(有CAD图)防恐电子挡车器设计——挡车器总体及控.pdf

毕业设计说明书 论文 题 目 防恐电子挡车器设计 挡车器总体及控制系统设计 毕 业 设 计 说 明 书 论 文 中 文 摘 要 本课题的任务是拟设定一种刚性挡车器 在重点进行抗冲撞设计的同时 充 分发挥计算机控制技术的优势 实现系统的自动控制 其设计成果可望形成一种 有实用价值的现代化防恐设备 得益于切换的快速性以及外形的美观 直杆类的 挡车器应用得非常广泛 但是 各收费站使用的直杆类挡车器 对违章司机形同 虚设 车辆冲卡现象相当严重 更有甚者 撞伤 撞死执情人员 有时也发生 严重威胁收费站工作人员的人身安全 造成征费工作困难 直接影响我国公路事 业的发展 本论文以 8 9 C 5 1单片机为核心对防恐电子挡车器进行各种信号处理和自动控 制的 完成了简单的机械装置的设计及电气与单片机系统硬件 软件设计 其中 电气与单片机系统硬件 软件设计是本论文的重点 系统硬件设计主要包话了 8 9 C 5 1 单片机 光电耦合器 车辆检测器和脉冲记数器等的设计 关键词 刚性挡车器 自动控制 系统硬件 软件设计 本科毕业设计说明书 论文 第 I 页 共 I 页 毕 业 设 计 说 明 书 论 文 外 文 摘 要 T i t l e D e s i g n o f A n t i t e r r o r E l e c t r o n i c a l B o a r d B a r r i e r S y s t e m D e s i g n o f t h e O v e r a l l P a r t s a n d C o n t r o l S y s t e m A b s t r a c t T h e t a s k o f t h i s s u b j c e t i s t o d e s i g n a r i g i d b o a r d b a r r i e r T a k i n g f u l l a d v a n t a g e o f c o m p u t e r c o n t r o l t e c h n o l o g y i t w i l l n o t o n l y h a v e t h e s t r o n g r e s i s t a n c e o f c o l l i d i n g b u t a l s o a s y s t e m o f a u t o m a t i c c o n t r o l T h i s d e s i g n r e s u l t m a y b e c o m e a k i n d o f m o d e r n a n t i t e r r o r e q u i p m e n t s B a r b a r r i o r i s v e r y c o m m o n b e c a u s e o f i t s f a s t u p d o w n c h a n g i n g a n d i t s b e a u t i f u l a p p r e a n c e H o w e v e r s o m e t o l l s t a t i o n s w i t h t h e s e b a r b a r r i e r s a r e o n l y u n e f f i c i e n t n o m i n a l t o t h e i l l e g a l d r i v e r s T h i s p h e n o m e n o n i s a s e r i o u s t h r e a t t o s a f e t y o f a d m i n i s t r a t o r s i n t h e s e t o l l s t a t i o n s T h e d e v e l o p m e n t o f h i g h w a y b u s i n e s s w i l l t o b e c o n s t r a i n t d e 8 9 C 5 1 s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r i s a s a c o r e t o p r o c e s s a l l i n f o r m a t i o n a n d a u t o m a t i c a l l y c o n t r o l t h i s a n t i t e r r o r e l e c t r o n i c a l b o a r d b a r r i e r T h i s t h e s i s c o n t a i n s t h e d e s i g n i n g o f m a c h i n e r y a n d t h e d e s i g i n g o f h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e d e s i g n i n g o f t h e c o n t r o l s y s t e m o f s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r a n d t h e s y s t e m o f s o f t w a r e A m o n g o t h e r s t h e l a s t i s t h e t h e s i s s m a i n c o n t e n t T h e h a r d w a r e s y s t e m p r i m a r i l y c o n t a i n s t h e d e s i g n i n g o f 8 9 C 5 1 s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r a n d l i g h t e l e c t r i c i t y t r a n s f o r m a t i o n a n d v e c h i c l e d e t e c t o r a n d p u l s e c o u n t e r e t c K e y w o r d s R i g i d b o a r d b a r r i e r S y s t e m o f a u t o m a t i c c o n t r o l H a r d w a r e s y s t e m S o f t w a r e s y s t e m 本科毕业设计说明书 论文 第 II 页 共 II 页 目 录 1 引言 1 1 1 当前电子挡车器的现状与需求 1 1 2 本课题研究的意义 2 1 3 本课题的主要任务 3 2 防恐电子挡车器的机械结构 4 2 1 四杆机构的选用 4 2 2 机械部分要求 5 2 3 确定液压系统方案 5 2 4 机械部分的设定方案 7 3 防恐电子挡车器的内部控制系统设计 9 3 1 单片机的比较与型号选择 9 3 2 需求分析 10 3 3 8 9 C 5 1 单片机的硬件结构与各工作原理 14 3 4 8 9 C 5 1 的引脚介绍 19 3 5 其他软件介绍与外电路的说明 21 4 软件系统的设计 26 4 1 主程序的描述 26 4 2 子程序的描述 28 4 3 参数的设置 31 结束语 32 致 谢 33 参 考 文 献 34 本科毕业设计说明书 论文 第 1 页 共 34 页 1 引言 随着社会生产力的发展 科学技术的不断进步 我国的交通运输业也发生了日新 月异的变化 各大高速公路如雨后春笋般地兴建 因此给电子挡车器的要求也越来越 高 如今在公路 桥梁 隧道 停车场收费站甚至在高级住宅小区 机场 体育场和 集会场都安装了栏杆机 因此挡车器也成为了现实生活中越来越不可缺少的一部分 1 1 当前电子挡车器的现状与需求 目前市场上有各式各样的挡车器 就切换的速度上看有 高速挡车器 动作时间 一般为 1 2 S 2 S 中速挡车器 动作的时间一般为 2 5 S 3 S 低速挡车器 动作时 间一般为 4 5 S以上 就外形来看 有 直臂型 主要用于公路收费站 停车场 住 宅 机关及学校等 曲臂型 主要用于受高度限制的区域 栏栅型 外形很优美 主 要用于海关等防止从杆下通过的场所 就控制方式来看 有 手动控制 遥控控制和 通讯控制 就机械传动上分有 液压传动 这种传动结构简单 传动快 声音轻 但 维护成本高 栏杆不宜太长 撞击后损坏率高 停电后的释放简单 皮带传动 这种 传动成本低 但易拉伸磨损 声音响 传输平衡稳定性较差 要日常维护 减速箱传动 此种传动成本略低 机械结构复杂 机件多 调节维护复杂 复合一体化传动 此种传 动电机和减速机构一体 根据不同的杆长选择不同的电机 无须调节减速机构 停电 处理只需钥匙柄 卫生方便 图1 住宅区栏杆式自动挡车器 本科毕业设计说明书 论文 第 2 页 共 34 页 如图1 所示得益于切换的快速性以及外形的美观 挡杆类的挡车器应用得非常广 泛 但是 各收费站使用的直杆类道闸 对违章司机形同虚设 车辆冲卡现象相当严 重 更有甚者 撞伤 撞死执情人员 也时有发生 严重威胁收费站工作人员的人身 安全 造成征费工作困难 直接影响我国公路事业的发展 众所周知好的事物有它好 的一面 也有不足的一面 图2 直杆挡车器 图2 所示目前就普通的挡车器存在的问题是 结构不牢固 容易被强行冲撞 容 易坏 而达不到拦车的目的 特别是近几年来 恐怖活动日益猖獗 特别是一些公共 场所如 机场 车站 港口 桥梁和政府部门机构等都是恐怖分子感兴趣的场所 为 此各国采取了形式多样的反恐措施 作为阻挡恐怖活动的第一道关卡 挡车器起到关 键的作用 而普通挡车器是没多大作用的 所以必须要研究出结构牢固 强行冲撞不 坏的挡车器来取而代之 其新的名字为防恐电子挡车器 它是专门为之设计的 它可 以有效的防止恐怖分子冲撞普通挡车器类似事件的发生 1 2 本课题研究的意义 目前市场上流行的挡杆类挡车器注重状态切换的快速性但忽视系统抗冲撞能力 形式上表现为一根由计算机控制抬起或落下的栏杆 成为一种意念上的关卡 防恐电 子挡车器采用挡板的形式 具有坚固耐用 可靠性高的特点 重点加强了抗冲撞能力 启动后 车辆无法通过 能有效地杜绝冲卡现象 在国际恐怖主义猖獗 汽车炸弹等各种自杀式恐怖攻击大街其道的国际环境下 为了加强对海关 机场 重要政府机关抢救无效的保护 挡车器的障碍作用则明显应 俦于对灵活性的考虑 美国驻外大使管门前垒起的水袋可视为刚性挡车设施的代表 本科毕业设计说明书 论文 第 3 页 共 34 页 只是更多的让人联想起近现代的战争 电子防恐挡车器正可以解决当前的恐怖冲卡现象 适用于公路 桥梁 隧道 停 车场 企事业单位 旅游区道口 车辆通行管理领域和收费出入口 电子挡车器的控 制系统采用计算机控制 系统集成度高 逻辑功能强 具备高度智能化 系统控制设 计有多种运行模式供用户选用 有与自动控制系统 环路感应器 报警器 车辆计数 器的连接的专用接口 用户可通过选择不同的运行模式 通过不同的搭配组合 灵活 组成人工控制 半自动控制 智能控制等各种不同类型的控制管理系统 本课题拟设 计的防恐电子挡车器的特点是采用国内外先进的单片机控制设备 拟采用特殊的材 料 具有寿命长 性能稳定 抗干扰性强 高性价比 高抗冲撞击能力 实现灵活 易扩展等优点 而使用的微型单片机控制器具有体积小 使用简单 通用性强 快速 高效等特点 便于方便控制与使用 1 4 1 3 本课题的主要任务 本课题拟设定一种刚性挡车器 在重点进行抗冲撞设计的同时 充分发挥计算机 控制技术的优势 实现系统的自动控制 其设计成果可望形成一种有实用价值的现代 化防恐设备 1 3 1 控制方面设计条件与要求 1 动作时间 1 0 S 2 控制核心 单片机 3 控制方式 a 现场按钮控制 b 中央计算机集中控制 c 地感应智能控制 1 3 2 知识要求 1 单片机控制系统软件设计知识 2 单片机控制软件开发能力 3 电子线路板并 p r o t e l 9 9 s e 设计 1 3 3 成果要求 1 总体方案设计与分析 2 设计使用说明书 3 单片机控制系统原理图 电子线路板图 单片机控制系统软件 本科毕业设计说明书 论文 第 4 页 共 34 页 2 防恐电子挡车器的机械结构 2 1 四杆机构的选用 1 曲柄摇杆机构 铰链四杆机构的两个连架杆中 若一个为曲柄 另一个为摇杆 则称其为曲柄摇 杆机构 在曲柄摇杆机构中 若以曲柄为原动件时 可将曲柄的连续运动转变为摇杆 的往复摆动 若以摇杆为原动件时 可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周运动 如图2 1 所示的雷达天线俯仰搜索机构 图2 1 雷达天线俯仰搜索机构 2 曲柄滑块机构 曲柄滑块机构是由四杆机构的基本形式演化而来的 机构的演化 不仅是为了满 足运动方面的要求 还往往是为了改善受力状况以及满足结构上的需要 如图2 2所示 的自卸卡车车厢的举升机构ABC为例 其中摇杆3为油缸 用压力油推动活塞使车厢 翻转 图2 2 自卸卡车车厢的举升机构 本科毕业设计说明书 论文 第 5 页 共 34 页 本设计的挡车器机械部分与上述两例的原理相似 采用四杆机构作为机械部分 2 2 机械部分要求 机械部分是直接阻挡车冲击的部分 也是外部结构主要支柱 因此 必须具有以 下基本要求 1 空间上足够的大 挡车板在路的横向和高度方向能够阻挡住车 2 强度足够 当车以高速冲撞挡车板时 产生巨大的冲击力 整个系统必须 具有足够的强度来承受巨大的剪切应力 挤压应力以及弯曲应力 3 运动过程中不能干涉 为了便于整个系统的装拆 我们尽量的要减小坑的 体积 尤其是坑的深度 但是不能导致系统在工作中出现干涉 如杆碰到坑的壁面 液压缸和杆相互阻挡等导致系统强烈震动甚至不能运动 4 结构尽量简单 此系统主要是满足刚度要求 对灵敏性要求和精密性要求 不高 减小结构的复杂性 可以提高系统的刚性 降低成本 5 重量尽量小尽量的减小系统的重量 可以减小启动液压系统的负荷 减小 成本 便于装拆 3 2 3 确定液压系统方案 下面借鉴搭档液压缸的设计 初选液压缸工作压力 参考 液压传动 表 1 0 3 1 结合本液压系统实际情况 初选系统压力 1 p 为 1 8 M P a 1 计算液压缸的主要尺寸 正向行程 无杆腔进油 时 12211 FAPAP m 其中 2 P 为有杆腔压力 此处取 2 P 0 m 为机械效率 m 0 8 8 0 9 5 通常取 m 0 9 5 所以 1 1 FAP m 即 11 2 4 FPD m 其中 D 为液压缸内径 6 1 6 1 44 0 2 10 122mm 3 14 18 100 95 m F D P 根据表 2 3 1 9 2 D 取标准值 1 2 5 m m 本科毕业设计说明书 论文 第 6 页 共 34 页 故活塞杆直径 d 可由 1 Dd求得 其中 为速度比 22 2 1 2 dD D 推荐值为 1 3 3 2 查表 4 8 1 1 取 1 3 3 1 33 1 12562mm 1 33 d 根据表 2 3 1 1 0 2 d 取标准值 6 3 m m 液压缸具体如图 2 3 所示 图 2 3 液压缸零件图 23232 1 1012 10125 44 mDA 则液压缸的有效面积 23222 21 103 44 mdDDAAA 2 液压缸其他尺寸的确定 活塞的宽度 B按缸的工作压力和活塞的密封方式确定 一般为 0 6 1 D 4 故 取751256 06 0 DBm m 导向套滑动面的长度l 当 D 8 0 m m 时 取 0 6 1 d 4 故取mmdl 8 376 0 圆整为 B 3 8 m m 液压缸的长度 S 按其最大行程确定 一般不大于 2 0 3 0 D 4 本科毕业设计说明书 论文 第 7 页 共 34 页 CHBLS L 液压缸行程 本设计取 7 6 0 m m H 最小导向长度 它的大小影响到液压缸的稳定性和初始扰度 要求 100 220 DL Hm m C 其他长度 比如密封件长度 故取950 Sm m 液压缸缸体的壁厚 缸体厚度 的取值由强度条件决定 取 2 4 m m 所以根据要求及实际计算所采用的系统方案如图 2 4 所示 图 2 4 液压系统设计方案 2 4 机械部分的设定方案 根据任务书要求并结合我搭档的设计理念 初步设定如下方案 方案 如图2 5 所示 本科毕业设计说明书 论文 第 8 页 共 34 页 图 2 5 初步设定方案 此方案的特点 结构紧凑 满足空间要求 液压缸不直接承受负载 负载阻力小 各杆位置得当 满足刚度要求 机构传动角为4 5 0 利于机构运动 故采用此方案 本科毕业设计说明书 论文 第 9 页 共 34 页 3 防恐电子挡车器的内部控制系统设计 3 1 单片机的比较与型号选择 20 世纪 80 年代以来 单片机的发展非常迅速 世界上一些著名厂商投放市场的 产品就有几十个系列 数百个品种 其中有 Intel公司的 MCS 48 MCS 51 Motorola 公 司的 6801 6802 Zilog公司的 Z8 系列 Rockwell公司的 6501 6502 等 此外 荷兰 的 PHILIPS 公司 日本的 NEC 公司和日立公司等也不甘落后 也相继推出了各自的 单片机产品 尽管各个公司生产的单片机品种很多 但是自单片机问世以来 在我国 使用最多的还是 Intel公司的 MCS 51 系列的单片机及兼容单片机 MCS 是 Intel公司 生产的单片机的系列号 MCS 51 系列单片机包括三个基本型 8031 8051 8751 以及 后来 ATMEL 公司扩展的 8951 等 下面对 8051 与 8751 8951 间的比较 8051 是在 8031 的基础上 片内又集成有 4KB ROM 作为程序存储器 片内数据存储器为 128 I O 口线为 32 计数器为 2 个 中断源为 5 个 所以 8051 是一个程序不超过 4KB 的小系统 8051 应用在程序已 定且批量大的单片机产品中 8751 片内集成了 4KB 的 EPROM 构成了一个程序不大 于 4KB 的小系统片内数据存储器为 128 I O 口线为 32 计数器为 2 个 中断源为 5 个 用户可以将程序固化在 EPROM 中 EPROM 中的内容可反复擦写和修改 但价 格比较贵点 MCS 51 系列的单片机中的 8051 是最早 最典型的产品 美国 ATMEL 公司推出的 AT89C5X系列 尤其是该系统中的 AT89C51 单片机在我国面前的 8 位单 片机应用中占有相当大的市场份额 他在功能 引脚及指令系统方面完全兼容 其中 AT89C51 单片机的时钟频率高达 24MHz Flash 存储器允许在线 5V 电擦除 电 写入或使用编程器对其重复编程 另外 AT89C51 还支持由软件选择的两种掉电工作 方式 非常适于电池供电或其他要求低功耗的场合 由于片内带 EPROM的 87C51 价 格偏高 而 AT89C51 就相当于 87C51 只不过用芯片内的 4KB Flash 存储器取代了 87C51 片内的 4KB 的 EPROM AT89C51 片内的 4KB Flash存储器可在线编程或使用 编程器重复编程 且价格较低 因此 ATMEL 公司的 AT89C5X 系列单片机受到了应 用设计者的欢迎 AT89C51 是目前取代 MCS 51 系列单片机的主流芯片之一 综上所 述 总之 8051 与 8751 8951 之间的区别 8051 8751 89C51 的内部结构和指令集都 是一样的 区别在于 8051 内部带有掩膜 由工厂直接编程烧死 的程序存储器 自己无法修改 本科毕业设计说明书 论文 第 10 页 共 34 页 8751 内部带有 EPROM程序存储器 可编程 擦除则需要通过芯片上的玻璃窗 口用紫外线擦除器擦除 89C51 内部带有 Flash存储器可以电擦除和改写 字母 C 代表 CMOS 工艺 他们的比较如表 3 1 所示 表 3 1 各单片机的内部硬件资源 型号 片内程序存 储器 片 内 数 据 存储器 B I O 口线 位 定时器 计 数器 个 中断源 个 引脚 个 8 0 5 1 4 K B R O M 1 2 8 3 2 2 5 4 0 8 7 5 1 4 K B E P R O M 1 2 8 3 2 2 5 4 0 8 9 5 1 4 K B F l a s h 1 2 8 3 2 2 5 4 0 3 2 需求分析 8 0 C 5 1单片机的程序在做单片机时写入 一次性固化 用户不能改写 在 8 7 C 5 1 中为 4 K B 的可编程 可改写的只读存储器是 E P R O M 在 8 9 C 5 1 中为 4 K B 的可骗程 可 改写的只读存储器是 E E P R O M 而 8 0 C 3 1 不设片内程序存储器 使用时必须由片外扩展 8 9 C 5 1 单片机是8 0 C 5 1 含E E P R O M 的产品 是当前最新的一种电擦写的8 位单片机 与 8 0 C 5 1 系列完全兼容 这种单片机有两级或三级程序存储器的保密系统 用于保护 E 2 P R O M 中的程序 以防止非法拷贝 其片内的闪速存储器的编程和擦除完全用电实现 另外 8 9 C 5 1单片机还可用智能法进行编程 可使每个字节编程的时间由 5 0 M S减少到 4 M S 速度快 效率高 其片内有 4 K B的 P E R O M 代码存储器阵列 有低电压编程和高 电压编程 1 2 V 两种模式 低电压编程状态为用户在系统中编程 8 9 C 5 1提拱了一个 方便的途径 而高电压编程 1 2 V 模式与一般常规 F L A S H 或 E P R O M 编程兼容 由上可知 用电可擦除型的 R O M 给用户还来了更大的方便 特别是应用系统的现 场调试 而且目前的市场体格已经下降得很快 所以被广泛采用 所以本次选用 89C51 单片机较优 随着大规模集成电路技术的发展 可以将 C P U R A M R O M 定时器 计数 器以及输入 输出 I O 接口电路等主要计算机部件 集成在一块电路芯片上 这样 所组成的芯片级的微型计算机称为单片微型计算机 所以本系统选用的要与 8051 单 片机功能相似的且优于它的单片机 8051 基本组成图 3 1 所示 本科毕业设计说明书 论文 第 11 页 共 34 页 设计本方案的核心部分是单片机 在认真考虑 CPU 各方面的功能下 本人决定 所使用的 CPU 的型号是 8951 首先设计分析 分别用三个按钮 接高电平 5V 电源 并各自连接 8951 CPU 的 一端的三个引脚 CPU 的另一端的三个引脚接红黄绿三盏灯 当按接红灯的按钮时 输入端的开关闭合 经 CPU 处理后由低电平输出 红灯亮时 说明该 CPU 性能正常 当按接黄灯的按钮时 黄灯亮时 说说明该 CPU 性能还是正常 依次 如上 如果 红黄绿三灯有不亮的 说明系统出问题 其次手动控制部分 输入端为 挡板 落板 停板三个按钮分别接高电平 5V 电 源 当挡板按钮闭合时 经 CPU 处理后 输出端输出 电机顺转 挡板抬起为正常 工作 当落板按钮闭合时 经 CPU 处理后 输出端输出 电机逆转 落板放下为正 常工作 同理在按停板按钮时 电机停止运转 自动控制部分主要是前传感器和后传 感器感应 限位是限制挡车器的最大和最小的活动空间 用来保证挡车器的正常工作 限制 部分具体分为三部分 分别为上限位 下限位和辅助工具报警器 当挡板抬升为45 时 本科毕业设计说明书 论文 第 12 页 共 34 页 上感应器自动感受到挡板 同时使电机顺转停止 同理 当挡板下降时 下感应器自 动感受到挡板的下降 使电机逆转停止 当挡车器的挡板超过最大或最小活动空间时 CPU 自动感受到 并且发出自动报警 最后就是记数过程了 当汽车经过挡车器后 有一个地面的感应器 当经过一辆 汽车 感应器就会自动感应输入 CPU 经中央处理器处理后 并控制专门的车辆计数 器计数所经过的汽车车辆 电气与单片机控制系统的总体框架如下图 3 2 所示 主要包括 8 9 C 5 1 单片机主控 制系统 输入部分包括 抬板 落板与停板按键开关 红灯 绿灯与雾灯按键开关 前后地感应按键开关 上 下限位开关 前后地感应模块控制拔码开关 抬板 落板 最大时限设置拔码开关 定时自动落板设置拔码开关 输出部分包括 电机的开停 抬板 落板及停板 红灯 绿灯及雾灯 脉冲记数器 图 3 2 基本设计图 此电气与单片机系统的主要特点 1 采用单片机控制 简化了电路 提高了可靠性 2 内含线圈检测器 仅需在车道上布埋线圈 即可实现车辆的自动检测与挡 板的自动控制 3 无触点光电开关 可靠耐用 4 可外加车辆计数器 本科毕业设计说明书 论文 第 13 页 共 34 页 5 防控装置 保护车辆与挡板 此电气与单片机系统具备全方位安全防护附加功能 1 自动落板功能 当铺设地感应线圈功能模块启用时 车辆进入被检测区时 挡板会自动下落 2 LED 红灯 绿灯双显信号 该装置在正常情况下为通行车辆自动切换显示 红绿灯信号 3 声警示装置 一旦系统发生故障或车辆违规通过时发出声警信号 表 3 2 最后 输入 输出需求分析输入如下 功能控制 I O 点数 抬板键 1 落板键 1 停板键 1 红灯开关 1 绿灯开关 1 雾灯开关 1 前地感应开关 1 后地感应开关 1 上限位开关 1 下限位开关 1 抬板最大限时 2 落板最大限时 2 等待抬板设时 2 前地感应模块 1 后地感应模块 1 表 3 3 输出如下 动作 电 机 停 止 停板 抬板 落 板 红灯 绿灯 雾灯 报警器 车辆计 数 I O 点数 1 1 1 1 1 1 1 1 本科毕业设计说明书 论文 第 14 页 共 34 页 由上可知 输入口共有 18 个 用的是 P1 口 P2 口及 P3 2 P 3 3 输出口是 7 个 用的是 P 0 口 3 3 8 9 C 5 1 单片机的硬件结构与各工作原理 3 3 1 8 9 C 5 1 的单片机由如下功能部件组成 1 微处理器 C P U 2 数据存储器 R A M 3 程序存储器 4 K B F l a s h R O M 4 4 个 8 位可编程并行 I O 口 P 0 口 P 1 口 P 2 口 P 3 口 5 1 个全双工串行口 6 2 个 1 6 位定时器 计数器 7 中断系统 8 特殊功能寄存器 S F R 其片内结构如图 3 3 所示 图 3 3 8 9 C 5 1 单片机片内结构 上述各功能部件通过片内单一总线连接而成 如上图 其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯 片的传统微型计算机结构模式 但 CPU 对各种功能部件的控制是采用 特殊功能寄存器 SFR 的集中控制方式 1 6 1 7 3 3 2 C P U CPU 运算器 控制器 数 据 存 储 器 RAM P1 串行口 定 时 器 中断 系统 P3 P0 P2 程序存储器 4KBFlashROM 特殊功能 寄存器 SFR X T A L 1 X T A L 2 8 8 8 8 ALE PSEN EA RESET 本科毕业设计说明书 论文 第 15 页 共 34 页 89C51 单片机中有 1 个 8 位的 CPU 与通用的 CPU 基本相同 同样包括了运算 器和控制器两大部分 只是增加了面向控制的位处理功能 单片机的中央处理器和通 用微处理器基本相同 只是增设了 面向控制 的处理功能 例如 位处理 查表 多种跳转 状态检测 中断处理等 增强了实时性 3 3 3 数据存储器 R A M 片内为 128B 52 子系列为 256B 片外最多可外扩 64KB 片内 128B的 RAM 以 高速 RAM 的形式集成在单片机内 可以加快单片机运行的速度 而且这种结构的 RAM 还可以降低功率 数据存储器由随机存取存储器 RAM 构成 用来存储随机数据 它可分为片内数据存储器和片外数据存储器两部分 片内数据存储器最高地址只有 8 位 因而最大寻址范围为 256 个字节 1 片内数据存储器 它是最灵活的地址空间 可分成片内数据 RAM 区和特殊功能寄存器 SFR区两个 独立的功能不同的区 片内数据 R A M 区 根据不同的寻址方式可分为以下几个区域 工作寄存器区 这是一个寄存器直接寻址的区域 是片内数据 RAM 区的 00H 1 F H 共 3 2 个单元 是 4 个通用工作寄存器组 每个组包含 8 个 8 位寄存器 其选择 是通过软件对程序状态字 P S W 中的 R S 0 R S 1 位的设置来实现的 位寻址区 是片内数据 R A M 区的 2 0 H 2 F H 的 1 6 个字节单元 共包含 1 2 8 位 是 可位寻址的 R A M 区 字节寻址区 是片内 R A M 区的 3 0 H 7 F H 共 8 0 个字节单元 可以采用直接字节 寻址的方法访问 堆栈区及堆栈指示器 堆栈是在片内数据 R A M 区中 数据先进后出或后进先出的 区域 堆栈指示器在存放当前堆栈栈顶所指存储单元地址的一个 8 位寄存器 进栈时 S P 的内容是增加的 出栈时 S P 的内容是减少的 系统复位后 S P 内容为 0 7 H 它有保 护断点和保护现场两个功能 特殊功能寄存器 S F R 区 它是单片机中各功能部件所对应的寄存器 用以存放相 应的功能部件的控制命令 状态或数据的区域 除程序计数器和 4 个通用工作寄存器 组外 其余所有的寄存器都在这个地址空间之内 2 片外数据存储器 它是在外部存放数据的区域 这一区域用寄存器间接寻 址的方法访问 所用的寄存器为 D P T R R 1 或 R 0 本科毕业设计说明书 论文 第 16 页 共 34 页 3 3 4 程序存储器 F l a s h R o M 它是用来存储程序 89C51 片内集成有 4KB 的 Flash存储器如果片内程序存储器 容量不够 片外最多可外扩程序存储器至 64KB 程序存储器用于存放经调试正确的 应用程序和表格之类的固定常数 由于采用 1 6位的程序计数器 P C和 1 6位的地址总 线 因而其可扩展的地址空间为 6 4 K B 且这 6 4 K B 地址空间是连续 统一的 1 整个程序存储器可以分为片内和片外两部分 C P U 访问片内存储器和片外存 储器 可由引脚所接的电平来确定 EA引脚接高电平时 程序从片内程序存储器开 始执行 即访问片内存储器 当 P C值超出片内 R O M 容量时 会自动转向片外程序存 储器空间开始执行 EA引脚接低电平时 迫使系统全部执行片外程序存储器程序 2 程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址 由于系统复位后的 P C 地址为 0 0 0 0 H 故系统从 0 0 0 0 H 单元开始取指 执行程序 从 0 0 0 3 H 0 0 2 B H 单元被保留用于 6 个中断源的中断服务程序的入口地址 故有以下 7 个特定地址被保留 复位或非屏蔽中断 0 0 0 0 H 外部中断 0 0 0 0 3 H 计时器 T 0 溢出 0 0 0 B H 外部中断 1 0 0 1 3 H 计时器 T 1 溢出 0 0 1 B H 串行口中断 0 0 2 3 H 计时器 T 2 T 2 E X 下降沿 0 0 2 B H 在程序设计时 通常在这些中断入口处设置无条件转移指令 使之转向对应的中 断服务程序段处执行 3 片内程序存储器为固定只读存储器 ROM 存储器的类型有 掩膜 ROM O T P 一次性编程 R O M 和 M T P 多次编程程 R O M 包括 E P R O M 及 E E P R O M 等 在 8 7 C 5 1 中为 4 K B 的可编程 可改写的只读存储器是 E P R O M 在 8 9 C 5 1 中为 4 K B 的 可骗程 可改写的只读存储器是 E E P R O M 而 8 0 C 3 1 不设片内程序存储器 使用时必须 由片外扩展 本科毕业设计说明书 论文 第 17 页 共 34 页 3 3 5 中断系统 具有 5 个中断源 2 级中断优先权 中断 程序执行过程中 允许外部或内部事 件通过硬件打断程序的执行 使其转向为处理外部或内部事件的中断服务程序中去 完成中断服务程序后 CPU 继续原来被打断的程序 这样的过程称为中断过程 外部 中断触发方式 电平触发方式 低电平有效 跳变触发方式 电平发生由高到低时触 发 这两种触发方式可以设置 TCON 寄存器中的1INT和0INT中断触发申请触发方式 控制位来选择 设置 IT1 I T 0 0 选择电平触发方式 设置1INT 0INT 选择跳变 触发方式 中断优先级 几个中断源同时申请中断时 或者 C P U 正在处理某外部事件 时 又有另一外部事件申请中断 C P U必须区分哪个中断源更重要 从而确定优先处 理谁的能力 3 3 6 定时器 计算器 片内有 2 个 16 位的定时器 计算器 具有 4 种工作方式 定时器 计数器在单片机 的实际应用中 往往需要精确的定时 或者需对外部事件进行计数 为了减少软件开 销和提高单片机的实时控制能力 因而均在单片机内部设置定时器 计数器电路 通 过中断 实现定时 计数的自动处理 计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下按照 严格的时弃有规律地一个节拍一个节拍地执行各种操作 单片机内部也设有定时电 路 只需外接振荡元件即可工作 3 3 7 串行口 1 个全双工的串行口 具有 4 种工作方式 可进行串行通信 扩展并行 I O 口 甚至与多个单片机相连构成多机系统 从而使单片机的功能更强且应用更广 其中并 行 I O 口为了满足 面向控制 实际应用的需要 单片机提拱了数量多 功能强 使 用灵活的并行 I O 口 不同单片机的并行 I O 电路在结构上稍有差异 有些单片机的 并行 I O 口不仅可以灵活地选作输入或输出 而且具有多种功能 串行 I O 口高档 8 位单片机均增设了全双工串行 I O 口 从而提拱了与某些终端设备进行串行通信 或 者和一些特殊功能的器件相连的能力 甚至用多个单片机相连构成多机系统 使单片 机的功能更强且应用更广 3 3 8 P 1 口 P 2 口 P 3 口 P 0 口 P0 口 8 位 漏极开路的双向 I O 口 当 89C51 扩展外部存储器及 I O 接口芯片 时 P0 口作为地址总线 低 8 位 及数据总线的分时复用端口 P0 口也可以作为通用的 本科毕业设计说明书 论文 第 18 页 共 34 页 I O口使用 但需要加上拉电阻 这时为准双向口 当作为普通的 I O输入时 应先 向端口的输出锁存器写入 1 P0 口可驱动 8 个 LS 型 TTL负载 P1 口 8 位 准双向 I O口 具有内部上拉电阻 P1 口是专为用户使用的准双 向 I O口 当作为普通的 I O输入时 应先向端口的输出锁存器写入 1 P1 口可驱 动 4 个 LS 型 TTL 负载 P2 口 8 位 准双向 I O 口 具有内部上拉电阻 当 89C51 扩展外部存储器及 I O口时 P2 口可输出高 8 位地址 P2 口也可以作为普通的 I O 口使用 当作为普通的 I O 输入时 应先向端口的输出锁存器写入 1 P1 口可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载 P3 口 8 位 准双向 I O口 具有内部上拉电阻 P3 口也可以作为通用的 I O 口使用 当作为通用的 I O 输入时 应先向端口的输出锁存器写入 1 P1 口可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载 3 3 9 特殊功能寄存器 S F R 共有 21 个特殊功能寄存器 用于 CPU 对片内各功能部件进行管理 控制和监视 特殊功能寄存器实际上就是片内各个功能部件控制寄存器和状态寄存器 这些特殊功 能寄存器映射在片内 RAM区 80H FFH的地址区间内 8 9 C 5 1 单片机系列的存储器采 用的是哈佛结构 即将程序存储器和数据存储器截然分开 程序存储器和数据存储器 各有自己的寻址方式 寻址空间和控制系统 这种结构对于单片机 面向控制 的实 际应用极为方便 有利 在 8 9 C 5 1 单片机中 不仅在片内驻留了一定的容量的程序存 储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器 而且还具有极强的外部存储器扩展能 力 寻址范围分别可达 6 4 K B 寻址和操作简单方便 8 9 C 5 1 单片机存储器映象图如图 3 4 所示 本科毕业设计说明书 论文 第 19 页 共 34 页 在逻辑上设有 3 个存储器地址空间 片内 片外统一的 6 4 K B 程序存储器地址空间 片内 2 5 6 B 数据存储器地址空间 片外 6 4 K B 的数据存储器地址空间 6 8 1 1 3 4 8 9 C 5 1 的引脚介绍 40 个引脚按其功能可分为如下 3 类 1 电源及时钟引脚 Vcc Vss XTAL1 XTAL2 2 控制引脚 PSEN ALE EA RESET 即 RST 3 I O 口引脚 P0 P1 P2 P3 为 4 个 8 位 I O 口的外部引脚 下面介绍引脚的功能如图 3 5 所示 本科毕业设计说明书 论文 第 20 页 共 34 页 图 3 5 4 0 引脚双列直插封装图 各引脚的功能叙述如下 1 电源和晶振 V C C 运行和程序校验时加 5 V C S S 接地 X T A L 1 输入到振荡器的反相放大器 X T S L 2 反相放大器输出 输入到内部时钟发生器 当用外部振荡时 X T A L 2 不用 X T A L 1 接收振荡器信号 2 I O 口 4 个 3 2 根 P 0 8位 漏极开路的双向 I O口 当使用片外存储器时 作地址和数据分时复 用 在程序校验期间 输出指令字节 P 0 口能驱动 8 个 L S T T L 负载 P 1 8位 准双向 I O口 在编程 校验期间 用做输入低位字节地址 P 1口可 以驱动 4 个 L S T T L 负载 P 2 8 位 准双向 I O 口 当使用片外存储器时 输出高 8 位地址 在编程 校验 期间 接收高位字节地址 P 2 口可以驱动 4 个 L S T T L 负载 本科毕业设计说明书 论文 第 21 页 共 34 页 P 3 8位 准双向 I O口 具有内部上拉电路 它提拱各种替代功能 在提拱这 些功能时 其输出锁存器应由程序置 1 P 3 口可以输入 输出 4 个 L S T T L 负载 串行口 P 3 0 R X D 串行输入口 输入 P 3 1 T X D 串行输出口 输出 中断 P 3 2 0INT外部中断 0 输入 P 3 3 1INT外部中断 1 输入 定时器 计数器 P 3 4 T 0 定时器 计数器 0 外部输入 输入 P 3 5 T 1 定时器 计数器 1 外部输入 输入 数据存储器选通 P 3 6 W R 低电平有效 输出 片外存储器写选通 P 3 7 R D 低电平有效 输出 片外存储器读选通 3 控制线 共 4 根 输入 R S T 复位输入信号 高电平有效 在振荡器工作时 在 R S T上作用两个机器周 期以上的高电平 将器件复位 EA V P P 片外程序存储器访问允许信号 低电平有效 在编程时 其上施加 2 1 V 的编程电压 输入 输出 A L E PROG 地址锁存允许信号 输出 用做片外存储器访问时 低字节地址锁 存 输出 PSEN 片外程序存储器选通信号 低电平有效 1 3 1 5 3 5 其他软件介绍与外电路的说明 3 5 1 光电耦合器 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件 它由发光源和 本科毕业设计说明书 论文 第 22 页 共 34 页 受光器两部分组成 把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内 彼此间用透明绝缘 体隔离 发光源的引脚为输入端 受光器的引脚为输出端 常见的发光源为发光二极 管 受光器为光敏二极管 光敏三极管等等 光电耦合器的种类较多 常见有光电二 极管型 光电三极管型 光敏电阻型 光控晶闸管型 光电达林顿型 集成电路型等 光电耦合器具有体积小 使用寿命长 工作温度范围宽 抗干扰性能强 无触点 且输入与输出在电气上完全隔离等特点 因而在各种电子设备上得到广泛的应用 光 电耦合器可用于隔离电路 负载接口及各种家用电器等电路中 工作原理 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光 光的强度取决于激励电流 的大小 此光照射到封装在一起的受光器上后 因光电效应而产生了光电流 由受光 器输出端引出 这样就实现了电一光一电的转换 光电耦合器用于接口电路光电耦合器 4N25 起到使输入部分和 89C51 系统隔离的 作用 这样可以避免输入部分电源变化对单片机电源的影响 减小系统所受的干扰 提高系统可靠性 与弹簧开关相比有许多优点 因此这时采用通过光电耦合器来输入 信号 3 5 2 车辆检测器 车辆检测器用于对通过车道的车辆进行感应式的检测 可以使用两种方法对车辆 进行检测 一种是通过光感器 另一种是通过地感应线圈 3 5 3 光感器 利用光感器是否接收到光来检测过道车辆从而对输入信号进行自动控制 当有车 经过发射源的光线将会受阻 否则将会接收到光线从而进光电转换的自动控制 这样 就可以对车辆进行检测 3 5 4 地感应线圈 它是通过探测金属物在感应线圈上造成的电感量变化来探测到金属的 线圈是由 多匝导线绕制成的 埋在路面下 用水泥填充好 线圈引线连接到感应器 当金属物 通过感应线圈时 导致线圈的电感量发生变化 被感应器检测到通过内部控制器的运 算判断出有金属物 通过继电输出信号 由于有微处理器的智能控制作用 感应器的 灵敏度可调节 适用各种要求 通过感应线圈 所有金属结构的车辆 如小轿车 卡 车 公共汽车 电车甚至自行车都很容易检测到 并且有灵敏度高 反应速度快且始 终检测的优点 由于光感器是裸露在外面的 容易受损 而且设施的安全防护得不到有利和保证 本科毕业设计说明书 论文 第 23 页 共 34 页 其次虽然采用红外线为传感器件 可以工作在低温 高温 雨 雪等恶劣气候环境中 灵敏度高 但用光感器受车的外形的影响很大 如小轿车 商用车等外形具有很大的 差异 并且很容易受外界条件的影响 因而使其检测不正确 输入信号很不稳定 甚 至发生错误的控制信号 而在地感应线圈是埋入地底的 不容易被触摸到 能够很好地保证设施的安全 它也不受其它外界条件的影响 工作起来即稳定又可靠 综合上述几点来看 光感器误码判率较高 而在感应线圈较稳定 因此选用地感 应线圈作为车辆检测器较优 图 3 6 地感应线圈的分布 地感应线圈的分布如上图 3 6 所示 检测线圈铺设完毕后 应用水泥将线槽填平 输出0 表示无车 输出1 表示有车 并且有检测指示灯信号输出 LED亮 表示有车 LED 暗 表示无车 LED闪烁 表示正处于初始化状