課程課程設計說明書課程名稱：機電一體化技術設計題目：交通信號燈模擬控制系統的設計專業：機電一體化技術班級：姓名：學號：指導教師：設計時間：**機電高等專科學校機電工程系1緒論1.1引言當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在19世紀就已出現了。1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉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。電氣啟動的紅綠燈出現在美國，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，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變為綠燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變為綠燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發生交通事故。信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯合國《道路交通和道路標志信號協定》對各種信號燈的含義作了規定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優先通行。紅燈是禁行信號，面對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，面對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可以進入交叉路口。1.2單片機概述單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統。單片機經過1、2、3、4代的發展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發展，它們的CPU功能在增強，內部資源在增多，引角的多功能化，以及低電壓底功耗。2MSC-8051單片機的結構及原理2.1MSC-8051型單片機的基本結構8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統幾個部分，其結構框圖如圖2-1所示。定時/計數器RAMROM時鐘電路 定時/計數器RAMROM時鐘電路CPUCPU中斷系統串行接口并行接口中斷系統串行接口并行接口 P0P1P2P3TXDRXDINT0INTI圖2-1MSC-8051系統結構框圖在一個芯片上集成了一個單片機的各個組成部分，其功能如下：中央處理器(CPU)：是整個單片機的核心部件，是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。片外數據存儲器(RAM)：8051內部有128個8位用戶數據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數據，運算的中間結果或用戶定義片內程序存儲器(ROM)：8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數據或表格。并行輸入輸出(I/O)口：8051共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對外部數據的傳輸。（5）中斷系統：8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優先級別選擇。（6）時鐘電路：8051內置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。2.2MSC-8051型單片機的引腳功能MCS-51系列單片機中的8051采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，圖2-2是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用。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。當使用芯片內部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。3控制或與其它電源復用引腳、、、RESET/VPD復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現24個時鐘周期以上的高電平，系統即初始復位。初始化后，程序計數器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，系統即從0000H地址開始執行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態，8051的初始態。8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見下圖2-3。此外，RESET/VPD還是一復用腳，VCC掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內部RAM的數據不丟失。圖2-3 當訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節。而訪問內部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。。外部程序存儲器讀選通信號：在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現外部ROM單元的讀操作。1、內部ROM讀取時，不動作；2、外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次；3、外部RAM讀取時，兩個脈沖被跳過不會輸出；4、外接ROM時，與ROM的OE腳相接。程序存儲器的內外部選通線，8051和8751單片機，內置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內部程序存儲器指令數據，而超過4kB地址則讀取外部指令數據。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。在編程時，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口有三個功能：1、外部擴展存儲器時，當做數據總線。2、外部擴展存儲器時，當作地址總線。3、不擴展時，可做一般的I/O使用，但內部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。

P1口只做I/O口使用：其內部有上拉電阻。P2口：擴展外部存儲器時，當作地址總線使用。做一般I/O口使用，其內部有上拉電阻。P3口有兩個功能：除了作為I/O使用外，還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置。2、有內部EPROM的單片機芯片，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的。2.3數據存儲器數據存儲器分為內、外兩部分，8051內部有128BRAM地址為00H-7FH;片外最多擴展64KBRAM,地址為0000H-FFFFH。內、外RAM地址有重疊。可通過不同的指令來區分；“MOV”是對內部RAM進行讀寫的操作指令；“MOVX”是對外部RAM進行讀寫的操作指令。8051內部128BRAM的應用最廣，可用于暫存運算結果及標志位等。按其用途可以分為三個區域：工作寄存器、位尋地址、用戶RAM區。2.4程序存儲器程序存儲器用于存放編好的程序、表格和常數。8051內部有4KBROM,片外最多可擴展64KBROM，兩者是統一編址的。CPU的控制器專門提供一個控制信號來區分內部ROM和外部ROM的公用地址區0000H-0FFFH;當接高電平時單片機從片內4KBROM中取其指令。而當指令地址超過0FFFH后，就自動的向片外ROM取指令。在程序存儲器中，有6個單元具有特殊功能。0000H-0002H:是所有執行程序的入口地址，8051復活后，CPU總是從0000H單元開始執行程序。0003H:外部中斷0入口。000BH:定時器0溢出中斷口。0013BH:外部中斷1入口。001BH:定時器1溢出中斷入口。0023BH:串行口中斷入口。2.5單片機的時鐘電路與時序2.5.1時鐘電路時鐘電路用于單片機工作所需的時鐘信號。時鐘信號可以由內部時鐘和外部時鐘兩種方式產生。如圖2-4所示。內部時鐘方式8051內部有一個高增益反相放大器。用于構成振蕩器，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，就構成了穩定的自勵振蕩器，其發出的脈沖直接送入內部時鐘發生器。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定可靠地工作，諧振器和電容器應盡可能安裝得與單片機芯片靠近。外部時鐘方式是采用外部振蕩器，外部振蕩脈沖信號由XTAL2端接入后直接送至內部時鐘發生器，輸入端XTAL1應接地。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，故建議接一個上拉電阻。圖2-42.5.2時序定時單位時序是表達指令執行中各控制信號在時間上的相互關系。時序是用定時單位來說明的，8051時序單位共有4個，從小到大依次是拍、狀態、機器周期、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MCS-51單片機中最小的時序單位。狀態或時鐘周期（S）：振蕩周期經過二分頻后，就得到單片機的時鐘信號，把時鐘信號的周期稱為狀態。一個狀態包含兩個拍，分別稱作P1和P2，時鐘周期是單片機中最基本的時間單位，在一個時鐘周期內，CPU僅完成一個最基本的動作。機器周期：通常把CPU完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。一個機器周期由6個狀態（或12拍）組成，可以依次表示為S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，…，S6P1，S6P2。當時鐘振蕩脈沖頻率為12MHz時，一個機器周期為1us；當振蕩脈沖頻率為6MHz時，一個機器周期為2us。指令周期：指令周期就是執行一條指令所需的時間。指令周期是MCS-51單片機中最大的時序單位，一半后若干個機器周期組成。指令不同，所需要的機器周期數也不相同，但一條指令的周期應在1-4個機器周期范圍內。3系統設計3.1擬定方案東西、南北兩干道交于一個十字路口，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、綠燈的狀態即將切換，且黃燈燃亮時間為東西、南北兩干道的公共停車時間。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說明：用紅、綠、黃三色發光二極管做信號燈，只考慮一條道路相對的兩個方向，每個方向有紅、綠、黃三個燈、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換時間要求黃燈閃爍5秒，給行駛中的車輛有時間停靠到禁行線之外。3.2系統硬件設計選用8051單片機一片，8255并行通用接口芯片一片，74LS07兩片，MAX692‘看門狗’一片，共陰極的七段數碼管兩個雙向晶閘管若干，7805三端穩壓電源一個，紅、黃、綠交通燈各兩個，開關鍵盤、連線若干。3.3軟件設計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；信號燈初始狀態全滅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5秒LP4:LCALLDLDJNZR4，LP4LJNPSTART；重新開始下一個周期DL:MOVR7，05H；0.5秒軟件延時子程序DL1:MOVR6，#0C8HDL2:MOVR5，#0FAHDJNZR5，＄DJNZR6，DL2DJNZR7