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成,內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件:中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等。因此,單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合,便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)經(jīng)過1、2、3、4代的發(fā)展,目前單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展,它們的CPU功能在增強(qiáng),內(nèi)部資源在增多,引角的多功能化,以及低電壓底功耗。2MSC-8051單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理2.1MSC-8051型單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)幾個(gè)部分,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。定時(shí)/計(jì)數(shù)器RAMROM時(shí)鐘電路 定時(shí)/計(jì)數(shù)器RAMROM時(shí)鐘電路CPUCPU中斷系統(tǒng)串行接口并行接口中斷系統(tǒng)串行接口并行接口 P0P1P2P3TXDRXDINT0INTI圖2-1MSC-8051系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在一個(gè)芯片上集成了一個(gè)單片機(jī)的各個(gè)組成部分,其功能如下:中央處理器(CPU):是整個(gè)單片機(jī)的核心部件,是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器,能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼,CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作,完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM):8051內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元,它們是統(tǒng)一編址的,專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù),用戶只能訪問,而不能用于存放用戶數(shù)據(jù),所以,用戶能使用的RAM只有128個(gè),可存放讀寫的數(shù)據(jù),運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(ROM):8051共有4096個(gè)8位掩膜ROM,用于存放用戶程序,原始數(shù)據(jù)或表格。并行輸入輸出(I/O)口:8051共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。(5)中斷系統(tǒng):8051具備較完善的中斷功能,有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷,可滿足不同的控制要求,并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。(6)時(shí)鐘電路:8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路,用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序,但8051單片機(jī)需外置振蕩電容。2.2MSC-8051型單片機(jī)的引腳功能MCS-51系列單片機(jī)中的8051采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu),圖2-2是它們的引腳配置,40個(gè)引腳中,正電源和地線兩根,外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根,4組8位共32個(gè)I/O口,中斷口線與P3口線復(fù)用。圖2-21電源引腳VSS和VCCVCC:電源+5V輸入。VSS:GND接地。2外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2外接晶振引腳。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí),此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容;當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí),用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。3控制或與其它電源復(fù)用引腳、、、RESET/VPD復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳,當(dāng)8051通電,時(shí)鐘電路開始工作,在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平,系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后,程序計(jì)數(shù)器PC指向0000H,P0-P3輸出口全部為高電平,堆棧指針寫入07H,其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后,系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而,初始復(fù)位不改變RAM(包括工作寄存器R0-R7)的狀態(tài),8051的初始態(tài)。8051的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位,也可以是手動(dòng)復(fù)位,見下圖2-3。此外,RESET/VPD還是一復(fù)用腳,VCC掉電其間,此腳可接上備用電源,以保證單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。圖2-3 當(dāng)訪問外部程序器時(shí),ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí),ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào),這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作,也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn),當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器,ALE會(huì)跳過一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM,在編程其間,將用于輸入編程脈沖。。外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào):在讀外部ROM時(shí)PSEN低電平有效,以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。1、內(nèi)部ROM讀取時(shí),不動(dòng)作;2、外部ROM讀取時(shí),在每個(gè)機(jī)器周期會(huì)動(dòng)作兩次;3、外部RAM讀取時(shí),兩個(gè)脈沖被跳過不會(huì)輸出;4、外接ROM時(shí),與ROM的OE腳相接。程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線,8051和8751單片機(jī),內(nèi)置有4kB的程序存儲(chǔ)器,當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時(shí),讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù),而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平,則不管地址大小,一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。顯然,對(duì)內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器的8031,EA端必須接地。在編程時(shí),EA/VPP腳還需加上21V的編程電壓。4.輸入/輸出引腳P0口P1口P2口P3口P0口有三個(gè)功能:1、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí),當(dāng)做數(shù)據(jù)總線。2、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí),當(dāng)作地址總線。3、不擴(kuò)展時(shí),可做一般的I/O使用,但內(nèi)部無(wú)上拉電阻,作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。

P1口只做I/O口使用:其內(nèi)部有上拉電阻。P2口:擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí),當(dāng)作地址總線使用。做一般I/O口使用,其內(nèi)部有上拉電阻。P3口有兩個(gè)功能:除了作為I/O使用外,還有一些特殊功能,由特殊寄存器來(lái)設(shè)置。2、有內(nèi)部EPROM的單片機(jī)芯片,為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源,這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的。2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為內(nèi)、外兩部分,8051內(nèi)部有128BRAM地址為00H-7FH;片外最多擴(kuò)展64KBRAM,地址為0000H-FFFFH。內(nèi)、外RAM地址有重疊??赏ㄟ^不同的指令來(lái)區(qū)分;“MOV”是對(duì)內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫的操作指令;“MOVX”是對(duì)外部RAM進(jìn)行讀寫的操作指令。8051內(nèi)部128BRAM的應(yīng)用最廣,可用于暫存運(yùn)算結(jié)果及標(biāo)志位等。按其用途可以分為三個(gè)區(qū)域:工作寄存器、位尋地址、用戶RAM區(qū)。2.4程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器用于存放編好的程序、表格和常數(shù)。8051內(nèi)部有4KBROM,片外最多可擴(kuò)展64KBROM,兩者是統(tǒng)一編址的。CPU的控制器專門提供一個(gè)控制信號(hào)來(lái)區(qū)分內(nèi)部ROM和外部ROM的公用地址區(qū)0000H-0FFFH;當(dāng)接高電平時(shí)單片機(jī)從片內(nèi)4KBROM中取其指令。而當(dāng)指令地址超過0FFFH后,就自動(dòng)的向片外ROM取指令。在程序存儲(chǔ)器中,有6個(gè)單元具有特殊功能。0000H-0002H:是所有執(zhí)行程序的入口地址,8051復(fù)活后,CPU總是從0000H單元開始執(zhí)行程序。0003H:外部中斷0入口。000BH:定時(shí)器0溢出中斷口。0013BH:外部中斷1入口。001BH:定時(shí)器1溢出中斷入口。0023BH:串行口中斷入口。2.5單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序2.5.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)可以由內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘兩種方式產(chǎn)生。如圖2-4所示。內(nèi)部時(shí)鐘方式8051內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器。用于構(gòu)成振蕩器,引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器,就構(gòu)成了穩(wěn)定的自勵(lì)振蕩器,其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。振蕩器頻率范圍是1.2-12MHz。為了減少寄生電容,更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作,諧振器和電容器應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。外部時(shí)鐘方式是采用外部振蕩器,外部振蕩脈沖信號(hào)由XTAL2端接入后直接送至內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器,輸入端XTAL1應(yīng)接地。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的,故建議接一個(gè)上拉電阻。圖2-42.5.2時(shí)序定時(shí)單位時(shí)序是表達(dá)指令執(zhí)行中各控制信號(hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系。時(shí)序是用定時(shí)單位來(lái)說(shuō)明的,8051時(shí)序單位共有4個(gè),從小到大依次是拍、狀態(tài)、機(jī)器周期、指令周期,如圖2-5所示。圖2-5拍(P):振蕩器脈沖的周期稱為拍,它就是晶體的振蕩周期,或是外部振蕩脈沖的周期,拍實(shí)MCS-51單片機(jī)中最小的時(shí)序單位。狀態(tài)或時(shí)鐘周期(S):振蕩周期經(jīng)過二分頻后,就得到單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào),把時(shí)鐘信號(hào)的周期稱為狀態(tài)。一個(gè)狀態(tài)包含兩個(gè)拍,分別稱作P1和P2,時(shí)鐘周期是單片機(jī)中最基本的時(shí)間單位,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),CPU僅完成一個(gè)最基本的動(dòng)作。機(jī)器周期:通常把CPU完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱為機(jī)器周期。一個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)(或12拍)組成,可以依次表示為S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,…,S6P1,S6P2。當(dāng)時(shí)鐘振蕩脈沖頻率為12MHz時(shí),一個(gè)機(jī)器周期為1us;當(dāng)振蕩脈沖頻率為6MHz時(shí),一個(gè)機(jī)器周期為2us。指令周期:指令周期就是執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間。指令周期是MCS-51單片機(jī)中最大的時(shí)序單位,一半后若干個(gè)機(jī)器周期組成。指令不同,所需要的機(jī)器周期數(shù)也不相同,但一條指令的周期應(yīng)在1-4個(gè)機(jī)器周期范圍內(nèi)。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1擬定方案東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口,各干道有一組紅、黃、綠三色的指示燈,指揮車輛和行人安全通行。在此只考慮其中一條干道,紅燈亮禁止通行,綠燈亮允許通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換,且黃燈燃亮?xí)r間為東西、南北兩干道的公共停車時(shí)間。指示燈交替變換的方案如表3-1。東西干道或南北干道30S5S30S5S……紅燈亮黃燈亮綠燈亮黃燈亮……表3-1說(shuō)明:用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管做信號(hào)燈,只考慮一條道路相對(duì)的兩個(gè)方向,每個(gè)方向有紅、綠、黃三個(gè)燈、紅燈亮禁止通行,綠燈亮允許通行,每隔30秒紅綠黃燈交替變化。在每次由綠燈變成紅燈亮或者由紅燈亮變成綠燈亮的交替變化轉(zhuǎn)換時(shí)間要求黃燈閃爍5秒,給行駛中的車輛有時(shí)間??康浇芯€之外。3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選用8051單片機(jī)一片,8255并行通用接口芯片一片,74LS07兩片,MAX692‘看門狗’一片,共陰極的七段數(shù)碼管兩個(gè)雙向晶閘管若干,7805三端穩(wěn)壓電源一個(gè),紅、黃、綠交通燈各兩個(gè),開關(guān)鍵盤、連線若干。3.3軟件設(shè)計(jì)3.3.1程序流程圖如圖3-1所示。圖3-13.3.2程序代碼ORG0000HLJMPSTARTORG0030HSTART:MOVP1,#00H;信號(hào)燈初始狀態(tài)全滅SETBP1.2;東西方向綠燈亮,東西方向放行SETBP1.3;南北方向紅燈亮,南北方向禁止放行MOVR4,#32H;延時(shí)30秒LP1:LCALLDLDJNZR4,LP1CLRP1.2;熄滅東西方向綠燈SETBP1.1;東西方向黃燈亮MOVR4,0AH;延時(shí)5秒LP2:LCALLDLDJNZR4,LP2MOVP1,00HSETBP1.0;東西方向紅燈亮,禁止通行SETBP1.5;南北方向綠燈亮,南北方向放行MOVR4,#32H;延時(shí)30秒LP3:LCALLDLDJNZR4,LP3CLRP1.5;熄滅南北方向綠燈SETBP1.4;南北方向黃燈亮MOVR4,0AH;延時(shí)5秒LP4:LCALLDLDJNZR4,LP4LJNPSTART;重新開始下一個(gè)周期DL:MOVR7,05H;0.5秒軟件延時(shí)子程序DL1:MOVR6,#0C8HDL2:MOVR5,#0FAHDJNZR5,$DJNZR6,DL2DJNZR7

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