畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機交通燈電路的設(shè)計

1、基于單片機交通燈電路的設(shè)計【摘 要】根據(jù)8051單片機的特點及交通燈在實際控制中的特點，本文提出一種用單片機自動控制交通燈及時間顯示的方法。同時給出了軟硬件設(shè)計方法,設(shè)計過程包括硬件電路設(shè)計和程序設(shè)計兩大步驟，對在單片機應(yīng)用中可能遇到的重要技術(shù)問題都有涉足。本文對十字路口狀態(tài)預(yù)設(shè)為兩種，一種是正常狀態(tài)，另一種是故障或緊急狀態(tài)，并分別用黃、紅、綠色燈的不同組合來表示。本文介紹了控制基本原理以及控制的表現(xiàn)，同時也介紹了城市交通信息系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo), 開發(fā)途徑及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能和數(shù)據(jù)地理編碼、建庫, 同時, 論述了系統(tǒng)中交通現(xiàn)狀、交通管理、交通規(guī)劃及背景信息查詢模塊的建造及應(yīng)用。介紹了用于城市交叉路口

2、的三色程控交通信號時間顯示器的研制方案，對其電源供電、發(fā)光二極管構(gòu)成的負載結(jié)構(gòu)、燈色時間檢測都給出了精巧合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，大幅度地提高了產(chǎn)品可靠性并降低了制造成本。關(guān)鍵詞：8051單片機，軟件，硬件abstractaccording to the feature of scm8051 and the characteristics of traffic lights in real control,the article puts forward the method of using sigle-chip microcomputer to control automatically the t

3、raffic signal lights and time-show.the method of realization of hardware has also been given,the whole process included hardware circuit designing and program designing,in which some important technique problem that may meet during the use of singlechip involved.in this paper，the state of crossing w

4、as designed as two states.one is normal,another breackdown or urgent,which are expressed with different colour lamp named yellow、red and green.the basic principle and method of controlling are introduced.in this paper, the design goals, development ways, system structure, system functions, geographi

5、c codes and data base of the urban traffic information system (u t is) were presented. furthermore, the development and the application tests of the traffic situation model, thetraffic management model, the traffic plan model and the background information inquirement model of u t is were discussed.

6、this paper introduces the development scheme of three-colour programmable traffic signal time indicator used in the level-crossing of our city,and gives its power supply,load construction made by led and time detection of traffic lamp colour a reasonable optimize structure.the reliability of product

7、 is substantiallyimproved while the cost is reduced.key words:scm8051， hardwore，softwore 目錄摘 要1abstract2引言5第1章 原理及其器件介紹71.1 工作原理71.2 器件71.2.1 單片機71.2.2 單片機系統(tǒng)101.2.3 數(shù)碼管11第2章 系統(tǒng)組成122.1 硬件控制線路圖122.2 晶振電路122.3 復(fù)位電路142.4 信號燈控制電路152.5 led顯示及顯示接口17第3章 交通信號燈的c語言編程203.1 單片機的c語言程序設(shè)計203.2 c語言與 mcs51203.2.1 mc

8、s51酌編程語言203.2.2 c51編譯器與程序開發(fā)過程213.2.3 c51程序結(jié)構(gòu)213.3 利用c51程序編寫延時程序223.4 信號燈亮滅的定時功能223.4.1 單片機的定時器233.4.2 如何使用mcs-51單片機的定時器呢？233.4.3 定時器數(shù)值的設(shè)置應(yīng)該注意的事項253.4.4 定時1ms的程序代碼253.5 51單片機的中斷系統(tǒng)253.5.1 中斷系統(tǒng)的概念253.5.2 單片機的中斷系統(tǒng)的作用263.5.3 如何實現(xiàn)單片機的中斷263.5.4 單片機系統(tǒng)的中斷過程283.6 數(shù)碼管顯示程序功能293.7 軟件流程圖30第4章 系統(tǒng)的組裝與調(diào)試314.1制板314.2

9、 組裝及調(diào)試324.2.1 at89s51單片機實驗及實踐系統(tǒng)板簡介324.2.2 keil c軟件和at89s51單片機下載器軟件的使用334. 2. 3 調(diào)試過程35第5章 總結(jié)37謝 辭38參考文獻39附 錄40引言 交通的發(fā)達，標(biāo)志著城市的發(fā)達，相對交通的管理則顯得越來越重要。對于復(fù)雜的城市交通系統(tǒng)，為了確保安全，保證正常的交通秩序，十字路口的信號控制必需按照一定的規(guī)律變化，以便于車輛行人能順利地通過十字路口?？紤]到單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用mcs - 51系列的單片機來實現(xiàn)十字路口交通信號燈的控制。 正常情況下，十字路口的紅綠燈應(yīng)交替變換，考慮緊

10、急情況下，如有救護車或警車到來時，應(yīng)優(yōu)先讓其通過。 在本文中，用發(fā)光二極管來模擬信號燈，救護車的優(yōu)先通過請求信號由外部中斷技術(shù)來模擬。要求使用 8051定時器/ 計數(shù)器0作為定時器，假設(shè)南北和東西的通車時間都為30 s ，外部中斷的延時為10 s ，要求對通行時間進行倒計時，從p1 口輸出，在led上顯示并進行遞減。以此來實現(xiàn)十字路口交通燈的指示功能。其設(shè)計要求為：首先，要了解實際交通燈的變化規(guī)律. 假設(shè)一個十字路口為東西南北走向. 初始狀態(tài)0東西方向綠燈通車,南北方向紅燈,延時30 s. 轉(zhuǎn)狀態(tài)1 ,東西方向黃燈亮，南北方向紅燈按1hz的頻率閃爍,延時5s . 再轉(zhuǎn)狀態(tài)2 ,東西方向紅燈亮,

11、南北方向綠燈通車,延時20 s. 轉(zhuǎn)狀態(tài)3 ,東西方向紅燈按1hz的頻率閃爍，南北方向黃燈亮,延時5 s . 最后循環(huán)至狀態(tài)0. 這里的延時采用定時器0延時. 其次,當(dāng)有緊急救護車出現(xiàn)時,應(yīng)使東西南北四個方向全亮紅燈,并延時10 s , 以便急救車通過,同時對通行時間進行倒計時,從p1口及p3口輸出在發(fā)光二極管,使用8051 定時器/ 計數(shù)器0作為定時器實現(xiàn)子程序延時.技術(shù)上可用外部中斷0發(fā)出一單脈沖向cpu申請中斷. 再次,一般交通信號燈控制程序中使用軟件延時,軟件延時是靠執(zhí)行一個循環(huán)程序以進行時間延遲. 軟件定時的特點是時間精確,且不需外加硬件電路. 但軟件定時要占用cpu ,增加cpu

12、開銷,因此軟件定時的時間不宜太長.本程序使用定時器/ 計數(shù)器0來定時,定時電路已經(jīng)集成在芯片中,這種由硬件電路完成,不占cpu 時間. 它通過對系統(tǒng)時鐘脈沖的計數(shù)來實現(xiàn),即每個機器周期產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖,也就是每個機器周期計數(shù)器加1. 計數(shù)值通過程序設(shè)定,改變計數(shù)值,也就改變了定時時間,使用起來既靈活又方便.交通燈在安全行車過程中起著十分重要的作用, 現(xiàn)在交通燈一般設(shè)在十字路口, 在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈, 加上一個倒計時的顯示計時器來控制行車, 對于一般情況下的安全行車、車輛分流發(fā)揮著作用, 但根據(jù)實際行車過程中出現(xiàn)的情況, 主要有如下幾個缺點: 1兩車道讓車輪流放行時間相同且固

13、定, 在十字路口, 經(jīng)常一個車道為主干道,車輛較多, 放行時間應(yīng)該長些; 另一車道為副干道, 車輛較少,放行時間短些。2 沒有考慮緊急車通過時, 兩車道應(yīng)采取的措施, 譬如, 有消防車通過執(zhí)行緊急任務(wù)時, 兩車道的車都應(yīng)停止, 讓緊急車通過。根據(jù)行車過程中出現(xiàn)的實際情況, 如何全面有效地利用交通燈指示交通情況, 本人嘗試用單片機來控制交通燈, 在軟、硬件方面采取一些改進措施, 使交通燈在控制中靈活而有效。 傳統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng), 采用的基本上是3種控制方式。手按: 交警在崗?fù)ぶ凳?人為進行紅綠燈改變; 黃閃: 夜間無人值守時, 用每秒1次的黃燈閃亮, 提醒司機安全駕駛; 程控: 以60s 作為

14、一個時間單位。某一方面(例南北方向) 紅黃綠三燈的工作程序分別是: 紅燈先亮30s, 然后綠燈亮28s, 再綠燈閃亮3s (每秒1次) , 最后黃燈亮2s。此時, 另一方向(東西方向) 紅黃綠三燈的工作順序相應(yīng)為: 綠燈亮25s, 綠燈閃亮3s (每秒1次) , 黃燈亮2s, 最后紅燈亮30s。此后以60s 作為時間單位進行上述的反復(fù)循環(huán), 較為合理地解決了十字路口的交通調(diào)度問題。但紅綠燈的工作順序及時間都是固定的, 缺乏靈活性。采用該3種方式能解決一般崗?fù)さ慕煌艨刂啤５攸c崗?fù)と孕枰?人以上同時值班, 保證有事要處理時, 仍能保留一名交警負責(zé)對交通燈的控制。而此時若想采用程控方式, 交警

15、將無法對交通燈再人為地加以管理。難以再科學(xué)地指揮車輛的通行, 有效地解決交通堵塞問題。例如當(dāng)南北方向車流量很大時, 程控方式下的南北方向綠燈無法保證開放更長的時間, 以緩解交通擁擠的問題。當(dāng)前，交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，交通流量年年增長，大、中、小城市的汽車、摩托車等各種車輛與日俱增，道路交通繁忙，經(jīng)常有嚴(yán)重堵車現(xiàn)象，特別是在交叉口，機動車、非機動車、行人來往非常混亂，為了在叉口的各條干道實現(xiàn)合理的科學(xué)分流。本人根據(jù) 單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，提出了一種用mcs-51單片機自動控制交通信號燈及時間顯示的方法，具體如下：選用mcs-51單片機來實現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計要求，交通信號

16、燈控制器的外部輸出信號為主、副車道紅、黃、綠燈共12個驅(qū)動信號；編程使相應(yīng)位復(fù)/置位來實現(xiàn)信號燈的亮/滅控制，使得十字路口的紅、綠燈交替點亮；在燈色交換時，黃燈閃爍提醒。設(shè)計要求有緊急車輛通過時，十字路口均顯示紅燈?？梢酝ㄟ^軟件中斷來完成緊急任務(wù)，定義t0為計數(shù)中斷并為下降沿觸發(fā)，編寫對應(yīng)中斷向量子程序和中斷服務(wù)程序，完成中斷處理。設(shè)計還對定時控制有所要求。對于精確定時，應(yīng)該用計數(shù)器加以控制，硬件實現(xiàn)復(fù)雜度增加?？紤]到該設(shè)計對時間精度要求不高，所以采用軟件定時可以大大簡化電路。先計算出程序單部執(zhí)行的時間，設(shè)置循環(huán)參數(shù)，利用if語句按設(shè)計要求完成定時控制。 第1章 原理及其器件介紹1.1 工作原

17、理采用單片機的i/o口p1口和p3直接和交通燈連接, 控制程序放在mcs- 51單片機如8051的rom中, 在十字路口的四組紅、黃、綠交通燈中, 受單片機p1.0p1.7和p3.0、p3.1、p3.3、p3.7 控制, 由于交通燈為發(fā)光二極管且陽極通過限流電阻和電源正極連接, 因此i/o口輸出低電平時, 與之相連的相應(yīng)指示燈會亮, i/o口輸出高電平時, 相應(yīng)指示燈會滅。緊急車請求通過的信號由人工控制, 以中斷方式輸入單片機, 無緊急車通過時, 中斷引腳int0 通過電阻和電源正極連接為高電平, 不產(chǎn)生中斷請求, 單片機執(zhí)行主程序, 有緊急車通過時, 中斷引腳采用人工方法接地為低電平, 產(chǎn)生

18、中斷請求, 單片機執(zhí)行中斷服務(wù)程序, 讓緊急車通過, 緊急車通過后, 中斷引腳變?yōu)楦唠娖? 返回主程序。由于倒計時顯示裝置已普遍采用, 因此本文未引入探討。1.2 器件1.2.1.單片機 單片機是將中央處理器（cpu）、隨機存儲器（ram）、只讀存儲器（rom或eprom）、定時器芯片和一些輸入/輸出接口電路集成在一個芯片上的微控制器（microcontroller）。 中央處理器包括運算器、控制器和寄存器3個主要部分，是單片機的核心。 存儲器按工作方式可以分為兩大類：隨機存儲器ram和只讀存儲器rom。ram可被cup隨機地讀寫，斷電后存儲的內(nèi)容消失；rom中的信息只能被讀取，一般用于存放固

19、定的程序。rom中的內(nèi)容只能用編程器專用設(shè)備寫入。 輸入/輸出接口（i/o接口）是單片機的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場信息需要通過輸入設(shè)備送到單片機，計算結(jié)果需要通過輸出設(shè)備輸出到外設(shè)。常用的輸入有按鍵、鍵盤、a/d等，輸出設(shè)備一般有l(wèi)ed、電機等。 為了方便理解，我們可以將單片機和pc機進行一個比較。一臺能夠工作的計算機要由cpu、ram、rom、輸入/輸出設(shè)備等幾個部分組成。在pc機上這些部分被分成若干塊芯片，安裝在主板上。而單片機相當(dāng)于集成了以上所有芯片的一塊集成電路芯片。有一些單片機中除了上述基本的功能，還集成了其他部分功能，如a/d、d/a等。一個標(biāo)準(zhǔn)的89c51單片機的引腳功能

20、圖如圖3所示。圖3 89c51單片機及其引腳1at89c51單片機性能介紹 at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。2主要特性：1.與mcs-51 兼容 2.4k字節(jié)可編程

21、閃爍存儲器 3.壽命：1000寫/擦循環(huán)4.數(shù)據(jù)保留時間：10年5.全靜態(tài)工作：0hz-24hz6.三級程序存儲器鎖定7.128*8位內(nèi)部ram8.32可編程i/o線9.兩個16位定時器/計數(shù)器10.5個中斷源 11.可編程串行通道12.低功耗的閑置和掉電模式13.片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3管腳說明：vcc：供電電壓。 gnd：接地。 p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進行校驗時，p0輸出原碼，

22、此時p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高

23、八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表2-1所示：口管腳備選功能p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2/int0（外部中斷0）p3.3/int1（外部中斷1）p3

24、.4t0（記時器0外部輸入）p3.5t1（記時器1外部輸入）p3.6/wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7/rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間.ale/prog：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在

25、sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。 /psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當(dāng)/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 x

26、tal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。1.2.2 單片機系統(tǒng) 單片機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。從圖中可以看出，對于一個典型的單片機系統(tǒng)而言，主要由單片機、晶振和復(fù)位電路、輸入控制電路、輸出顯示電路以及外圍功能器件5個部分組成。除了上文中介紹過的單片機外，單片機系統(tǒng)中的其他4個部分的主要作用和器件如下。晶振和復(fù)位電路：單片機系統(tǒng)的必要組成部分，控制單片機的機器周期和功能復(fù)位。輸入控制：是指在一定要求下，采取何種形式的控制方式來實現(xiàn)單片機不同功能的轉(zhuǎn)換，以及控制指令以何種方式傳送到單片機。常用的輸入控制方法有按鍵、矩陣鍵盤、串行通信等方式。

27、晶振、復(fù)位電路輸入控制輸出顯示外圍功能器件單片機圖4 單片機系統(tǒng)的基本組成 輸出顯示：是指單片機將需要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送到led、液晶等顯示模塊，并控制led等顯示模塊按照一定的格式顯示的功能。此外，輸出對象還有電機、傳感器等特殊的功能器件。外圍功能器件：單片機只是控制器件，對應(yīng)與一定的設(shè)計要求，需要加入特定功能的器件。例如外部存儲器，單片機通過對外部存儲器的讀寫操作，完成對數(shù)據(jù)的存儲器的讀寫操作，完成對數(shù)據(jù)的存儲和讀取，從而擴展單片機的存儲單元和數(shù)據(jù)。此外，常用的外圍器件還有a/d、d/a、74ls07門電路以及特定功能的傳感器等。單片機的最簡單系統(tǒng)是指單片機能正常工作所必須的外圍元件，主要由單

28、片機、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。而輸入/輸出部分則通過單片機的i/o口實現(xiàn)。1.2.3 數(shù)碼管數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管； 按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(com)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極com接到+5v，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(com)的數(shù)碼

29、管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極com接到地線gnd上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。 第2章 系統(tǒng)組成2.1 硬件控制線路圖圖2原理圖2.2 晶振電路 簡單地說，沒有晶振，就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期，就無法執(zhí)行程序代碼，單片機就無法工作。單片機工作時，是一條一條地從rom中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期，這是一個時間基準(zhǔn)。一個機器周期包括12個時鐘周期。如果一個單片機選擇了12mhz晶振，它的時鐘周期是1/12us，它的一個機器周期是12*（1/12）us，也就是1us。mcs-

30、51單片機的所有指令中，有一些完成得比較快，只要一個機器周期就行了，有一些完成得比較慢，得要2個機器周期，還有兩條指令要4個機器周期才行。為了衡量指令執(zhí)行時間的長短，又引入一個新的概念：指令周期。所謂指令周期就是指執(zhí)行一條指令的時間。例如，當(dāng)需要計算djnz指令完成所需要的時間時，首先必須要知道晶振的頻率，設(shè)所用晶振為12mhz，則一個機器周期就是1us。而djnz指令是雙周期指令，所以執(zhí)行一次要2us。如果該指令需要執(zhí)行500次，正好1000us，也就是1ms。機器周期不僅對于指令執(zhí)行有著重要的意義，而且機器周期也是單片機定時器和計數(shù)器的時間基準(zhǔn)。例如一個單片機選擇了12mhz晶振，那么當(dāng)定

31、時器的數(shù)值加1時，實際經(jīng)過的時間就是1us，這就是單片機的定時原理。1、晶振的選擇晶振一般分為晶體振蕩器和晶體諧振器。在單片機系統(tǒng)中，晶體振蕩器將外圍的電容集成到振蕩器的內(nèi)部，無需再設(shè)計晶振電路，只需要將電源加載到晶振上，晶振就可以起振，并通過兩個引腳輸出到單片機的晶振引腳上。一般的，由于晶體振蕩器的體積較大，價格較貴，在實際使用中，還可以選擇晶體諧振器，也就是常說的立式晶振。該晶振需要外部的晶振電路才可以起振，但是由于該電路非常簡單，并且使用靈活，在單片機系統(tǒng)中也有廣泛地應(yīng)用。2、通用的晶振電路單片機的晶振電路是一種典型電路，分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種。內(nèi)部時鐘方式的電路如圖4所示。

32、圖4 單片機的內(nèi)部晶振電路內(nèi)部始終的晶振頻率一般都選擇在4mhz12mhz之間，外接兩個諧振電容。該電容的典型值為30pf，但是在實際應(yīng)用時，需要根據(jù)實際起振情況選擇。如果單片機的時鐘必須使用某一個外接的時鐘信號，就不要外接晶振。由于此時的外接晶振引腳上沒有晶振信號輸入，內(nèi)部的時鐘電路將停振。這種方式稱為外部時鐘方式。圖5給出了兩種外部時鐘的電路，可以根據(jù)不同的單片機型號選擇不同的電路。 hmos型單片機 chmos型單片機圖5 單片機的外部晶振電路3、振蕩器特性： xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘

33、源驅(qū)動器件，xtal2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2.3 復(fù)位電路簡單地說，單片機的復(fù)位就和計算機的重起一樣的概念。任何單片機在工作之前都要有個復(fù)位的過程，復(fù)位對單片機來說，是程序還沒有開始執(zhí)行，是在做準(zhǔn)備工作。一般的復(fù)位只需要5ms的時間。復(fù)位引腳rst/vpd通過片內(nèi)一個施密特觸發(fā)器（抑制噪聲作用）與片內(nèi)復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器的輸出，在每個機器周期的s5p2有復(fù)位電路采樣依次。當(dāng)振蕩電路工作，并且在rst引腳加上一個至少保持2個機器周期的高電平時，就能使8051完成一次復(fù)位。按上面所說，時

34、間不少于5ms。為了達到這個要求，需要在外部設(shè)計復(fù)位電路。復(fù)位電路的實現(xiàn)可以有很多種方法，但是從功能上一般分為兩種：一種是電源復(fù)位，即外部的復(fù)位電路在系統(tǒng)通上電源之后直接使單片機工作，單片機的起停通過電源控制；另一種方法是在復(fù)位電路中設(shè)計按鍵開關(guān)，通過按鍵開關(guān)觸發(fā)復(fù)位電平，控制單片機的復(fù)位。1、通用的復(fù)位電路和晶振電路一樣，復(fù)位電路也是單片機系統(tǒng)的典型外部電路?；镜膹?fù)位電路的原理圖如圖6所示。圖6 單片機的復(fù)位電路從原理上，一般采用上電復(fù)位嗲路。這種復(fù)位電路的工作原理是：通電時，電容兩端相當(dāng)于是短路，于是rst引腳上為高電平，然后電源通過電阻對電容充電，rst端電壓慢慢下降，降到一定程序，即

35、為低電平，單片機開始正常工作。2、改進型的復(fù)位電路對于有著豐富電路設(shè)計經(jīng)驗的讀者而言，可以根據(jù)自己的需要，定制滿足實際要求的電路。這里，給出了一種根據(jù)實際需要設(shè)計的上電復(fù)位電路，如圖7所示。圖7 改進型的復(fù)位電路2.4信號燈控制電路外圍器件選擇的是發(fā)光二極管，發(fā)光二極管在其兩端的電壓差超出其導(dǎo)通壓降時開始工作，發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降一般為1.7v1.9v。此外，工作電流要滿足該二極管的工作電流。滿足電流和電壓的要求，發(fā)光二極管就可以發(fā)光了。單片機系統(tǒng)中往往是數(shù)字信號，不是5v就是0v，所以只要將二極管的正負極和電源對應(yīng)上就可以了。但還需在發(fā)光二極管和單片機連接時加一個限流電阻，這個電阻的作用在于

36、限制通過二極管的電流，從而達到減少功耗或者滿足端口對最大電流的限制。圖8 信號燈控制和時間顯示電路一般二極管的點亮電流為5ma至10ma，在5v驅(qū)動時，廠家多采用470歐的限流電阻，在電路中采用了1k的電阻，電流也就35ma。當(dāng)然為了更亮一點，可以減小電阻值，當(dāng)然，二極管的電流不要超出單片機的i/o最大電流。發(fā)光二極管的參數(shù)分成三大類：一是電參數(shù)；二是光參數(shù)；三是極限參數(shù)。 電參數(shù)發(fā)光二極管的電參數(shù)主要有下列幾項。 正向電壓vf。它是指：在給發(fā)光二極管加入規(guī)定的正向電流時，發(fā)光二極管正極與負極引腳之間的電壓降。發(fā)向耐壓vr。它是指：保證發(fā)光二極管不出現(xiàn)反向擊穿時所允許給發(fā)光二極管加的最大反向電

37、壓。反向漏電流ir。它是指：在給發(fā)光二極管加上規(guī)定的反向偏置電壓時，流過發(fā)光二極管的反向電流，即從負極流向正極的電流。結(jié)電容co。它是指：發(fā)光二極管pn結(jié)的結(jié)電容，一般為小于100pf，此結(jié)電容愈小愈好。 光參數(shù)發(fā)光二極管的光參數(shù)主要有發(fā)光峰值波長、半峰寬度和發(fā)光強度。其中發(fā)光強度是發(fā)光二極管的一項重要光參數(shù)，它表征了發(fā)光二極管發(fā)光時的亮度。 極限參數(shù)發(fā)光二極管的極限參數(shù)關(guān)系到發(fā)光二極管的安全使用，在使用過程中若超過極限參數(shù)，發(fā)光二極管將會損壞。發(fā)光二極管的極限參數(shù)主要有兩項：一是極限功率pm；二是極限工作電流im。在小電流發(fā)光二極管中，極限電流一般小于5ma。發(fā)光二極管的三種參數(shù)中，除光參數(shù)

38、是它特有的外，其他兩項參數(shù)的含義與普通二極管相同。2.5 led顯示及顯示接口單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，使用的顯示器主要有l(wèi)ed(發(fā)光二極管顯示器)和lcd(液晶顯示器)。這兩種顯示器成本低廉，配置靈活，與單片機接口放便。近年來也開始配置簡易形式的crt接口，可以較方使池進行圖形顯示。數(shù)碼管在該電路中主要是顯示單片機的輸出數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，因而，作為外圍典型器件，數(shù)碼管顯示是反映系統(tǒng)輸出和操縱輸入的有效器件。數(shù)碼管具備數(shù)字接口，可以很方便地和單片機系統(tǒng)連接；數(shù)碼管的體積小，重量輕，并且共好低，是一種理想的顯示單片機數(shù)據(jù)輸出內(nèi)容的期間，在單片機系統(tǒng)中有著重要的作用。顯示電路如圖8所示。1led顯示器結(jié)構(gòu)與原

39、理led顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是七段led。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種，如圖9所示。共陰極led顯示塊的發(fā)光級管陰極共地。如圖中(c)所示，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮；共陽極led顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接。如圖中(b)所示。圖中(a)為七段碼顯示器的實際外觀與引腳連接圖，另外兩只沒有標(biāo)出的引腳是共陰或者共陽引腳，實際連接中接地(共陰)或者接+5伏(共陽)。圖9 led的管腳和電路原理通常的七段顯示器（也有人稱為七節(jié)顯示屏）是由八個發(fā)光二極管所組成的，因此也被叫做八段顯示器。其中包括七個細長條形的led及小數(shù)點行的led，

40、顯示器的每一段或沒一劃都有其名稱，分別是英文小寫的a到f，以及小數(shù)點dp（decimal point）。七段顯示器可以顯示包括小數(shù)點的0到9數(shù)字與部分的英文字母。在近年來，由于生產(chǎn)器件的工藝的進步，也出現(xiàn)了十六段碼led顯示器和點陣式單色和雙色顯示器，這些led顯木器被廣泛應(yīng)用于電梯、大屏幕led顯示器、公共汽車報站器、車站車次顯示等領(lǐng)域，特別是點陣式雙色顯示器的出現(xiàn)，極大的方便了漢字的顯示和圖形顯示，為其在網(wǎng)民經(jīng)濟的領(lǐng)域的應(yīng)用拓寬了道路。以共陽極的七段顯示器為例，若想要顯示數(shù)字1時，就要使b劃與c劃點亮，在電路上我們會把共同點接到正電源端（+5v），標(biāo)示b與c的地方經(jīng)過限流電阻到地，就可以顯

41、示數(shù)字1。如果是單個的數(shù)碼管，七段顯示器是直接點亮的，亦即用8位去推動一個七段顯示器。如果有多位數(shù)字要顯示時，可以用掃描的方式顯示，以節(jié)省控制腳位。 七段顯示塊與單片機接口非常容易。只要將一個8位并行輸出門與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出門輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符，其段碼如表2-3所示。通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。共陽極與共陰極的段選碼義為補數(shù)。圖10 七段led 碼的顯示碼2. led是如何顯示單片機數(shù)據(jù)的用單片機驅(qū)動led數(shù)碼管有很多種方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。首先介紹靜態(tài)顯示方法。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，

42、單片機將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制led，直到下一次顯示時再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的cup時間少。靜態(tài)顯示中，沒一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的i/o接口，該接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機再發(fā)送新的字形碼。另一種方法是動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描的方法是用其接口電路把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而沒一個顯示器的公共極com各自獨立地受i/o線控制。cpu向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接口接收到相同的字形碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于com端，而這一端

43、是有i/o控制的，由單片機決定何時顯示哪一位了。動態(tài)掃描用分時的方法輪流控制各個顯示器的com端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，沒位顯示器的點亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。3靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示的比較這兩種顯示方式各有利弊：靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的cpu時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅(qū)動電路，使用的電路硬件較多；動態(tài)顯示需要cpu時刻對顯示器進行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的cpu時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。在一般較為簡單的系統(tǒng)中，為了降低成本，動態(tài)顯示方案具備一定的實用性，也是目

44、前單片機數(shù)碼管顯示中較為常用的一種顯示方法。動態(tài)顯示法是目前各種單片計算機采用的流行方法。其優(yōu)點是煙堿簡單?！皠討B(tài)”由軟件實現(xiàn)。第3章 交通信號燈的c語言編程3.1單片機的c語言程序設(shè)計 c語言程序設(shè)計是單片機開發(fā)、應(yīng)用的重要趨勢之一。目前，支持硬斷點的單片機仿真器已能很好地進行c語言程序調(diào)試，為單片機編程使用c語言提供了便利條件。 編譯型程序設(shè)計語言c的優(yōu)點已為大家熟知：既有多種高級語言的特點，又具備匯編語言的功能：有豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、可移植性好，而且可以實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的直接控制；具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，支持廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)汁，為軟件開發(fā)中采用模塊化設(shè)計方法

45、提供了有效支持；可以大大縮短目標(biāo)系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期，軟件的可讀件明顯增加，便于改進、擴充，研制規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。3.2 c語言與mcs513.2.1 mcs51酌編程語言 支持mcs51單片機編程的語言除了前面學(xué)過的匯編語言外，還有三種：basic、pl/m和c。 basic語言簡單易學(xué)，適用于對編程效率或運行速度要求不高的場合，8052單片機片內(nèi)就固化了basic語言解釋器。但是basic采用浮點運算，導(dǎo)致程序復(fù)雜且執(zhí)行時間長，即使basic編譯器也未能解決這個問題。 pl/m可以說是“高級匯編語言”，詳細控制著代碼的生成。但對mcs-51系列，pl/m不支持復(fù)雜的算術(shù)運算和浮點變

46、量，也沒有豐富的庫函數(shù)。 用c語言進行單片機程序設(shè)計，編譯器能自動完成變量的存儲單元的分配，編程者可以專過于應(yīng)用軟件的設(shè)計大大加快開發(fā)速度，可以對單片機常用的接口芯片編制通用的驅(qū)動函數(shù)，對常用的功能模塊、算法等編制相應(yīng)的函數(shù)，還可以很容易地進行信號處理算法和程序的移植，有利于產(chǎn)品中單片機的重新選型和軟件設(shè)計水平的提高、與國外嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計接軌。 與匯編語言相比，c語言程序在開發(fā)速度、軟件質(zhì)量、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹、程序可靠性等方面有明顯優(yōu)勢。而代碼效率相對較低的缺點，對于片內(nèi)rom空間16k/32k字節(jié)以上的單片機而言，已經(jīng)不很重要。目前，單片機上c語言程序未經(jīng)人工優(yōu)化的代碼長度，已縮短到用人工方便

47、地對時間要求比較嚴(yán)格的匯編語言模塊和關(guān)鍵代碼進行優(yōu)化。3.2.2 c51編譯器與程序開發(fā)過程 已經(jīng)開發(fā)了各種單片機的c語言編譯器 對于并不以快速運算見長的mcs51單片機來說，其c語言編譯器(簡稱c51)的各項性能指標(biāo)中，最重要的是開發(fā)便利，其次是生成代碼緊湊，以及編譯速度、是否有浮點庫和足夠的算術(shù)支持。c51程序開發(fā)過程如圖10所示：圖10 c51程序開發(fā)過程3.2.3 c51程序結(jié)構(gòu) 與一般c語言相似，c51程序的基本單位是函數(shù)。函數(shù)由函數(shù)說明和函數(shù)體兩部分組成。一個c源程序至少包含個(main)也可以是一個主函數(shù)和若干其它函數(shù)。主函數(shù)是程序的入口；主函數(shù)中的所有語句執(zhí)行完畢，則程序結(jié)束。

48、 c51程序的一般格式如下：類型 函數(shù)名（參數(shù)表)參數(shù)說明： 數(shù)據(jù)說明部分： 執(zhí)行語句部分： 在程序中，函數(shù)有三種形態(tài)：函數(shù)定義、函數(shù)調(diào)用和函數(shù)說明。 函數(shù)定義相當(dāng)于匯編中的一般子程序。 函數(shù)調(diào)用相當(dāng)于調(diào)用子程序的call語句，要求有函數(shù)名和實參數(shù)表。在c中，更普遍地規(guī)定函數(shù)調(diào)用可以出現(xiàn)在表達式中。函數(shù)定義和函數(shù)調(diào)用不分先后，但若調(diào)用在定義之前，必須在調(diào)用前先進行函數(shù)說明。函數(shù)說明是一個沒有函數(shù)體的函數(shù)定義。 c51中函數(shù)分為兩大類：庫函數(shù)和用戶定義函數(shù)。被調(diào)用的函數(shù)可以是庫函數(shù)，也可以是用戶函數(shù)。 庫函數(shù)是c51在庫文件中已定義的函數(shù)，其函數(shù)說明在相關(guān)的頭文件中。用戶在編程時只要用inclu

49、de預(yù)處理指令將頭文件包含在用戶文件中，直接調(diào)用即可。 用戶函數(shù)是用自己定義，自己調(diào)用的一類函數(shù)。 c51程序的編制與一勝c語言行序大致相同。3.3 利用c51程序編寫延時程序為了循序漸進地學(xué)習(xí)單片機的功能，這里我們即使用了單片機中的定時器，也直接采用軟件的延時程序定時控制發(fā)光二極管的亮滅。該延時程序的時間主要是通過計算單片機執(zhí)行指令所需的時間來確定的。例如，在前文中介紹過，在選擇12mhz晶振時，執(zhí)行一個簡單加法指令的時間為一個指令周期，需要1/12m（秒）=1（微秒），所以程序中作1m次加法循環(huán)所需要的時間就是1秒鐘。當(dāng)然，這只是一個粗略的算法，需要加上執(zhí)行其他必須指令所花的時間，并且考慮

50、程序代碼的效率。但是，這不失為一種簡單的解決方案。 程序代碼void delay10ms(void) unsigned char i,j; /定義延時循環(huán)變量 for(i=20;i0;i-) for(j=248;j0;j-); /雙重循環(huán)，延時10ms3.4 信號燈亮滅的定時功能 單片機之所以在工業(yè)控制中有大量的應(yīng)用，就是在于它有其獨特的定時、計數(shù)功能。在本電路中，用定時器來實現(xiàn)燈的閃爍功能。控制單片機i/o端口電平的高低，從而控制發(fā)光二極管的亮滅通過對p1口和p3.0、p3.1、p3.3、p3.7口的變量置1和置0，控制p1口和p3口的電平高和低。當(dāng)為高電平時，發(fā)光二極管兩端壓差為零，二極管

51、不導(dǎo)通，燈不亮；當(dāng)為低電平時，發(fā)光二極管兩端壓差為5v，二極管導(dǎo)通，燈亮。3.4.1 單片機的定時器mcs-51系列的單片機一般有兩個內(nèi)部的16位定時器/計數(shù)器，分別稱為t0和t1。這兩個計數(shù)器分別是兩個8位的ram單元組成的，即每個計數(shù)器都是16位的計數(shù)器，最大的計數(shù)量是65536。那么這個定時/計數(shù)器是如何產(chǎn)生定時作用的呢？舉個例子，如果將時鐘定時到1分鐘，那么秒針計數(shù)到60次后，始終鬧鈴就會響。這里有個計數(shù)和定時之間的概念轉(zhuǎn)化，時間表示為秒針的計數(shù)值，即秒針每一次走動的時間正好是1s。單片機中的定時器和計數(shù)器是復(fù)用的，計數(shù)器是記錄外部脈沖的個數(shù)，而定時器則是由單片機提供的一個非常穩(wěn)定的計

52、數(shù)源。定時器是由單片機的晶振經(jīng)過12分頻后獲得的一個脈沖源。當(dāng)單片機的晶振為12mhz時，計數(shù)值1代表的時間就是1us。計數(shù)器的容量是16位，也就是最大的計數(shù)值達到65536，因此計數(shù)計到65536就會產(chǎn)生溢出。當(dāng)定時器/計數(shù)器溢出時，就會使得相關(guān)的寄存器標(biāo)志產(chǎn)生變化，單片機將由此而產(chǎn)生定時中斷，在中斷服務(wù)程序中處理定時到而需要完成的任務(wù)。3.4.2 如何使用mcs-51單片機的定時器呢？ 使用單片機的定時器/計數(shù)器主要和編程有關(guān)。編程中需要對兩個特殊功能寄存器進行操作。這兩個特殊功能寄存器就是tmod和tcon，又稱為定時器的控制字。 首先，介紹定時器/計數(shù)器的方式寄存器tmod。tmod是

53、一個8位的特殊功能寄存器，對應(yīng)的地址為89h，不可位尋址。tmod控制字中可以完成3個功能：確定選擇定時器，還是計數(shù)器。選擇何種工作方式。是否借用外中斷控制定時器和計數(shù)器的啟停。tmod的低4位是用于控制t0的字段，高四位用于控制t1。tmod的控制字的格式和含義如表3-1所示。表3-1 tmod的控制字tmod.7tmod.6tmod.5tmod.4tmod.3tmod.2tmod.1tmod.0gatec/tm1m0gatec/tm1m0這里，以tmod的低4位來說明各位的定義和功能。gate：分為兩種情況，gate=0，定時器的起停和int1無關(guān)，在這種情況下，定時器的起停只取決于tr0

54、。gate=1時，在此種情況下定時器/計數(shù)器的開關(guān)不僅要由tr0來控制，而且還要受到int1引腳的控制，只有tr1為1，且int1引腳也是高電平，定時器才能開始工作。c/t：定時/計數(shù)器即可作定時也可用于計數(shù)。選擇何種功能，由c/t的控制字決定。如果c/t為0就用作定時器，如果c/t為1就用作計數(shù)器。當(dāng)然，一個定時/計數(shù)器同一時刻要么作定時用，要么作計數(shù)用，不能同時用。m1、m0：用m1、m0來控制定時/計數(shù)器4種工作方式的選擇。工作方式0：m0=0，m1=0。13位定時/計數(shù)方式，它由tl（1/0）的低5位和th（0/1）的8位構(gòu)成13位的計數(shù)器，此時tl（1/0）的高3位未用。工作方式1：

55、m0=0，m1=1。是16位的定時/計數(shù)方式，其他特性與工作方式0相同。工作方式2：m0=1，m1=0，自動重裝初值的8位定時器/計數(shù)器。初值放在t（0/1）的高8位。在工作方式2，只有低8位參與計數(shù)，而高8位不參與計數(shù)，用作預(yù)置數(shù)的存放，計數(shù)范圍256。每當(dāng)計數(shù)溢出，就會打開t（0/1）的高、低8位之間的開關(guān)，計預(yù)置數(shù)進入低8位，這是由硬件自動完成的，不需要由人工干預(yù)。通常這種工作方式用于波特率發(fā)生器，用于這種用途時，定時器就是為了提供一個時間基準(zhǔn)。計數(shù)溢出后重新裝入預(yù)置數(shù)，再開始計數(shù)，不要任何延遲。工作方式3：m0=1，m1=1。這種工作方式之下，定時/計數(shù)器0被拆成2個獨立的定時/計數(shù)器來用。其中，tl0可以構(gòu)成8位的定時器或計數(shù)器的工作方式，而th0則只能作為定時器來用。一般情況下，只有在t1以上工作方式2運行（當(dāng)波特率發(fā)生器用）時，才讓t0工作于方式3。接下來，介紹定時器/計數(shù)器的控制寄存器tcon。tcon是一個8位的特殊功能寄存器，對應(yīng)的地址為88h，可位尋址。tcon中的低4位用于外部中斷的控制，在后文中將加以介紹，此處只對高4位的t0、t1控制字及其控制原理進行介紹。tcon控制寄存器的格式和含義如表3-2所示。表3-2 tcon控制寄存器tcon.7