【文章內容簡介】 有數(shù)量不等的并行接口，可以作為外界無輸入 /輸 出設備，通常也包含1~2個串行口，用于實現(xiàn)異步串行通信。特殊功能部件通常包括定時 /計數(shù)器，其他例如A/D、 PWM、 DMA 等根據不同類型的單片機，其配置不同。 （ 3）單片機應用系統(tǒng) 根據單片機應用場合及系統(tǒng)控制的要求不同，在規(guī)模、結構上存在很大不同，根據使用功能器件的種類和數(shù)量，可分為基本系統(tǒng)和擴展系統(tǒng)。 1）基本系統(tǒng) 在此系統(tǒng)中，包含一個單片機，在該單片機中含有程序存儲器和數(shù)據存儲器，僅在外部配置了維持系統(tǒng)運行的基本部件，例如電源、輸入 /輸出，除了這些，還包括不擴充程序存儲器、數(shù)據存儲器、 I/O 接口以 及其他功能部件，因此也被稱為最小系統(tǒng)，其結構示意圖如圖 。 圖 單片機最小系統(tǒng)示意圖 2）擴展系統(tǒng) 在大多數(shù)系統(tǒng)中，由于需要實現(xiàn)一些特殊的功能，采用最小系統(tǒng)無法滿足系統(tǒng)的控制要求，所以要擴展特殊功能部件，彌補單片機內部資源的不足。單片機擴展系統(tǒng)通過并行 I/O 口或者串行口做總線，在外部擴展了程序存儲器、數(shù)據存儲器、 A/D 轉換等特殊部件，以滿足控制系統(tǒng)的特殊要求，其結構示意圖如 。 （ 4）單片機的發(fā)展趨勢 隨著科學技術的不斷發(fā)展， 單片機的工藝和集成度不斷提高，其功能正朝著多功能、高性能的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在一下幾方面。 1）各種等級的單片機性能提高 復位電路 電源電路 單片機 時鐘電路 輸入 /輸出 基于單片機控制的交通燈設計 9 EPROM 程 序存儲器 RAM 數(shù)據存儲器 A/D D/A 并行接口 串行接口 復位電路 時鐘 電路 輸入 /輸出 電源 電路 單片機 圖 單片機擴展系統(tǒng)鋼結構示意圖 隨著工藝技術和集成度技術的發(fā)展，許多低端單片機的性能有了較大的提高，甚至可以完成部分高端單片機才能實現(xiàn)的功能，其運算速度、功能和可靠性等方面也得到了快速的發(fā)展。 a. CPU 功能增強 CPU 的性能主要體現(xiàn)在數(shù)據處理的速度和精度上，通過增加 CPU 的字長、擴充硬件、提高總線速度和處理效率等手段，提高 CPU 的性能。 b. 內部資 源增加 單片機除了 CPU 外還有其他部件，通過增強已有部件的性能和增加特殊功能的部件來提高單片機的性能。例如增大存儲器的容量，現(xiàn)在一些高端單片機的程序存儲器的ROM、 EPROM、 EEPROM 或者 FLASH 都達到及時 KB，而數(shù)據存儲器的 RAM也已達到及時 KB。一般的控制系統(tǒng)要求的功能較多，采用較低端的單片機，由于其內部資源不夠，無法實現(xiàn)控制要求，因此需要擴展部件，而擴展部件又會造成系統(tǒng)可靠性降低，所以要在工藝水平提高的基礎上，盡量集成較多的部件在單片機的內。單片機的特殊部件包括 I/O 口（并行口和串行口兩種）、定 時 /計數(shù)器、 AD/DA 轉換器、 PWM 輸出等，通過在內部集成此類部件，可大大增強單片機的控制功能。 基于單片機控制的交通燈設計 10 c. 尋址范圍增加 尋址方式的多少直接反應了機器指令系統(tǒng)功能的強弱，尋址方式越多，其功能越強，靈活性越大，這也是衡量單片機性能的重要指標之一?，F(xiàn)在已有部分單片機對外部存儲器、 I/O 口尋址范圍增加到幾 MB，甚至有單片機可以選擇某些 I/O 口作為系統(tǒng)的擴展總線使用。 2）小型化、低功耗 在一些智能控制系統(tǒng)中，其整體系統(tǒng)體積較小，功率不大，因此要求單片機的體積和功耗都要在一定范圍內，促使單片機向小型化、低功耗的方向發(fā)展 。例如， 1992 年美國推出的 i80860 超級單片機，運算速度為 億次每秒，可進行 32 位整數(shù)運算、 64位浮點運算，同時片內集成了一個三維圖形處理器，可構成超級圖形工作站。 管腳說明 圖 MCS51 引腳圖 MCS51 單片機是采用 40 引腳雙列直插封裝的芯片，有些引腳具有兩種功能，引腳如圖 所示。引腳功能如下： 基于單片機控制的交通燈設計 11 Vcc ：電源 +5V。 VSS：接地。 XTAL1 和 XTAL2：使用內部振蕩電路時，用來接石英晶體和電容；使用內部時鐘時，用來輸入時鐘脈沖。 P0 口：雙向 I/O 口，既可以 作地址∕數(shù)據總線口，也可作普通 I/O 口用。 P1 口：準雙向通用 I/O 口。 P2 口：準雙向口，地址總線口輸出地址高 8位口。 P3 口：多功能端口，既可以作普通 I/O 口用，也可以按每位定義的第二功能操作。 ALE/PROG：地址鎖存信號輸出端。在訪問片外存儲器時， ALE 為高電平有效時， P0口輸出地址低 8位，用 ALE信號做外部地址鎖存器的鎖存信號。 ?ALE =?OSC /6,可以做系統(tǒng)中跟其他芯片的時鐘源。第二功能 PROG 是對 8751 的 EPROM 編程脈沖輸入端。 RST/VPD：復位信號輸入端。接通電源后，在該引腳 施加大于兩個機器周期（ 24 個振蕩周期）的高電平，就可使單片機完成內部的復位工作。第二功能是 Vpd ，即備用電源輸入端。當主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時， Vpd 將為 RAM 提供備用電源，以保證存貯在 RAM中的信號不丟失。 /EA/VPP ： /EA=1 時程序先片內后片外自動連續(xù)運行；例如： 89C52 內部有 8K字的EEPROM 就可使 /EA=1，先從內程序存儲區(qū)開始執(zhí)行程序，當 PC 值超過內部 8K 字節(jié)（ 00001FFF），才會轉到從 2021H 開始的外程序區(qū)執(zhí)行程序，當 /EA=0 時程序直接從片外開始執(zhí) 行程序。在對 8751 的 EPROM 編程時，此引腳接編程電壓 。 /PSEN：片外程序存儲器選通信號，低電平有效。 時鐘脈沖電路 MCS51 的時鐘可以有兩種方式產生，一種是內部方式，利用芯片內部的震蕩電路；另外一種為外部方式。本文根據實際需要和簡便，采用內部震蕩方式。 MCS=51 內部有一個用于構成震蕩器的高增益反響放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外警惕或陶瓷諧振器一起構成一個自激振蕩器。 MCS51 雖然有內部振蕩電路，但要形成 時鐘，必須外接元件，所以實際構成的是振蕩時鐘電路。外接晶體以及電容 Cl和 C2構成并聯(lián)諧振電路接在放大器的反饋回路中。基于單片機控制的交通燈設計 12 對接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶體頻率可在 1． 2MHz12MHz 之間任選，電容Cl和 C2 的典型值在 20pF100pF 之間選擇，考慮到本系統(tǒng)對于外接晶體的頻率穩(wěn)定性要求不高，所以采取比較廉價的陶瓷諧振器。由于本系統(tǒng)應用的機器周期為 l?s，所以晶振選擇為 12MHz，根據調試電容選擇 30pF． 復位電路 MCS51 的復位輸入引腳 RST 為 MCS51 提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從 0000H 地址單元開始執(zhí)行程序。在 MCS51 的時鐘電路工作后，只要 RST 引腳上出現(xiàn) 10ms 以上的高電平時，單片機內部則出示復位。只要 RST 保持高電平，則 MCS51循環(huán)復位。只有當 RST 由高電平變低電平以后， MCS5l才從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。 MCS51 的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳通過施密特觸發(fā)器與復位電路相連。施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的 S5P2，由復位 電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。本系統(tǒng)采用兩種方式的復合方式即上電位按鈕復位式。 電源電路 由于單片機工作時需要的 +5v 電壓，所以在設計電源電路時，需要一個電子元件能提供 +5v 電壓，由于 7805 能夠提供 5V 電壓的三端穩(wěn)壓電源，在實際的電路控制中應用其作為電源電路較為廣泛，在普通的電子元器件商場都有銷售易于購買，并且技術相對成熟。 7805 一腳為電源輸入段，二腳為公共接地段，三腳即為我們所需要的 +5V 電壓輸出端。本文采用最典型的 7805 提供電壓的電路，即在 7805 的 l 腳和公共接地端 (即 2腳 )之間接入 0． 3?F的電容，在公共接地端和三腳 +5V 電壓輸出端之間接人 ?F的電容。 硬件原理圖 本系統(tǒng)利用 89C52 芯片對 12 個 LED 進行控制，實現(xiàn)交通信號燈的控制。同時，每個 LED 串接 一個阻值為 330Ω 的電阻，以保證系統(tǒng)上電后通過 LED 的電流不會過大，防止其燒毀。 基于單片機控制的交通燈設計 13 圖 硬件原理圖 本章小結 本章主要是關于本系統(tǒng)用到的硬件設計的介紹。文中對 MCS51 單片機進行了介紹，系統(tǒng)闡述了本設計用到的 89C52 芯片各管腳功能，并且對時鐘脈沖電路、復位 電路和電源電路進行了一一解釋。重點介紹了本系統(tǒng)的硬件原理圖，對其進行了較為細致的說明。 基于單片機控制的交通燈設計 14 第 4章 軟件設計 主程序設計 設計出程序的流程圖以及初始、延時程序及源程序。 主程序流程圖 本系統(tǒng)在一般情況下循環(huán)執(zhí)行信號燈狀態(tài)流程，流程圖如圖 。 圖 信號燈狀態(tài)流程圖 主、支干道交替通行，主干道每次放行 20 秒，支干道每次放行 12 秒；每次綠燈變紅燈前，黃燈先亮 4秒，此時另一干道上的紅燈亮并閃爍。 它們的工作方式，有些必須是同時進行的：主干道綠燈亮、支干道紅燈亮；主干道黃燈亮、支干道紅燈 亮并閃爍；主干道紅燈亮、支干道綠燈亮；主干道紅燈亮并閃爍、支干道黃燈亮。 初始化程序 單片機上電時 I/O 口默認為高點平，需要在進入主函數(shù)時對 P1 進行附初值。因本系統(tǒng)中 LED 低電平時點亮，故給 P1都賦值 0xff，使 LED 全滅。 程序中用到外部中斷 0和外部中斷 1，需要初始化，開總中斷、開外部中斷 0和外部中斷 1，還需要選擇觸發(fā)方式，本系統(tǒng)中斷中選擇下降沿觸發(fā)。 延時程序 基于單片機控制的交通燈設計 15 延時可有兩種途徑實現(xiàn)：軟件延時和單片機內部的定時 /計數(shù)器延時。軟件延時不占用硬件資源，但占用了 CPU 時間，降低了 CPU 的利用率。 定時 /計數(shù)器延時不占用 CPU時間，但占用了硬件資源。本系統(tǒng)采用定時器延時，單次延時時間為 50ms，晶振 12MHz。 源程序 源程序參考附錄一。 本章小結 本章主要介紹本論文中的軟件設計部分。文中詳細介紹了本系統(tǒng)的主程序設計、初始化程序、外部中斷及延時程序，并附有程序中的各種流程圖，使讀者對本系統(tǒng)的設計有了進一步了解。 基于單片機控制的交通燈設計 16 第 5章 調試分析 KEIL51軟件簡介 單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU 可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是 機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于 MCS51單片機的匯編軟件有早期的 A51，隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ ?Vision）將這些部份組合在一起。運行 Keil 軟件需要 Pentium 或以上的 CPU， 16MB 或更多 RAM、 20M 以上空閑的硬盤空間、WIN9 NT、 WIN202 WINXP 等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用 51 系列單片機的愛好者來說是十分必要的，如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選（目前在國內你只能買到該軟件、而你買的仿真機也很可能只支持該軟件），即使不使用 C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍 。 系統(tǒng)概述 Keil C51 是美國 Keil Software 公司 出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用 C來開發(fā)，體會更加深刻。 Keil51 的編譯環(huán)境如圖 51 所示。 圖中： 標題欄：顯示當前編譯的文件 菜單條：有十項菜單可供選擇，相應的所有操作命令均可在此菜單中查找； 工具欄：常用命令的快捷圖標按鈕； 管理窗口：顯示工程文件的項目、各個寄存器值的變化、參考資料等； 基于單片機控制的交通燈設計 17 信息窗口：顯示當前文件編譯、運行等相關信息； 工作窗口：各種文件的顯示窗口。 圖 Keil51 的編譯環(huán)境 Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全 Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊