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- i - 基于单片机的交通灯设计基于单片机的交通灯设计基于单片机的交通灯设计基于单片机的交通灯设计 摘要摘要摘要摘要 近年来随着科学技术的飞速发展，单片机的应用正在不断的深入，同时带 动传统控制检测技术的日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统 中，单片机往往作为一个核心的部件来使用，仅仅拥有单片机方面的知识是不 够的，还应该根据具体的硬件结构进行软硬件结合，从而加以完善。 十字路口上车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么 靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是良好的交通管理和交通灯系统的控制。 本文根据实际需要采用 msc-51 系列单片机 atsc51 和可编程并行 i/o 接口芯片 8255a 为中心器件给出了交通灯的控制系统，结合 74ls373 芯片，74ls07 芯 片，共阴极的七段数码管等元件来设计交通灯控制器。该系统能够实现红绿灯 循环点亮，倒计时剩 5 秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过 pa 口输出，显示时 间直接通过 8255 的 pc 口输出至双位数码管） ，同时可以通过双位数码管来显示 红、绿灯燃亮时间。本系统的实用性强、操作简单、扩展功能强。 关键词关键词关键词关键词单片机；交通灯；显示时间 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - basedbasedbasedbased onononon thethethethe designdesigndesigndesign ofofofof traffictraffictraffictraffic lightslightslightslights scmscmscmscm abstractabstractabstractabstract in recent years, with the rapid development of science and technology, scm applications are continually deepening, and promote the traditional control of the growing detection technology update. in real-time detection and automatic control of the scm applications, often as microcontroller core components to use only scm knowledge is not enough, but also based on specific hardware and software combination of hardware structure, to be perfect. crossroads of the shuttle vehicles, pedestrians first, companys lanes, people walkways, in an orderly manner. what then jungian order to achieve this? is the traffic light on the automatic command system? there are many ways to control traffic lights. the system uses msc-51 mcu atsc51 and programmable parallel i / o interface chip 8255a device designed as the central controller of traffic lights, with 74ls373 interface and 74ls07 interface. it can be achieved based on the actual traffic flow through the 8051 chip p1 i set the red, green shine the function of time; cycle traffic lights lit, the countdown five seconds left when the yellow light flashing warning (traffic light signals through thepaoutput mouth that time directly through the 8255 pc i double-digital output to control); green light time can be detected and vehicular traffic through the double-digital display. the system practical is simple, strong and expansion. keywordskeywordskeywordskeywordssingle chip; traffic light; show time 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - 目录目录目录目录 摘要.i abstractii 第 1 章绪论 1 第 2 章单片机介绍 2 2.1单片机概述. 2 2.2单片机和微处理器. 2 2.3单片机和嵌入式系统. 3 2.4单片机的应用. 3 2.4.1在测控系统中的应用3 2.4.3在机电一体化中的应用4 2.4.4在智能接口中的应用4 2.4.5在人类生活中的应用4 2.5单片机的主要技术发展方向. 4 2.5.1单片机的大容量化4 2.5.2单片机的高性能化4 2.5.3单片机的小容量低廉化5 2.5.4单片机的外围电路内装化5 2.5.5单片机将实现全面的低功耗管理5 第 3 章芯片简介 6 3.1msc-51 芯片简介.6 3.1.1mcs-51 单片机内部结构. 6 3.1.2mcs-51 的引脚说明：. 8 3.1.3主要引脚工作原理：9 3.28255 芯片简介 10 3.374ls373 简介11 3.474ls07 简介12 3.5共阴极的七段数码管简介. 12 3.67805 三端稳压电源简介 13 第 4 章系统硬件设计 15 4.1交通管理的方案论证. 15 4.2系统硬件设计. 15 4.2.2交通灯硬件线路图16 4.2.3系统工作原理17 第 5 章控制器的软件设计 18 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 5.1每秒钟的设定. 18 5.2计数器硬件延时. 18 5.2.1计数器初值计算18 5.2.2计算公式18 5.2.3秒的方法18 5.2.4相应程序代码18 5.3软件延时. 19 5.4时间及信号灯的显示. 20 5.4.18051 并行口的扩展.20 5.4.2显示原理20 5.4.38255pa 口输出信号接信号灯 20 5.4.48255 输出信号与数码管的连接.20 5.4.58255 与 8051 的连接.21 5.5程序设计. 21 5.5.1程序流程图21 5.5.2程序源代码23 结论 26 致谢 27 参考文献 28 附录 29 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章绪论绪论绪论绪论 当今，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。它由红绿两个以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。 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，1914 年始安装于纽约市 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。 本文根据实际需要采用 msc-51 系列单片机 atsc51 和可编程并行 i/o 接口 芯片 8255a 为中心器件给出了交通灯的控制系统，结合 74ls373 芯片，74ls07 芯片，共阴极的七段数码管等元件来设计交通灯控制器。该系统能够实现红绿 灯循环点亮的功能，倒计时剩 5 秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过 pa 口输 出，显示时间直接通过 8255 的 pc 口输出至双位数码管） ，同时可以通过双位数 码管来显示红、绿灯燃亮时间。本系统的实用性强、操作简单、扩展功能强。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章单片机介绍单片机介绍单片机介绍单片机介绍 2.12.12.12.1单片机概述单片机概述单片机概述单片机概述 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。 2.22.22.22.2单片机和微处理器单片机和微处理器单片机和微处理器单片机和微处理器 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） 。 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 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。 2.32.32.32.3单片机和嵌入式系统单片机和嵌入式系统单片机和嵌入式系统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 开发工具。 2.42.42.42.4单片机的应用单片机的应用单片机的应用单片机的应用 由于单片机功能的飞速发展，它的应用范围日益广泛，已远远超出了计算 机科学的领域。小到玩具、信用卡，大到航天器、机器人，从实现数据采集、 过程控制、模糊控制等智能系统到人类的日常生活，到处都离不开单片机。其 主要的应用领域如下。 2.4.1在测控系统中的应用 单片机可以用于构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统 等。例如，工业上的锅炉控制、电机控制、车辆检测系统、水闸自动控制、数 控机床及军事上的雷达、导弹系统等。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 2.4.2在智能化仪器仪表中的应用 单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化、智能化、多功能化 和综合化等方向发展。单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的误差修 正、线性化的处理等难题迎刃而解。 2.4.3在机电一体化中的应用 单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化，控制走向智能 化，构成新一代的机电一体化产品。这是机械工业发展的方向。 2.4.4在智能接口中的应用 计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中采用单片机进行接口的控制 管理，单片机与主机并行工作，可大大提高系统的运行速度。例如，在大型数 据采集系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可 以对数据进行预处理。如数字滤波、误差修正、线性化处理等。 2.4.5在人类生活中的应用 单片机由于其价格低廉、体积小巧，被广泛应用在人类生活的诸多场合， 如洗衣机、电冰箱、空调器、电饭煲、视听音响设备、大屏幕显示系统、电子 玩具、信用卡、楼宇防盗系统等。单片机将使人类的生活更加方便舒适，丰富 多彩。 2.52.52.52.5单片机的主要技术发展方向单片机的主要技术发展方向单片机的主要技术发展方向单片机的主要技术发展方向 综观单片机 20 多年的发展过程，再从半导体集成电路技术的发展和微电子 设计技术的发展，我们可以预见未来单片机技术发展的趋势。单片机将朝着大 容量高性能化、小容量低价格化、外围电路的内装化以及 i/o 接口功能的增 强、功耗降低等方向发展。 2.5.1单片机的大容量化 单片机内存储器容量进一步扩大。以往片内 rom 为 1kb8kb，ram 为 64 字节256 字节。现在片内 rom 可达 40kb，片内 ram 可达 4kb，i/o 也 不需再外加扩展芯片。otprom、flash rom 成为主流供应状态。而随着单片 机程序空间的扩大，在空余空间可嵌入实时操作系统 rtos 等软件。这将大大 提高产品的开发效率和单片机的性能。 2.5.2单片机的高性能化 今后将不断改善单片机内 cpu 的性能，加快指令运算速度，提高系统控制 的可靠性，加强位处理功能、中断与定时控制功能。并采用流水线结构，指令 以队列形式出现在 cpu 中，因而具有很高的运算速度。有的甚至采用多流水线 结构，其运算速度比标准的单片机高出 10 倍以上。 单片机的扩展方式从并行总线发展出各种串行总线，并被工业界接受，形 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 成一些工业标准。如 i2c 总线、ddb 总线、usb 接口等。它们采用 3 条数据总 线代替现行的 8 位数据总线，从而减少了单片机引线，降低了成本。 2.5.3单片机的小容量低廉化 小容量的低廉的 4 位、8 位机也是单片机发展方向之一。其用途是把以往 用数字逻辑电路组成的控制电路单片化。专用型的单片机将得到大力发展。使 用专用单片机可最大限度地简化系统结构，提高可靠性，使资源利用率最高。 在大批量使用时有可观的经济效益。 2.5.4单片机的外围电路内装化 随着单片机集成度的提高，可以把众多的外围功能器件集成到单片机内。 除了 cpu、rom、ram 外，还可把 a/d、d/a 转换器、dma 控制器、声音发 生器、监视定时器、液晶驱动电路、锁相电路等一并集成在芯片内。为了减少 外部的驱动芯片，进一步增强单片机的并行驱动能力。有的单片机可直接输出 大电流和高电压，以便直接驱动显示器。为进一步加快 i/o 口的传输速度，有 的单片机还设置了高速 i/o 口，可用最快的速度触动外部设备，也可以用最快 的速度响应外部事件。 2.5.5单片机将实现全面的低功耗管理 单片机的全盘 cmos 化，非 cmos 工艺单片机的淘汰，将给单片机技术发 展带来广阔的天地。最显著的变革是本身低功耗和低功耗管理技术的飞速发 展。低功耗的技术措施可提高可靠性，降低工作电压，可使抗噪声和抗干扰等 各方面性能全面提高。这是一切电子系统所追求的目标。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章芯片简介芯片简介芯片简介芯片简介 3.13.13.13.1msc-51msc-51msc-51msc-51 芯片简介芯片简介芯片简介芯片简介 3.1.1mcs-51 单片机内部结构 8051 是 mcs-51 系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系 统的讲解。 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定 时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线 和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明： （1） 中央处理器： 中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能 处理 8 位二进制数据或代码，cpu 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的 工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 （2） 数据存储器(ram)： 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们 是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不 能用于存放用户数据，所以，用户能使用的 ram 只有 128 个，可存放读写的 数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 图 3-18051 内部结构 （3） 程序存储器(rom) ) ) )： 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 rom，用于存放用户程序，原始数据或表格。 （4） 定时/计数器(rom)： 8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 控制程序转向。 （5） 并行输入输出(i/o)口： 8051 共有 4 组 8 位 i/o 口(p0、 p1、p2 或 p3)，用于对外部数据的传输。 （6） 全双工串行口： 8051 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该 串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 （7） 中断系统： 8051 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个 串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 （8） 时钟电路： 8051 内置最高频率达 12mhz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉 冲时序，但 8051 单片机需外置振荡电容。 下图是 mcs-51 系列单片机的内部结构示意图 3-2。 图 3-2msc-51 结构框图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式， 即哈佛(harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据 存储器合二为一的结构，即普林斯顿(princeton)结构。intel 的 mcs-51 系列单 片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 mcs-96 系列单片机则采用 普林斯顿结构。 3.1.2mcs-51 的引脚说明： mcs-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40pin 封装的双列直接 dip 结构，右图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石 英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 i/o 口，中断口线与 p3 口线复用。现 在我们对这些引脚的功能加以说明： mcs-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40pin 封装的双列直接 dip 结构，右图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石 英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 i/o 口，中断口线与 p3 口线复用。现 在我们对这些引脚的功能加以说明：如图 3-3 图 3-3总线型引脚封装 1.电源及时钟引脚（4 个） vcc：电源接入引脚 vss：接地引脚 xtal1：晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地） xtal2：晶体振荡器接入的另一个引脚(采用外部振荡器时，此引脚作为外 部振荡信号的输入端) 2.控制线引脚（4 个） rst/vpd：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚 ale/prog：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚 ea/vpp：内外存储器选择引脚/片内 eprom 编程电压输入引脚 psen ：外部程序存储器选择信号输出引脚 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 3.并行 i/o 引脚（32 个，分成 4 个 8 位口） p0.0p0.7：一般 i/o 口引脚或数据/低位地址总线复用引脚 p1.0p1.7：一般 i/o 口引脚 p2.0p2.7：一般 i/o 口引脚或高位地址总线引脚 p3.0p3.7：一般 i/o 口引脚或第二功能引脚 注: p3 用作第二功能使用: 条件:串行 i/o 口处于运行状态(rxd,txd); 外部中断已打开(int0,int1); 定时器/计数器处于计数状态(t0,t1); 执行读/写外部 ram 的指令(rd,wr) p3.0:rxd（串行口输入） p3.1:txd（串行口输出） p3.2:int0（外部中断 0 输入） p3.3:int1（外部中断 1 输入） p3.4:t0（定时器 0 的外部输入） p3.5:t1（定时器 1 的外部输入） p3.6:wr （片外数据存储器“写”选通控制输出） p3.7:rd （片外数据存储器“读”选通控制输出） 3.1.3主要引脚工作原理： pin9:reset/vpd复位信号输入引脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 reset 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化 后，程序计数器 pc 指向 0000h，p0-p3 输出口全部为高电平，栈指针写入 07h （即 sp 为 07h） ，其它专用寄存器被清“0” （即 ip、ie 和 pcon 的有效位为 0） 。reset 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000h 地址开始执行程序。然 而，初始复位不改变 ram（包括工作寄存器 r0-r7）的状态，8051 的初始态。 8051 的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图 3-4。此 外，reset/vpd还是一复用脚，vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单 片机内部 ram 的数据不丢失。 上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间 rst 引脚 获得高电平，随着电容 c1 的充电，rst 引脚的高电平将逐渐下降。rst 引脚 的高电平只要能够保持足够的时间（两个机器周期） ，单片机就可以进行复位操 作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为 12mhz 时，c1 为 10uf，r1 为 8.2k；晶振为 6mhz 时，c1 为 22uf，r1 为 1k. 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - vccvcc reset 8051 22u 1k sw 470r 22u 1k 9 8051 reset c1 c2 cysxtal2 xtal1 80c51 xtal2 xtal1 80c51 1 图 3-48051 复位方式 pin30:ale/prog 当访问外部程序器时，ale(地址锁存)的输出用于锁存地 址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ale 端将有一个 1/6 时钟频率的正 脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外 输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ale 会跳过一个脉冲。 如果单片机是 eprom，在编程其间，|prog 将用于输入编程脉冲。 pin29：psen 当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，pc 的 16 位地址数据将出现在 p0 和 p2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 p0 口上，由 cpu 读入并执行。 pin31:ea/vpp程序存储器的内外部选通线，8051 和 8751 单片机，内置有 4kb 的程序存储器，当 ea 为高电平并且程序地址小于 4kb 时，读取内部程序 存储器指令数据，而超过 4kb 地址则读取外部指令数据。如 ea 为低电平，则 不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的 8031,ea 端必须接地。 在编程时，ea/vpp脚还需加上 21v 的编程电压。 3.23.23.23.28255825582558255 芯片简介芯片简介芯片简介芯片简介 8255 可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即 a 口、b 口和 c 口，对 应于引脚pa7pa0、pb7pb0 和 pc7pc0。其内部还有一个控制寄存器， 即控制口。通常 a 口、b 口作为输入输出的数据端口。c 口作为控制或状态信 息的端口，它在方式字的控制下，可以分成 4 位的端口，每个端口包含一个 4 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 位锁存器。它们分别与端口 a/b 配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态 信号输入。 8255 可编程并行接口芯片方式控制字格式说明: 8255 有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是 c 口按位置位/ 复位控制字。其中 c 口按位置位/复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗 长，故在此不作叙述。 方式控制字格式说明如表 3-1： 表 3-1方式控制字格式说明 d7d6d5d4d3d2d1d0 d7：设定工作方式标志，1 有效。 d6、d5：a 口方式选择 0 0 方式 0 0 1 方式 1 1 方式 2 d4：a 口功能（1=输入，0=输出） d3：c 口高 4 位功能 （1=输入，0=输出） d2：b 口方式选择（0=方式 0，1=方式 1） d1：b 口功能（1=输入，0=输出） d0：c 口低 4 位功能 （1=输入，0=输出） 8255 可编程并行接口芯片工作方式说明: 方式 0：基本输入输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端 口都可以用作输入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。 方式 1：选通输入输出方式。这时 a 口或 b 口的 8 位外设线用作输入或 输出，c 口的 4 条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。 方式 2 ：双向总线方式。只有 a 口具备双向总线方式，8 位外设线用作输 入或输出，此时 c 口的 5 条线用作通讯联络信号和中断请求信号。 3.33.33.33.374ls37374ls37374ls37374ls373 简介简介简介简介 74ls373 是一种带三态门的 8d 锁存器，其管脚示意图如图 3-5 所示： 其中：1d-8d 为 8 个输入端。 1q-8q 为 8 个输出端。 le 为数据打入端：当 le 为“1”时，锁存器输出状态同输入状态；当 le 由“1”变“0”时，数据打入锁存器 oe 为输出允许端：当 oe=0 时，三态门打开； 当 oe=1 时，三态门关闭，输出高阻。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - d4 13 d5 14 d6 17 d7 18 q0 2 q1 5 q2 6 q3 9 q4 12 q5 15 q6 16 q7 19 d0 3 d1 4 d2 7 d3 8 le 11 |oe 1 74ls373 图 3-574ls373 管脚图 3.43.43.43.474ls0774ls0774ls0774ls07 简介简介简介简介 74ls07 的高压集电极开路输出特性使它能用于高电压接口电路或者驱动大 电流负载。它也被用来做驱动 ttl 的缓冲器。74ls07 额定输出电压是 30v。它 最大能输出 40ma 的灌电流。 图 3-774ls07 引脚图 3.53.53.53.5共阴极的七段数码管简介共阴极的七段数码管简介共阴极的七段数码管简介共阴极的七段数码管简介 3.8 abcdefgdp 109754216 图3-9七段数码管引脚图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 数码管使用条件： a.及小数点上加限流电阻 b.用电压段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定 c.使用电流静态：总电流 80ma（每段 10ma） ；动态：平均电流 4-5ma 峰值电流 100ma 上面这个只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是 一样的数码管使用注意事项说明： （1）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角； （2）焊接温度：260度；焊接时间：5s （3）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。 3.63.63.63.67805780578057805 三端稳压电源简介三端稳压电源简介三端稳压电源简介三端稳压电源简介 7805是我们最常用到的稳压芯片了，他的使用方便，用很简单的电路即可 以输入一个直流稳压电源,他的输出电压恰好为5v，刚好是51系列单片机运行所 需的电压，他有很多的系列如ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差别, 用的最多的还是lm7805,下面我简单的介绍一下他的3个引脚以及用它来构成的 稳压电路的资料。 图3-107805引脚图 其中1接整流器输出的+电压，2为公共地(也就是负极)，3就是我们需要的 正5v输出电压了， 下面介绍一个简单的7805电路,如图3-11所示。 220v 50hz 13v ql 1a60v c1 1000u 25v 7805 r2 680 r1 220 1 2 3 u0 图3-11固定式三端稳压器输出电压可调器 上图中r1用220，r2用680的这个是用来调节输出电压的。输出电压公 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 式uouxx(1+r2/r1)，此稳压电路可在512v稳压范围内实现输出电压连续可 调节。此三端集成稳压集成电路lm7805最大输入电压为35v，输入输出差需保 持2v以上，这样该电路中因为稳压器的直流输入电压是正14v，故该稳压电路 的最大输出电压为正12v。此电路的精度一般可达到0.04以上，用lm7805就能满 足一般需求了。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 19 - 第第第第 4 4 4 4 章章章章系统硬件设计系统硬件设计系统硬件设计系统硬件设计 4.14.14.14.1交通管理的方案论证交通管理的方案论证交通管理的方案论证交通管理的方案论证 东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指 示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮 提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道 的公共停车时间。设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案如表 4-1。 表 4-1指示灯燃亮的方案 60s5s80s5s 东西道红灯亮黄灯亮绿灯亮黄灯亮 南北道绿灯亮黄灯亮红灯亮黄灯亮 表 4-1 说明： （1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；北 道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。时间为 60s。 （2）黄灯闪烁 5 秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。 （3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车 辆禁止通过，行人通行。时间为 80s。 东西方向车流大 通行时间长。 （4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和 车辆就能安全畅通的通行。 （5）此表可根据车流量动态设定红绿灯初始值。 4.24.24.24.2系统硬件设计系统硬件设计系统硬件设计系统硬件设计 选用设备：8051 单片机一片，8255 并行通用接口芯片一片，74ls07 两 片，共阴极的七段数码管两个，双向晶闸管若干，74ls373 锁存器一片， 7805 三端稳压电源一个，红、黄、绿交通灯各两个，开关键盘、连线若干。 4.2.1系统总框图 图 4-1系统总框图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 20 - 4.2.2交通灯硬件线路图 交通灯硬件线路如图 4-2 所示。 图 4-2交通灯硬件线路图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 21 - 4.2.3系统工作原理 （1）开关键盘输入交通灯初始时间，通过 8051 单片机 p1 输入到系统 （2）由 8051 单片机的定时器每秒钟通过 p0 口向 8255 的数据口送信 息，由 8255 的 pa 口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由 8255 的 pc 口显示 每个灯的燃亮时间。 （3）8051 输出的数据先存入锁存器中，通过锁存器的 o1 与 o0 控制 8255 的 a1 与 a0,进而决定 8255 的 pa 与 pc 的工作状态。 （4）8051 通过设置各个信号灯的燃亮时间、通过 8051 设置，绿、红时 间分别为 60 秒、80 秒循环由 8051 的 p0 口向 8255 的数据口输出。 （5）绿灯时间倒计时完毕，重新循环。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 22 - 第第第第 5 5 5 5 章章章章控制器的软件设计控制器的软件设计控制器的软件设计控制器的软件设计 5.15.15.15.1每秒钟的设定每秒钟的设定每秒钟的设定每秒钟的设定 延时方法可以有两种一中是利用 mcs-51 内部定时器才生溢出中断来确定 1 秒的时间，另一种是采用软延时的方法。 5.25.25.25.2计数器硬件延时计数器硬件延时计数器硬件延时计数器硬件延时 5.2.1计数器初值计算 定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到 th 和 tl 中的。 它是以加法记数的，并能从全 1 到全 0 时自动产生溢出中断请求。因此，我们 可以把计数器记满为零。所需的计数值设定为 c 和计数初值设定为 tc 可得到 如下计算通式： tc=m-c 式中，m 为计数器摸值，该值和计数器工作方式有关。在方式 0 时 m 为 213；在方式 1 时 m 的值为 216；在方式 2 和 3 为 28 5.2.2计算公式 t=（mtc）t计数 或 tcmtt计数 t计数是单片机时钟周期 tclk的 12 倍；tc 为定时初值 如单片机的主脉冲频率为 tclk=12mhz，经过 12 分频 方式 0tmax213微秒8.192ms 方式 1tmax216微秒65.536ms 显然 1 秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和 软件相结合的办法才能解决这个问题 5.2.3秒的方法 我们采用在主程序中设定一个初值为 20 的软件计数器和使 t0 定时 50 毫 秒这样每当 t0 到 50 毫秒时 cpu 就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服 务子程序。在中断服务子程序中，cpu 先使软件计数器减 1，然后判断它是否 为零。为零表示 1 秒已到可以返回到输出时间显示程序。 5.2.4相应程序代码 （1）主程序 定时器需定时 50 毫秒，故 t0 工作于方式。初值： tcm-t/t计数21650ms/1us=15536=3cboh 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 23 - org 1000h start:movtmod,#01h; 令 t0 为定时器方式 movth0,#3ch;装入定时器初值 movtl0,#boh; movie,#82h;开 t0 中断 sebttro;启动 t0 器 movro,#14h;软件计数器赋初值 loop:sjmp$;等待中断 （2）中断服务子程序 org000bh ajmpbrt0 org00bh brto：djnz r0, next ajmptime;跳转到时间及信号灯显示子程序 djnz：movro，#14h;恢复 r0 值 movth0,#3ch;重装入定时器初值 movtl0,#boh; movie,#82h ret1 end 5.35.35.35.3软件延时软件延时软件延时软件延时 mcs-51 的工作频率为 2-12mhz，我们选用的 8051 单片机的工作频率为 6mhz。机器周期与主频有关，机器周期是主频的 12 倍，所以一个机器周期的时间 为 12*（1/6m）=2us。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过 指令的执行条数来确定 1 秒的时间。 具体的延时程序分析： delay:mov r4,#08h延时 1 秒子程序 de2: lcall delay1 djnz r4, de2 ret delay1:mov r6,#0延时 125ms 子程序 mov r5, #0 de1:djnz r5, $ djnz r6, de1 ret mov rn，#data字节数数为 2机器周期数为 1 所以此指令的执行时间为 2ms delay1 为一个双重循坏，循环次数为 256*256=65536 所以延时时间 =65536*2=131072us 约为 125us delayr4 设置的初值为 8，主延时程序循环 8 次，所以 125us*8= 1 秒 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 24 - 由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。 5.45.45.45.4时间及信号灯的显示时间及信号灯的显示时间及信号灯的显示时间及信号灯的显示 5.4.18051 并行口的扩展 8051 虽然有 4 个 8 位 i/o 端口,但真正能提供借用的只有 p1 口,因为 p2 和 p0 口通常用于传送外部传送地址和数据,p3 口也有它的第二功能。因此，8051 通常需要扩展。由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显 示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个 i/o 端口，显然 8051 的端口是不够的， 需要扩展。 扩展的方法有两种： （1）借用外部 ram 地址来扩展 i/o 端口； （2）采用 i/o 接口芯片来扩充。我们用 8255 并行接口芯片来扩展 i/o 端 口。 5.4.2显示原理 当定时器定时为 1 秒时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依 次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时 一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后再重 新给时间计数器赋初值，重新进入循环。 5.4.38255pa 口输出信号接信号灯 由于发光二极管为共阳极接法，输出端口为低电平，对应的二极管发光， 所以可以用置位方法点亮红，绿，黄发光二极管。 5.4.48255 输出信号与数码管的连接 led 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否 点量而显示不同的字形如 sp，g,f,e,d,c,b,a 管角上加上 7fh 所以 sp 上为 0 伏， 不亮其余为 ttl 高电平，全亮则显示为 8，其驱动代码表如表 5-1 所示。 采用共阴级连接: 其中pc0pb0-a, pc1pb1-b, pc2pb2-c, pc3pb3-d, pc4pb4-e, pc5pb5-f, pc6pb6-g pc7pb7 -sp 接地 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 25 - 表 5-1驱动代码表 显示数值dop g f e d c b a驱动代码（16 进制） 00 0 1 1 1 1 1 13fh 10 0 0 0 0 1 1 006h 20 1 0 1 1 0 1 15bh 30 1 0 0 1 1 1 14fh 40 1 1 0 0 1 1 066h 50 1 1 0 1 1 0 06dh 60 1 1 1 1 1 0 07dh 70 0 0 0 0 1 1 107h 80 1 1 1 1 1 1 17fh 5.4.58255 与 8051 的连接 用 8051 的 p0 口的 p0.7 连接 8255 的片选信号 cs。我们用 8051 的地址采用 全译码方式，当 p0.7=0 时片选有效，其他无效，p0.1 用于选择 8255 端口 表