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近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
同时带动传统控制检测技术日益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构软硬件结合,加以完善。
十字路口车辆穿梭,行人熙攘,车行车道,人行人道,有条不紊。
那么靠什么来实现这井然秩序呢?
靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。
交通信号灯控制方式很多。
本次课程设采用MSC-51系列单片机AT89S51和芯片74LS164为中心器件来设计交通灯控制器,实现了能根据定时控制AT89S51芯片的P0口设置红、绿灯燃亮时间的功能;
红绿灯循环点亮,倒计时的时间由LED数码管显示。
第二章主要元件介绍
2.1AT89S51芯片
2.1.1AT89S51单片机内部结构
AT89S51是MCS-51系列单片机的典型产品,包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,现在我们分别加以说明:
·
中央处理器:
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
数据存储器(RAM)
AT89S51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。
图2.1AT89S51内部结构框图
程序存储器(ROM):
AT89S51共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。
定时/计数器(ROM):
AT89S51有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
并行输入输出(I/O)口:
AT89S51共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。
全双工串行口:
AT89S51内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。
中断系统:
AT89S51具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。
时钟电路:
AT89S51内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式,而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
2.1.2芯片引脚介绍
图2.2AT89S51芯片引脚图
芯片引脚的功能图如图2.2所示:
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/
:
当访问外部存储器时,地址锁存允许是一输出脉冲,用以锁存地址的低8位字节。
当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出(
)。
一般情况下,ALE是以晶振频率的1/6输出,可以用作外部时钟或定时目的。
但也要注意,每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
:
程序存储允许时外部程序存储
器的读选通信号。
当AT89C51执行外部程序存
储器的指令时,每个机器周期
两次有效,除了当访问外部数据存储器时,
将跳过两个信号。
/VPP:
外部访问允许。
为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令,
必须同GND相连接。
需要主要的是,如果加密位1被编程,复位时EA端会自动内部锁存。
当执行内部编程指令时,
应该接到VCC端。
XTAL1:
振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
Vcc—电源电压输入端。
GND—电源地。
2.274LS164芯片的介绍
电特性的典型值如下:
型号fmPn54/7416436MHz185mW54/74LS16436MHz80mW,如图2.3为74LS164的引脚图。
当清除端CLEAR74LS164接线图:
8位移位寄存器(串行输入,并行输出)为低电平时,输出端(QA-QH)均为低电平。
串行数据输入端(A,B)可控制数据。
当A、B任意一个为低电平,则禁
图2.374LS164引脚图
止新数据输入,在时钟端(CLOCK)脉冲上升沿作用下Q0为低电平。
当A、B
有一个为高电平,则另一个就允许输入数据,并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。
芯片引脚介绍:
CLOCK时钟输入端
CLEAR同步清除输入端(低电平有效)
A,B串行数据输入端;
QA-QH输出端极限值
电源电压:
7V输入电压:
5.5V
工作环境温度:
74LS164-0~70℃
储存温度:
-65℃~150℃
74LS164是八位并出串行移位寄存器.功能是将数据串行移入,并行输出.P14=VCC,P7=GND.
P1=A,P2=B,两脚是数据串行移入口;
P8=时钟.P9=清除.P3=QA,P4=QB,P5=QC,P6=QD,P10=QE,P11=QF,P12=QG,P13=QH是并行输出口。
2.3八段LED数码管的简介
2.3.1结构及介绍
LED数码管(LEDSegmentDisplays)是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件,引线已在内部连接完成,只需引出它们的各个笔划,公共电极。
LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点,还有一种是类似于3位“+1”型。
位数有半位,1,2,3,4,5,6,8,10位等等....,LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类,了解LED的这些特性,对编程是很重要的,因为不同类型的数码管,除了它们的硬件电路有差异外,编程方法也是不同的。
共阴和共阳极数码管它们的发光原理是一样的,只是它们的电源极性不同而已。
颜色有红,绿,蓝,黄等几种。
LED数码管广泛用于仪表,时钟,车站,家电等场合。
选用时要注意产品尺寸颜色,功耗,亮度,波长等。
2.3.2性能特点
LED数码管的主要特点如下:
(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光,能与CMOS、ITL电路兼容。
(2)发光响应时间极短(<
0.1μs),高频特性好,单色性好,亮度高。
(3)体积小,重量轻,抗冲击性能好。
(4)寿命长,使用寿命在10万小时以上,甚至可达100万小时。
成本低。
2.3.3使用注意事项
检查时若发光暗淡,说明器件已老化,发光效率太低。
如果显示的笔段残缺不全,说明数码管已局部损坏。
数码管,用数字万用表的h距挡可完成下述测试工作:
①判定数码管的结构形式(共阴或共阳);
②识别管脚;
③检查全亮笔段。
预先可假定某个电极为公共极,然后根据笔段发光或不发光加以验证。
当笔段电极接反或公共极判断错误时,该笔段就不能发光。
第三章系统硬件设计
3.1设计要求
根据给出的要求设计交通灯,东西、南北两干道交于一个十字路口,各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯,指挥车辆和行人安全通行。
红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行。
黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换,且黄灯亮的时间为东西、南北两干道的公共停车时间。
3.1.1硬件材料名称规格数量
面包板1块、40脚基座1个、14脚基座1个、双色LED灯4个、470欧姆电阻8个、10UF电容1个、20PF电容2个、12MHZ石英晶振1个、八段数码管1个、74LS164一个。
3.2电路原理图
根据课程设计的要求下图3.1为交通灯的电路原理图单片机的P0口控制四只双色LED灯。
图3.1交通灯电路原理图
3.2.1系统实现的功能
利用AT89S51单片机的P0口控制四只双色LED灯,来模拟十字路口交通灯的工作方式。
交通灯变化规律:
十字路口是东西南北走向,初始状态为状态S1(南北绿灯、东西红灯),延时8秒后转状态S2(南北绿灯闪烁2次变黄灯,东西红灯),2秒后转状态S3(东西绿灯,南北红灯),延时8秒后转状态S4(东西绿灯闪烁2次变黄灯,南北红灯),2秒左右后跳转到状态S1循环。
并且利用串行口以工作方式0在LED上显示时间。
此处双色LED灯有3只引脚,工作时中间引脚接电源,另外两只引脚单独接低电平,一种亮红灯,一种亮绿灯(最短引脚),两只引脚同时接低电平时,亮黄灯。
第四章系统软件设计
4.1流程图
根据老师给的参考程序,主要采用中断方式来实现红绿黄灯的交替显示和循环,LED显示模块主要用的串口发送数据8~0的循环显示,与红绿黄灯交替显示时间相对应。
画出流程图如图4.1所示
图4.1交通灯设计流程图
4.2程序编写
MOVIP,#0AH
SETBTR0
CLRTR1
CLR30H
LJMPDISP
SJMP$
DST0:
MOVTH0,#3CH
MOVTL0,#0B0H
DJNZR0,NEXT1
MOVR0,#100
JNBF0,S2
CPLP0.1
CPLP0.2
SJMPCOMP1
S2:
CPLP0.0
CPLP0.3
COMP1:
CLRTR0
SETBTR1
NEXT1:
RETI
DST1:
MOVTH1,#3CH
MOVTL1,#0B0H
DJNZR1,NEXT2
MOVR1,#10
JBF0,S4
CPLP0.0
CPLP0.3
SJMPCOMP2
S4:
CPLP0.1
ORG0000H
SJMPMAIN
ORG000BH
LJMPDST0
ORG001BH
LJMPDST1
ORG0030H
MAIN:
MOVSP,#60H
MOVTMOD,#11H
MOVTH1,#3CH
MOVTL1,#0B0H
MOVTH0,#3CH
MOVTL0,#0B0H
MOVP0,#10010110B
CLRF0
MOVR0,#160
MOVR2,#4
MOVSCON,#00H
MOVIE,#8AH
COMP2:
DJNZR2,NEXT2
MOVR2,#4
CLRTR1
JBF0,STEP
MOVP0,#00000110B
LCALLDELAY1S
MOVP0,#01101001B
SJMPCOMP
STEP:
MOVP0,#00001001B
MOVP0,#10010110B
COMP:
SETBTR0
CLRTR1
CPLF0
NEXT2:
RETI
DELAY1S:
MOVR1,#10
L3:
MOVR2,#200
L2:
MOVR3,#250
L1:
DJNZR3,L1
DJNZR2,L2
DJNZR1,L3
RET
DIS:
MOVSCON,#00H
LOOP2:
MOVR7,#8
LOOP1:
LCALLSUB
LCALLDELAY
JB30H,L2
DECR7
CJNER7,#0FFH,LOOP1
LJMPLOOP2SUB1:
MOVA,R7
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVSBUF,A
HERE:
JNBTI,HERE
CLRTI
TAB:
DB03H,9FH,25H,0DH,99H
DB49H,41H,1FH,01H
END
4.3实验结果分析
将上述LED显示程序和数码管显示程序写入仿真器,编译没有错误后,在线运行,可以看到LED灯先是南北方向绿灯,东西方向红灯,过8S后,南北向绿灯闪两下,变成黄灯,过了2S,南北向变成红灯,此时东西向变为绿灯,如此循环。
而数码管程序显示8到0不断循环。
如将两程序之间加起来,经实验验证是不行的,那样的话数码管显示的是乱码。
必须利用上面的led和数码管同时显示程序,必须加入判断位(上面程序中的30H)。
写入仿真器可以看到,当南北向绿灯时,数码管从8进行倒计时。
当绿灯闪烁时数码管为0,不动,直到东西向绿灯南北方向为红灯时数码管又从8开始倒计时。
在编程时要注意各个端口的安排搭配选择以及对P0口的赋值也是很重要的,不然容易会在调试时出现灯亮的错误,譬如绿灯变黄而不是红灯变黄或者红绿灯亮不同步,还有延时也要计算好不然就会出现超时或者时间过短,延时DELAY程序只能估算接近于1S而要求准确的1S则需要专门的机器进行计算。
参考文献
[1]张毅坤.单片微型计算机原理及应用,西安电子科技大学出版社1998
[2]雷丽文等.微机原理与接口技术[M].北京:
电子工业出版社,1997.2
[3]张迎新等.单片机原理及应用.北京:
电子工业出版社,2009.1
[4]WWW中国电子网部分资料
[5]余锡存曹国华.单片机原理及接口技术[M].陕西:
西安电子科技大学出版社,2000.7
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