基于单片机的交通控制系统 毕业论文.doc

南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 (论 文 ) 作 者 ： 学 号 ： 240072310 系 部 ： 康 尼 学 院 专 业 ： 通 信 工 程 题 目 ： 基 于 单 片 机 的 交 通 灯 控 制 系 统 指 导 者 ： 评 阅 者 ： 2011 年 6 月 南 京 a dissertation submitted to nanjing institute of technology for the academic degree of bachelor of science by s upervised by college of communication engineering nanjing institute of technology june 2011 the traffic light control system based on single chip professor 第 1 页 摘 要 交 通 灯 控 制 系 统 是 城 市 车 辆 的 交 通 运 行 ， 避 免 交 通 拥 塞 和 交 通 事 故 的 重 要 组 成 部 分 ， 随 着 私 家 车 的 增 加 ， 城 市 道 路 变 得 越 来 越 拥 挤 ， 交 通 灯 的 作 用 显 得 更 为 重 要 ， 所 以 设 计 一 个 合 理 控 制 的 交 通 灯 系 统 具 有 重 要 意 义 。 本 文 介 绍 了 一 种 基 于 单 片 机 控 制 的 交 通 灯 控 制 系 统 。 该 系 统 采 用 8051 单 片 机 为 控 制 核 心 ， 以 七 段 led 数 码 管 作 为 等 待 或 通 行 时 间 显 示 ， led 作 为 交 通 灯 红 、 黄 、 绿 显 示 。 系 统 采 用 上 电 自 动 复 位 ， 时 间 显 示 采 用 倒 计 时 方 式 ， 四 组 红 、 黄 、 绿 三 色 灯 用 发 光 二 极 管 作 为 模 拟 交 通 信 号 灯 ， 可 以 模 拟 各 种 道 路 交 通 灯 控 制 情 况 。 关 键 词 ： led 数 码 显 示 ;单 片 机 ； 交 通 灯 ； 第 2 页 abstract traffic light control system is to run the city of vehicles to avoid traffic congestion and an important part of traffic accidents. with the increase of private cars, urban roads become more and more crowded, the role of traffic lights is more important. so the reasonable control of the design of a traffic light system is of great significance. this paper describes a scm based traffic light control system. the system uses 8051 as the control center, seven-segment led digital display as a waiting or travel time and led traffic light as red, yellow, green display. system is automatically reset on power, using the countdown time method to display and four groups of red, yellow, and green light emitting diodes used as a simulation of traffic lights. it can simulate all kinds of road traffic lights control the situation. key words： led digital display； scm； traffic 第 3 页 目 录 第 一 章 绪 论 .1 1.1 引 言 1 1.2 选 题 背 景 与 意 义 2 1.3 研 究 现 状 3 1.4 论 文 主 要 研 究 内 容 5 1.5 主 要 章 节 安 排 5 第 二 章 单 片 机 概 述 .6 2.1 前 言 .6 2.2 stc89c52rc 单 片 机 简 介 8 第 三 章 系 统 硬 件 设 计 16 3.1 交 通 灯 的 方 案 论 证 .16 3.2 系 统 方 案 选 择 与 比 较 16 3.3 交 通 灯 原 理 图 设 计 与 分 析 .19 3.4 元 器 件 清 单 .21 第 四 章 系 统 软 件 的 设 计 23 4.1 信 号 灯 燃 亮 时 间 原 理 .23 4.2 系 统 流 程 图 .27 4.3 程 序 源 代 码 .28 第 五 章 系 统 的 制 作 与 调 试 40 5.1 系 统 硬 件 部 分 的 制 作 与 调 试 .40 5.1.1 系 统 硬 件 制 作 40 5.1.2 硬 件 电 路 的 制 作 与 调 试 41 5.2 软 件 的 实 现 与 调 试 .44 5.2.1 软 件 的 实 现 44 5.2.2 软 件 调 试 45 第 六 章 总 结 与 展 望 47 致 谢 .48 参 考 文 献 .49 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 第 一 章 绪 论 1.1 引 言 在 今 天 ， 红 绿 灯 安 装 在 各 个 道 口 上 ， 已 经 成 为 疏 导 交 通 车 辆 最 常 见 和 最 有 效 的 手 段 。 但 这 一 技 术 在 19 世 纪 就 已 出 现 了 。 1858 年 ， 在 英 国 伦 敦 主 要 街 头 安 装 了 以 燃 煤 气 为 光 源 的 红 ， 蓝 两 色 的 机 械 扳 手 式 信 号 灯 ， 用 以 指 挥 马 车 通 行 。 这 是 世 界 上 最 早 的 交 通 信 号 灯 。 1868 年 ， 英 国 机 械 工 程 师 纳 伊 特 在 伦 敦 威 斯 敏 斯 特 区 的 议 会 大 厦 前 的 广 场 上 ， 安 装 了 世 界 上 最 早 的 煤 气 红 绿 灯 。 它 由 红 绿 两 种 旋 转 式 方 形 玻 璃 提 灯 组 成 ， 红 色 表 示 “停 止 ”， 绿 色 表 示 “注 意 ”。 1869 年 1 月 2 日 ， 煤 气 灯 爆 炸 ， 使 警 察 受 伤 ， 遂 被 取 消 。 1914 年 ， 电 气 启 动 的 红 绿 灯 出 现 在 美 国 。 这 种 红 绿 灯 由 红 绿 黄 三 色 圆 形 的 投 光 器 组 成 ， 安 装 在 纽 约 市 5 号 大 街 的 一 座 高 塔 上 。 红 灯 亮 表 示 “停 止 ”， 绿 灯 亮 表 示 “通 行 ”。 1918 年 ， 又 出 现 了 带 控 制 的 红 绿 灯 和 红 外 线 红 绿 灯 。 带 控 制 的 红 绿 灯 ， 一 种 是 把 压 力 探 测 器 安 在 地 下 ， 车 辆 一 接 近 红 灯 便 变 为 绿 灯 ； 另 一 种 是 用 扩 音 器 来 启 动 红 绿 灯 ， 司 机 遇 红 灯 时 按 一 下 嗽 叭 ， 就 使 红 灯 变 为 绿 灯 。 红 外 线 红 绿 灯 当 行 人 踏 上 对 压 力 敏 感 的 路 面 时 ， 它 就 能 察 觉 到 有 人 要 过 马 路 。 红 外 光 束 能 把 信 号 灯 的 红 灯 延 长 一 段 时 间 ， 推 迟 汽 车 放 行 ， 以 免 发 生 交 通 事 故 。 信 号 灯 的 出 现 ， 使 交 通 得 以 有 效 管 制 ， 对 于 疏 导 交 通 流 量 、 提 高 道 路 通 行 能 力 ， 减 少 交 通 事 故 有 明 显 效 果 。 1968 年 ， 联 合 国 道 路 交 通 和 道 路 标 志 信 号 协 定 对 各 种 信 号 灯 的 含 义 作 了 规 定 。 绿 灯 是 通 行 信 号 ， 面 对 绿 灯 的 车 辆 可 以 直 行 ， 左 转 弯 和 右 转 弯 ， 除 非 另 一 种 标 志 禁 止 某 一 种 转 向 。 左 右 转 弯 车 辆 都 必 须 让 合 法 地 正 在 路 口 内 行 驶 的 车 辆 和 过 人 行 横 道 的 行 人 优 先 通 行 。 红 灯 是 禁 行 信 号 ， 面 对 红 灯 的 车 辆 必 须 在 交 叉 路 口 的 停 车 线 后 停 车 。 黄 灯 是 警 告 信 号 ， 面 对 黄 灯 的 车 辆 不 能 越 过 停 车 线 ， 但 车 辆 已 十 分 接 近 停 车 线 而 不 能 安 全 停 车 时 可 以 进 入 交 叉 路 口 4。 智 能 的 交 通 信 号 灯 指 挥 着 人 和 各 种 车 辆 的 安 全 运 行 ,实 现 红 、 黄 、 绿 灯 的 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 自 动 指 挥 是 城 乡 交 通 管 理 现 代 化 的 重 要 课 题 .在 城 乡 街 道 的 十 字 交 叉 路 口 ,为 了 保 证 交 通 秩 序 和 行 人 安 全 ,一 般 在 每 条 道 路 上 各 有 一 组 红 、 黄 、 绿 交 通 信 号 灯 , 其 中 红 灯 亮 ,表 示 该 条 道 路 禁 止 通 行 ; 黄 灯 亮 ,表 示 该 条 道 路 上 未 过 停 车 线 的 车 辆 停 止 通 行 ,已 过 停 车 线 的 车 辆 继 续 通 行 ; 绿 灯 亮 ,表 示 该 条 道 路 允 许 通 行 .交 通 灯 控 制 电 路 自 动 控 制 十 字 路 口 两 组 红 、 黄 、 绿 交 通 灯 的 状 态 转 换 ,指 挥 各 种 车 辆 和 行 人 安 全 通 行 ,实 现 十 字 路 口 城 乡 交 通 管 理 自 动 化 1。 本 文 为 了 实 现 交 通 道 路 的 管 理 ,力 求 交 通 管 理 先 进 性 、 科 学 化 . 分 析 应 用 了 单 片 机 实 现 交 通 灯 管 制 的 控 制 系 统 ,以 及 该 系 统 软 、 硬 件 设 计 方 法 ,实 验 证 明 该 系 统 实 现 简 单 、 经 济 ,能 够 有 效 地 疏 导 交 通 ,提 高 交 通 路 口 的 通 行 能 力 。 1.2 选 题 背 景 与 意 义 随 着 我 国 经 济 的 高 速 发 展 ， 人 们 生 活 水 平 的 提 高 ， 人 们 对 各 种 交 通 车 辆 的 需 求 越 来 越 大 ， 城 市 的 交 通 拥 挤 问 题 日 趋 严 重 ， 因 此 提 高 城 市 路 网 的 通 行 能 力 、 实 现 道 路 交 通 的 科 学 化 管 理 迫 在 眉 睫 。 目 前 ， 大 部 分 城 市 的 十 字 路 口 交 通 控 制 灯 、 通 常 的 做 法 是 ： 事 先 经 过 车 辆 流 量 的 调 查 ， 运 用 统 计 的 方 法 将 两 个 方 向 红 绿 灯 的 延 时 预 先 设 置 好 。 然 而 ， 实 际 上 车 辆 流 量 的 变 化 往 往 是 不 确 定 的 ， 有 的 路 口 在 不 同 的 时 段 甚 至 可 能 产 生 很 大 的 差 异 。 即 使 是 经 过 长 期 运 行 、 较 适 用 的 方 案 ， 仍 然 会 发 生 这 样 的 现 象 ： 绿 灯 方 向 几 乎 没 有 什 么 车 辆 ， 而 红 灯 方 向 却 排 着 长 队 等 候 通 过 。 这 种 流 量 变 化 的 偶 然 性 是 无 法 建 立 准 确 模 型 的 ， 统 计 的 方 法 已 不 能 适 应 迅 猛 发 展 的 交 通 现 状 ， 更 为 现 实 的 需 要 是 能 有 一 种 能 够 根 据 流 量 变 化 情 况 自 适 应 控 制 的 交 通 灯 6。 交 通 运 输 对 经 济 发 展 的 制 约 作 用 不 同 程 度 地 普 遍 存 在 每 个 国 家 ， 如 何 解 决 大 城 市 周 围 地 区 交 通 拥 挤 和 堵 塞 现 象 几 乎 成 了 最 为 棘 手 的 难 题 。 交 通 信 号 灯 的 出 现 ， 使 交 通 得 以 有 效 管 制 。 近 年 来 单 片 机 技 术 发 展 的 非 常 迅 速 ， 有 单 片 机 做 成 的 产 品 外 围 元 件 很 少 ， 能 实 现 的 功 能 却 很 广 ， 广 泛 应 用 于 工 业 ， 交 通 等 。 兼 于 此 ， 特 用 单 片 机 设 计 此 电 路 。 交 通 灯 在 这 个 交 通 环 境 中 起 着 一 个 重 要 的 角 色 ， 是 交 通 管 理 部 门 管 理 交 通 的 重 要 工 具 。 国 内 的 交 通 灯 一 般 设 在 十 字 路 口 ， 在 醒 目 位 置 用 红 、 绿 、 黄 三 种 颜 色 的 指 示 灯 ， 加 上 一 个 倒 计 时 的 显 示 计 时 器 来 控 制 行 车 7。 交 通 信 号 灯 是 城 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 市 交 通 有 序 、 安 全 、 快 速 运 行 的 重 要 保 障 ， 而 保 障 交 通 信 号 灯 正 常 工 作 就 成 了 保 障 交 通 有 序 、 安 全 、 快 速 运 行 的 关 键 。 为 此 ， 采 用 mcs-51 系 列 单 片 机 stc89c52rc 为 中 心 器 件 来 设 计 交 通 灯 控 制 电 路 ， 实 现 了 能 根 据 实 际 车 流 量 通 过 8051 芯 片 的 i/o 口 设 置 红 绿 灯 燃 亮 的 时 间 的 功 能 ； 红 绿 灯 循 环 点 亮 ， 倒 计 时 剩 5 秒 时 黄 灯 闪 烁 警 示 ， 三 种 颜 色 灯 交 替 点 亮 以 及 紧 急 情 况 下 的 中 断 处 理 功 能 2。 事 实 证 明 ， 智 能 的 交 通 灯 能 有 效 地 缓 解 城 市 的 交 通 压 力 ， 减 少 交 通 事 故 ， 为 人 民 节 省 大 量 出 行 时 间 ， 创 造 出 更 多 的 社 会 价 值 。 1.3 研 究 现 状 随 着 我 国 经 济 的 高 速 发 展 ， 人 们 对 私 家 车 、 公 交 车 的 需 求 越 来 越 大 。 相 应 地 ， 我 国 进 入 wto 以 后 ， 我 国 经 济 贸 易 与 世 界 接 轨 ， 汽 车 业 关 税 大 大 降 低 ， 使 很 多 人 都 能 负 担 得 起 ， 买 私 家 车 不 再 是 梦 想 。 但 是 ， 私 家 车 、 公 交 车 的 大 增 无 疑 会 对 我 国 交 通 系 统 带 来 沉 重 的 压 力 。 放 眼 现 在 的 中 国 ， 如 广 州 、 香 港 、 上 海 等 大 都 市 ， 无 不 受 到 交 通 堵 塞 的 困 扰 。 中 国 要 发 展 ， 交 通 事 业 决 不 能 停 步 不 前 。 有 及 于 此 ， 我 国 交 通 管 制 系 统 应 当 以 人 性 化 、 智 能 化 为 目 的 ， 作 出 相 应 的 改 善 。 本 论 文 正 是 以 此 为 出 发 点 ， 对 单 片 机 控 制 的 交 通 信 号 灯 模 型 作 了 较 详 尽 的 介 绍 。 单 片 机 的 应 用 正 在 不 断 地 走 向 深 入 ， 同 时 带 动 传 统 控 制 检 测 日 新 月 益 更 新 。 在 实 时 检 测 和 自 动 控 制 的 单 片 机 应 用 系 统 中 ， 单 片 机 往 往 是 作 为 一 个 核 心 部 件 来 使 用 ， 仅 单 片 机 方 面 知 识 是 不 够 的 ， 还 应 根 据 具 体 硬 件 结 构 ， 以 及 针 对 具 体 应 用 对 象 特 点 的 软 件 结 合 ， 加 以 完 善 10。 交 通 信 号 灯 的 出 现 ， 使 交 通 得 以 有 效 管 制 ， 对 于 疏 导 交 通 流 量 、 提 高 道 路 通 行 能 力 ， 减 少 交 通 事 故 有 明 显 效 果 。 目 前 设 计 交 通 灯 的 方 案 有 很 多 ， 有 应 用 cpld 设 计 实 现 交 通 信 号 灯 控 制 器 方 法 ;有 应 用 plc 实 现 对 交 通 灯 控 制 系 统 的 设 计 ;有 应 用 单 片 机 实 现 对 交 通 信 号 灯 设 计 的 方 法 。 基 于 cpld 可 编 程 逻 辑 器 件 的 交 通 灯 控 制 能 够 自 动 控 制 十 字 路 口 交 通 灯 状 态 的 改 变 和 同 一 状 态 保 持 的 时 间 ,从 而 保 证 车 辆 及 行 人 的 安 全 通 过 。 控 制 器 主 要 采 用 了 eda 技 术 ,通 过 vhdl 硬 件 电 路 描 述 语 言 实 现 设 计 功 能 。 基 于 cpld 设 计 实 现 交 通 信 号 灯 控 制 器 方 法 ， 电 路 结 构 简 单 ,成 本 低 ,cpld 器 件 作 为 控 制 部 分 (定 时 器 、 状 态 机 等 )与 ttl 电 路 兼 容 ,可 直 接 使 用 ,不 需 要 外 围 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 转 换 电 路 。 对 于 控 制 要 求 不 高 的 场 合 ,完 全 可 以 胜 任 。 此 控 制 系 统 突 破 了 传 统 固 定 模 式 ,可 根 据 实 时 交 通 流 量 灵 活 运 行 ,而 且 全 面 考 虑 了 各 种 紧 急 车 辆 优 先 通 行 情 况 ,大 大 提 高 了 车 辆 通 行 效 率 ,具 有 实 际 应 用 前 景 ， 但 是 目 前 cpld 芯 片 价 格 比 单 片 机 价 格 要 高 ， 一 般 情 况 下 ,cpld 功 耗 大 ,且 集 成 度 越 高 越 明 显 。 应 用 plc 实 现 对 交 通 灯 控 制 系 统 的 设 计 ， 能 根 据 车 辆 检 测 器 输 入 至 plc 的 信 息 ,自 动 调 整 十 字 路 口 红 绿 灯 的 时 长 ,有 利 于 疏 导 交 通 流 量 、 提 高 道 路 通 行 能 力 8。 与 其 他 交 通 灯 智 能 控 制 系 统 相 比 ,本 系 统 的 智 能 控 制 方 案 更 简 单 ,易 于 编 程 ;具 有 交 通 信 号 倒 计 时 功 能 ;硬 件 电 路 设 计 更 合 理 ,有 利 于 降 低 系 统 成 本 。 我 所 采 用 的 是 应 用 单 片 机 实 现 对 交 通 信 号 灯 设 计 的 方 法 ， 即 采 用 msc-51 系 列 单 片 机 来 设 计 交 通 灯 控 制 系 统 ， 本 系 统 采 用 单 片 机 stc89c52rc 为 中 心 器 件 来 设 计 交 通 灯 控 制 器 ， 系 统 实 用 性 强 、 操 作 简 单 、 扩 展 性 强 。 单 片 机 的 特 点 有 ： a. 高 集 成 度 ， 体 积 小 ， 高 可 靠 性 单 片 机 将 各 功 能 部 件 集 成 在 一 块 晶 体 芯 片 上 ， 集 成 度 很 高 ， 体 积 最 小 ， 芯 片 本 身 是 按 工 业 测 控 环 境 要 求 设 计 的 ， 内 部 布 线 很 短 ， 其 抗 工 业 噪 音 性 能 优 于 一 般 通 用 的 cpu。 单 片 机 程 序 指 令 ， 常 熟 及 表 格 等 固 化 在 rom 中 不 易 破 坏 ， 许 多 信 号 通 道 均 在 一 个 芯 片 内 ， 故 可 靠 性 高 。 b. 控 制 功 能 强 为 了 满 足 对 对 象 的 控 制 要 求 ， 单 片 机 的 指 令 系 统 均 有 丰 富 的 条 件 ： 分 支 转 移 能 力 ， i/o 口 的 逻 辑 操 作 及 位 处 理 能 力 ， 非 常 适 用 于 专 门 的 控 制 功 能 。 c. 低 电 压 ， 低 功 耗 ， 便 于 生 产 便 携 式 产 品 为 了 满 足 广 泛 使 用 于 便 携 式 系 统 ， 许 多 单 片 机 内 的 工 作 电 压 仅 为 1.8v3.6v， 而 工 作 电 流 仅 为 数 百 微 安 。 d. 易 扩 展 片 内 具 有 计 算 机 正 常 运 行 所 必 需 的 部 件 。 芯 片 外 部 有 许 多 供 扩 展 用 的 三 总 线 及 并 行 、 串 行 输 入 /输 出 管 脚 、 很 容 易 构 成 各 种 规 模 的 计 算 机 应 用 系 统 。 e. 优 异 的 性 能 价 格 比 单 片 机 的 性 能 极 高 。 为 了 提 高 速 度 和 运 行 效 率 ， 单 片 机 已 开 始 使 用 risc 流 水 线 和 dsp 等 技 术 。 单 片 机 的 寻 址 能 力 也 已 突 破 64kb 的 限 制 ， 有 的 已 可 达 到 1mb 和 16mb， 片 内 的 rom 容 量 可 达 到 62mb， ram 容 量 则 可 达 到 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 2mb。 由 于 单 片 机 的 广 泛 使 用 ， 因 而 销 量 极 大 ， 各 大 公 司 的 商 业 竞 争 更 使 其 价 格 十 分 低 廉 ， 其 性 能 价 格 比 极 高 。 1.4 论 文 主 要 研 究 内 容 这 次 毕 业 设 计 论 文 的 内 容 是 如 何 利 用 单 片 机 系 统 来 实 现 交 通 灯 的 控 制 。 应 用 单 片 机 技 术 来 模 拟 实 现 十 字 路 口 红 、 绿 灯 燃 亮 时 间 的 功 能 ； 红 绿 灯 循 环 点 亮 ， 倒 计 时 黄 灯 闪 烁 警 示 。 涉 及 了 系 统 设 计 要 求 与 整 体 规 划 ， 单 片 机 简 介 和 stc89c52rc 单 片 机 的 主 要 性 能 参 数 和 主 要 引 脚 介 绍 ， stc89c52rc 芯 片 内 部 结 构 简 介 ， 交 通 灯 方 案 的 实 现 ， 交 通 灯 系 统 的 工 作 原 理 等 。 最 后 ， 就 全 文 的 成 果 加 以 总 结 ， 提 出 对 未 来 交 通 灯 的 特 色 与 创 新 对 进 一 步 研 究 的 展 望 。 1.5 主 要 章 节 安 排 首 先 就 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义 做 出 说 明 。 第 一 章 总 体 的 介 绍 了 下 设 计 的 内 容 。 第 二 章 主 要 介 绍 单 片 机 的 知 识 。 第 三 章 主 要 介 绍 了 系 统 硬 件 设 计 。 第 四 章 主 要 介 绍 系 统 软 件 设 计 。 第 五 章 总 结 与 展 望 。 最 后 给 出 结 论 并 对 课 题 未 来 的 发 展 做 出 了 展 望 。 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 第 二 章 单 片 机 概 述 2.1 前 言 1. 所 谓 单 片 机 ， 即 把 组 成 微 型 计 算 机 的 各 个 功 能 部 件 ， 如 中 央 处 理 器 cpu、 随 机 存 储 器 ram、 只 读 存 储 器 rom、 输 入 /输 出 接 口 电 路 、 定 时 器 / 计 数 器 以 及 串 行 通 信 接 口 等 集 成 在 一 块 芯 片 中 ， 构 成 一 个 完 整 的 微 型 计 算 机 3。 因 此 单 片 机 早 期 的 含 义 为 单 片 微 型 计 算 机 （ single chip microcomputer） ， 直 接 译 为 单 片 机 ， 并 一 直 沿 用 至 今 。 由 于 单 片 机 面 对 的 是 测 控 对 象 ， 突 出 的 是 控 制 功 能 ， 所 以 它 从 功 能 和 形 态 上 来 说 都 是 应 控 制 领 域 应 用 的 要 求 而 诞 生 的 。 随 着 单 片 机 技 术 的 发 展 ， 它 在 芯 片 内 集 成 了 许 多 面 对 测 控 对 象 的 接 口 电 路 ， 如 adc、 dac、 高 速 i/o 口 、 pwm、 wdt 等 。 这 些 对 外 电 路 及 外 设 接 口 已 经 突 破 了 微 型 计 算 机 （ microcomputer） 传 统 的 体 系 结 构 ， 所 以 更 为 确 切 反 映 单 片 机 本 质 的 名 称 应 是 微 控 制 器 。 单 片 机 是 单 芯 片 形 态 作 为 嵌 入 式 应 用 的 计 算 机 ， 它 有 惟 一 的 、 专 门 为 嵌 入 式 应 用 而 设 计 的 体 系 结 构 和 指 令 系 统 ， 加 上 它 的 芯 片 级 体 积 的 优 点 和 在 现 场 环 境 下 可 高 速 可 靠 地 运 行 的 特 点 ， 因 此 单 片 机 又 称 之 为 嵌 入 式 微 控 制 器 （ embedded micro controller） 。 但 是 ， 在 国 内 单 片 机 的 叫 法 仍 然 有 着 普 遍 的 意 义 。 我 们 已 经 把 单 片 机 理 解 为 一 个 单 芯 片 形 态 的 微 控 制 器 ， 它 是 一 个 典 型 的 嵌 入 式 应 用 计 算 机 系 统 。 目 前 按 单 片 机 内 部 数 据 通 道 的 宽 度 ， 把 它 们 分 为 4 位 、 8 位 、 16 位 及 32 位 单 片 机 。 2.单 片 机 和 微 处 理 器 的 简 介 随 着 大 规 模 与 超 大 规 模 集 成 电 路 技 术 的 快 速 发 展 ， 微 计 算 机 技 术 形 成 了 两 大 分 支 ： 微 处 理 器 （ micro processor unit， mpu） 和 单 片 机 （ micro controller unit， mcu） 9。 微 处 理 器 mpu 是 微 型 计 算 机 的 核 心 部 件 ， 它 的 性 能 决 定 了 微 型 计 算 机 的 性 能 。 通 用 型 的 计 算 机 已 从 早 期 的 数 值 计 算 、 数 据 处 理 发 展 到 当 今 的 人 工 智 能 阶 段 。 它 不 仅 可 以 处 理 文 字 、 字 符 、 图 形 、 图 像 等 信 息 ， 而 且 还 可 以 处 理 音 频 、 视 频 等 信 息 ， 并 正 向 多 媒 体 、 人 工 智 能 、 数 字 模 拟 和 仿 真 、 网 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 络 通 信 等 方 向 发 展 。 它 的 存 储 容 量 和 运 算 速 度 正 在 以 惊 人 的 速 度 发 展 。 高 性 能 的 32 位 、 64 位 微 型 计 算 机 系 统 正 向 中 、 大 型 计 算 机 挑 战 。 单 片 机 mcu 主 要 用 于 控 制 领 域 。 它 构 成 的 检 测 控 制 系 统 应 该 有 实 时 的 、 快 速 的 外 部 响 应 ， 应 该 能 迅 速 采 集 到 大 量 数 据 ， 能 在 做 出 正 确 的 逻 辑 推 理 和 判 断 后 实 现 对 被 控 制 对 象 参 数 的 调 整 与 控 制 。 单 片 机 的 发 展 直 接 利 用 了 mpu 的 成 果 ， 也 发 展 了 16 位 、 32 位 的 机 型 。 但 它 的 发 展 方 向 是 高 性 能 、 高 可 靠 性 、 低 功 耗 、 低 电 压 、 低 噪 音 和 低 成 本 。 目 前 ， 单 片 机 的 主 流 仍 然 是 以 8 位 机 为 主 ， 16 位 、 32 位 机 为 辅 。 单 片 机 的 发 展 主 要 还 是 表 现 在 其 接 口 和 性 能 不 断 满 足 多 种 多 样 检 测 控 制 对 象 的 要 求 上 ， 尤 其 突 出 表 现 在 它 的 控 制 功 能 上 ， 构 成 各 种 专 用 的 控 制 器 和 多 机 控 制 系 统 。 3 单 片 机 和 嵌 入 式 系 统 面 向 检 测 控 制 对 象 ， 嵌 入 到 应 用 系 统 中 去 的 计 算 机 系 统 称 之 为 嵌 入 式 系 统 。 实 时 性 是 它 的 主 要 特 征 ， 对 系 统 的 物 理 尺 寸 、 可 靠 性 、 重 启 动 和 故 障 恢 复 方 面 也 有 特 殊 的 要 求 。 由 于 被 嵌 入 对 象 的 体 系 结 构 、 应 用 环 境 等 的 要 求 ， 嵌 入 式 计 算 机 系 统 比 通 用 的 计 算 机 系 统 应 用 设 计 更 为 复 杂 ， 涉 及 面 也 更 为 广 泛 。 从 形 式 上 可 将 嵌 入 式 系 统 分 为 系 统 级 、 板 级 和 芯 片 级 。 系 统 级 嵌 入 式 系 统 为 各 种 类 型 的 工 控 机 ， 包 括 进 行 机 械 加 固 和 电 气 加 固 的 通 用 计 算 机 系 统 ， 各 种 总 线 方 式 工 作 的 工 控 机 和 模 块 组 成 的 工 控 机 。 它 们 大 都 有 丰 富 的 通 用 计 算 机 软 件 及 周 边 外 设 的 支 持 ， 有 很 强 的 数 据 处 理 能 力 ， 应 用 软 件 的 开 发 也 很 方 便 。 但 由 于 体 积 庞 大 ， 适 用 于 具 有 大 空 间 的 嵌 入 式 应 用 环 境 ， 如 大 型 实 验 装 置 、 船 舶 、 分 布 式 测 控 系 统 等 。 板 级 嵌 入 式 系 统 则 有 各 种 类 型 的 带 cpu 的 主 板 及 oem 产 品 。 与 系 统 级 相 比 ， 板 级 嵌 入 式 系 统 体 积 较 小 ， 可 以 满 足 较 小 空 间 的 嵌 入 式 应 用 环 境 。 芯 片 级 嵌 入 式 系 统 则 以 单 片 机 最 为 经 典 。 单 片 机 嵌 入 到 对 象 的 环 境 、 结 构 体 系 中 去 作 为 其 中 一 个 智 能 化 的 控 制 单 元 ， 是 最 典 型 的 嵌 入 式 计 算 机 系 统 。 它 有 惟 一 的 专 门 为 嵌 入 式 应 用 而 设 计 的 体 系 结 构 和 指 令 系 统 ， 加 上 它 的 芯 片 级 的 体 积 和 在 现 场 运 行 环 境 下 的 高 可 靠 性 ， 它 最 能 满 足 各 种 中 、 小 型 对 象 的 嵌 入 式 应 用 要 求 。 因 此 ， 单 片 机 是 目 前 发 展 最 快 、 品 种 最 多 、 数 量 最 大 的 嵌 入 式 计 算 机 系 统 。 但 是 ， 一 般 的 单 片 机 目 前 还 没 有 通 用 的 系 统 管 理 软 件 或 监 控 程 序 ， 而 只 是 放 置 由 用 户 调 试 好 的 应 用 程 序 。 它 本 身 不 具 备 开 发 能 力 ， 常 常 需 要 专 门 的 开 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 发 工 具 。 2.2 stc89c52rc 单 片 机 简 介 stc89c52rc 是 stc 公 司 生 产 的 低 电 压 ， 高 性 能 cmos8 位 单 片 机 ， 片 内 含 8kb 的 可 反 复 擦 写 的 flash 只 读 程 序 存 储 器 和 512b 的 随 机 存 取 数 据 存 储 器 （ ram） ， 器 件 采 用 高 密 度 ， 非 易 失 性 存 储 技 术 生 产 ， 兼 容 标 准 mcs51 指 令 系 统 ， 片 内 置 通 用 中 央 处 理 器 （ cpu） 和 flash 存 储 单 元 ， 功 能 强 大 stc89c52rc 单 片 机 可 为 您 提 供 许 多 高 性 价 比 的 应 用 场 合 ， 可 灵 活 应 用 于 各 种 控 制 领 域 。 单 片 机 的 可 擦 除 只 读 存 储 器 可 以 反 复 擦 除 100000 次 。 将 多 功 能 8 位 cpu 和 闪 烁 存 储 器 组 合 在 单 个 芯 片 中 ， 是 一 种 高 效 微 控 制 器 ， stc89c52rc 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 该 器 件 采 用 atmel 搞 密 度 非 易 失 存 储 器 制 造 技 术 制 造 ， 与 工 业 标 准 的 mcs- 51 指 令 集 和 输 出 管 脚 相 兼 容 。 1.时 钟 电 路 stc89c52 内 部 有 一 个 用 于 构 成 振 荡 器 的 高 增 益 反 相 放 大 器 ， 引 脚 rxd 和 txd 分 别 是 此 放 大 器 的 输 入 端 和 输 出 端 。 时 钟 可 以 由 内 部 方 式 产 生 或 外 部 方 式 产 生 。 内 部 方 式 的 时 钟 电 路 如 图 22(a) 所 示 ， 在 rxd 和 txd 引 脚 上 外 接 定 时 元 件 ， 内 部 振 荡 器 就 产 生 自 激 振 荡 。 定 时 元 件 通 常 采 用 石 英 晶 体 和 电 容 组 成 的 并 联 谐 振 回 路 。 晶 体 振 荡 频 率 可 以 在 1.2 12mhz 之 间 选 择 ， 电 容 值 在 5 30pf 之 间 选 择 ， 电 容 值 的 大 小 可 对 频 率 起 微 调 的 作 用 。 外 部 方 式 的 时 钟 电 路 如 图 22（ b） 所 示 ， rxd 接 地 ， txd 接 外 部 振 荡 器 。 对 外 部 振 荡 信 号 无 特 殊 要 求 ， 只 要 求 保 证 脉 冲 宽 度 ， 一 般 采 用 频 率 低 于 12mhz 的 方 波 信 号 。 片 内 时 钟 发 生 器 把 振 荡 频 率 两 分 频 ， 产 生 一 个 两 相 时 钟 p1 和 p2， 供 单 片 机 使 用 。 （ a） 内 部 方 式 时 钟 电 路 （ b） 外 部 方 式 时 钟 电 路 图 22 时 钟 电 路 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 2.复 位 及 复 位 电 路 （ 1） 复 位 操 作 复 位 是 单 片 机 的 初 始 化 操 作 。 其 主 要 功 能 是 把 pc 初 始 化 为 0000h， 使 单 片 机 从 0000h 单 元 开 始 执 行 程 序 。 除 了 进 入 系 统 的 正 常 初 始 化 之 外 ， 当 由 于 程 序 运 行 出 错 或 操 作 错 误 使 系 统 处 于 死 锁 状 态 时 ， 为 摆 脱 困 境 ， 也 需 按 复 位 键 重 新 启 动 。 除 pc 之 外 ， 复 位 操 作 还 对 其 他 一 些 寄 存 器 有 影 响 ， 它 们 的 复 位 状 态 如 表 一 所 示 。 表 一 一 些 寄 存 器 的 复 位 状 态 寄 存 器 复 位 状 态 寄 存 器 复 位 状 态 pc 0000h tcon 00h acc 00h tl0 00h psw 00h th0 00h sp 07h tl1 00h dptr 0000h th1 00h p0-p3 ffh scon 00h ip xx000000b sbuf 不 定 ie 0x000000b pcon 0xxx0000b tmod 00h （ 2） 复 位 信 号 及 其 产 生 rst 引 脚 是 复 位 信 号 的 输 入 端 。 复 位 信 号 是 高 电 平 有 效 ， 其 有 效 时 间 应 持 续 24 个 振 荡 周 期 (即 二 个 机 器 周 期 )以 上 。 若 使 用 颇 率 为 6mhz 的 晶 振 ， 则 复 位 信 号 持 续 时 间 应 超 过 4us 才 能 完 成 复 位 操 作 。 产 生 复 位 信 号 的 电 路 逻 辑 如 图 23 所 示 ： 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 图 23 复 位 信 号 的 电 路 逻 辑 图 整 个 复 位 电 路 包 括 芯 片 内 、 外 两 部 分 。 外 部 电 路 产 生 的 复 位 信 号 (rst)送 至 施 密 特 触 发 器 ， 再 由 片 内 复 位 电 路 在 每 个 机 器 周 期 的 s5p2 时 刻 对 施 密 特 触 发 器 的 输 出 进 行 采 样 ， 然 后 才 得 到 内 部 复 位 操 作 所 需 要 的 信 号 。 复 位 操 作 有 上 电 自 动 复 位 相 按 键 手 动 复 位 两 种 方 式 。 上 电 自 动 复 位 是 通 过 外 部 复 位 电 路 的 电 容 充 电 来 实 现 的 ， 其 电 路 如 图 2 4（ a） 所 示 。 这 佯 ， 只 要 电 源 vcc 的 上 升 时 间 不 超 过 1ms， 就 可 以 实 现 自 动 上 电 复 位 ， 即 接 通 电 源 就 成 了 系 统 的 复 位 初 始 化 。 按 键 手 动 复 位 有 电 平 方 式 和 脉 冲 方 式 两 种 。 其 中 ， 按 键 电 平 复 位 是 通 过 使 复 位 端 经 电 阻 与 vcc 电 源 接 通 而 实 现 的 ， 其 电 路 如 图 24（ b） 所 示 ； 而 按 键 脉 冲 复 位 则 是 利 用 rc 微 分 电 路 产 生 的 正 脉 冲 来 实 现 的 ， 其 电 路 如 图 24（ c） 所 示 ： （ a） 上 电 复 位 （ b） 按 键 电 平 复 位 （ c） 按 键 脉 冲 复 位 图 24 复 位 电 路 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 上 述 电 路 图 中 的 电 阻 、 电 容 参 数 适 用 于 6mhz 晶 振 ， 能 保 证 复 位 信 号 高 电 平 持 续 时 间 大 于 2 个 机 器 周 期 。 本 系 统 的 复 位 电 路 采 用 图 24（ b） 上 电 复 位 方 式 。 3 stc89c52rc 引 脚 说 明 图 2-5 51 系 列 单 片 机 的 引 脚 图 图 2-5 是 at89c51 的 引 脚 图 ， 引 脚 说 明 如 下 ： vcc at89c51 电 源 正 极 输 入 ， 接 +5v 电 压 。 gnd 电 源 接 地 端 。 xtal1 接 外 部 晶 振 的 一 个 引 脚 。 在 单 片 机 内 部 ， 它 是 一 反 相 放 大 器 输 入 端 ， 这 个 放 大 器 构 成 了 片 内 振 荡 器 。 它 采 用 外 部 振 荡 器 时 ， 些 引 脚 应 接 地 。 xtal2 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 接 外 部 晶 振 的 一 个 引 脚 。 在 片 内 接 至 振 荡 器 的 反 相 放 大 器 输 出 端 和 内 部 时 钟 发 生 器 输 入 端 。 当 采 用 外 部 振 荡 器 时 ， 则 此 引 脚 接 外 部 振 荡 信 号 的 输 入 。 rst at89c51 的 复 位 信 号 输 入 引 脚 ， 高 电 位 工 作 ， 当 要 对 芯 片 又 时 ， 只 要 将 此 引 脚 电 位 提 升 到 高 电 位 ， 并 持 续 两 个 机 器 周 期 以 上 的 时 间 5， at89c51 便 能 完 成 系 统 复 位 的 各 项 工 作 ， 使 得 内 部 特 殊 功 能 寄 存 器 的 内 容 均 被 设 成 已 知 状 态 。 ale/prog ale 是 英 文 “address latch enable“的 缩 写 ， 表 示 允 许 地 址 锁 存 允 许 信 号 。 当 访 问 外 部 存 储 器 时 ， ale 信 号 负 跳 变 来 触 发 外 部 的 8 位 锁 存 器 (如 74ls373)， 将 端 口 p0 的 地 址 总 线 (a0-a7)锁 存 进 入 锁 存 器 中 。 在 非 访 问 外 部 存 储 器 期 间 ， ale 引 脚 的 输 出 频 率 是 系 统 工 作 频 率 的 1/16， 因 此 可 以 用 来 驱 动 其 他 外 围 芯 片 的 时 钟 输 入 。 当 问 外 部 存 储 器 期 间 ， 将 以 1/12 振 荡 频 率 输 出 。 ea/vpp 该 引 脚 为 低 电 平 时 ， 则 读 取 外 部 的 程 序 代 码 (存 于 外 部 eprom 中 )来 执 行 程 序 。 因 此 在 8031 中 ， ea 引 脚 必 须 接 低 电 位 ， 因 为 其 内 部 无 程 序 存 储 器 空 间 。 如 果 是 使 用 at89c51 或 其 它 内 部 有 程 序 空 间 的 单 片 机 时 ， 此 引 脚 接 成 高 电 平 使 程 序 运 行 时 访 问 内 部 程 序 存 储 器 ， 当 程 序 指 针 pc 值 超 过 片 内 程 序 存 储 器 地 址 (如 8051/8751/89c51 的 pc 超 过 0fffh)时 ， 将 自 动 转 向 外 部 程 序 存 储 器 继 续 运 行 。 此 外 ， 在 将 程 序 代 码 烧 录 至 8751 内 部 eprom、 89c51 内 部 falsh 时 ， 可 以 利 用 此 引 脚 来 输 入 提 供 编 程 电 压 （ 8751 为 2lv、 at89c5