【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 外特性 MCS51 系列單片機(jī)的外形封裝有雙列直插 式封裝和方形封裝兩種方式。本次采用的是雙列直插式封裝，有 40 條引腳。圖 22 為引腳排列圖。 圖 22 引腳排列 各引腳功能介紹： ? Vss 電源地。 第 二 章 單片機(jī)簡(jiǎn)介 9 ? Vcc 正常工作電壓 +5V。 ? XTAL1 片內(nèi)振蕩電路輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。 ? XTAL2 片內(nèi)振蕩電路的輸出端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接外部振蕩源。 ? RST/VPD 復(fù)位控制輸入 /斷電時(shí)，提供備用電源輸入。 ? ALE/PROG 允許地址鎖存輸出 /編程脈沖輸入。 正常工作時(shí)，提供把低字節(jié)地址鎖存到外部鎖存器的信號(hào) ，還可以對(duì)外輸出時(shí)鐘信號(hào)，用于定時(shí)，并且可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 電路。在 EPROM 編程期間，接收編程脈沖。 ? EA/Vpp 當(dāng) EA 為高電平時(shí)，訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，當(dāng)為低電平時(shí)，訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。 ? PSEN 片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出。此引腳可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 電路。 ? I/O 端口 1) P0 口 P0 口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，其中包含一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)緩沖器、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)輸出控制電路。 P0 口可以作為輸入 /輸出口內(nèi)，但 在實(shí)際應(yīng)用中通常作為地址 /數(shù)據(jù)總線口，即低 8 位地址與數(shù)據(jù)線分時(shí)使用 P0 口。 2) P1 口 P1 口是一個(gè) 8 位準(zhǔn)雙向口，每一位都能作為可編程的輸入或輸出線，在輸出驅(qū)動(dòng)部分接有內(nèi)部上拉電阻。 P1 口作為輸入時(shí)，可被任何 TTL 和 MOS 電路所驅(qū)動(dòng)。由于具有內(nèi)部上拉電阻，也可以直接被集電極開(kāi)路或漏極開(kāi)路的電路驅(qū)動(dòng)而不必外加上拉電阻。 CPU讀 P1 口有兩種情況：讀引腳和讀鎖存器狀態(tài)。 第 二 章 單片機(jī)簡(jiǎn)介 10 3) P2 口 P2 口為一個(gè) 8 位準(zhǔn)雙向口，可以作為輸入口或輸出口使用，外接 I/O 設(shè)備時(shí)，又作為擴(kuò)展系統(tǒng)的地址總線，輸出高 8 位地址，與 P0 口一起組成 16 位地址總線。 4) P3 口 P3 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，并且是一個(gè)雙功能口。即可以作為通用 I/O 口使用，又有第二功能。其第二功能定義如表 23 所示： 表 23 P3口的第二功能 端口引腳 第二功能 串行輸入口 串行輸出口 外部中斷 0輸入線 外部中斷 1輸入線 定時(shí)器 0外部輸入 定時(shí)器 1外部輸入 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)輸出 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出 MCS51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) MCS51 單片機(jī)是在一塊芯片上集成了 CPU、 RAM、 ROM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件。單片機(jī)內(nèi)部包含以下幾個(gè)部件： 1) 一個(gè) 8 位 CPU。 2) 一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 3) 4 KB ROM 程序存儲(chǔ)器。 4) 128 B RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 5) 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 6) 可尋址 64 KB 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 64 KB 外部程序存儲(chǔ)器空間的控制電路。 第 二 章 單片機(jī)簡(jiǎn)介 11 7) 32 條可編程的 I/O 線（ 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口）。 8) 一個(gè)可編程全雙工串行接口。 9) 具有 5 個(gè)中斷源、 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)。 圖 23 為 8051 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 頻率基 準(zhǔn)源 中斷 圖 23 8051單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 ? CPU CPU 是單片機(jī)的核心部件。它由運(yùn)算器和控制器等部件組成，運(yùn)算器的功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。 CPU中還有定時(shí)與控制部件， 8051 片內(nèi)設(shè)有一個(gè)由反相放大器所構(gòu)成的振蕩電路，其輸入端輸出端分別是 XTAL1 和 XTAL2。 ? 存儲(chǔ)器 MCS51 單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是相互獨(dú)立的，它們各有自己的尋址系統(tǒng)、控制信號(hào)和功能。從物理地址空間看， MCS51 單片機(jī)有 4 個(gè)存儲(chǔ)器地址空間，即片內(nèi)程 序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放程序和始終要保留的常數(shù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，用來(lái)存放程序運(yùn)行中所需要的常數(shù)或變量。 MCS51 單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器振 蕩 器 及定時(shí)電路 4 KB 程序存儲(chǔ) 器 128 B 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /事件計(jì)數(shù)器 64 KB 總線擴(kuò)展控制 可編程 I/O 可編程串行口 8051 CPU 第 二 章 單片機(jī)簡(jiǎn)介 12 分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩個(gè)地址空間，其中內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是最靈活的地址空間。 ? I/O 端口 MCS51 單片機(jī)設(shè)有 4 個(gè) 8 位雙向 I/O 端口，每一條 I/O 線都能獨(dú)立的用作輸入或輸出。 ? 復(fù)位和復(fù)位電路 MCS51 單片機(jī)的復(fù)位方式有加電自動(dòng)復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位兩種。圖 24（ a）為加電自動(dòng)復(fù)位，圖 24（ b）為開(kāi)關(guān)復(fù) 位。 +5V CR CR RR1 RR RR2 （ a）加電自動(dòng)復(fù)位 （ b） 開(kāi)關(guān)復(fù)位 圖 24 復(fù)位電路 MCS51 單片機(jī)的中斷系統(tǒng) 當(dāng) CPU 正在處理某項(xiàng)事物的時(shí)候，如果外界或內(nèi)部發(fā)生了緊急事件，要求CPU 暫停正在處理的工作轉(zhuǎn)而去處理這個(gè)緊急事件，待處理完以后再回到原來(lái)被中斷的地方，繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)被中斷了的程序，這樣的過(guò)程稱(chēng)為中斷。 MCS51單片機(jī)的 5 個(gè)中斷源，如下： ? INT0 來(lái)自 （外中斷 0）。 ? INT1 來(lái)自 （外中斷 1）。 ? T0 片內(nèi)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 溢出（ TF0）中斷請(qǐng)求。 ? T1 片內(nèi)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 溢出（ TF1）中斷請(qǐng)求。 ? 串行接口 片內(nèi)串行接口完成一幀發(fā)送或接收中斷請(qǐng)求源 TI 或 RI。 5 個(gè)中斷源服務(wù)程序的入口地址如表 24 所示。 RST Vcc MCS51 單片機(jī) RST MCS51 單片機(jī) 第 二 章 單片機(jī)簡(jiǎn)介 13 表 24 中斷源服務(wù)程序的入口地址 中斷源 入口地址 外部中斷 0 0003H 定時(shí)器 0溢出 000BH 外部中斷 1 0013H 定時(shí)器 1溢出 001BH 串行接口中斷 0023H 通常在中斷入口地址處安排一條跳轉(zhuǎn)指令，以跳轉(zhuǎn)到用戶的服務(wù)程序入口。 MCS51 單片機(jī)中斷系統(tǒng)具有兩級(jí)優(yōu)先級(jí) ,它們遵循以下基本規(guī)則： 1) 低優(yōu)先級(jí)中斷源可被高優(yōu)先級(jí)中斷源所中斷，而高優(yōu)先級(jí)中斷源不能被任何中斷源所中斷。 2) 一種中斷源（不管是高優(yōu)先級(jí)或低優(yōu)先級(jí)）一旦得到響應(yīng)，與它同級(jí)的中斷源不能再中斷它。 當(dāng)同時(shí)收到幾個(gè)同一優(yōu)先級(jí)的中斷時(shí)，響應(yīng)哪一個(gè)中斷源取決于內(nèi)部查詢(xún)順序。其優(yōu)先級(jí)排列如表 25 所示。 表 25 中斷源排列優(yōu)先級(jí) 中斷源 同級(jí)內(nèi)的中斷優(yōu)先級(jí) 外部中斷 0 最高 最低 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0溢出中斷 外部中斷 1 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1溢出中斷 串行接口中斷 在某些條件下能封存 CPU對(duì)中斷的響應(yīng)，像下面三種情況： 1) CPU正在處理同級(jí)的或高一級(jí)的中斷。 2) 現(xiàn)行的機(jī)器周期不是當(dāng)前所執(zhí)行指令的最后一個(gè)機(jī)器周期。 3) 當(dāng)前正在執(zhí)行的指令是返回指令或是對(duì) IE 或 IP 寄存器進(jìn)行讀 /寫(xiě)的指令。 第 二 章 單片機(jī)簡(jiǎn)介 14 MCS51單片機(jī)的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè) 16 位可編程的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，即定時(shí)器 T0 和定時(shí)器 T1。這兩個(gè)定時(shí)器不僅可以用作定時(shí)器方式，而且可用作計(jì)數(shù)器方式。 在作定時(shí) 器使用時(shí)，輸入的時(shí)鐘脈沖是由晶體振蕩器的輸出經(jīng) 12 分頻后得到的，所以定時(shí)器也可看做是對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)器周期的計(jì)數(shù)器。其頻率為晶振頻率的 1/12。當(dāng)用作計(jì)數(shù)器時(shí)，接相應(yīng)的外部輸入引腳 T0 或 T1。當(dāng)檢測(cè)到輸入引腳上的電平由高跳變到低時(shí)，計(jì)數(shù)器就加 1。 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器有四種工作方式：方式 0、方式 方式 方式 3。方式 0是一個(gè) 13 位計(jì)數(shù)器，方式 1 是一個(gè) 16 位的計(jì)數(shù)器，方式 2 是一個(gè)可以自動(dòng)恢復(fù)初值的 8 位計(jì)數(shù)器，常用于定時(shí)，還用作串行接口 波特率發(fā)生器。方式 3 對(duì)定時(shí)器 T0 和 T1 是不同的，它只適用于 T0,。若 T1 設(shè)置為方式 3，則停止工作。方式 3 可以使 MCS51 具有三個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器（增加一個(gè)附加的 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器）。 第 三 章 智能交通燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 15 第三章 智能交通燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 智能交通燈設(shè)計(jì)的基本要求 本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的智能交通燈控制系統(tǒng)除了具有交通燈控制的基本功能外，還具有以下功能： 1. 能實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的交通燈的正常通行控制，并具有倒計(jì)時(shí)提示功能。 2. 能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)各個(gè)方向通過(guò)的車(chē)流量。 3. 根據(jù)車(chē)流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通行時(shí)間，動(dòng)態(tài)范圍 20~60 秒，級(jí)差 5 秒。 4. 具有串口通訊功能，以便與交通控制中心通訊。 5. 具有紅外線接 收功能，以便特種車(chē)輛自動(dòng)通行。 智能交通燈通行方案的設(shè)計(jì) 假設(shè)在一個(gè)十字路口（東西向和南北向），分別用 4 表明四個(gè)方向的主車(chē)道，用 A、 B、 C、 P 分別表示各主車(chē)道的左行車(chē)道、直行車(chē)道、右行車(chē)道以及人行道。用 a、 b、 c、 p 分別表示左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)和人行道的交通信號(hào)燈，在任一時(shí)刻只有一個(gè)方向通行而另一方向禁止通行，持續(xù)一定時(shí)間，經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡時(shí)間，將通行禁行的方向交換。具體如圖 31。 圖 31 十字路口圖 第 三 章 智能交通燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 16 交通燈閃亮的過(guò)程： 路口 1 的車(chē)直行時(shí)的所有指示燈情況為 ： 3a3b2p 綠 3c 紅 +4a4b4c 3p 全紅 +1c 綠 1a1b4p 紅 +2c 綠 2a2b1p 紅 路口 2 的車(chē)直行時(shí)的所有指示燈情況為： 4a4b3p 綠 4c 紅 + 1a1b1c 4p 全紅 + 2c 綠 2a2b1p 紅 +3c 綠 3a3b2p 紅 路口 3 的車(chē)直行時(shí)的所有指示燈情況為： 1a1b4p 綠 1c 紅 + 2a2b2c 1p 全紅 +3c 綠 3a3b2p 紅 +4c 綠 4a4b3p 紅 路口 4 的車(chē)直行時(shí)的所有指示燈情況為： 2a2b1p 綠 2c 紅 +3c3a3b2p 全紅 +4c 綠 4a4b3p 紅 +1c 綠 1a1b4p 紅 圖 32 為通行順序示意圖 ，圖 33 為交通燈示意圖。 圖 32 十字路口通行順序示意圖 圖 33 十字路口交通燈示意圖 第 三 章 智能交通燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 17 智能交通燈控制系統(tǒng)的功能要求 本設(shè)計(jì)還具有倒計(jì)時(shí)顯示、車(chē)流量檢測(cè)及調(diào)整、串口通信和特殊事件緊急處理等功能。 1) 倒計(jì)時(shí)顯示 本功能可以提醒行人信號(hào)燈發(fā)生改變的時(shí)間，以便選擇是否繼續(xù)前行。有倒計(jì)時(shí)顯示的路口更能保障行人的安全。 2) 車(chē)流量監(jiān)測(cè)及調(diào)整 伴隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，交通狀況出現(xiàn)了一些問(wèn)題。城市人口和車(chē)輛急劇增長(zhǎng)，交通流量日益加大，交通擁擠堵塞現(xiàn)象日趨加重，交通事故頻繁發(fā)生。目前國(guó)內(nèi)使用的紅綠燈 都有固定的紅綠燈轉(zhuǎn)換時(shí)間，并自動(dòng)切換。這就造成了一定的道路資源的浪費(fèi)。所以車(chē)流輛檢測(cè)是十分必要的。目前車(chē)輛檢測(cè)器有很多種，例如紅外線檢測(cè)器、地磁檢測(cè)器、機(jī)械壓電檢測(cè)器、視頻檢測(cè)器等等。有了車(chē)流量監(jiān)測(cè)便可以保證最佳的道路交通控制狀態(tài)。 3) 串口通信 串口通信可以實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)的區(qū)域控制，以及單片機(jī)與 PC 機(jī)的通信功能。 4) 特殊車(chē)輛的緊急通行 交通路口出現(xiàn)一些緊急狀況是在所難免的，如特大事件發(fā)生，救護(hù)車(chē)消防車(chē)等急行車(chē)通過(guò)等，我們都應(yīng)盡量允許其暢通無(wú)阻，畢竟在這種情況下必須分秒必爭(zhēng)，這關(guān)系著公共財(cái)產(chǎn)安全和個(gè)人生死攸關(guān)等 。由此在交通控制系統(tǒng)中增設(shè)禁停按鍵是很必要的。 智能交通燈的基本構(gòu)成及原理 本設(shè)計(jì)以 MCS51 單片機(jī)為控制核心，可用單片機(jī)直接控制信號(hào)燈的狀態(tài)變化。本設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上接入 LED 數(shù)碼管可顯示倒計(jì)時(shí)以便提醒行人，更具人性化同時(shí)也保障了行人的安全。并且加入了車(chē)流量檢測(cè)電路、串口通信電路。為方便特殊車(chē)輛的通行，還加入了紅外遙控電路。圖 34 為該系統(tǒng)的總體框圖。 第 三 章 智能交通燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 18 圖 34 智能交通燈的總體框圖