機電一體化技術(shù)課程設(shè)計

課程課程設(shè)計說明書課程名稱：機電一體化技術(shù)設(shè)計題目：交通信號燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計專業(yè)：機電一體化技術(shù)班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計時間：**機電高等?？茖W(xué)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(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世紀就已出現(xiàn)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(qū)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(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。電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)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(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G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?yōu)榫G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(fā)生交通事故。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。1968年，聯(lián)合國《道路交通和道路標志信號協(xié)定》對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標志禁止某一種轉(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，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(lǐng)域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)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?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機經(jīng)過1、2、3、4代的發(fā)展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的CPU功能在增強，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單片機的結(jié)構(gòu)及原理2.1MSC-8051型單片機的基本結(jié)構(gòu)8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)幾個部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。定時/計數(shù)器RAMROM時鐘電路 定時/計數(shù)器RAMROM時鐘電路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(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。片外數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，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，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義片內(nèi)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(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，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)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(yōu)先級別選擇。（6）時鐘電路：8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(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。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)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(fù)用引腳、、、RESET/VPD復(fù)位信號復(fù)用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時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)位方式可以是自動復(fù)位，也可以是手動復(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，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)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(jié)。而訪問內(nèi)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(xiàn)外部ROM單元的讀操作。1、內(nèi)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(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)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(nèi)部程序存儲器指令數(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器指令。顯然，對內(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應(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(nèi)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(shè)置。2、有內(nèi)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(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器分為內(nèi)、外兩部分，8051內(nèi)部有128BRAM地址為00H-7FH;片外最多擴展64KBRAM,地址為0000H-FFFFH。內(nèi)、外RAM地址有重疊?？赏ㄟ^不同的指令來區(qū)分；“MOV”是對內(nèi)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(nèi)部128BRAM的應(yīng)用最廣，可用于暫存運算結(jié)果及標志位等。按其用途可以分為三個區(qū)域：工作寄存器、位尋地址、用戶RAM區(qū)。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(shù)。8051內(nèi)部有4KBROM,片外最多可擴展64KBROM，兩者是統(tǒng)一編址的。CPU的控制器專門提供一個控制信號來區(qū)分內(nèi)部ROM和外部ROM的公用地址區(qū)0000H-0FFFH;當接高電平時單片機從片內(nèi)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(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(nèi)部時鐘和外部時鐘兩種方式產(chǎn)生。如圖2-4所示。內(nèi)部時鐘方式8051內(nèi)部有一個高增益反相放大器。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)定的自勵振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘發(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(nèi)部時鐘發(fā)生器，輸入端XTAL1應(yīng)接地。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，故建議接一個上拉電阻。圖2-42.5.2時序定時單位時序是表達指令執(zhí)行中各控制信號在時間上的相互關(guān)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(tài)、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(tài)或時鐘周期（S）：振蕩周期經(jīng)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(tài)。一個狀態(tài)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(nèi)，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(tài)（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(zhí)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(shù)也不相同，但一條指令的周期應(yīng)在1-4個機器周期范圍內(nèi)。3系統(tǒng)設(shè)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(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(fā)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(zhuǎn)換時間要求黃燈閃爍5秒，給行駛中的車輛有時間?？康浇芯€之外。3.2系統(tǒng)硬件設(shè)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(shù)碼管兩個雙向晶閘管若干，7805三端穩(wěn)壓電源一個，紅、黃、綠交通燈各兩個，開關(guān)鍵盤、連線若干。3.3軟件設(shè)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(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