【文章內容簡介】 48 系列單片機為代表其主要的技術特征是將 CPU和計算機外圍電路集成到了一個芯片上在與通用 CPU分道揚鑣構成新 型工業(yè)微控制器方面取得了成功為單片機的進一步發(fā)展開辟了成功之路第二代以 MCS51 系列的 80518052 單片機為代表 MCS51 系列 8 位高檔單片機是在總結 MCS48系列單片機的基礎上于 80年代初推出的新產品第三代是 Intel隨后推出的 MCS96 系列單片機與 MCS51 相比 MCS96 不但字長增加一倍而且在其他性能方面也有很大的提高特別是芯片內還增加了一個 4 路或 8 路的 AD 轉換器使其具有 AD轉換功能在這所有的系列中 MCS51系列以它較高的性能和較合理的價格仍占據(jù)著很大的市場地位 32 單片機的選擇 單片機 型號的選擇是根據(jù)控制系統(tǒng)的目標功能可靠性性價比精度和速度等來決定的根據(jù)本課題的實際情況單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮一是要有較強的抗干擾能力由于交通燈工作在露天環(huán)境中并且車輛通過會有震動等干擾這些都對單片機的干擾較大所以應采用抗干擾性能較好的單片機機型二是要有較高的性價比由于 51 系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多特別是 ATMEL 公司 2021 年推出新一代 89S 系列單片機其典型產品AT89S51 單片機與 89C 系列單片機相比具有較高的性能價格比故本系統(tǒng)采用ATMEL 公司生產的 AT89S51 單片機作為交通燈的核心部件該單片機是美國 ATMEL公司生產的低電壓高性能 COMS8位單片機片內含 4kB的可反復擦寫的只讀程序存儲器 EPROM 和 128 字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 RAM 片內置通用 8 位中央處理器CPU 和 FLASH 存儲單元是 80C51 的增強型并且指令完全兼容 AT89S51 新增加的功能由特殊功能寄存器完成相信日后它將更廣泛地應用于工業(yè)控制汽車控制智能儀器儀表及電機控制等應用領域 33 AT89S51 介紹 331 AT89S51 的由來 這次交通燈模擬使用的單片機是 AT89S51MCS51 單片機是美 國 INTE 公司于1980年推出的產品各高校及專業(yè)學校的培訓教材仍與 MCS51單片機作為代表進行理論基礎學習 很多文獻也將 8051泛指 MCS51系列單片機 8051是早期的最典型的代表作由于 MCS51 單片機影響極深遠許多公司都推出了兼容系列單片機就是說 MCS51 內核實際上已經成為一個 8 位單片機的標準 其他的公司的 51單片機產品都是和 MCS51內核兼容的產品而以同樣的一段程序在各個單片機廠家的硬件上運行的結果都是一樣的如 ATMEL的 89C51已經停產 89S51 PHILIPS 菲利浦和 WINBOND 華邦等我們常說的已經停產的 89C51 指的是ATMEL 公司的 AT89C51 單片機同時是在原基礎上增強了許多特性如時鐘更優(yōu)秀的是由 Flash 程序存儲器的內容至少可以改寫 1000 次存儲器取帶了原來的 ROM一次性寫入 AT89C51 的性能相對于 8051 已經算是非常優(yōu)越的了 不過在市場化方面 89C51受到了 PIC單片機陣營的挑戰(zhàn) 89C51最致命的缺陷在于不支持 ISP 在線更新程序功能必須加上 ISP 功能等新功能才能更好延續(xù)MCS51 的傳奇 89S51 就是在這樣的背景下取代 89C51 的現(xiàn)在 89S51 目前已經成為了實際 應用市場上新的寵兒作為市場占有率第一的 Atmel 目前公司已經停產AT89C51 將用 AT89S51 代替 89S51 在工藝上進行了改進 89S51 采用 035 新工藝成本降低而且將功能提升增加了競爭力 89SXX 可以像下兼容 89CXX 等 51 系列芯片 332 AT89S51 芯片介紹 圖 32 管腳排列圖 它有 40 個管腳分成兩排每一排各有 20 個腳其中左下角標有箭頭的為第 1腳然后按逆時針方向依次為第 2 腳第 3 腳第 40 腳如圖 32 所示 AT89S51 是一個低功耗高性能 CMOS 8 位單片機片內含 4k Bytes ISP Insystem programmable 的可反復擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲器器件采用 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲技術制造兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結構芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元功能強大的微型計算機的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案 AT89S51 具有如下特點 40 個引腳 4k Bytes Flash 片內程序存儲器 128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 RAM32個外部雙向輸入輸出 IO口 5個中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套中斷 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 2 個全雙工串行通信口看門狗 WDT電路片內時鐘振蕩器 此外 AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設置省電模式空閑模式下 CPU暫停工作而 RAM定時計數(shù)器串行口外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位同時該芯片還具有 PDIPTQFP 和 PLCC 等三種封裝形式以適應不同產品的需求 1．主要特性 8031 CPU 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器 壽命 1000 寫擦循環(huán) 全靜態(tài)工作 0Hz24KHz 三級程序存儲器保密鎖定 1288 位內部 RAM 32 條可編程 IO 線 兩個 16 位定時器計數(shù)器 6 個中斷源 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 2．管腳說明 VCC 供電電壓 GND 接地 P0 口 P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 IO 口每腳可吸收 8TTL 門電流當 P1 口的管腳第一次寫 1 時被定義為高阻輸入 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器它可以被定義為數(shù)據(jù)地址的第八位在 FIASH編程時 P0 口作為原碼輸入口當 FIASH進行校驗時 P0 輸出原碼此時 P0 外部必須被拉高 P1口 P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8位雙向 IO 口 P1口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流 P1口管腳寫入 1后被內部上拉為高可用作輸入 P1 口被外部下拉為低電平時將輸出電流這是由于內部上拉的緣故在 FLASH 編程和校驗時 P1 口作為第八位地址接收 P2 口 P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 IO口 P2 口緩沖器可接收輸出 4 個 TTL 門電流當 P2口被寫 1 時其管腳被內部上拉電阻拉高且作為輸入并因此作為輸入時 P2 口的管腳被外部拉低將輸出電流這是由于內部上拉的緣故 P2口當用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時 P2口輸出地址的高八位在給出地址 1 時它利用內部上拉優(yōu)勢當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時 P2口輸出其特殊功能寄存器的內容 P2口在 FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號 P3口 P3口管腳是 8個帶內部上拉電阻的雙向 IO口可接收輸出 4個 TTL門電流當 P3 口寫入 1 后它們被內部上拉為高電平并用作輸入作為輸入由于外部下拉為低電平 P3 口將輸出電流 ILL 這是由于上拉的緣故 P30 RXD 串行輸入口 P31 TXD 串行輸出口 P32 INT0 外部中斷 0 P33 INT1 外部中斷 1 P34 T0 記時器 0 外部輸入 P35 T1 記時器 1 外部輸入 P36 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P37 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號 IO 口作為輸入口時有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內容讀入到內部總線經過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內部總線上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器 CPU 將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信 號以完成不同的操作這是由硬件自動完成的不需要我們操心 1 然后再實行讀引腳操作否則就可能讀入出錯為什么看上面的圖如果不對端口置 1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為 0Q端為 0Q為 1加到場效應管柵極的信號為 1 該場效應管就導通對地呈現(xiàn)低阻抗此時即使引腳上輸入的信號為 1也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的 1信號讀入后不一定是 1若先執(zhí)行置 1 操作則可以使場效應管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作所以這類 IO 口被稱為準雙向口89C51 的 P0P1P2P3 口作為輸入時都是準雙向口接 下來讓我們再看另一個問題從圖中可以看出這四個端口還有一個差別除了 P1口外 P0P2P3口都還有其他的功能 RST復位輸入當振蕩器復位器件時要保持 RST腳兩個機器周期的高電平時間 ALEPROG 當訪問外部存儲器時地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)在 FLASH編程期間此引腳用于輸入編程脈沖在平時 ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號此頻率為振蕩器頻率的 16 因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的然而要注意的是每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE脈沖如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址 上置 0此時 ALE只有在執(zhí)行 MOVXMOVC指令是 ALE 才起作用另外該引腳被略微拉高如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止置位無效 PSEN 外部程序存儲器的選通信號在由外部程序存儲器取指期間每個機器周期兩次 PSEN有效但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時這兩次有效的 PSEN信號將不出現(xiàn) EAVPP 當 EA 保持低電平時則在此期間外部程序存儲器 0000HFFFFH 不管是否有內部程序存儲器注意加密方式 1時 EA將內部鎖定為 RESET當 EA端保持高電平時此間內部程序存儲器在 FLASH編程期間此引腳也用于施加 12V編程電源VPP XTAL1 反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入 XTAL2 來自反向振蕩器的輸出 1．．．．．．．．． 第 4 章 系統(tǒng)硬件設計 41 系統(tǒng)設計 411 系統(tǒng)方框圖 圖 41 系統(tǒng)方框圖 412 電路工作原理 編程設置好交通燈初始時間通過編程器寫入 AT89S51 單片機系統(tǒng) 由 AT89S51單片機的定時器每秒鐘通過 P00P05口輸送交通燈信息顯示紅綠黃燈的燃亮情況其中 P00P02顯示南北紅黃綠信號 P03P05顯示東西紅黃綠信號由 P10P17 控制數(shù)碼管十 位的燃亮時間 P20P27 控制個位的燃亮時間 高峰控制信號由開關輸入到 P30中另外全部禁行信號輸入 P31全部通行信號輸入 P36中南北通行信號輸入 P37中東西通行信號輸入 P06中選擇方向信號輸入P07 中 P32 輸入設定時間信號 P33 輸入確定時間信號 P34 輸入設定結束信號 P35 輸入時間加一信號 復位信號由按鈕輸入每按下一次系統(tǒng)恢復原設定狀態(tài) 42 電源電路 采用經市電變壓穩(wěn)壓的穩(wěn)壓電源電路圖如圖 42 所示 圖 42 電源電路 單片機使用的是 5177。 02V 的電源 對電壓的穩(wěn)定要求較高我們可以用 LM7805來實現(xiàn)此功能首先用交流變壓器將 220V 電壓變?yōu)榇笥?5V 的交流電比如 75V 或105V然后用橋式整流器和電容進行整流濾波將交流電處理為直流然后用 7805進行 5V 恒壓輸出共給單片機電路使用如果系統(tǒng)中有 12V 直流電源也可以直接使用如圖 42 所示 43 單片機最小系統(tǒng) 圖 43 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)以 89S51 為核心外加時鐘和復位電路電路結構簡單抗干擾能力強成本相對較低非常符合本設計的所有要求 89S51 單片機系列是在MCS51 系列的基礎上發(fā)展起來的是當前 8 位單片 機的典型代表采用 CHMOS 工藝即互補金屬氧化物的 HMOS 工藝 CHMOS 是 CMOS 和 HMOS 的結合具有 HMOS 高速度和高密度的特點還具有 CMOS 低功耗的特點 單片機需要一個時間基準來為各種操作提供秩序此電路叫時鐘電路采用不同的接線方式可以獲得不同時鐘電路有內部時鐘電路和外部時鐘電路如圖 44 所示外部時鐘電路會使電路復雜故采用的是內部時鐘電路時鐘電路在單片機的外部通過 XTAL1XTAL2 這兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調電容構成穩(wěn)定的自激振蕩器本系統(tǒng)采用的為 6MHz 的晶振一個機器周期為 2usC1C2 為 22pF 圖 44 時鐘電路圖 圖 45 復位電路圖 復位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復位信號為可靠起見電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號以防電源開關或電源插頭分 合過程中引起的抖動而影響復位 LED 顯示器件是通過發(fā)光二極管顯示字段的器件在單片機控制系統(tǒng)中常用的是由 7段 LED數(shù)碼管它的顯示塊中有 8 個發(fā)光二極管 7 個發(fā)光二極管組成字符 81 個發(fā)光二極管構成小數(shù)點因此有人稱 7 段 LED 數(shù)碼管