【文章內(nèi)容簡介】 圖 交通信號燈硬件系統(tǒng)總體框圖 硬件系統(tǒng)中的芯片認(rèn)識 在硬件設(shè)計(jì)時(shí)首先需要確定使用什么類型的 CPU 和信號燈。 CPU 對系統(tǒng)的整體功能、開發(fā)難度和價(jià)格都起主導(dǎo)作用，所以在硬件開發(fā)中應(yīng)該首先確定 CPU，然后再依據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)周邊電路。本設(shè)對 CPU的性能要求不高，所以選擇一款價(jià)格適中、功能一般的 51系列單片機(jī) ——AT89S51。 交通信號燈中，要求信號燈的穿透性要好，可控性強(qiáng)，能耗低，使用壽命長，因此，我們可以選擇 LED（發(fā)光二極管），七段數(shù)碼管和 16*16 點(diǎn)陣式 LED（ 16*16點(diǎn)陣式 LED 是由四塊 8*8 點(diǎn)陣式 LED 組成）構(gòu)成系統(tǒng)中的顯示電路。對于 16*16點(diǎn)陣式 LED,我們采用 8255 芯片外部擴(kuò)展。此外，顯示模塊使用到了 74HC164，74HC273 等芯片，根據(jù)它們的物理結(jié)構(gòu)及功能，組成了 LED 顯示屏的顯示部分。 按鍵控制電路 定時(shí)控制電路 Ａ Ｔ 單 ８ ９ 片 Ｓ ５ 機(jī) １ 倒計(jì)時(shí)顯示 紅、黃、綠信號燈顯示 16*16 點(diǎn)陣式 LED 顯示 8 AT89S51 芯片簡介 AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)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(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89S51 具有如下特點(diǎn)： 40個(gè)引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器，128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16位可編程定時(shí) 計(jì)數(shù)器 ,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 此外， AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU 暫停工作，而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)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(fù)位。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)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 ? 128*8 位內(nèi)部 RAM ? 32 條可編程 I/O 線 ? 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ? 6 個(gè)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 2．管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口： P0口為一個(gè) 8 位漏級開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 9 當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，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(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 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(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉 電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。 P3口： P3口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4 個(gè)TTL門電流。當(dāng) P3口寫入 “1”后，它們被內(nèi)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。 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 I/O 口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳讀端口時(shí)實(shí)際 上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線上面圖中的兩個(gè)三角形表示的就是輸入緩沖器 CPU 將根據(jù)不同 10 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(shí)行讀引腳操作否則就可能讀入出錯(cuò)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(yīng)管柵極的信號為 1 該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗 ,此時(shí)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(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實(shí)現(xiàn)正確的讀入由于在輸入操作時(shí)還必須附加一個(gè)準(zhǔn)備動作所以這類 I/O 口被稱為準(zhǔn)雙向口 89C51 的 P0/P1/P2/P3 口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口接下來讓我們再看另一個(gè)問題從圖中可以看出這四個(gè)端口還有一個(gè)差別除了 P1 口外 P0P2P3 口都還有其他的功能。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，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(shí)， 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 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC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(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP ：當(dāng) /EA 保 持 低 電 平 時(shí) ， 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存 儲 器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)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(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 8255 芯片簡介 8255 可編程并行接口芯片簡介 : 8255 可編 程并行接口芯片有三個(gè)輸入輸出端口，即 A 口、 B 口和 C 口，對應(yīng) 11 于引腳 PA7～ PA0、 PB7～ PB0 和 PC7～ PC0。其內(nèi)部還有一個(gè)控制寄存器，即控制口。通常 A口、 B口作為輸入輸出的數(shù)據(jù)端口。 C口作為控制或狀態(tài)信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成 4 位的端口，每個(gè)端口包含一個(gè) 4 位鎖存器。它們分別與端口 A／Ｂ配合使用，可以用作控制信號輸出或作為狀態(tài)信號輸入。 8255 可編程并行接口芯片方式控制字格式說明 : 8255 有兩種控制命令字；一個(gè)是方式選擇控制字；另一個(gè)是 C 口按位置位／復(fù)位控制字。其中 C口按位置位／復(fù)位控制 字方式使用較為繁難，說明也較冗長，故在此不作敘述，需要時(shí)用戶可自行查找有關(guān)資料。 方式控制字格式說明下 表 所示： D7：設(shè)定工作方式標(biāo)志， 1有效。 D D5： A 口方式選擇 0 0 — 方式 0 0 1 — 方式 1 1 — 方式 2 D4： A口功能 （ 1=輸入， 0=輸出） D3： C口高 4位功能 （ 1=輸入， 0=輸出） D2： B口方式選擇 （ 0=方式 0， 1=方式 1） D1： B口功能 （ 1=輸入， 0=輸出） D0： C口低 4位功能 （ 1=輸入， 0=輸出） 8255 可編程并行接口芯片工作方式說明 : 方式 0：基本輸入／輸出方式。適用于三個(gè)端口中的任何一個(gè)。每一個(gè)端口都可以用作輸入或輸出。輸出可被鎖存，輸入不能鎖存。 方式 1：選通輸入／輸出方式。這時(shí) A口或 B口的 8位外設(shè)線用作輸入或輸出，C口的 4 條線中三條用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆?lián)絡(luò)信號和中斷請求信號。 方式 2 ：雙向總線方式。只有 A 口具備雙向總線方式， 8 位外設(shè)線用作輸入或輸出，此時(shí) C口的 5條線用作通訊聯(lián)絡(luò)信號和中斷請求信號。 74LS164 芯片簡介 74LS164 是一個(gè)串入并出的 8 位移位寄存器，他常用于單片機(jī)系統(tǒng)中，下面結(jié)D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 12 束一下這個(gè)元件的基本知識： 串行輸入帶鎖存 時(shí)鐘輸入 ,串行輸入帶緩沖 異步清除 最高時(shí)鐘頻率可高達(dá) 36Mhz 功耗： 10mW/bit 74系列工作溫度： 0176。 C to 70176。 C Vcc 最高電壓： 7V 輸入最高電壓： 7V 最大輸出驅(qū)動能力： 高電平：－ 低電平： 8mA 圖 74LS164引腳圖 圖 74LS164邏輯符號 13 74LS273 芯片簡介 74LS273 是 8位數(shù)據(jù) /地址鎖存器，他是一種帶清除功能的 8D 觸發(fā)器，管腳 圖功能表如 下： 1 腳是復(fù)位 CLR,低電平有效 ,當(dāng) 1 腳是低電平時(shí) ,輸出腳 2(Q0)、 5(Q1)、6(Q2)、 9(Q3)、 12(Q4)、 15(Q5)、 16(Q6)、 19(Q7)全部輸出 0,即全部復(fù)位 。 當(dāng) 1腳為高電平時(shí) ,11(CLK)腳是鎖存控制端 ,并且是上升沿觸發(fā)鎖存 ,當(dāng) 11腳有一個(gè)上升沿 ,立即鎖存輸入腳 1 1 1 18 的電平狀態(tài)，并且立即呈現(xiàn)在輸出腳 2(Q0)、 5(Q1)、 6(Q2)、 9(Q3)、 12(Q4)、 15(Q5)、 16(Q6)、19(Q7)上 。 圖 74LS273管腳圖 74LS273管腳功能： 1D～ 8D為數(shù)據(jù)輸入端， 1Q～ 8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作 8位地址鎖存器 。 14 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方面很多，除了實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)基本功能以外，還要考慮如下幾個(gè)因素：①系統(tǒng)穩(wěn)定度；②器件的通用性或易選購性；③軟件 編程的易實(shí)現(xiàn)性；④系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)。因此硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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。 為了簡化電路、降低成本、提高可靠性， 本設(shè)計(jì)采用 AT89S51 作為主控制器， 外加一些控制電路來實(shí)現(xiàn) 時(shí) 鐘的基本功能。 AT89S51 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 通常 , 將完成單片機(jī)最基本功能 , 沒有外圍器件及外設(shè)接口擴(kuò)展的系統(tǒng)稱之為單片機(jī)最小系統(tǒng) , 簡稱最小系統(tǒng)。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合性能分析，設(shè)計(jì)的單片機(jī)最 小系統(tǒng)如圖 。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 15 AT89S51單片機(jī)有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，反相放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為 XTAL2，兩端連接石英晶體及兩個(gè) 瓷片 電容形成穩(wěn)定的自激振蕩器。在本次設(shè)計(jì)中電容 均 取 22pF，石英晶體的振蕩頻率 選 12MHz。 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，復(fù)位后可使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。復(fù)位電路則是實(shí)現(xiàn)這一功能的實(shí)際執(zhí)行者 , 它應(yīng)該使高電平的復(fù)位信號持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上。常