基于单片机的交通信号灯模拟控制器的设计-毕业设计.doc

i 基于单片机的交通信号灯模拟控制器的设计基于单片机的交通信号灯模拟控制器的设计 THETHE DESIGNDESIGN OFOF TRAFFICTRAFFIC LIGHTSLIGHTS ANALOGANALOG CONTROLLERCONTROLLER BASEDBASED ONON SINGLE CHIPSINGLE CHIP MICROCOMPUTERMICROCOMPUTER ii 摘要摘要 随着人类科技文明的发展 人们对于日常交通便利的要求在不断地提高 交 通信号灯已不仅仅被看成一种用来指挥交通的工具 在很多实际应用中它还需要 能够实现更多其它功能 高精度 多功能 小体积 低功耗 是现代交通信号灯 发展的趋势 本课题设计正是基于这个方向设计一个符合指标要求的模拟交通信 号灯控制器 单片机在电子产品中的应用越来越广泛 特别是 51 系列的单片机 由于其 使用方便 价格低廉等优势 在市场上占有很大的份额 AT89S51 就是 51 系列中 的一个比较成熟的型号 它完全兼容 51 单片机的指令 本课题设计是基于单片机技术原理 以单片机芯片 AT89S51 作为核心控制器 通过硬件电路的制作以及软件程序的编制 设计出的一个模拟交通信号灯控制系 统 该控制系统包括了按键控制电路 定时控制电路 显示电路等几部分的组成 设计以硬件和软件相结合为指导思想 通过软件编程实现系统大部分功能 电路 简单明了 系统稳定性高 主要硬件有 AT89S51 单片机 16 16 点阵式 LED 显 示屏 七段数码管 LED 和按键等 软件采用汇编语言编写实现 并依据程序应 用 Keil 软件进行了仿真调试 对出现的问题进行分析和反复修改 最终得到正 确并符合设计要求的结果 设计完成的模拟交通信号灯控制器能够准确指挥交通 并具有人工控制功能 实现了人工智能一体化 本系统设计控制精确 体积小 功耗低 具有很强的实 用性 关键字 关键字 AT89S51 LED 显示 交通灯 iii Abstract Has analyzed the modern municipal transportation control and the management question present situation unified the city and countryside transportation the actual situation to elaborate the traffic light control system principle of work has produced one kind of simple practical city traffic light control system hardware circuit design plan Along with the social economy development the municipal transportation question more and more arouses people s interest The person the vehicle the road three relations coordinations have become one of important questions which the traffic control department needs to solve The municipal transportation control system is uses in the computer synthesis management system management system which the municipal transportation data monitor the street traffic control lights control and the transportation unblocks it is in the modern municipal transportation monitoring command system the most important constituent Along with the city vehicle quantity unceasing increase many big cities like Beijing Shanghai Nanjing and so on had the transportation excess load movement situation therefore from the80 s later periods these cities constructs the city speed way in abundance completes the initial period in the speed way construction they also once effectively improved the transportation condition However and lacks along with the volume of traffic fast growth to the speed way system research and the control the speed way not fully plays the anticipated role But city speed way in structure charact eristic also had decided the city speed way transportation condition inevitably receives the speed way and the ordinary path coupling place transportation condition restriction Therefore how uses the appropriate control method maximum limit uses the good consumption large amount of money construction the city speed way alleviates branch with Ramp the city supports with the peripheral locality transportation stops up the condition more and more becomes the main question which the transportation management and the urban planning department urgently awaits to be solved There fore applied the knowledge through me which studied to design a set of traffic lights control circuit plan The traffic light control system mainly by the timing circuit the host controls the electric circuit the signal light switch the pulse signal generating devices composed Key word The AT89S51 LED show transportation light I 目录目录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 引言 1 1 2 课题研究的背景 1 1 2 1 单片机的应用与发展 1 1 2 2 LED 技术的应用 2 1 2 3 交通信号灯的发展 4 1 3 课题研究的主要内容 5 1 4 课题研究的目的及意义 6 第第 2 2 章章 系统总体结构设计系统总体结构设计 7 7 2 1 系统总体方案设计 7 2 2 硬件系统中的芯片认识 7 2 2 1 AT89S51 芯片简介 8 2 2 2 8255 芯片简介 10 2 2 3 74LS164 芯片简介 11 2 2 4 74LS273 芯片简介 13 第第 3 3 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 1414 3 1 单片机控制系统设计 14 3 1 1 AT89S51 最小系统的设计 14 3 2 按键控制电路设计 15 3 3 LED 显示电路设计 16 3 3 1 LED 结构和参数 16 3 3 2 LED 器件的恒流驱动方式 17 3 3 3 LED 器件的脉冲驱动方式 18 3 3 4 点阵式 LED 显示屏 18 3 4 以单片机为核心的动态扫描电路设计 19 3 5 电源设计 21 II 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 2323 4 1 单片机开发流程 23 4 2 KEIL UVISION2 软件的仿真调试 23 4 2 1 Keil 的介绍 23 4 2 2 Keil uVision2 软件的操作 24 4 3 系统软件设计程序流程 24 4 3 1 定时电路设计 26 4 3 2 倒计时电路流程图设计 28 4 3 3 按键电路流程图设计 29 4 3 4 图形显示电路和字形显示电路流程图设计 29 4 4 工作原理分析 30 第第 5 5 章章 系统设计总结与展望系统设计总结与展望 3232 5 1 总结 32 5 2 系统主要特点 33 5 3 展望 33 结论结论 3434 致谢致谢 3535 参考文献参考文献 3636 附录一附录一 控制源程序清单控制源程序清单 3737 附录二附录二 电路原理图电路原理图 4343 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1 引言引言 随着科学技术发展的日新月异 不断发展 自动化 智能化 功能多样化越 来越成为电气控制的主流 尤其是计算机技术的迅猛发展 单片机系统逐渐应用 在更加广泛的领域 交通信号灯控制系统 就是在单片机的基础上开发出来的 我国经济的快速发展 车辆的增多 交通拥挤问题日益严重 在不断拓宽交通道 路以及修建新的交通要道的同时 交通信号灯的用途变得更加明显 我们也应当 适当地改善信号灯的功能 使其日益完善 满足现在交通的要求 在以往的交通信号灯中 东西南北方向的通行时间是固定的 不论路上的车 辆是多是少 现在为了使交通更加流畅 更有秩序 我们可以在以往得基础上 加上按键 用以控制突发事件和交通拥挤等 基于以上考虑 我们提出了这个课 题要求 进行设计 并模拟和仿真 1 21 2 课题研究的背景课题研究的背景 1 2 1 单片机的应用与发展 单片机自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS 48 开始 迄今已有三十多年了 由 于单片机集成度高 功能强 可靠性高 体积小 功耗地 使用方便 价格低廉 等一系列优点 目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面 单片机的应用领域 已从面向工业控制 通讯 交通 智能仪表等迅速发展到家用消费产品 办公自 动化 汽车电子 PC 机外围以及网络通讯等广大领域 单片机有两种基本结构形式 一种是在通用微型计算机中广泛采用的 将程 序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构 称为普林斯顿结构 另一种 是将程序存储器和数据存储器截然分开 分别寻址的结构 一般需要较大的程序 存储器 目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多 1 20 世纪 80 年代中期以后 Intel 公司以专利转让的形式把 8051 内核技术转 让给许多半导体芯片生产厂家 如 ATMEL PHILIPS ANALOG DEVICES DALLAS 等 这些厂家生产的芯片是 MCS 51 系列的兼容产品 准确地说是与 MCS 51 指令 系统兼容的单片机 这些兼容机与 8051 的系统结构 主要是指令系统 相同 2 采用 CMOS 工艺 因而 常用 80C51 系列来称呼所有具有 8051 指令系统的单片机 它们对 8051 单片机一般都作了一些扩充 更有特点 其功能和市场竞争力更强 不该把它们直接称呼为 MCS 51 系列单片机 因为 MCS 只是 Intel 公司专用的单 片机系列型号 MCS 51 系列及 80C51 单片机有多种品种 它们的引脚及指令系统 相互兼容 主要在内部结构上有些区别 目前使用的 MCS 51 系列单片机及其兼 容产品通常分成以下几类 基本型 增强型 低功耗型 专用型 超 8 位型 片 内闪烁存储器型 目前单片机应用于各个领域 其应用于仪器仪表中显得更为优越 以单片机 制成的电子时钟具有计时准确 功耗低的优点 从而得到了各界领域的广泛应用 单片机正处在微控制器的全面发展阶段 各公司的产品在尽量兼容的同时 向高 速 强运算能力 寻址范围大以及小型廉价方面发展 单片机的发展推动了应用 系统的发展 应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求 从而促进单片 机的发展 单片机正向着功能更强 速度更快 功耗更低 辐射更小的方向发展 随着集成度的不断提高 把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条 件 这也是单片机以后发展的重要趋势 除了一般必须具有的 ROM RAM 定时器 计数器 中断系统外 随着单片机档次的提高 以适应检测 控制功能更高的 要求 片内集成的器件通常还有电源监控与复位电路 WDT A D 转换器 DMA 控 制器 中断控制器 锁相器 频率合成器 字符发生器 声音发生器 CRT 控制 器 译码驱动器等 从单片机近年的发展趋势来看 单片机正朝着多层次用户 多品种 多规格 高性能方向发展 现在许多公司根据市场的要求不失时机的研制并推出各种优秀 的单片机 在实时控制系统 军工产品和一些高级家用电器等领域 需要高性能 单片机 以满足其功能 速度 可靠性方面的特殊要求 这些单片机的高性能主 要体现在 CPU 功能加强 内部资源增加 寻址范围增大 而简单的家用电器 智 能玩具 仪表仪器 智能 IC 卡等对单片机功能要求不高 那些小型 低耗能 廉价的单片机就具有明显的优势和市场需求 它们也将是未来市场的重要角色 有着广阔的应用前景 1 1 5 5 1 2 2 LED 技术的应用 道路交通信号灯 以下简称信号灯 的光源几经变迁 从最初易发生爆炸的 煤气灯发展到稳定 安全的白炽灯 卤钨灯 如今发光二极管 LED 得到了广 泛应用 白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定 均匀 但是存在能耗高 3 寿命低 易产生幻像信号显示 色片易褪色等缺陷 而高亮度 低能耗 LED 在信 号灯上的应用 给信号灯产品带来革命性的变化 LED 之所以能够在信号灯中得到广泛应用 是因为 LED 具有如下优点 1 单色光 具有发散角 LED 发出的光是单色光 因而不需要用色片来产生红 黄 绿的信号颜色 LED 发出的光具有方向性 并有一定的发散角 由此可以屏弃传统信号灯中使用 的非球面反光镜 LED 的这个特点解决了传统信号灯存在的幻像 俗称假显示 和色片褪色问题 提高了光效 2 冷光源 能耗低 LED 是一种冷光源 其显著的特点之一就是能耗低 这对灯具的应用而言是 很有意义的 LED 光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在 12VA 25VA 之间 白炽灯泡光源的信号灯单个发光单元的功率一般在 80W 100W 之间 低压卤钨灯 泡光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在 40VA 60VA 之间 由此可见 LED 光源在节能方面的优势是非常明显的 3 可靠性好 寿命长 信号灯的工作环境相对比较恶劣 严寒酷暑 日晒雨淋 因而对灯具的可靠 性要求较高 一般信号灯用白炽灯泡的平均寿命是 1 000h 低压卤钨灯泡的平均 寿命是 2 000h 由此而产生的维护费用很高 目前 我国 LED 信号灯使用时间最 长的已超过 5 年 LED 未有损坏 单管 LED 的理论寿命为 100 000h 由此推断 LED 信号灯的实际使用寿命大于 50 000h 4 存在的一些问题 国家标准 GB14887 2003 道路交通信号灯 实施以来 在产品的应用和测 试中发现 LED 信号灯存在如下问题 1 大多数 LED 生产企业缺乏降低或消除幻像信号的技术手段 2 许多小企业没有光学设计能力 LED 信号灯的光强发布不均匀 3 LED 驱动电路设计粗糙 功率因数偏低 4 常年使用后 LED 输出光强急剧下降 5 部分企业使用低档的 LED 使得信号灯的品质下降 6 长时间使用后 信号灯的塑料壳体和塑料透光面老化 使得信号模糊 外壳防护等级下降 这几年 LED 的技术发展非常快 为 LED 信号灯技术的提高提供了很好的基础 以目前的状况看 LED 信号灯的发展有以下几方面的趋势 4 1 大功率 LED 的应用 优点是大幅减少 LED 的数量 需要解决的问题是散 热和成本 2 LED 信号灯的光强指标 电学指标和电磁兼容要求将逐步提高 LED 信号 灯的光学设计 电路设计将进一步优化 并成为信号灯设计的主流 3 随着节能 环保要求的提高 LED 与太阳能结合的信号灯将普及 但需 解决与交通信号控制机的配合问题 6 6 8 8 1 2 3 交通信号灯的发展 信号灯是交通安全产品中的一个类别 是为了加强道路交通管理 减少交 通事故的发生 提高道路使用效率 改善交通状况的一种重要工具 适用于十 字 丁字等交叉路口 由道路交通信号控制机控制 指导车辆和行人安全有序 地通行 交通信号灯的种类有 机动车道信号灯 人行横道信号灯 非机动车道信 号灯 方向指示信号灯 移动式交通信号灯 太阳能闪光警告信号灯 收费 站天棚信号灯 城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型 定周期的信号机 多时段 且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机 道路交通信号灯 以下简称信号灯 的光源几经变迁 从最初易发生爆炸的 煤气灯发展到稳定 安全的白炽灯 卤钨灯 如今发光二极管 LED 得到了广 泛应用 白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定 均匀 但是存在能耗高 寿命低 易产生幻像信号显示 色片易褪色等缺陷 而高亮度 低能耗 LED 在信 号灯上的应用 给信号灯产品带来革命性的变化 随之道路交通信号灯在我国的应用也有几十年了 作为重要的道路交通安全 产品 道路交通信号灯为保障道路交通安全畅通 有序发挥了重要作用 近年来 新材料 新技术在道路交通领域不断得到应用 发光二极管 LED 在道路交通 领域的广泛应用更是有目共睹 LED 主要应用在道路交通信号灯 交通诱导信息 显示屏 可变交通标志 倒计时显示器和各种警告 警示灯具等交通安全产品上 1999 年我国部分城市开始试用 LED 光源的道路交通信号灯 目前 国内许多大 中城市已大规模应用 LED 光源的道路交通信号灯 9 9 11 11 5 1 31 3 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 该控制器能实现城市 十字 路口正常情况下以及特殊情况和紧急情况下交 通信号灯的模拟控制 1 在十字路口东西南北各设置红 黄 绿三种信号灯 正常情况下 东西 A 线 南北 B 线 方向轮流放行 当东西方向 A 线 放行 南北方向 B 线 禁行 时 东西方向 A 线 绿灯亮 25 秒 然后黄灯亮 5 秒 南北方向 B 线 红灯亮 30 秒 当南北方向 B 线 放行 东西方向 A 线 禁行时 南北方向 B 线 绿灯亮 25 秒 然后黄灯闪烁 5 秒 东西方向 A 线 红灯亮 30 秒 如此循环 实现交通灯定 时控制 其示意图如图 1 1 所示 图 1 1 交通灯布置示意图 2 特殊情况控制通行方式控制 用按键开关 K1 控制 A 道通行 B 道禁行 K2 控制 B 道通行 A 道禁行 特殊情况控制通行放行 3 有紧急情况时用按键开关 K0 控制两道均为红灯 以便急救车通过 急救 车的通行时间为 10 秒 急救车过后 交通灯恢复先前状态 4 两位 LED 数码管能够显示行人通行与等待的时间 以秒单位作减计数 5 16 16 点阵式 LED 能够显示行人 禁止通行 与 允许通行 的图案 北 西东 南 6 1 41 4 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 交通信号灯 自从它被发明的那天起 就成为人们生活中必不可少的一种工 具 尤其是现在这个讲究效率的年代 交通信号灯更是在人类交通 生活 生产 工作等多个领域得到广泛的应用 然而随着时间的推移 人们不仅对交通信号灯 精度的要求越来越高 而且对交通信号灯功能的要求也越来越多 交通信号灯已 不仅仅是一种用来指挥交通的工具 在很多实际应用中它还要能够实现更多其它 的功能 怎样让交通信号灯更好的为我们服务 怎样让交通信号灯更符合实际应用的 需求 这就要求人们不断设计出新型交通信号灯 不断设计出适合实际应用的多 功能交通信号灯 本毕业设计方案正是根据以上所述并结合日常生活中对交通信 号灯功能需求的分析 运用单片机技术 结合 LED 显示器的框架下实现交通信号 灯的显示 设计出的一个适合日常生活需要的交通信号灯 其研究的意义在于 1 为设计小型的单片机十字路口交通信号灯提供了有用的参考 为进一步 的研究提供了有效的途径 2 拓展了单片机的应用范围 为单片机的应用提供了新的思路 3 对于研究单片机十字路口交通信号灯及扩大其应用 有着非常现实的意 义 4 通过本次毕业设计 能更进一步熟悉单片机编程和控制电路的设计原理 对提高大学生的科研能力 实践动手能力及丰富大学生课外生活具有重要意义 7 第第 2 2 章章 系统总体结构设计系统总体结构设计 2 12 1 系统总体方案设计系统总体方案设计 本次设计中采用 AT89S51 控制芯片 以单片机为控制核心 单片机从中读取 数据送到显示器上显示 由定时电路 按键控制电路和显示电路 两位 LED 数码 管显示倒记时 4 组红 黄 绿发光二极管模拟交通信号灯和 16 16 点阵显式 LED 显示行人通行与禁止 等组成 此系统硬件简洁 将复杂的硬件功能用软件 实现 因此系统控制灵活 能很好地满足本设计的基本要求和扩展要求 系统方 框图见图 2 1 按键控制电路 定时控制电路 单 片 机 倒计时显示 红 黄 绿信号灯显示 16 16 点阵式 LED 显示 图 2 1 交通信号灯硬件系统总体框图 2 22 2 硬件系统中的芯片认识硬件系统中的芯片认识 在硬件设计时首先需要确定使用什么类型的 CPU 和信号灯 CPU 对系统的整体功能 开发难度和价格都起主导作用 所以在硬件开发中 应该首先确定 CPU 然后再依据实际需求设计周边电路 本设对 CPU 的性能要求 不高 所以选择一款价格适中 功能一般的 51 系列单片机 AT89S51 交通信号灯中 要求信号灯的穿透性要好 可控性强 能耗低 使用寿命长 因此 我们可以选择 LED 发光二极管 七段数码管和 16 16 点阵式 LED 16 16 点阵式 LED 是由四块 8 8 点阵式 LED 组成 构成系统中的显示电路 8 对于 16 16 点阵式 LED 我们采用 8255 芯片外部扩展 此外 显示模块使用到了 74HC164 74HC273 等芯片 根据它们的物理结构及功能 组成了 LED 显示屏的显 示部分 2 2 1 AT89S51 芯片简介 AT89S51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储 器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能强大的微型计算机的AT89S51 可为许多嵌入式控 制应用系统提供高性价比的解决方案 AT89S51 具有如下特点 40 个引脚 4k Bytes Flash 片内程序存储器 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 32 个外部双向输入 输出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全 双工串行通信口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡器 此外 AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式 空闲模式下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可继续工作 掉电模 式冻结振荡器而保存 RAM 的数据 停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件 复位 同时该芯片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同 产品的需求 1 主要特性 8031 CPU 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程 FLASH 存储器 寿命 1000 写 擦循环 全静态工作 0Hz 24KHz 三级程序存储器保密锁定 128 8 位内部 RAM 32 条可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 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 9 2 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数 据存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作 为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉 高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器 能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输 入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接 收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这 是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据 存储器进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内 部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功 能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信 号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉 的缘故 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 10 P3 口同时为闪烁编程和编程校验 接收一些控制信号 I O 口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实 际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运 算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内 部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU 将根据不同的指令 分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要 我们操心 1 然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果 不对端口置 1 端口锁存器原来的状态有可能为 0Q 端为 0Q 为 1 加到场效应管 栅极的信号为 1 该场效应管就导通对地呈现低阻抗 此时即使引脚上输入的信 号为 1 也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1 信号读入后不一定是 1 若先执行置 1 操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实 现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I O 口被 称为准双向口 89C51 的 P0 P1 P2 P3 口作为输入时都是准双向口接下来让我 们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1 口外 P0P2P3 口都还有其他的功能 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持RST 脚两个机器周期的高 电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的1 6 因此它 可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数 据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址 上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每 个机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式1 时 EA 将内部锁定 为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在FLASH 编程期 间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 11 XTAL2 来自反向振荡器的输出 2 2 2 8255 芯片简介 8255 可编程并行接口芯片简介 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 PA7 PA0 PB7 PB0 和 PC7 PC0 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 位锁存器 它 们分别与端口 A 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 需要时用户可自行查找有关资料 方式控制字格式说明下表所示 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 D7D6D5D4D3D2D1D0 12 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 2 2 3 74LS164 芯片简介 74LS164 是一个串入并出的 8 位移位寄存器 他常用于单片机系统中 下面 结束一下这个元件的基本知识 串行输入带锁存 时钟输入 串行输入带缓冲 异步清除 最高时钟频率可高达 36Mhz 功耗 10mW bit 74 系列工作温度 0 C to 70 C Vcc 最高电压 7V 输入最高电压 7V 最大输出驱动能力 高电平 0 4mA 低电平 8mA 图 2 2 74LS164 引脚图 13 图 2 3 74LS164 逻辑符号 2 2 4 74LS273 芯片简介 74LS273 是 8 位数据 地址锁存器 他是一种带清除功能的 8D 触发器 管脚 图功能表如下 1 1 脚是复位 CLR 低电平有效 当 1 脚是低电平时 输出脚 2 Q0 5 Q1 6 Q2 9 Q3 12 Q4 15 Q5 16 Q6 19 Q7 全部输出 0 即全部复位 2 当 1 脚为高电平时 11 CLK 脚是锁存控制端 并且是上升沿触发锁存 当 11 脚有一个上升沿 立即锁存输入脚 3 4 7 8 13 14 17 18 的电平状态 并且立即呈现在输出脚 2 Q0 5 Q1 6 Q2 9 Q3 12 Q4 15 Q5 16 Q6 19 Q7 上 14 图 2 4 74LS273 管脚图 74LS273 管脚功能 1D 8D 为数据输入端 1Q 8Q 为数据输出端 正脉冲触发 低电平清除 常用作 8 位地址锁存器 第第 3 3 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 硬件设计是整个系统的基础 要考虑的方面很多 除了实现本设计基本功能 以外 还要考虑如下几个因素 系统稳定度 器件的通用性或易选购性 软件编程的易实现性 系统其它功能及性能指标 因此硬件设计至关重要 15 3 13 1 单片机控制系统设计单片机控制系统设计 单片机作为整个硬件系统的核心 它既是协调整机工作的控制器 又是数据 处理器 它由单片机 时钟电路 复位电路等组成 为了简化电路 降低成本 提高可靠性 本设计采用 AT89S51 作为主控制器 外加一些控制电路来实现时钟 的基本功能 3 1 1 AT89S51 最小系统的设计 通常 将完成单片机最基本功能 没有外围器件及外设接口扩展的系统称之 为单片机最小系统 简称最小系统 根据系统设计要求 结合性能分析 设计的 单片机最小系统如图 3 1 所示 图 3 1 单片机最小系统 AT89S51 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器 反相放大器的输 入端为 XTAL1 输出端为 XTAL2 两端连接石英晶体及两个瓷片电容形成稳定的 自激振荡器 在本次设计中电容均取 22pF 石英晶体的振荡频率选 12MHz 复位是单片机的初始化操作 复位后可使 CPU 及系统各部件处于确定的初始 状态 并从初始状态开始正常工作 复位电路则是实现这一功能的实际执行者 它应该使高电平的复位信号持续两个机器周期以上 常用的复位电路有上电复位 16 和手动复位两种 本设计中的复位电路集手动复位及上电复位于一体 1 上电复位是通过外部复位电路的 22uF 电容的充电来实现的 这样只要电 源 VCC 的上升时间不超过 1ms 就可以实现自动上电复位 2 按键手动复位是通过使复位端经电阻与 VCC 接通而实现的 3 23 2 按键控制电路设计按键控制电路设计 按键控制是交通信号灯控制的一个重要功能 通过按键能对模拟交通信号灯 实行了人工控制 实现了人工与智能一体化 按键 K0 K1 K2 分别由 AT89S51I O 口的 P2 0 P2 1 P2 2 控制 当 P2 口输出高电平时 信号灯点亮 按键与单片机的接口电路如图 3 2 所示 一共有 3 个键 都为接触式按键 K0 K1 K2 键一端与单片机的 P2 0 P2 1 P2 2 口相连 另一端接地 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 MOSI 6 P1 6 MISO 7 P1 7 SCK 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 AT89S51 K0 k1 K2 P2 0 P2 1 P2 2 图 3 2 按键与单片机接口电路 3 33 3 LEDLED 显示电路设计显示电路设计 交通信号灯中 要求信号灯的穿透性要好 可控性强 能耗低 使用寿命长 因此 我们可以选择 LED 发光二极管 七段数码管和 16 16 点阵式 LED 16 16 点阵式 LED 是由四块 8 8 点阵式 LED 组成 构成系统中的显示电路 17 此外 还用到了 74LS164 和 74LS273 两块译码芯片 如图 3 3 所示 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA0 4 PA1 3 PA2 2 PA3 1 PA4 40 PA5 39 PA6 38 PA7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RESET 35 CS 6 8255 CLR 1 CLK 11 1D 3 1Q 2 2D 4 2Q 5 3D 7 3Q 6 4D 8 4Q 9 5D 13 5Q 12 6D 14 6Q 15 7D 17 7Q 16 8D 18 8Q 19 74LS273 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 XA0 XA1 Y0 RESET 1 2 3 74LS32A VCC 273CS WR WR RD 12 7404A 56 7404C 1110 7404E 98 7404D 34 7404B 1312 7404F 34 7404B 12 7404A LED 16 16 98 7404D 1312 7404F 56 7404C 1110 7404E 12 7404A 34 7404B 56 7404C 98 7404D 1110 7404E 1312 7404F 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 33 8 12 7404A 34 7404B 56 7404C 98 7404D 1110 7404E 1312 7404F 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 33 8 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 33 8 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 33 8 VCC VCC VCC VCC 图 3 3 16 16 点阵式 LED 显示电路 3 3 1 LED 结构和参数 LED 是一种注入式电致发光器件 它由 P 型和 N 型半导体组合而成 其结构 如图 3 4 所示 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 19 Jun 2005Sheet of File C DOCUMENTS AND SETTINGS ADMINISTRATOR 极极 EXAMPLES MyDesign2 ddbDrawn By N P 极极 极极 图 3 4 发光二极管结构示意图 多个 LED 可接成共阳极或共阴极形式 如下图 3 5 所示 LED 共阳极联接 通 过驱动器接到系统的并行输出口上 由 CPU 输出适当的代码来点亮或熄灭相应的 LED 18 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 9 Jun 2005 Sheet of File C DOCUMENTS AND SETTINGS ADMINISTRATOR 极极 EXAMPLES MyDesign ddbDrawn By 5 图 3 5 共阳极连接 3 3 2 LED 器件的恒流驱动方式 由 LED 的特性可知 其 PN 施加正向电压时 流过的正向电流将使 LED 发光 且电流与光强基本成正比 在图 3 6 中 表示用三极管进行恒流驱动的原理图 可以看出 LED 的导通电流 与 LED 无关 取决于外参数 图 3 6 LED 的恒流驱动原理 LED 管的正向电流 I cccet f L VUU R 其中 CC V 为电源电压 t U 为 LED 开启电压 ce U 为三极管饱和压降 L R 为负载电阻 3 3 3 LED 器件的脉冲驱动方式 点亮 LED 可以采用恒流静态的方式 也可以采用脉冲方式的恒流驱动 脉冲 19 驱动的一个重要应用就是用占空比来控制 LED 亮度 LED 显示屏在采用脉冲恒流 方式驱动时 充分利用了人眼的视觉惰性和运动感觉 当显示稳定的 连续的 无闪烁的动态图象时 要求帧刷新率要 V f 30Hz 点亮频率 F f 120Hz 所以 当 30 帧刷新率时每帧时间内至少要点亮 4 次 60 帧时 每帧时间内至少点亮 2 次 新的打散算法则突破了之一概念 扫描次数是动态的 大于 120 次 秒 3 3 4 点阵式 LED 显示屏 LED 显示屏以发光二级管为像素 由 LED 显示单元拼接而成 最常见的 LED 点阵显示单元有 5 7 7 9 8 8 结构 前两种主要用于显示各种西文字符 后一 种场用于显示各种汉字字符 8 8 点阵式 LED 的等效电路及外观图如图 3 7 3 8 所示 图 3 7 8 8 点阵式 LED 显示单元 20 图 3 8 8 8 点阵式 LED 本设计中的图案显示部分利用 AT98S51 的 4 片 8 8 点阵式 LED 组成一片 16 16 点阵式 LED 实现 其工作原理主要是利用了 8255 进行外部扩展 所以要进 行地址编址 在程序中显示部分刚开始的时候就要对 8255 写控制字的地址 程 序中用的地址是 8003H 纵向输送字型码的地址分别为 8000H XPA 8002H XPC 行扫描的地址分别为 8001H XPB A000H X273 其工作时是纵向送字型码 横 向从上往下进行动态扫描 显示完一个图案所用的字型码为 32 个字节 接线方 法如下 LED 点阵显示区 8255CS 插孔接译码输出插孔 Y0 273CS 插孔接译码输出 Y2