【文章內(nèi)容簡介】 即在某一時刻只選通一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼，在另一時刻選通另一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼。依此規(guī)矩循環(huán)，即可使各位數(shù)碼管顯示需要顯示的字符。雖然這些字符是在不同的時刻分別顯示，但由于人眼存在視覺暫留效應(yīng)，只要每位顯示間隔時間足夠短就可以給人以同時顯示的感覺。采用動態(tài)顯示方式比較節(jié)省 I/O 口，硬件電路也較靜態(tài)顯示簡單，所以我們選擇第二種方案實現(xiàn)系統(tǒng)的顯示功能。 單片機概述單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit） ，常用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。單片微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是一種非?；钴S和頗具有生命力的機種。單片微型計算機簡稱單片機，特別適用于工業(yè)控制領(lǐng)域，因此又稱為微控器。單片機芯片的引腳示意圖如圖 所示。河南城建學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計方案7 圖 單片機芯片示意圖該系統(tǒng)的核心部件是單片機說以單片機得選擇很重要，為了完成單片機遇上位機的通信，所以選擇 AT89S51 系列的單片機，該單片機完全兼容傳統(tǒng)的 8051單片機。AT89S51 是 MCS51 系列單片機的典型產(chǎn)品，我們就這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。89S51 單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：中央處理器中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU 負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器(RAM)AT89S51 內(nèi)部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。程序存儲器(ROM)河南城建學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計方案8AT89S51 共有 4KB 掩膜 ROM，最大可擴展 64K 字節(jié)，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時/計數(shù)器：AT89S51 有兩個 16 位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(I/O)口：AT89S51 共有 4 組 8 位 I/O 口(P0、 PP2 或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。中斷系統(tǒng)AT89S51 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時 /計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。本設(shè)計使用的是單片機作為核心的控制元件，使得電路的可靠性比較高，功能也比較強大，而且可以隨時更新系統(tǒng)，根據(jù)道路情況適時調(diào)整交通燈的狀態(tài)，全面有效地利用交通燈指示交通情況。AT89S51 單機的電源線有以下兩種：（1） VCC： +5V 電源線。電源線 （2） GND：接地線。河南城建學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 硬件電路設(shè)計9硬件電路的設(shè)計 時鐘電路和復(fù)位電路 時鐘電路系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。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晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 30pF。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。圖 時鐘電路外部方式的時鐘很少用，若要用時，只要將 XTAL1 接地，XTAL2 接外部振蕩器就行。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz 的方波信號。 復(fù)位電路使 CPU 進入初始狀態(tài)，從 0000H 地址開始執(zhí)行程序的過程叫系統(tǒng)復(fù)位。從實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位的方法來看，系統(tǒng)復(fù)位可分為硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。硬件復(fù)位必須通過 CPU 外部的硬件電路給 CPU 的 RESET 端加上足夠的時間高電位才能實現(xiàn)。上電復(fù)位、人工按鈕復(fù)位和硬件看門狗復(fù)位都是硬件復(fù)位。硬件復(fù)位后，各專用寄存器均被初始化，且對片內(nèi)通用寄存器沒有影響。軟件復(fù)位就是用一系列指令來模擬硬件復(fù)位功能，最后通過轉(zhuǎn)移指令使程序從 0000H 地址開始執(zhí)行。對各專用寄存器的復(fù)位操作是容易的，也沒必要完全模擬，可根據(jù)實際情況需要在主程序初始化完成。河南城建學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 硬件電路設(shè)計10本次設(shè)計的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的，即人工按鈕實現(xiàn)。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復(fù)位電路。復(fù)位電路如圖 所示。圖 復(fù)位電路 控制模塊控制模塊電路如圖所示。AT89S51 的 P1 口用于控制南北東西通行燈，P3，P2，P0 口用于 2 位 LED 顯示器的段碼控制。 /VPP接＋5V 電源端，晶振及復(fù)位按典型電路設(shè)計，晶振頻EA率為 12MHz。控制模塊電路圖如圖 所示。河南城建學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 硬件電路設(shè)計11圖 控制系統(tǒng) 信號燈模塊由 12 個 LED 來實現(xiàn)紅綠燈狀態(tài)，若直接接在單片機的相關(guān)口線，路口倒計時的顯示就不能實現(xiàn)，所以本次設(shè)計中采用一種比較簡單電路如圖 所示。河南城建學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 硬件電路設(shè)計12圖 燈控制電路觀察圖可以看出：四組發(fā)光管（每組含有紅，黃，綠三種燈各一個）一端連接在單片機上，另一端接地。圖中電阻串聯(lián)的二極管的作用是為了分壓，防止因上下兩組發(fā)光管分壓不同導(dǎo)致邏輯的錯誤，以及防止由于在導(dǎo)電的瞬間電壓過高損壞二極管。共四組和上述相同的電路分別代表東西南北四個方向的紅綠燈，使用單片機軟件系統(tǒng)對二極管控制，低電平驅(qū)動。從而控制十字路口交通燈的燈滅和燈亮情況。 顯示模塊 數(shù)碼管介紹LED 顯示器的顯示控制方式按驅(qū)動方式可分成靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式兩種。對于多位 LED 顯示器，通常都是采用動態(tài)掃描的方法進行顯示，其硬件連接方式如系統(tǒng)原理圖。在動態(tài)方式中，逐個地循環(huán)地點亮各位顯示器。這樣雖然在任一時刻只有一位顯示器被點亮，但是由于人眼具有視覺殘留效應(yīng)，看起來與全部顯示器持續(xù)點亮效果完全一樣。本次采用四組兩個數(shù)碼管，同時為了節(jié)省口資源，采用串口顯示的方式驅(qū)動數(shù)碼管。數(shù)碼管的圖示如圖 所示。 河南城建學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 硬件電路設(shè)計13圖 數(shù)碼管 LED 顯示器的顯示方法 在單片機系統(tǒng)中，通常用 LED 數(shù)碼顯示器來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。七段 LED 顯示器由八個發(fā)光二極管組成。其中 7 個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個圓點形的放光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字及部分英文字母。LED 顯示器有兩種不同的形式：一種是 8 個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱為共陽極 LED 顯示器；另一種是 8 個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱為共陰極 LED。圖 為共陰極 LED 顯示器。 圖 共陰極 共陰和共陽結(jié)構(gòu)的 LED 顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示各種字符。8 個筆劃段hgfedcba 對應(yīng)于一個字節(jié)（8 位）的 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用 8 位二進制碼就可以表示欲顯示字符的字型代碼。例如，對于共陰 LED 顯示器，當(dāng)公共陰極接地（為零電平） ，而陽極 hgfedcba 各段為 0111011 時，顯示器顯示P字符，即對于共陰極 LED 顯示器， “P”字符的字形碼是 73H。如果是共陽 LED 顯示器，公共陽極接高電平。 本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示接口電路，動態(tài)顯示接口電路是把所有顯示器的 8個筆劃段 ah 同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極 COM 各自獨立地受 I/O線控制。CPU 向字段輸出口送出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于 COM 端。也就是說我們可以采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的 COM 端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間是極為短暫的（約 1ms） ，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，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)，不會有閃爍感。常用的 LED 顯示器有 LED 狀態(tài)顯示器（俗稱發(fā)光二極管） 、LED 七段顯示器（俗稱數(shù)碼管）和 LED 十六段顯示器。發(fā)光二極管可顯示兩種狀態(tài)，用于系統(tǒng)狀態(tài)顯示；數(shù)碼管用于數(shù)字顯示；LED 十六段顯示器用于字符顯示。本次設(shè)計采用共陽極的數(shù)碼管接法。河南城建學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 硬件電路設(shè)計14 報警模塊報警電路使用的蜂鳴器是廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等許多應(yīng)用場合。蜂鳴器與家用電器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的 TTL 電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以，這一點與家用電器中的功放有相似之處三極管的 B 極通過 AT89S51 單片機的 腳控制，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號 ALARM 電氣連接。當(dāng) 腳為高電平時三極管截止，蜂鳴器不叫，當(dāng) 腳為低電平時三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音，使用電路圖如圖 所示。圖 報警電路 按鍵 模塊在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路及專一的復(fù)位功能外，其它按鍵都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)的。當(dāng)所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時，計算機應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成該按鍵所設(shè)定的功能，鍵信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過程。對于一組鍵或一個鍵盤，總有一個接口電路與 CPU 相連。CPU 可以采用查詢或中斷方式了解有無將鍵輸入，并檢查是哪一個鍵按下，將該鍵號送入累加器 ACC，然后通過跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序，執(zhí)行完后再返回主程序。微機鍵盤通常使用機械觸點式按鍵開關(guān)，其主要功能是把機械上的通斷轉(zhuǎn)換成為電氣上的邏輯關(guān)系。也就是說，它能提供標(biāo)準的 TTL 邏輯電平，以便與通用數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電平相容。機械式按鍵再按下或釋放時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來。抖動時間的長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般為 5?10 ms，在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認為是