【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 8 第 3 章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51 單片機(jī)的主要特性 與 MCS51 兼容 ， 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ， 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ， 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ， 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz， 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ， 128*8 位內(nèi)部 RAM， 32可編程 I/O 線 ， 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 5 個(gè)中斷源 （兩個(gè)外部中斷源和 3 個(gè)內(nèi)部中斷源） ， 可編程串行通道 ， 低功耗的閑置和掉電模式 ， 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。 時(shí)鐘電路： 時(shí)鐘電路的作用是產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘脈沖序列。 中斷系統(tǒng)： 中斷系統(tǒng)的作用主要是對(duì)外部或內(nèi)部的終端請(qǐng)求進(jìn)行管理與處理。 AT89S51 共有 5個(gè)中斷源，其中又 2 個(gè)外部中斷源和 3 個(gè)內(nèi)部中斷源。 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 9 圖 3 AT89C51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)總線使用，又可以交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 10 作為通用的 I/O 口使用。當(dāng) CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)， P0口分時(shí)先作低 8 位地址總線，后作雙向數(shù)據(jù)總線，此時(shí)， P0 口就不能再作 I/O 口使用了。在訪問(wèn)期間激活要使用上拉電阻。 P1 口： Pl 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8準(zhǔn)位雙向 I／ O口， P1 作為通用的 I/O 口使用。 P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)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(chǔ)器的高 8 位地址總線，與 P0 口配合，組成 16位片外存儲(chǔ)器單元地址。 P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn) 雙向 I／ 0 口。 P3 口除了作為通用的 I/O 口使用之外，每個(gè)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(shí)／計(jì)數(shù)器 0 外部輸入） T1（定時(shí)／計(jì)數(shù)器 1 外部輸入） / WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） / RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳 出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRT0 位（地址8EH）可打開(kāi)或關(guān)閉該功能。 DISRT0 位缺省為 RESET 輸出高電平打開(kāi)狀態(tài)。 ALE／ PROG———— ：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1／ 6 輸出固定的 正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。對(duì) F1ash 存儲(chǔ)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(guò)對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)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(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE 無(wú)效。 PSEN———— 程序儲(chǔ)存允許（ PSEN———— ）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89S51 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 11 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN————有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒(méi)有兩次有效的 PSEN————信號(hào)。 EA—— ／ VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使 CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)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(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 F1ash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V的編程電壓 Vcc。 XTAL1： 振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 C51 的中斷源 C51 有 5 個(gè)中斷源，它們是兩個(gè)外中斷 INT0（ ）和 INT1（ ）、兩個(gè)片內(nèi)定時(shí) /計(jì)數(shù)器溢出中斷 TF0 和 TF1，一個(gè)是片內(nèi)串行口中斷 TI 或 RI，這幾個(gè)中斷源由TCON 和 SCON 兩個(gè)特殊功能寄存器進(jìn)行控制 ,其中 5 個(gè)中斷源的程序入口地址如 下 表所示： 中斷源的服務(wù)程序入口地址 中斷源 入口地址 外中斷 0 0003H 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 000BH 外中斷 1 0013H 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 001BH 串行口中斷 0023H 硬件電路實(shí)現(xiàn) 選用設(shè)備 8051 單片機(jī)一片，共陰極的七段兩位數(shù)碼管兩個(gè)，紅、黃、交通燈各四個(gè)，綠發(fā)光二極管 8個(gè)，按鍵三個(gè)、電容兩個(gè) 22pF，電阻十六個(gè) 470Ω，晶體振蕩器一個(gè)，連線若干。 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)有一個(gè)單片機(jī)加上一個(gè)復(fù)位電路和振蕩電路組成。如圖 32 所示。 1．復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由 RC 電路計(jì)算出時(shí)間 常數(shù)。復(fù)位電路由手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。 （ 1）上電復(fù)位電路要求接通電源后，通過(guò)外部電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位操交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 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(shí)間（ 2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。 （ 2）手動(dòng)復(fù)位：手動(dòng)復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)電容被放電、 RST 也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平來(lái)使單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生 ALE和 PSEN 信號(hào)，即 ALE=1 和 PSEN=1。這表明單片機(jī)復(fù)位期間不會(huì)有任何取指操作。 本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路，如圖 32所示 圖 32 復(fù)位電路圖 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式。 在內(nèi)部時(shí)鐘方式下單片機(jī)內(nèi)部的高增 益、反相放大器通過(guò) 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(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率。 MCS51 單片機(jī)的晶體振蕩頻率可以再 112MHz 范圍內(nèi)選擇，電容 C C2的選擇范圍是 1545pF，電交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 13 容的大小會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振速度。 外部時(shí)鐘方式是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入到單片機(jī)內(nèi)。此方式常用于多片單片機(jī)同時(shí)工作，以便于各單片機(jī)的同步。一般要求外部信號(hào)高電平的持續(xù)時(shí)間大于 20μ s，且為頻率低于 12MHz 的方波。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，采用 的晶振和兩個(gè) 22pF 的電容。如圖 3所示。 圖 33 振蕩電路圖 顯示設(shè)計(jì) LED 顯示器由七個(gè)發(fā)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(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管（在圖中以 dp 表示），用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過(guò)七段發(fā)光二極管的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母或者其他符號(hào)。 LED 顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法。如圖 33所示。 （ 1）共陽(yáng)極接法 把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起構(gòu)成公共陽(yáng)極。使用時(shí)公共陽(yáng)極接 +5V。這樣陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平的則不點(diǎn)亮。 （ 2）共陰極接法 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時(shí)公共陰極接地，這樣陽(yáng)極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平的則不點(diǎn)亮。 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 14 圖 33 LED引腳圖及兩種連接方法 此設(shè)計(jì)用共陰級(jí)的 2位數(shù)碼管，如圖 34所示： 圖 34 二位數(shù)碼管 經(jīng)過(guò)萬(wàn)用表測(cè)定，此設(shè)計(jì)所用的數(shù)碼管的引腳圖，如下圖 35 所示： 圖 35 實(shí)物數(shù)碼管引腳圖 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 15 LED 顯示分為動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示 （ 1）靜態(tài)顯示，是指顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。這種顯示方法每一位都需要有一個(gè) 8 位輸出控口控制，占用硬件資源多，一般用于顯示位數(shù)較少場(chǎng)合。靜態(tài)顯示時(shí)，較小的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)。 （ 2）動(dòng)態(tài)顯示， 是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管。對(duì)于多位 LED 顯示器的接口電路來(lái)說(shuō)，需要有兩個(gè)輸出口：各位數(shù)碼管的段控線相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8位的 I/O口控制，還學(xué)要一個(gè)輸出口輸出位控制信號(hào)，“位控”實(shí)際上就是對(duì) LED 顯示器的公共端進(jìn)行控制，位控信號(hào)的數(shù)目與顯示器個(gè)數(shù)相同。 這種電路的特點(diǎn)是節(jié)省 I/O 口線，硬件電路相對(duì)靜態(tài)顯示方式簡(jiǎn)單。 動(dòng)態(tài)顯示方式的硬件電路簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)顯示采用多路復(fù)用技術(shù)的動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，利用人眼的暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短，發(fā)光的 亮度等因素 。 靜態(tài)顯示程序簡(jiǎn)單，且 CPU占用率低，但每個(gè) LED 數(shù)碼管需要一個(gè)鎖存器來(lái)鎖存每一個(gè)顯示位的代碼，硬件開(kāi)銷大，僅適合顯示位數(shù)較少的場(chǎng)合。 本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)二位一體共陰數(shù)碼管，不管將幾位數(shù)碼管連在一起，數(shù)碼管的顯示原理都是一樣的，用 P0 口來(lái)控制 LED 數(shù)碼管的段控線和和利用 P2 口控制位控線，動(dòng)態(tài)顯示采用動(dòng)態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示及循環(huán)點(diǎn)亮每一個(gè)數(shù)碼管，雖然任何時(shí)刻都只有一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，但由于人眼存在暫留效應(yīng)，只要每位數(shù)碼管間隔時(shí)間足夠短，就可以給人以同時(shí)顯示的感覺(jué)。 圖 36 二位數(shù)碼管 交通燈控制系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì) 16 發(fā)光二極管模擬紅綠燈 它是 半導(dǎo)體二極管 的