單片機控制交通燈系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10739單片機控制交通燈系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例 1181341.1單片機最小系統(tǒng)模塊 1207131.1.151系列單片機簡介 1268621.1.2AT89C51芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介 2135231.1.3AT89C51主要引腳功能 4125931.1.4時鐘電路 620801.1.5復位電路 768281.2電源電路 7273141.3信號燈輸出控制 7149961.4數(shù)碼管 8179841.5時間顯示模塊 10163121.6緊急車輛通行電路 1147421.7車流量檢測電路 111.1單片機最小系統(tǒng)模塊1.1.151系列單片機簡介在51系列的單片機中，最經(jīng)典、實用的就是ATMEL公司生產(chǎn)出來的，生產(chǎn)出來的不但與8051的指令、管腳完全兼容，而且都是FLASH的存儲器，最大的改觀就是用電方式擦寫的變化，51系列的單片機主要有8051、8031、8751等。8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(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的閃速存儲器，這樣就不用廠家代寫程序了，RZ-51單片機開發(fā)實驗儀是天津銳志電子最新研發(fā)的具有“實驗、編程、仿真、ISP下載”多功能合一的新一代單片機開發(fā)系統(tǒng)。該51單片機學習實驗板除了支持ATmel公司的AT89S所有系列之外，還支持STC的所有系列增強型51單片機和SST系列的增強型51單片機的實驗、編程與仿真功能，同時兼容AVR系列單片機的燒寫和實驗。89系列單片機有多種型號，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)品中當數(shù)AT89S8252最為高檔，它使用了8KBFlash存儲程序以外，還包含有2KB的EEP-ROM提高存儲數(shù)據(jù)的能力。RZ51單片機如圖3-1所示。圖3-1RZ-51單片機產(chǎn)品圖1.1.2AT89C51芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介單片機就是在一片半導體硅片上，集中了中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、終端系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線的用于測控領(lǐng)域的微型計算機?！ぶ醒胩幚砥鳎簡纹瑱C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位的二進制和代碼，主要負責控制、指揮和協(xié)調(diào)各個單元系統(tǒng)的工作，可以完成運算以及控制輸入輸出等一系列的操作?！?shù)據(jù)存儲器(內(nèi)部RAM)：數(shù)據(jù)存儲器可以把變化的數(shù)據(jù)給存儲起來。AT89C51中數(shù)據(jù)存儲器的地址空間為256個RAM單元，但其中能作為數(shù)據(jù)存儲器供用戶使用的僅有前面128個，后128個被專用寄存器占用。·程序存儲器(內(nèi)部ROM)：程序存儲器可以將程序和不變的常數(shù)存儲起來。通常采用只讀存儲器，且其又多種類型，在89系列單片機中全部采用閃存。AT89C51內(nèi)部配置了4KB閃存?！ざ〞r/計數(shù)器(ROM)：定時/計數(shù)器有定時和計數(shù)這兩個功能。AT89C51共有2個16位定時/計數(shù)器?！げ⑿休斎胼敵?I/O)口：AT89C51一共有4組8位I/O口，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。每個口都由1個鎖存器和一個驅(qū)動器組成。它們主要用于實現(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。·時鐘電路：單片機工作所需要的時鐘脈沖列由時鐘電路產(chǎn)生?！ぶ袛嘞到y(tǒng)：中斷系統(tǒng)的作用主要是對外部或內(nèi)部的終端請求進行管理與處理。圖3-2AT89C51系列單片機的內(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，使用時要接上上拉電阻，如果不接，則會狀態(tài)不穩(wěn)定。·P1口：內(nèi)部是一個上拉電阻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，內(nèi)部上拉為高，可以用作輸入，當p1口被外部置為低電平時，就會輸出電流。當p1口作為低八位接收，這個過程是在進行Flash編程和校驗的過程中接收的?！2口：內(nèi)部是一個上拉電阻8位雙向I/O口，它的緩沖器可接收、輸出4TTL門電流，當P2口被置為高點平時，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。P2口當用于外部HYPERLINK"/doc/4616537-4828902.html"\t"/doc/_blank"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口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)HYPERLINK"/doc/4224899-4426539.html"\t"/doc/_blank"存儲器進行讀寫時，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和控制信號是在Flash編程和校驗中進行的?！3口：是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，接收輸出4TTL門電流。當P3被置為高點平時，它的內(nèi)部被上拉為高電平，并用做輸入。因為外部下拉是低電平，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／計數(shù)器0外部輸入）P1.5T1（定時／計數(shù)器1外部輸入）P1.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P1.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）當進行閃爍編程和變成校驗時，可以接收一些控制信號?！ST：復位輸入。引導內(nèi)部復位程序和電路，可以看到SFR的復位值，PC也在此列。同時等待時鐘電路的穩(wěn)定工作，提高抗干擾能力。·ALE／EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps20\o(\s\up11(————),PROG)：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，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器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1／6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對F1ash存儲器編程期間，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ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效?！Q\*jc0\*hps16\o(\s\up11(————),PSEN)：程序儲存允許（EQ\*jc0\*hps16\o(\s\up11(————),PSEN)）輸出是外部程序存儲器的選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps16\o(\s\up11(————),PSEN)有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的EQ\*jc0\*hps16\o(\s\up11(————),PSEN)信號?！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，那么復位的時候就會鎖存EA的狀態(tài)。如果EA端接的是電源端，那么CPU就會執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。在進行Flash存儲器編程時，要加上12V的VPP?！TAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘電路的輸入端?！TAL2：片內(nèi)振蕩器反放大器的輸出端。1.1.4時鐘電路時鐘電路單片機的時鐘端(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時鐘電路1.1.5復位電路復位電路采用簡易的上電復位電路，把10μF的電容加在VCC與RST之間，在電容兩端加一個按鍵開關(guān)，在加一個10kΩ的電阻放在RST和GND之間，這樣就可以實現(xiàn)上電復位。如圖3-5所示。圖3-5復位電路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0-8V的波動直流，在經(jīng)過電解電容C6的濾波，就得到一個平穩(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信號燈輸出控制模擬交通信號燈采用直徑為ψ5mm的發(fā)光二級管，東西南北方向各3個，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)一個阻值為330Ω的限流電阻。如圖3-7所示。圖3-7信號燈輸出控制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體產(chǎn)品，主要用來顯示工作的狀態(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)點位)。我們能夠看出:這樣的一個數(shù)碼管只能顯示1位數(shù)，通常按單片機上安裝了這樣的數(shù)碼管的個數(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的方式作為其分類的方法逐漸推廣開來。一般說來一位的數(shù)碼管就有8個發(fā)光二極管，現(xiàn)在最普通的單片機上都有兩位。把這樣至少16個二極管所有的陽極接在一起形成公共的端口即COM的形式叫做共陽數(shù)碼管，需要點亮某段的時候就給它發(fā)送一個低電平信號0，其他的段發(fā)送高電平信號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，需要點亮某段的時候就給它發(fā)送一個高電平信號1，其他的段發(fā)送高電平信號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)動方式，前面所說的高低電平信號正好將這些信號轉(zhuǎn)換成了二進制的代碼，實際應(yīng)用中也可以是BCD數(shù)來進行驅(qū)動，動態(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、陽極接法示意圖1.5時間顯示模塊道口通行剩余時間采用高亮紅色7段LED發(fā)光數(shù)碼管顯示，采用共陽數(shù)碼管，為了提高亮度給數(shù)碼管的位選串聯(lián)一個PNP型三極管，給段選并聯(lián)一個驅(qū)動芯片74LS245。圖3-10時間顯示模塊1.6緊急車輛通行電路運用外部中斷0口，當有緊急車輛通過時，按下開關(guān)，各個方