單片機(jī)控制交通燈系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10739單片機(jī)控制交通燈系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1181341.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 1207131.1.151系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 1268621.1.2AT89C51芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 2135231.1.3AT89C51主要引腳功能 4125931.1.4時(shí)鐘電路 620801.1.5復(fù)位電路 768281.2電源電路 7273141.3信號(hào)燈輸出控制 7149961.4數(shù)碼管 8179841.5時(shí)間顯示模塊 10163121.6緊急車輛通行電路 1147421.7車流量檢測(cè)電路 111.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊1.1.151系列單片機(jī)簡(jiǎn)介在51系列的單片機(jī)中，最經(jīng)典、實(shí)用的就是ATMEL公司生產(chǎn)出來(lái)的，生產(chǎn)出來(lái)的不但與8051的指令、管腳完全兼容，而且都是FLASH的存儲(chǔ)器，最大的改觀就是用電方式擦寫的變化，51系列的單片機(jī)主要有8051、8031、8751等。8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。8031片內(nèi)沒有程序存儲(chǔ)器，而8751是將8051片內(nèi)的ROM換成EPROM。由ATMEL公司生產(chǎn)的89C51將EPROM改成了4K的閃速存儲(chǔ)器，這樣就不用廠家代寫程序了，RZ-51單片機(jī)開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀是天津銳志電子最新研發(fā)的具有“實(shí)驗(yàn)、編程、仿真、ISP下載”多功能合一的新一代單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。該51單片機(jī)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)板除了支持ATmel公司的AT89S所有系列之外，還支持STC的所有系列增強(qiáng)型51單片機(jī)和SST系列的增強(qiáng)型51單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)、編程與仿真功能，同時(shí)兼容AVR系列單片機(jī)的燒寫和實(shí)驗(yàn)。89系列單片機(jī)有多種型號(hào)，主要有AT89S51,AT89LU51、AT89C52,AT89LU52,AT89C1051、AT89S8252等。AT89LU51和AT89LU52是89C51和89C52的低電壓產(chǎn)品，可把電壓降低;在這些產(chǎn)品中當(dāng)數(shù)AT89S8252最為高檔，它使用了8KBFlash存儲(chǔ)程序以外，還包含有2KB的EEP-ROM提高存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。RZ51單片機(jī)如圖3-1所示。圖3-1RZ-51單片機(jī)產(chǎn)品圖1.1.2AT89C51芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介單片機(jī)就是在一片半導(dǎo)體硅片上，集中了中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM、ROM)、并行I/O、串行I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、終端系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘電路及系統(tǒng)總線的用于測(cè)控領(lǐng)域的微型計(jì)算機(jī)?！ぶ醒胩幚砥鳎?jiǎn)纹瑱C(jī)的核心部件就是中央處理器，它的數(shù)據(jù)寬度是4位，能夠處理4位的二進(jìn)制和代碼，主要負(fù)責(zé)控制、指揮和協(xié)調(diào)各個(gè)單元系統(tǒng)的工作，可以完成運(yùn)算以及控制輸入輸出等一系列的操作?！?shù)據(jù)存儲(chǔ)器(內(nèi)部RAM)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以把變化的數(shù)據(jù)給存儲(chǔ)起來(lái)。AT89C51中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間為256個(gè)RAM單元，但其中能作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器供用戶使用的僅有前面128個(gè)，后128個(gè)被專用寄存器占用?！こ绦虼鎯?chǔ)器(內(nèi)部ROM)：程序存儲(chǔ)器可以將程序和不變的常數(shù)存儲(chǔ)起來(lái)。通常采用只讀存儲(chǔ)器，且其又多種類型，在89系列單片機(jī)中全部采用閃存。AT89C51內(nèi)部配置了4KB閃存?！ざ〞r(shí)/計(jì)數(shù)器(ROM)：定時(shí)/計(jì)數(shù)器有定時(shí)和計(jì)數(shù)這兩個(gè)功能。AT89C51共有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器?！げ⑿休斎胼敵?I/O)口：AT89C51一共有4組8位I/O口，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。每個(gè)口都由1個(gè)鎖存器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成。它們主要用于實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備中數(shù)據(jù)的并行輸入與輸出，有些I/O口還有其他功能。·時(shí)鐘電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作所需要的時(shí)鐘脈沖列由時(shí)鐘電路產(chǎn)生。·中斷系統(tǒng)：中斷系統(tǒng)的作用主要是對(duì)外部或內(nèi)部的終端請(qǐng)求進(jìn)行管理與處理。圖3-2AT89C51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖1.1.3AT89C51主要引腳功能AT89C51引腳圖如圖3-3所示：圖3-3引腳圖·VCC：電源電壓·GND：接地·P0口：可以作為數(shù)據(jù)輸入輸出的通道，也可以作為低8位地址數(shù)據(jù)的輸出通道，它是開漏的，使用時(shí)要接上上拉電阻，如果不接，則會(huì)狀態(tài)不穩(wěn)定?！1口：內(nèi)部是一個(gè)上拉電阻8位雙向I/O口，它的緩沖器能接收4TTL的門電流。管腳被置為一時(shí)，內(nèi)部上拉為高，可以用作輸入，當(dāng)p1口被外部置為低電平時(shí)，就會(huì)輸出電流。當(dāng)p1口作為低八位接收，這個(gè)過程是在進(jìn)行Flash編程和校驗(yàn)的過程中接收的。·P2口：內(nèi)部是一個(gè)上拉電阻8位雙向I/O口，它的緩沖器可接收、輸出4TTL門電流，當(dāng)P2口被置為高點(diǎn)平時(shí)，管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當(dāng)用于外部HYPERLINK"/doc/4616537-4828902.html"\t"/doc/_blank"程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)HYPERLINK"/doc/4224899-4426539.html"\t"/doc/_blank"存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其HYPERLINK"/doc/2409845-2547808.html"\t"/doc/_blank"特殊功能寄存器的內(nèi)容。接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)是在Flash編程和校驗(yàn)中進(jìn)行的。·P3口：是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，接收輸出4TTL門電流。當(dāng)P3被置為高點(diǎn)平時(shí)，它的內(nèi)部被上拉為高電平，并用做輸入。因?yàn)橥獠肯吕堑碗娖?，P3口將輸出電流。更重要的是它的第二功能，如下表所示：表3-1具有第二功能的P3口引腳端口引腳第二功能：P1.0RXD（串行輸入口）P1.1TXD（串行輸出口）P1.2/INT0（外中斷0）P1.3/INT1（外中斷1）P1.4T0（定時(shí)／計(jì)數(shù)器0外部輸入）P1.5T1（定時(shí)／計(jì)數(shù)器1外部輸入）P1.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P1.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）當(dāng)進(jìn)行閃爍編程和變成校驗(yàn)時(shí)，可以接收一些控制信號(hào)?！ST：復(fù)位輸入。引導(dǎo)內(nèi)部復(fù)位程序和電路，可以看到SFR的復(fù)位值，PC也在此列。同時(shí)等待時(shí)鐘電路的穩(wěn)定工作，提高抗干擾能力?！LE／EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps20\o(\s\up11(————),PROG)：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1／6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)F1ash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條M0VX和M0VC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效。·EQ\*jc0\*hps16\o(\s\up11(————),PSEN)：程序儲(chǔ)存允許（EQ\*jc0\*hps16\o(\s\up11(————),PSEN)）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps16\o(\s\up11(————),PSEN)有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒有兩次有效的EQ\*jc0\*hps16\o(\s\up11(————),PSEN)信號(hào)?！Q\*jc0\*"Font:宋體"\*hps16\o(\s\up11(——),EA)／VPP：外部訪問允許。要讓使CPU僅訪問外部的程序存儲(chǔ)器，地址為0000H-FFFFH，EA端必須接地。值得注意的是：要是加密位LB1被編程，那么復(fù)位的時(shí)候就會(huì)鎖存EA的狀態(tài)。如果EA端接的是電源端，那么CPU就會(huì)執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。在進(jìn)行Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，要加上12V的VPP?！TAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘電路的輸入端?！TAL2：片內(nèi)振蕩器反放大器的輸出端。1.1.4時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘端(XTAL1及XTAL2)以及12MHz晶振X1、電容C1、C2組成，采用片內(nèi)振蕩方式。如圖3-4所示。圖3-4時(shí)鐘電路1.1.5復(fù)位電路復(fù)位電路采用簡(jiǎn)易的上電復(fù)位電路，把10μF的電容加在VCC與RST之間，在電容兩端加一個(gè)按鍵開關(guān)，在加一個(gè)10kΩ的電阻放在RST和GND之間，這樣就可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。如圖3-5所示。圖3-5復(fù)位電路1.2電源電路電源電路采用橋式整流電路，將交流轉(zhuǎn)換為直流，可為各部分的電路提供+5V的直流電。220V的交流電，通過變壓器轉(zhuǎn)化為15V左右的電壓，在經(jīng)過整流橋后，得到一個(gè)0-8V的波動(dòng)直流，在經(jīng)過電解電容C6的濾波，就得到一個(gè)平穩(wěn)的直流，在最后經(jīng)過7805的穩(wěn)壓得到+5V的直流電。如圖3-6所示。圖3-6電源電路1.3信號(hào)燈輸出控制模擬交通信號(hào)燈采用直徑為ψ5mm的發(fā)光二級(jí)管，東西南北方向各3個(gè)，顏色分別為紅（D1、D4、D7、D10）、黃（D2、D5、D8、D11）、綠（D3、D6、D9、D12）。為使電流小于10mA應(yīng)串聯(lián)一個(gè)阻值為330Ω的限流電阻。如圖3-7所示。圖3-7信號(hào)燈輸出控制1.4數(shù)碼管數(shù)碼管是以發(fā)光二極管為基本元件的一種半導(dǎo)體產(chǎn)品，主要用來(lái)顯示工作的狀態(tài)信息和提示信息、一般這些信息只包含數(shù)字、字母兩種。按照二極管的個(gè)數(shù)可以將數(shù)碼管分為七段和八段的數(shù)碼管，它們兩者之間的區(qū)別就在于那個(gè)DP。八段數(shù)碼管如下圖3-8所示("DP”所示位置就是小數(shù)點(diǎn)位)。我們能夠看出:這樣的一個(gè)數(shù)碼管只能顯示1位數(shù)，通常按單片機(jī)上安裝了這樣的數(shù)碼管的個(gè)數(shù)分為1位、2位、4位、8位數(shù)碼管。現(xiàn)在比較常見的是4位的。以前經(jīng)常有人就把此作為數(shù)碼管的分類方式，自從七段的數(shù)碼管逐漸被淘汰以后，把二極管單元如何連接起來(lái)的方式作為其分類的方法逐漸推廣開來(lái)。一般說(shuō)來(lái)一位的數(shù)碼管就有8個(gè)發(fā)光二極管，現(xiàn)在最普通的單片機(jī)上都有兩位。把這樣至少16個(gè)二極管所有的陽(yáng)極接在一起形成公共的端口即COM的形式叫做共陽(yáng)數(shù)碼管，需要點(diǎn)亮某段的時(shí)候就給它發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)0，其他的段發(fā)送高電平信號(hào)1。如下圖3-9所示。一般把COM端口接VCC的+5V電壓上。另外把二極管所有的陰極接在一起形成公共的端口即COM的形式叫做共陰數(shù)碼管，需要點(diǎn)亮某段的時(shí)候就給它發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)1，其他的段發(fā)送高電平信號(hào)0。一般把共陰極數(shù)碼管是把公共極與地線連接在一起。還有必要解釋一下的是數(shù)碼管也有兩種驅(qū)動(dòng)方式，前面所說(shuō)的高低電平信號(hào)正好將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成了二進(jìn)制的代碼，實(shí)際應(yīng)用中也可以是BCD數(shù)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的輸入輸出端口，而且功耗更低。圖3-8八段數(shù)碼管圖3-9共陰極、陽(yáng)極接法示意圖1.5時(shí)間顯示模塊道口通行剩余時(shí)間采用高亮紅色7段LED發(fā)光數(shù)碼管顯示，采用共陽(yáng)數(shù)碼管，為了提高亮度給數(shù)碼管的位選串聯(lián)一個(gè)PNP型三極管，給段選并聯(lián)一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片74LS245。圖3-10時(shí)間顯示模塊1.6緊急車輛通行電路運(yùn)用外部中斷0口，當(dāng)有緊急車輛通過時(shí)，按下開關(guān)，各個(gè)方