交通灯控制系统模拟设计(编辑修改稿)

交通灯控制系统模拟设计(编辑修改稿)内容摘要：

交通灯控制系统模拟设计 8 第 3 章 硬 件系统设计 单片机的选择 AT89C51 单片机简介 AT89C51 是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051 是一种带 2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51指令集和输出管脚 相兼容。 由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051是它的一种精简版本。 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51 单片机的主要特性 与 MCS51 兼容 ， 4K 字节可编程闪烁存储器 ， 寿命： 1000 写 /擦循环 ， 数据保留时间： 10 年 ， 全静态工作： 0Hz24Hz， 三级程序存储器锁定 ， 128*8 位内部 RAM， 32可编程 I/O 线 ， 两个 16 位定时器 /计数器 ， 5 个中断源 （两个外部中断源和 3 个内部中断源） ， 可编程串行通道 ， 低功耗的闲置和掉电模式 ， 片内振荡器和时钟电路。 时钟电路： 时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。 中断系统： 中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。 AT89S51 共有 5个中断源，其中又 2 个外部中断源和 3 个内部中断源。 交通灯控制系统模拟设计 9 图 3 AT89C51系列单片机的内部结构示意图 主要引脚功能 图 4 AT89C51 引脚图 VCC：电源电压 GND：接地 P0 口： P0口是一组 8 位双向 I／ 0口。 P0 口即可作地址 ／数据总线使用，又可以交通灯控制系统模拟设计 10 作为通用的 I/O 口使用。 当 CPU访问片外存储器时， P0口分时先作低 8 位地址总线，后作双向数据总线，此时， P0 口就不能再作 I/O 口使用了。 在访问期间激活要使用上拉电阻。 P1 口： Pl 是一个带内部上拉电阻的 8准位双向 I／ O口， P1 作为通用的 I/O 口使用。 P2 口： P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位准双向 I／ O 口， P2即可作为通用的I/O 口使用，也可以作为片外存储器的高 8 位地址总线，与 P0 口配合，组成 16位片外存储器单元地址。 P3 口： P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位准 双向 I／ 0 口。 P3 口除了作为通用的 I/O 口使用之外，每个引脚还具有第二功能，具体分配如 下 表 具有第二功能的 P3口引脚 ： 端口引脚 第二功能： RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INT0（外中断 0） / INT1（外中断 1） T0（定时／计数器 0 外部输入） T1（定时／计数器 1 外部输入） / WR（外部数据存储器写选通） / RD 外部数据存储器读选通） RST：复位输入。 当振荡器工作时， RST 引脚 出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR 的 DISRT0 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。 DISRT0 位缺省为 RESET 输出高电平打开状态。 ALE／ PROG———— ：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。 即使不访问外部存储器， ALE 仍以时钟振荡频率的 1／ 6 输出固定的 正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 对 F1ash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ PROG）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。 该位置位后，只有一条 M0VX 和 M0VC指令 ALE 才会被激活。 此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 无效。 PSEN———— 程序储存允许（ PSEN———— ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S51 交通灯控制系统模拟设计 11 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN————有效，即输出两个脉冲。 当访问外部数据存储器，没有两次有效的 PSEN————信号。 EA—— ／ VPP：外部访问允许。 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H－FFFFH）， EA 端必须保持低电平（接地）。 需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平（接 VCC 端）， CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 F1ash 存储器编程时，该引脚加上 +12V的编程电压 Vcc。 XTAL1： 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 C51 的中断源 C51 有 5 个中断源，它们是两个外中断 INT0（ ）和 INT1（ ）、两个片内定时 /计数器溢出中断 TF0 和 TF1，一个是片内串行口中断 TI 或 RI，这几个中断源由TCON 和 SCON 两个特殊功能寄存器进行控制 ,其中 5 个中断源的程序入口地址如 下 表所示： 中断源的服务程序入口地址 中断源 入口地址 外中断 0 0003H 定时 /计数器 0 000BH 外中断 1 0013H 定时 /计数器 0 001BH 串行口中断 0023H 硬件电路实现 选用设备 8051 单片机一片，共阴极的七段两位数码管两个，红、黄、交通灯各四个，绿发光二极管 8个，按键三个、电容两个 22pF，电阻十六个 470Ω，晶体振荡器一个，连线若干。 最小系统设计 单片机最小系统有一个单片机加上一个复位电路和振荡电路组成。 如图 32 所示。 1．复位电路 单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚 RST上外接电阻和电容，实现上电复位。 当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。 复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。 具体数值可以由 RC 电路计算出时间 常数。 复位电路由手动复位和上电复位两部分组成。 （ 1）上电复位电路要求接通电源后，通过外部电容充电来实现单片机自动复位操交通灯控制系统模拟设计 12 作。 上电瞬间 RESET 引脚获得高电平，随着电容的充电， RERST 引脚的高电平将逐渐下降。 RERST 引脚的高电平只要能保持足够的时间（ 2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。 （ 2）手动复位：手动复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、 RST 也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。 单片机复位期间不产生 ALE和 PSEN 信号，即 ALE=1 和 PSEN=1。 这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。 本设计的复位电路，如图 32所示 图 32 复位电路图 单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。 单片机的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。 在内部时钟方式下单片机内部的高增 益、反相放大器通过 XTAL XTAL2 外接作为反馈元件的外部晶体管振荡器与电容组成的并联谐振回路构成一个稳定的自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。 振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率。 MCS51 单片机的晶体振荡频率可以再 112MHz 范围内选择，电容 C C2的选择范围是 1545pF，电交通灯控制系统模拟设计 13 容的大小会影响振荡器的稳定性和起振速度。 外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。 此方式常用于多片单片机同时工作，以便于各单片机的同步。 一般要求外部信号高电平的持续时间大于 20μ s，且为频率低于 12MHz 的方波。 本设计采用内部时钟方式，采用 的晶振和两个 22pF 的电容。 如图 3所示。 图 33 振荡电路图 显示设计 LED 显示器由七个发光二极管组成，因此也称之为七段 LED 显示器，此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以 dp 表示），用于显示小数点。 通过七段发光二极管的不同组合，可以显示多种数字、字母或者其他符号。 LED 显示器中的发光二极管共有两种连接方法。 如图 33所示。 （ 1）共阳极接法 把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。 使用时公共阳极接 +5V。 这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。 （ 2）共阴极接法 把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。 使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。 交通灯控制系统模拟设计 14 图 33 LED引脚图及两种连接方法 此设计用共阴级的 2位数码管，如图 34所示： 图 34 二位数码管 经过万用表测定，此设计所用的数码管的引脚图，如下图 35 所示： 图 35 实物数码管引脚图 交通灯控制系统模拟设计 15 LED 显示分为动态显示和静态显示 （ 1）静态显示，是指显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。 这种显示方法每一位都需要有一个 8 位输出控口控制，占用硬件资源多，一般用于显示位数较少场合。 静态显示时，较小的驱动电流就可以得 到较高的显示亮度，所以可由接口芯片直接驱动。 （ 2）动态显示， 是一位一位地轮流点亮各位数码管。 对于多位 LED 显示器的接口电路来说，需要有两个输出口：各位数码管的段控线相应并联在一起，由一个 8位的 I/O口控制，还学要一个输出口输出位控制信号，“位控”实际上就是对 LED 显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器个数相同。 这种电路的特点是节省 I/O 口线，硬件电路相对静态显示方式简单。 动态显示方式的硬件电路简单，动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式，利用人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短，发光的 亮度等因素。 静态显示程序简单，且 CPU占用率低，但每个 LED 数码管需要一个锁存器来锁存每一个显示位的代码，硬件开销大，仅适合显示位数较少的场合。 本设计采用两个二位一体共阴数码管，不管将几位数码管连在一起，数码管的显示原理都是一样的，用 P0 口来控制 LED 数码管的段控线和和利用 P2 口控制位控线，动态显示采用动态扫描的方法进行显示及循环点亮每一个数码管，虽然任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在暂留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。 图 36 二位数码管 交通灯控制系统模拟设计 16 发光二极管模拟红绿灯 它是 半导体二极管 的。