【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 備了更高的計(jì)算速度，例如： 89C51的極限工作頻率是 24MHz，但 89S51 的是 33MHz； （ 4） S 系列具有雙工 UART 串行通道； （ 5） S 系列內(nèi)部集成看門(mén)狗計(jì)時(shí)器，不在需要 C 系列那樣外接的看門(mén)狗計(jì)時(shí)器電路 單元； （ 6） S 系列具備雙數(shù)據(jù)指示器； （ 7） S 系列電源關(guān)閉標(biāo)識(shí)； （ 8） S 系列具有全新的加密算法，程序的保密性大大加強(qiáng)，這樣可有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。 主控制器 AT89S52 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微 控制器 ，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 7 AT89S52 引腳圖 DIP 封裝 Flash存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼 容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的 解決方案 。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)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) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工 串行口 ， 片內(nèi)晶振及 時(shí)鐘電路 。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存， 振 蕩器 被凍結(jié)， 單片機(jī) 一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 P3 口第二功能表 表 P3 口第二功能 引 腳 第 二 功 能 RXD: 串行口接收數(shù)據(jù)輸入端 TXD: 串行口發(fā)送數(shù)據(jù)輸出端 INT0: 外部中斷 0 輸入端 INT1: 外部中斷 1 輸入端 T0: 外部計(jì)數(shù) 0 脈沖輸入端 T1: 外部計(jì)數(shù) 1 脈沖輸入端 WR: 寫(xiě)外設(shè)控制信號(hào)輸出端 RD: 讀外設(shè)控制信號(hào)輸出端 單片機(jī)最小系統(tǒng) 要使單片機(jī)工作起來(lái)，最基本的電路構(gòu)成為圖 。 8 圖 AT89S52 最小工作系統(tǒng) 電源電路 AT89S52 單片機(jī)的工作電壓都范圍： —， 所以通常給單片機(jī)外接 5V直流電源。連接方式為 VCC(40 腳）：接電源 +5V 端 GND(20 腳）：接電源地端。 圖 電源電路 本設(shè)計(jì)方案采用 通過(guò) USB 外接 5V 直 流電源，給單片機(jī)及其它電路供電電源電路如圖 。 時(shí)鐘電路 單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)，決定單片機(jī)工作速度。時(shí)鐘電路就是振蕩電路，向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度：晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。但反過(guò)來(lái)運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印刷電路板的要求也高（線間寄生電容要小）。時(shí)鐘電路通常外接一個(gè)晶振、兩個(gè)電容。晶振AT89S52 單片機(jī)時(shí)鐘頻率范圍： 0 — 33MHz。電容為 15—45pF，本設(shè)計(jì)中使用 30pF 電容， 晶振。時(shí)鐘電 路連接方式如 。 XTAL1， XTAL2 為片內(nèi)震蕩電路輸入 /輸出端。 在焊接電路板時(shí)，晶振和電容應(yīng)盡可能的靠近單片機(jī)芯片，以減少寄生電容，更好的 9 保證電路穩(wěn)定可靠的工作。 圖 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 RESET 為復(fù)位端（正脈沖有效，寬度） 10ms）， RST 引腳持續(xù) 2 個(gè)周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把 PC 初始化為 0000H。確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。 復(fù)位后 P0—P3 口均置 1，引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。 VCC 接通電源后， VCC 便對(duì)電容通過(guò)電阻進(jìn)行充電。在充電過(guò)程中，隨著電容電壓逐步趨近于 VCC， RST 腳上的電壓最終接近于 0，過(guò)度過(guò)程的長(zhǎng)短取決于電阻電容的大小。 22uF 電容滿足使 RST 電壓在啟動(dòng)后有兩個(gè)周期 (2us)以上的時(shí)間高于斯密特觸發(fā)器最低門(mén)檻電壓，使整個(gè)過(guò)程得以完 成。 圖 復(fù)位電路 除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于 “死鎖 ”狀態(tài)時(shí)為擺脫困境，也需通過(guò)復(fù)位操作，重新啟動(dòng)。 系統(tǒng)采用上電復(fù)位與手動(dòng)復(fù)位方式進(jìn)行復(fù)位。如圖 所示。 EA/VP 引腳 如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。 EA/Vpp: 尋址外部 ROM 控制端 /編程電源輸入端。低電平有效，當(dāng)單片機(jī)內(nèi)有 ROM 時(shí)應(yīng)當(dāng)接高電平， 10 片內(nèi)無(wú) ROM 時(shí)必須接地。 本設(shè)計(jì)用 AT89S52 單片機(jī)，片內(nèi)有 8K 字節(jié)程序存儲(chǔ)器 ROM，所以 EA 引腳必須接高電平?；蛘邞铱找_，單片機(jī)默認(rèn)為 1。 數(shù)碼管 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管（ Light Emitting Diode）。它既可以工作在恒定電流狀態(tài)，又可以工作在脈沖電流狀態(tài)。在平均電流相同的情況下，脈沖工作狀態(tài)可產(chǎn)生比直流工作狀態(tài)較強(qiáng)的 亮度。 LED 顯示器每段正常發(fā)光需直流電流10～ 20mA。 LED 數(shù)碼管屬于電流控制型器件，發(fā)光亮度與正向電流成正比，每個(gè)字段的工作電流約為 10mA 左右。其優(yōu)點(diǎn)是工作電壓較低、體積小、壽命長(zhǎng)、工作可靠性高、響應(yīng)速度快、亮度高、不會(huì)損壞器件。 工作原理 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）。 按能顯示多少個(gè) “8”可分為 1 位、 2 位、 4 位等等。按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。 共陽(yáng)極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極 接到一起形成公共陽(yáng)極 (COM)的數(shù)碼管。共陽(yáng)極數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。 圖 共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管 共陰極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。共陰極數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。在實(shí)際應(yīng)用中，除公共極外，其他各極應(yīng)串接一個(gè)電阻后在接到相 應(yīng)電平。電阻的作用是限制流過(guò) LED 中的電流，以保證在發(fā)光時(shí)二極管不因電流過(guò)大而被燒毀。 11 圖 共陰極 LED 數(shù)碼管 本設(shè)計(jì)選用的數(shù)碼管為 寸兩位動(dòng)態(tài)高亮紅色 SMG 型號(hào)的雙位共陽(yáng)極數(shù)碼管，其內(nèi)部電路引腳圖如圖 所示。 圖 數(shù)碼內(nèi)部電路圖 驅(qū)動(dòng)方式 由于 LED 是電流發(fā)光器件，加到 LED 顯示器上的段碼首先應(yīng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng) LED 顯示器發(fā)光所需要的驅(qū)動(dòng)電流，從而顯示出我們想要的數(shù)字。 驅(qū)動(dòng)電路可以由三極管組成，也可以是其它具有驅(qū)動(dòng)能力的集成電路，如 MC14174LS244 等。另一種驅(qū)動(dòng)方法是采用專用芯片，例如 744 744 451 MAX7219（專用的帶驅(qū)動(dòng)器的 LED 譯碼器）可以實(shí)現(xiàn)對(duì) BCD 碼的譯碼，但不能對(duì)大于 9 的 BCD 碼進(jìn)行譯碼。 根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 (1) 靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng) 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片的 I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 LED 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電路如 12 圖 所示。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，顯示穩(wěn)定，單片機(jī)花在顯示上的時(shí)間少 ；缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，擴(kuò)展顯示用 I/O 口會(huì)使硬件成本增加。如驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58＝ 40 根 I/O 端口來(lái)驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè) AT89S51 單片機(jī)可用的 I/O 端口才 32 個(gè)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。因此，靜態(tài)驅(qū)動(dòng)只適合于顯示位數(shù)較少的場(chǎng)合。 圖 LED 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電路 (2) 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng) 圖 LED 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路 在顯示位數(shù)較多時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，通常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8 個(gè)顯示筆劃 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯 13 示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。 LED 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視 覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。缺點(diǎn)是顯示器亮度不如靜態(tài)顯示方式，軟件不斷掃描顯示器要占用單片機(jī)較多的時(shí)間。 考慮到 I/O 端口和本次設(shè)計(jì)的具體操作采用動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。 14 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 硬件原理圖如圖 所示： 圖 硬件原理圖 15 總體設(shè)計(jì)及功能描述 本設(shè)計(jì)以單片機(jī) AT89S52 為 控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，共分以下幾個(gè)功能模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)、 按鍵控制系統(tǒng) 、通行指示和倒計(jì)時(shí)模塊等。 單片機(jī)作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成。 通行 方向指示采用紅、綠、黃 LED 發(fā)光管，用三種顏色指示車輛放行、暫停、禁止，形象直觀。 按鍵 采用 兩 只觸發(fā)按鍵組成，電路簡(jiǎn)潔可靠；通過(guò) 按鍵 可設(shè)置：緊急情況發(fā)生時(shí)的交通燈狀態(tài)控制 和節(jié)能的夜間模式。 系統(tǒng)采用雙數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，最大顯示數(shù)字 99。 系統(tǒng)整體電路 圖 交通燈設(shè)計(jì)基本 框圖 （ 1） AT89S52 單片機(jī)作為系統(tǒng)核心器件，通過(guò)各個(gè) I/O 口控制和驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)； （ 2） P0 口的第一到第四引腳 控制數(shù)碼管的位選 ，然后經(jīng)過(guò) 三極管 輸出 高 電平傳輸?shù)诫p位共 陽(yáng) 數(shù)碼管進(jìn)行 選通 ， P2 口的第 一 到第 七 引腳用于控制數(shù)碼管的片選。 （ 3） P1 口的六個(gè)引腳分別控制六個(gè)表示紅綠黃信號(hào)燈的 LED 二極管的亮與滅； （ 4） 根據(jù)十字路口車流量的大小調(diào)節(jié)車輛通行的時(shí)間。 （ 5） 設(shè)置緊急按鍵用以處理緊急情況。通過(guò)外部中斷 1 實(shí)現(xiàn)， 用于檢測(cè)相應(yīng)信號(hào)。 （ 6） 設(shè)置夜間模式按鍵，從節(jié)省能源的角度考慮。通過(guò)外部中斷 1 實(shí)現(xiàn)， 用于 16 檢測(cè)其信號(hào)。 系統(tǒng)各組成部分 主控制器 AT89S52 AT89S52 為 8 位的 CPU，有 40 個(gè)引腳 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（ WDT）電路，片內(nèi)有振蕩器和時(shí)鐘電路 ,工作頻率為 0～ 33MHz 片內(nèi)有 256 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 片內(nèi)有 8K 字節(jié) 程序存儲(chǔ)器 ROM 4 個(gè) 8 位 的并行 I/O 口（ P0、 P P P3） 1 個(gè) 全雙工串行通訊口 3 個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器（ T0、 T T2） 可處理 6 個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí) AT89S52 可按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，亦可在線編程。其將通用微處理器及 FLASH 存儲(chǔ)器結(jié)合，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的 FLASH 存儲(chǔ)器可有效降低開(kāi)發(fā)成本。 其引腳 如圖 ： 圖 AT89S52 單片機(jī)引腳圖 17 顯示元件 在交通信號(hào)燈的正上方安裝一個(gè)可以顯示綠燈通行時(shí)間，紅燈等待時(shí)間的顯示電路，采用數(shù)碼管顯示電路是一種很好的方法。由于東往西方向和西往東方向顯示的時(shí)間相同，同理，南往北方向和北往南方向顯示的時(shí)間也相同，所以只需要考慮四位數(shù)碼管顯示電路，其中東西方 向兩位，南北方向兩位，兩位數(shù)碼管可以顯示的時(shí)間范圍為 099 秒完全可以滿足系統(tǒng)的要求。 從節(jié)省硬件資源的角度考慮，數(shù)碼管顯示使用動(dòng)態(tài)掃描方式來(lái)處理。 ISP 接口 ISP 就是在線編程，以往單片機(jī)下載程序都需要專門(mén)的燒寫(xiě)器，并且需要把單片機(jī)從電路板上拔下來(lái)燒寫(xiě)，燒好再插上，很麻煩。 ISP 功能可以通過(guò)非常簡(jiǎn)單廉價(jià)的下載線直接在電路板上給單片機(jī)下載程序，當(dāng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)由于程序的錯(cuò)誤或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，不需要對(duì)單片機(jī)多次拔插，所以