机电一体化技术课程设计

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机电一体化 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 班 姓 学 业： 级： 名： 号： 机电一体化技术 机电 083 魏 亚 飞 080212346 杨富超 2010.12.13~2010.12.20

指导教师： 设计时间：
河南机电高等专科学校 机电工程系

河南机电高等专科学校
机电一体化技术 课程设计任务书

一、 课程设计题目： 二、 课程设计时间：

交通信号灯模拟控制系统的设计 2010.12.13~2010.12.20

三、 课程设计技术参数和任务要求：
设计任务要求：用单片机 8051 设计一个十字路口的红、绿、黄交通信号灯控制系统，具体
要求如下： 1.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。 2.能实现正常的计时显示功能。用倒计时方法显示红灯、绿灯、黄灯还需亮的时间。 3.能实现控制器总清零功能。按下其功能键后，系统实现总清零，计数器由初始状态开始计 数，对应状态的指示灯亮。 4.根据任务要求，画出设计总电路图，写出设计程序。

设计技术参数： X ?M?计数值
(M?X)× ?定时时间 T

X?M 定时时间 ? /T
2 2 X 为置入的初值，T 为计数器周期，即机器周期，在不同的工作方式中 M 可以为 2 、 、
13 16 8

参考文献：
[1] 2006. [2] [3] [4] 梅丽风.单片机原理及接口技术.修订本.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，

张志良.单片机原理与控制技术..北京：机械工业.出版社，2005. 张迎新.单片机初级教程.北京：北京航空航天大学出版社，2000. 张建明.机电一体化原理及应用.北京：国防工业出版社，1992.

四、 考核
成绩：

指导教师签字___________________ 年 月 日

目录

1 绪论............................................................................................................................ 5 1.1 引言................................................................................................................... 5 1.2 单片机概述....................................................................................................... 5 2 MSC-8051 单片机的结构及原理 .............................................................................. 6 2.1MSC -8051 型单片机的基本结构 .................................................................... 6 2.2MSC -8051 型单片机的引脚功能 .................................................................... 7 2.3 数据存储器....................................................................................................... 9 2.4 程序存储器....................................................................................................... 9 2.5 单片机的时钟电路与时序............................................................................. 10 2.5.1 时钟电路............................................................................................... 10 2.5.2 时序定时单位....................................................................................... 10 3 系统设计.................................................................................................................. 12 3.1 拟定方案......................................................................................................... 12 3.2 系统硬件设计................................................................................................. 12 3.3 软件设计......................................................................................................... 13 3.3.1 程序流程图如图 3-1 所示。 ............................................................... 13 3.3.2 程序代码............................................................................................... 14 3.3.3 电路原理图........................................................................................... 16 4 设计总结.................................................................................................................. 17

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。

2 MSC-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。

时钟电路

ROM

RAM

定时/计数器

CPU

并行接口

串行接口

中断系统

P0 P1 P2 P3

TXD RXD

INT0

INTI

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： （1）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。 （2）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 （3）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。 （4）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 2-2

1 电源引脚 VSS 和 VCC
VCC：电源+5V 输入 。 VSS：GND 接地。

2 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2

XTAL1 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 、 ALE/ PROG PESN 、 VE / VPP 、
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

ALE/ PROG 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， ALE/ PROG 将用于输入编 程脉冲。

PESN 。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， PESN 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 PESN 脉冲被跳过不会输出； 4、外接 ROM 时，与 ROM 的 OE 脚相接。

EA/VPP 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：
1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用。 2、做一般 I/O 口使用，其内部有上拉电阻。

P3 口有两个功能：
1、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 128B RAM 地址为 00H-7FH;片外最多扩展 64KB RAM,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 128B RAM 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 4KB ROM,片外最多可扩展 64KB ROM，两者是统一编址的。CPU 的控制器专门提供一个控制信号 EA 来区分内部 ROM 和 外部 ROM 的公用地址区 0000H-0FFFH;当 EA 接高电平时单片机从片内 4KB ROM 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。 1.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。 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷谐振器， 在 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。 2.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。

错误！未找到引用源。
图 2-4

2.5.2 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

1.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。 2.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。 3.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。 4.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。

30S 东西干道或 南北干道 红灯亮

5S

30S

5S

??

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 3-1

3.3.2 程序代码 ORG 0000H LJMP ORG START: MOV SETB SETB MOV LP1: LCALL DJNZ CLR SETB MOV LP2: LCALL DJNZ MOV SETB SETB MOV LP3: LCALL START 0030H P1,#00H ；信号灯初始状态全灭 P1.2 P1.3 ；东西方向绿灯亮，东西方向放行 ；南北方向红灯亮，南北方向禁止放行

R4 ,#32H；延时 30 秒 DL R4，LP1 P1.2 ;熄灭东西方向绿灯 P1.1 ；东西方向黄灯亮

R4，0AH ；延时 5 秒 DL R4，LP2 P1，00H P1.0 ；东西方向红灯亮，禁止通行 P1.5 ；南北方向绿灯亮，南北方向放行

R4,#32H ；延时 30 秒 DL

DJNZ CLR SETB MOV LP4: LCALL DJNZ LJNP DL: MOV DL1: MOV DL2: MOV DJNZ DJNZ DJNZ RET END

R4，LP3 P1.5 ;熄灭南北方向绿灯 P1.4 ；南北方向黄灯亮 R4，0AH ；延时 5 秒 DL R4，LP4 START；重新开始下一个周期 R7，05H ；0.5 秒软件延时子程序 R6， #0C8H R5， #0FAH R5，＄ R6，DL2 R7，DL1

3.3.3 电路原理图

4 设计总结
单片机课程设计，是对单片机知识的验证，可以帮助我们理解巩固所学知识，激发我们 对单片机课程的兴趣，更锻炼了我们独立思考、开拓创新的能力。 在这次设计中遇到了很多实际性的问题， 在实际设计中才发现， 书本上理论性的东西与 在实际运用中的还是有一定的出入的， 所以有些问题不但要深入地理解， 而且要不断地更正 以前的错误思维。 一切问题必须要靠自己一点一滴的解决， 而在解决的过程当中你会发现自 己在飞速的提升。对于单片机设计，其硬件电路是比较简单的，主要是解决程序设计中的问 题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是 一个设计的灵魂所在。 因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。 很多子程序是 可以借鉴书本上的， 但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在， 这需要对单片机的结构很 熟悉。因此可以说单片机的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。 通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处， 虽然感觉理论上已经掌握， 但在运 用到实践的过程中仍有意想不到的困惑， 经过一番努力才得以解决。 这也激发了我今后努力 学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。 其次， 这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性， 只有分工协作才能保证整个项 目的有条不絮。 另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，询问同学们和网上查阅资料， 给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。 通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学 会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。



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