【正文】 計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了 5 10 個(gè)嵌入式微處理器。在制造工業(yè)、過(guò)程控 3 制、網(wǎng)絡(luò)、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，嵌入式技術(shù)全面展開(kāi)，目前已成為通信和消費(fèi) 類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。在通信領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)。在廣播電視領(lǐng)域，美國(guó)已開(kāi)始由模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變，歐洲的 DVB（數(shù)字電視廣播）技術(shù)已在全球大多數(shù)國(guó)家推廣。數(shù)字音頻廣播（ DAB）也已進(jìn)入商品化試播階段。而軟件、集成電路和新型元器件在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用日益重要。所有上述產(chǎn)品中，都離不開(kāi)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。像前途無(wú)可計(jì)量的維納斯 。 嵌入式系統(tǒng)是這個(gè)后 PC 時(shí)代的擎天之柱。我們有理由相信，未來(lái)的電子技術(shù)就是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的天下。 4 二 設(shè)計(jì)方案的選擇論證 主要功能和技術(shù)指標(biāo)： 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目 的，是利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)根據(jù)十字路口處待通行車的數(shù)量來(lái)確定南北、東西兩個(gè)方向通行的時(shí)間，而且要考慮特殊車輛情況來(lái)設(shè)置交通信號(hào)燈的緊急轉(zhuǎn)換。 （ 1）設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通燈控制電路，基本要求是東西方向和南北方向兩個(gè)交叉路口的車輛交替運(yùn)行，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是東西方向和南北方向的放行時(shí)間均為 60S；綠燈放行，紅燈停止；綠燈轉(zhuǎn)紅燈時(shí)，黃燈亮 5S； （ 2）兩個(gè)方向能根據(jù)車流量自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間，當(dāng)一道有車而另一道無(wú)車時(shí)，交通燈控制系統(tǒng)能立即讓有車的車道放行。 （ 3）考慮到特殊車輛如救護(hù)車、消防車等緊急情況，此系統(tǒng)因而設(shè)置緊急轉(zhuǎn)換 開(kāi)頭，能禁止普通車輛通行，路口的信號(hào)燈全部變紅，以便讓緊急車輛通過(guò)。假定緊急車輛的通過(guò)的時(shí)間為 5S，緊急車輛通過(guò)后，交通恢復(fù)先前狀態(tài)。 方案介紹 （ 1） 具有十字路口交通固定通行時(shí)間自動(dòng)控制功能； （ 2） 可以人工干預(yù)，通過(guò)預(yù)置通行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)置控制功能； （ 3） 車流量較小或暫無(wú)車輛通行以及有急車通行的情況下，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行通行的功能。 方案一 采用標(biāo)準(zhǔn) ATC89S52 單片機(jī)作為整個(gè)控制核心；通行倒計(jì)時(shí)顯示采用 3 位 LED數(shù)碼管；左拐、右拐、直行及行人 4 種通行指示燈采用雙色高亮發(fā)光二極管； 5 LED 顯示采用動(dòng)態(tài)掃描，以節(jié)省端口數(shù)。特種車 輛通行采用實(shí)時(shí)中斷完成，識(shí)別方法采用紅外線發(fā)射及接收方案。按以上系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，單片機(jī)端口資源滿足要求。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，顯示亮度高，耗電較少，可靠性高等特點(diǎn)。整個(gè)電路組成框圖如圖 所示。 圖 ：采用 LED 動(dòng)態(tài)掃描的交通燈控制系統(tǒng) 方案二 采用 AT89C2051 單片機(jī)作為控制器，通行倒計(jì)時(shí)顯示采用 16 16 點(diǎn)陣 LED 發(fā)光管，左拐、右拐、直行及行人 4 種通行指示燈也采用 16 16 點(diǎn)陣雙色 LED 發(fā)光管。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖所示。列驅(qū)動(dòng)采用 74LS595 以實(shí)現(xiàn)串行端口 擴(kuò)展，行驅(qū)動(dòng)采用 4/16 譯碼器 74LS154 動(dòng)態(tài)掃描，譯碼器 74LS154 生成 16 條行選通 P1 P2 AT89S52 P0 INT1 P3 P3 南北通行燈（ 2 組） 東西通行燈（ 2 組） 3位 LED顯示器（ 4組） 列掃描驅(qū)動(dòng) 串口通信 11 120車輛監(jiān)測(cè) 自動(dòng) /手動(dòng)鍵盤 上電復(fù)位 6 信號(hào)線，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的行線。每條行線上需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，應(yīng)選用大功率三極管作為驅(qū)動(dòng)管。這種設(shè)計(jì)方案的圖案顯示逼真，單片機(jī)占用端口資源少；缺點(diǎn)是需要大量的硬件，電路復(fù)雜，耗電量大，在模型制作中較少采用。如圖 所示： 圖 ：采用 16 16 點(diǎn)陣 LED 發(fā)光管設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng) 方案三 采用 AT89C2051 單片機(jī)作為控制器，通行倒計(jì)時(shí)及左拐、右拐、直行、行人通過(guò)指示采用 單塊 LCD 液晶點(diǎn)陣顯示器。這種方案設(shè)計(jì)占用單片機(jī)的端口最少，硬件也少，耗電也最??；雖然顯示圖案也很精美，但由于亮度太暗，晚上還得開(kāi)背光燈，所以很少采用。 論證 總結(jié) 通過(guò)以上綜合分析可以看出，方案一具有綜合設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，因此城市道口交通燈控制系統(tǒng)模型采用方案一設(shè)計(jì)。 RXD TXD 單 片 機(jī) I/O 口 電源 行驅(qū)動(dòng)器 雙色 LED 顯示點(diǎn)陣 （每個(gè)路口 7個(gè)） 列驅(qū)動(dòng)器 74LS595 7 三 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 單片微型計(jì)算機(jī)發(fā)展概述 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它是把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件：中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、 I/O接口電路、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器以及串行口通信接口等部件 制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。 1971 年研制單片機(jī)的序幕拉開(kāi)，經(jīng)歷四次更新?lián)Q代，經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展，單片機(jī)已從開(kāi)始的 4 位發(fā)展到 32 位，目前正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、擴(kuò)大存儲(chǔ)容量和加強(qiáng) I/O 功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。 MCS— 51 和 AT89 系列單片機(jī) MCS51 是單片機(jī)的典型代表，是指由美國(guó) INTEL 公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱。這一系列單片機(jī)包括了好些品種，如 8031， 8051， 8751 等，其中 8051 是最典型的產(chǎn)品，該系列單片機(jī)都是在 8051的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來(lái)的，所以人們習(xí)慣于用 8051 來(lái)稱呼 MCS51 系列單片機(jī)。 INTEL 公司將 MCS51 的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，所以有很多公司在開(kāi)發(fā)以 8051為核心的單片機(jī)，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求。其中較典型的一款單片機(jī) AT89C51（簡(jiǎn)稱 C51）是由美國(guó) ATMEL 公司以 8051 為內(nèi)核開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的。AT89系列單片機(jī)和 MCS51單片機(jī)在內(nèi)部功能、引腳以及指令系統(tǒng)方面完全兼容。由于 AT89系列單片機(jī)繼承了 MCS51的原有功能，內(nèi)部含有大容量 的 Flash存儲(chǔ)器，又增加了新的功能，如看門狗定時(shí)器、 ISP及 SPI串行接口技術(shù)等，因此在電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及智能化儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用。 AT89S51相對(duì)于 AT89C51增加的新功能包括： 8 新增加很多功能，性能有了較大提升，價(jià)格基本不變，甚至比 89C51更低！ ISP在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于改寫(xiě)單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。 最高工作頻率為 33MHz，大家都知道 89C51的極限工作頻率是 24M，就是說(shuō) S51具有更高工作頻率，從而具有 了更快的計(jì)算速度。 內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像 89C51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路。 全新的加密算法，這使得對(duì)于 89S51的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。 兼容性方面：向下完全兼容 51全部字系列產(chǎn)品。比如 805 89C51等等早期MCS51兼容產(chǎn)品。也就是說(shuō)所有教科書(shū)、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書(shū)上采用的單片機(jī)是 8051還是 89C51還是 MCS51等等），在 89S51上一樣可以照常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。 本文使用的 AT89S52 單片機(jī)是在 AT89S51的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。 AT89S52 是一種高性能、低功耗的 8 位單片機(jī)，內(nèi)含 8k字節(jié) ISP（ Insystem Programmable，系統(tǒng)在線編程）可反復(fù)擦寫(xiě) 1000 次的 FLASH 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及其引腳結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，功能強(qiáng)大的 AT89S52 已成為許多高性價(jià)比嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案。 所選器件 的硬件結(jié)構(gòu) AT89S52 單片機(jī)的 硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 9 AT89S52 單片機(jī)內(nèi)總體結(jié)構(gòu)主要由 9 個(gè)部件組成，分別是：一個(gè) 8 位中央處理器； 8k 字節(jié) Flash 存儲(chǔ)器； 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM， 32 位 I/O 口線，特殊功能寄存器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有 6 個(gè)中斷源、 4 個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷嵌套結(jié)構(gòu)；全雙工串行口，；片內(nèi)晶振及 時(shí)鐘電路 。其基本硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 AT89S52 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) AT89S52 單片機(jī)的引腳功能 圖 AT89S52 的引腳定義圖，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 40 引腳雙列直插式集成電路 振蕩器和 時(shí)序電路 程序存儲(chǔ)器 （ 8KB） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （ 256B） 可編程 串行口 AT89S52 CPU 中斷控制 總線擴(kuò)展 控制器 并行可編程 I/O 兩個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 外部時(shí)鐘 源 TXD RXD 外部中斷 內(nèi)部中斷 控制 P0 P1 P2 P3 外部事件計(jì)數(shù) 10 芯片 。 圖 單片機(jī) AT89S52 的引腳定義圖 如圖 ， AT89S52 共有 40 根引腳，其中 32 根是 I/O 端口引腳。在這 32 根引腳中，有 29 根具備兩種用途（用圓括號(hào)寫(xiě)出），既可作為 I/O 端口，也可作為控制信號(hào)或地址及數(shù)據(jù)線。各 引腳 的功能如下： （ 1） 電源與晶振 VCC—— 接 +5V 電壓 VSS—— 接地 XTAL1—— 接外部晶體的一個(gè)引腳，是振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端 11 XTAL2—— 接外部晶體的另一個(gè)引腳，是振蕩器反相放大器的輸出端 當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)， XTAL1 接地， XTAL2 接受振蕩器信號(hào)。 （ 2） I/O ： P0、 P P P3 四個(gè)口，共 32 根 P0 口： P0 口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏 輯電平。對(duì) P0 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 不具有內(nèi)部上拉電阻 。 在 flash 編程時(shí)， P0 口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn) 時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 此外， 和 分別作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ）。 在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 引腳號(hào)第二功能： T2（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） MOSI（在 系統(tǒng)編程 用） MISO（在系統(tǒng)編程用） 12 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口： P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電 阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P2 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR） 時(shí)， P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P2 口也 接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3 口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P3 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用， 在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P3 口也接收一些控制信號(hào)。 端口引腳 第二功能： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0) 13 T1(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 )