交通燈控制系統模擬設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 交通燈控制系統模擬設計 8 第 3 章 硬 件系統設計 單片機的選擇 AT89C51 單片機簡介 AT89C51 是一種帶 4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 AT89C2051 是一種帶 2K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS51指令集和輸出管腳 相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 AT89C51 單片機的主要特性 與 MCS51 兼容 ， 4K 字節可編程閃爍存儲器 ， 壽命： 1000 寫 /擦循環 ， 數據保留時間： 10 年 ， 全靜態工作： 0Hz24Hz， 三級程序存儲器鎖定 ， 128*8 位內部 RAM， 32可編程 I/O 線 ， 兩個 16 位定時器 /計數器 ， 5 個中斷源 （兩個外部中斷源和 3 個內部中斷源） ， 可編程串行通道 ， 低功耗的閑置和掉電模式 ， 片內振蕩器和時鐘電路 。 時鐘電路： 時鐘電路的作用是產生單片機工作所需要的時鐘脈沖序列。 中斷系統： 中斷系統的作用主要是對外部或內部的終端請求進行管理與處理。 AT89S51 共有 5個中斷源，其中又 2 個外部中斷源和 3 個內部中斷源。 交通燈控制系統模擬設計 9 圖 3 AT89C51系列單片機的內部結構示意圖 主要引腳功能 圖 4 AT89C51 引腳圖 VCC：電源電壓 GND：接地 P0 口： P0口是一組 8 位雙向 I／ 0口。 P0 口即可作地址 ／數據總線使用，又可以交通燈控制系統模擬設計 10 作為通用的 I/O 口使用。當 CPU訪問片外存儲器時， P0口分時先作低 8 位地址總線，后作雙向數據總線，此時， P0 口就不能再作 I/O 口使用了。在訪問期間激活要使用上拉電阻。 P1 口： Pl 是一個帶內部上拉電阻的 8準位雙向 I／ O口， P1 作為通用的 I/O 口使用。 P2 口： P2 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位準雙向 I／ O 口， P2即可作為通用的I/O 口使用，也可以作為片外存儲器的高 8 位地址總線，與 P0 口配合，組成 16位片外存儲器單元地址。 P3 口： P3 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位準 雙向 I／ 0 口。 P3 口除了作為通用的 I/O 口使用之外，每個引腳還具有第二功能，具體分配如 下 表 具有第二功能的 P3口引腳 ： 端口引腳 第二功能： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外中斷 0） / INT1（外中斷 1） T0（定時／計數器 0 外部輸入） T1（定時／計數器 1 外部輸入） / WR（外部數據存儲器寫選通） / RD 外部數據存儲器讀選通） RST：復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳 出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設置 SFR AUXR 的 DISRT0 位（地址8EH）可打開或關閉該功能。 DISRT0 位缺省為 RESET 輸出高電平打開狀態。 ALE／ PROG———— ：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1／ 6 輸出固定的 正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對 F1ash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 M0VX 和 M0VC指令 ALE 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE 無效。 PSEN———— 程序儲存允許（ PSEN———— ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89S51 交通燈控制系統模擬設計 11 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次 PSEN————有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數據存儲器，沒有兩次有效的 PSEN————信號。 EA—— ／ VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H－FFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復位時內部會鎖存 EA 端狀態。如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU 則執行內部程序存儲器中的指令。 F1ash 存儲器編程時，該引腳加上 +12V的編程電壓 Vcc。 XTAL1： 振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。 C51 的中斷源 C51 有 5 個中斷源，它們是兩個外中斷 INT0（ ）和 INT1（ ）、兩個片內定時 /計數器溢出中斷 TF0 和 TF1，一個是片內串行口中斷 TI 或 RI，這幾個中斷源由TCON 和 SCON 兩個特殊功能寄存器進行控制 ,其中 5 個中斷源的程序入口地址如 下 表所示： 中斷源的服務程序入口地址 中斷源 入口地址 外中斷 0 0003H 定時 /計數器 0 000BH 外中斷 1 0013H 定時 /計數器 0 001BH 串行口中斷 0023H 硬件電路實現 選用設備 8051 單片機一片，共陰極的七段兩位數碼管兩個，紅、黃、交通燈各四個，綠發光二極管 8個，按鍵三個、電容兩個 22pF，電阻十六個 470Ω，晶體振蕩器一個，連線若干。 最小系統設計 單片機最小系統有一個單片機加上一個復位電路和振蕩電路組成。如圖 32 所示。 1．復位電路 單片機復位電路原理是在單片機的復位引腳 RST上外接電阻和電容，實現上電復位。當復位電平持續兩個機器周期以上時復位有效。復位電平的持續時間必須大于單片機的兩個機器周期。具體數值可以由 RC 電路計算出時間 常數。復位電路由手動復位和上電復位兩部分組成。 （ 1）上電復位電路要求接通電源后，通過外部電容充電來實現單片機自動復位操交通燈控制系統模擬設計 12 作。上電瞬間 RESET 引腳獲得高電平，隨著電容的充電， RERST 引腳的高電平將逐漸下降。 RERST 引腳的高電平只要能保持足夠的時間（ 2個機器周期），單片機就可以進行復位操作。 （ 2）手動復位：手動復位就是在復位電容上并聯一個開關，當開關按下時電容被放電、 RST 也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復位。單片機復位期間不產生 ALE和 PSEN 信號，即 ALE=1 和 PSEN=1。這表明單片機復位期間不會有任何取指操作。 本設計的復位電路，如圖 32所示 圖 32 復位電路圖 單片機系統里都有晶振，在單片機系統里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片機的一切指令的執行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。單片機晶振的作用是為系統提供基本的時鐘信號。單片機的時鐘電路設計有兩種方式，一種是內部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。 在內部時鐘方式下單片機內部的高增 益、反相放大器通過 XTAL XTAL2 外接作為反饋元件的外部晶體管振蕩器與電容組成的并聯諧振回路構成一個穩定的自激振蕩器，向內部時鐘電路提供振蕩時鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率。 MCS51 單片機的晶體振蕩頻率可以再 112MHz 范圍內選擇，電容 C C2的選擇范圍是 1545pF，電交通燈控制系統模擬設計 13 容的大小會影響振蕩器的穩定性和起振速度。 外部時鐘方式是把外部已有的時鐘信號引入到單片機內。此方式常用于多片單片機同時工作，以便于各單片機的同步。一般要求外部信號高電平的持續時間大于 20μ s，且為頻率低于 12MHz 的方波。 本設計采用內部時鐘方式，采用 的晶振和兩個 22pF 的電容。如圖 3所示。 圖 33 振蕩電路圖 顯示設計 LED 顯示器由七個發光二極管組成，因此也稱之為七段 LED 顯示器，此外，顯示器中還有一個圓點型發光二極管（在圖中以 dp 表示），用于顯示小數點。通過七段發光二極管的不同組合，可以顯示多種數字、字母或者其他符號。 LED 顯示器中的發光二極管共有兩種連接方法。如圖 33所示。 （ 1）共陽極接法 把發光二極管的陽極連在一起構成公共陽極。使用時公共陽極接 +5V。這樣陰極端輸入低電平的段發光二極管就導通點亮，而輸入高電平的則不點亮。 （ 2）共陰極接法 把發光二極管的陰極連在一起構成公共陰極。使用時公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發光二極管就導通點亮，而輸入低電平的則不點亮。 交通燈控制系統模擬設計 14 圖 33 LED引腳圖及兩種連接方法 此設計用共陰級的 2位數碼管，如圖 34所示： 圖 34 二位數碼管 經過萬用表測定，此設計所用的數碼管的引腳圖，如下圖 35 所示： 圖 35 實物數碼管引腳圖 交通燈控制系統模擬設計 15 LED 顯示分為動態顯示和靜態顯示 （ 1）靜態顯示，是指顯示器顯示某一字符時，相應段的發光二極管恒定地導通或截止。這種顯示方法每一位都需要有一個 8 位輸出控口控制，占用硬件資源多，一般用于顯示位數較少場合。靜態顯示時，較小的驅動電流就可以得 到較高的顯示亮度，所以可由接口芯片直接驅動。 （ 2）動態顯示， 是一位一位地輪流點亮各位數碼管。對于多位 LED 顯示器的接口電路來說，需要有兩個輸出口：各位數碼管的段控線相應并聯在一起，由一個 8位的 I/O口控制，還學要一個輸出口輸出位控制信號，“位控”實際上就是對 LED 顯示器的公共端進行控制，位控信號的數目與顯示器個數相同。 這種電路的特點是節省 I/O 口線，硬件電路相對靜態顯示方式簡單。 動態顯示方式的硬件電路簡單，動態顯示采用多路復用技術的動態掃描顯示方式，利用人眼的暫留效應和發光二極管發光時間的長短，發光的 亮度等因素 。 靜態顯示程序簡單，且 CPU占用率低，但每個 LED 數碼管需要一個鎖存器來鎖存每一個顯示位的代碼，硬件開銷大，僅適合顯示位數較少的場合。 本設計采用兩個二位一體共陰數碼管，不管將幾位數碼管連在一起，數碼管的顯示原理都是一樣的，用 P0 口來控制 LED 數碼管的段控線和和利用 P2 口控制位控線，動態顯示采用動態掃描的方法進行顯示及循環點亮每一個數碼管，雖然任何時刻都只有一位數碼管被點亮，但由于人眼存在暫留效應，只要每位數碼管間隔時間足夠短，就可以給人以同時顯示的感覺。 圖 36 二位數碼管 交通燈控制系統模擬設計 16 發光二極管模擬紅綠燈 它是 半導體二極管 的