【正文】 片機控制系統(tǒng)。 3 芯片的選擇與簡介 MCS51 芯片簡介 MCS51 單片機內部結構 8051 是 MCS51 系列單片機的典型產品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。 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 負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的工作，完成運算和控 制輸入輸出功能等操作。 數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) 基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 2 8051 內部有 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)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。 程序存儲器 (ROM)： 8051共有 4096 個 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定時 /計數(shù)器 (ROM)： 8051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)產生中斷用于控制程序轉向。 并行輸入輸出 (I/O)口： 8051 共有 4組 8 位 I/O 口 (P0、 P P2或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 全雙工串行口： 8051 內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。 中斷系統(tǒng)： 8051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。 時鐘電路： 8051內置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路，用于產生整個單片機運 行的脈沖時序，但 8051 單片機需外置振蕩電容。 INTEL 的 MCS51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產品 16位的 MCS96系列單片機則采用普林斯頓結構。 圖 2 MCS51 結構圖 MCS51 的引腳說明： MCS51 系列單片機中的 803 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP結構，右圖是它們的引腳配置， 40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根， 4組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3口線復用。初始化后，程序計數(shù)器 PC 指向 0000H， P0P3 輸出口全部為高電平，堆棧指 針 寫入 07H，其它專用寄存器被清 “0” 。然而，初始復位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的狀態(tài)， 8051 的初始態(tài) 。此外， RESET/Vpd還是一復用腳， Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。Pin30:ALE/ 當訪問外部程序器時， ALE(地址鎖存 )的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。更有一個特點，當訪問外部程 序存儲器， ALE會跳過一個脈沖。 如 EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。 在編程時， EA/Vpp腳還需加上 21V 的編程電壓。其內部還有一個控制寄存器，即控制口。 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，每個端口包含一個 4位鎖存器。 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；一個是方式選擇控制字；另一個是 C 口按位置位／復位控制字。 方式控制字格式說明如表 1： 表 1 D7：設定工作方式標志， 1 有效。適用于三個端口中的任何一個。輸出可被鎖存，輸入不能鎖存。這時 A口或 B口的 8位外設線用作輸入或輸出，C口的 4條線中三條用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆?lián)絡信號和中斷請求信號。只有 A 口具備雙向總線方式， 8位外設線用作輸入或輸出，此時 C口的 5條線用作通訊聯(lián)絡信號和中斷請求信號。如圖 5 圖 5 數(shù)碼管示意圖 VT 為雙向晶閘管，當門極為高電平時晶閘管導通，該支路指示燈亮；當門極為低電平時晶閘管關斷，該支路指示燈滅。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許 通行。設 A道比 B道的車流量大，指示燈燃亮的方案如表 2。 （ 2）當 A 到為紅燈， A 道車輛禁止通行， A 道行人可通過 ； B 道為綠燈， B 道車輛通過，行人禁止通行。 （ 3）當 A 道綠燈， A 道車輛通行； B 道為紅燈， B 道車輛禁止通過，行人通行。 A道車流大 通行時間長 3 60 3 80 3 60 ?? A道 黃燈亮 紅燈亮 黃燈亮 綠燈亮 黃燈亮 紅燈亮 ?? B道 黃燈亮 綠燈亮 黃燈亮 紅燈亮 黃燈亮 綠燈亮 ?? 基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 7 （ 4）這樣如上表的時間和紅、綠、黃出現(xiàn)的順序依次出現(xiàn)這樣行人和車輛就能安全暢通的通行。 4． 2． 1 系統(tǒng)總框圖如下： 圖 6 系統(tǒng)總框圖 4． 2． 2 交通燈控制線路圖 基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 8 圖 7 交通燈控制線路圖 基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 9 4． 2． 3 系統(tǒng)工作 原理 (1)開關鍵盤輸入交通燈初始時間，通過 8031 單片機 P1輸入到系統(tǒng) (2)由 8031 單片機的定時器每秒鐘通過 P0口向 8255 的數(shù)據(jù)口送信息，由 8255的 PC 口顯示紅、綠、黃燈的燃亮情況；由 8255的 PA、 PB口顯示每個燈的燃亮時間。 (4)通過 8031 單片機的 位來控制系統(tǒng)是工作或設置初值，當 為 0就對系統(tǒng)進行初始化，為 1 系統(tǒng)就開始工作。 (6)在交通控制程序中加入看門狗指令，當系統(tǒng)出現(xiàn)異?？撮T狗將發(fā)出溢出中斷。 計 數(shù)器硬件延時 計數(shù)器初值計算 定時器工作時必須給計數(shù)器送計數(shù)器初值，這個值是送到 TH 和 TL 中的。因此，我們可以把計數(shù)器記滿為零所需的計數(shù)值設定為 C和計數(shù)初值設定為 TC 可得到如下計算通式： TC=MC 式中， M為計數(shù)器摸值，該值和計數(shù)器工作方式有關。在中斷服務子程序中， CPU 先使軟件計數(shù)器減 1，然后判斷它是否為零。 相應程序代碼 (1)主程序 定時器需定時 50 毫秒，故 T0 工作于方式 1。 令 T0為定時器方式１ MOV TH0, 3CH 。 MOV IE, 82H 。啟動 T0 計數(shù)器 MOV RO, 14H 。等待中斷 (2)中斷服務子程序 ORG 000BH AJMP BRT0 ORG 00BH BRTO： DJNZ R0， NEXT 基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 11 AJMP TIME ?；謴?R0值 MOV TH0, 3CH 。 MOV IE, 82H RET1 END 軟件延時 MCS51 的工作頻率為 212MHZ，我們選用的 8031 單片機的工作頻率為 6MHZ。我們可以知道具體每條指令的周期數(shù)，這樣我們就可以通過指令的執(zhí)行條數(shù)來確定 1 秒的時間。 時間及信號燈的顯示 基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 12 8031 并行口的擴展 8031 雖然有 4 個 8位 I/O 端口 ,但真正能提供借用的只有 P1 口 ,因為 P2 和 P0口通常用于傳送外部傳送地址和數(shù)據(jù) ,P3 口也有它的第二功能。由于我們用外輸出時間時，時間的個位、十位、信號燈的顯示都要用到一個 I/O 端口，顯然 8031 的端口是不夠，需要擴展。我們用 8255 并行接口信片來擴展 I/O端口。 8255 輸出信號的放大 ： 要使行人能看見信號燈的情況，必須把 8255 輸出的信號進行放大，這里我們用 VT 為雙向晶閘管，當門極為高電平時晶閘管導通，該支路指示燈亮；當門極為低電平時關斷，該支路指示燈滅。 系統(tǒng)的程序源代碼 見附錄 2。設置看門狗是為了防止單片機死機、提高單片機系統(tǒng)抗干擾性的一種重要途徑。這種外界干擾輕者導致 系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)出錯，重者基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 16 將嚴重影響程序的運行。在一個單片機應用系統(tǒng)中，所謂的“看門狗”是指在系統(tǒng)設計中通過軟件或硬件方式在一定的周期內監(jiān)控單片機或其他 CPU的 運行情況。在單片機系統(tǒng)中，看門狗的設計一般采用硬件和軟件結合兩種方式。 使用軟件看門狗的具體實現(xiàn)方法如下。 (2)根據(jù)定時器的定時時間，在主程序中按一定的間隔插入復位定時器的指令，既插入監(jiān)控指令，兩條指令間的時間間隔應該小于定時時間，否則看門狗將發(fā)生錯誤動作。 軟件看門狗的最大特點是無須外加硬件電路，經濟性好。 硬件看門狗 專用硬件看門狗是指一些集成化的或集成在單片機內的專用看門狗電路，它實際上是一個特殊的定時器，當定時時間到時，發(fā)出溢出脈沖。而當程序運行異常時，看門狗超時發(fā)出溢出脈沖，通過單片機 的 RESET 引腳使單片機復位。目前常用的集成看門狗電路很多，如 MAX705~70 MAX813L、 X5043/5045 等。看門狗電路是指看門狗的硬件電路基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 17 包含在單片機內部，如 Microchip 的 16C5x 系列， MOTOROLA 的 68C05 系列， 51內核中比較典型的有 Atmel 公司的 AT89C55WD、 AT89S8252， Winbond 公司的 W77E58，SST公司的 SST89C58 以及 Philips 公司 87系列的多種型號的單片機等。外部看門狗電路既可以用專用看門狗芯片，也可由普通芯片實現(xiàn)。 MAX692 是微系統(tǒng)監(jiān)控電路芯片，具有后備電池切換、掉電判別、看門狗監(jiān)控等功能。 VOUT VBATT VCC RESET GND WDI PFI /PFD 圖 10 MAX692 封裝和引腳 VOUT：電源輸出引腳。 GND：接地。 /PFO： 電池故障輸出。 /RESET：復位輸出引腳，低電平有效。 MAX692 在本文的單片機系統(tǒng)中的具體使用方法和電路原理圖如圖 11所示。 /RESET 是復位信號輸出腳，接到 CPU的復位輸入腳。如果 WDI 保持高或低超過看門狗定時周期（ ）， /RESET 端將發(fā)生 200ms 的負 脈沖使 CPU復位 MAX692 1 2 3 4 5 6 7 8 基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 18 圖 11 MAX692 電路原理圖 7 結論 本系統(tǒng)就是充分利用了 8031 和 8255 芯片的 I/O 引角， 采用 MCS51系列單片機 Intel8031 和可編程并行 I/O 接口芯片 8255A 為中心器件來設計交通燈控制器，實現(xiàn)了能根據(jù)實際車流量通過 8031芯片的 P1 口設置紅、綠燈燃亮時間的功能；為了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠采用了 MAX629“ 看門狗 ” 芯片，避免了系統(tǒng)因為死機而停止工作的情況發(fā)生；顯示時間直接通過 8255 的 PA、 PB輸出；交通燈信號通過 PC口輸出；交通燈的點亮采用 VT雙向晶閘管來控制，直接采用 220V 交流電源驅動， 系統(tǒng)設計簡便、 實用性強 、 操作簡單 、程序設計簡便。這是由于本身地理位子以及車流量情況所定，如果有需要可以設計擴充原系統(tǒng)來實現(xiàn) 通過這次畢業(yè)設計，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉。 基于單片機的交通燈控制器的研究與設計 19 致謝 首先感謝我的導師蔣烈輝教授和何紅旗講師，感謝 他們在我整個畢業(yè)實習階段所給予我的關心、幫助和指導。他們科學的思維方法、崇高的敬業(yè)精神、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及對我各方面的幫助，使我終生難忘。在與大家的交流與討論中，我學到了很多東西，對我課題的進展有很大的幫助。 一、 2020 年及 “十二五 ”時期主要工作回顧 2020 年是 “十二