1、摘 要根据8051单片机的特点及交通灯在实际控制中的特点，本文提出一种用单片机自动控制交通灯及时间显示的方法。同时给出了软硬件设计方法,设计过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤，对在单片机应用中可能遇到的重要技术问题都有涉足。本文对十字路口状态预设为两种，一种是正常状态，另一种是故障或紧急状态，并分别用黄、红、绿色灯的不同组合来表示。本文介绍了控制基本原理以及控制的表现，同时也介绍了城市交通信息系统的设计目标, 开发途径及其系统结构与功能和数据地理编码、建库, 同时, 论述了系统中交通现状、交通管理、交通规划及背景信息查询模块的建造及应用。介绍了用于城市交叉路口的三色程控交通信号时间显示器的
2、研制方案，对其电源供电、发光二极管构成的负载结构、灯色时间检测都给出了精巧合理的优化结构，大幅度地提高了产品可靠性并降低了制造成本。关键词：8051单片机；交通灯；自动控制；时间显示器；软件；硬件；定时器；延时；外部中断2AbstractAccording 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 automa
3、tically the traffic 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
4、of crossing was 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 functio
5、ns, geographic 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 we
6、re discussed.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 reliabili
7、ty of Product is substantiallyimproved while the cost is reduced.Key Words:SCM8051；traffic lights；automatic control ；time indicator；hardwore；softwore timer；delay；external interrupt哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 42 页3目录摘 要 1Abstract .2目录 3引言 4一 交通信号灯硬件电路的设计 61.1 交通信号灯的作用及工作原理： .61.2 设计要求 .71.3 设
8、计方法 7二 系统组成 82.1 控制要求 82.2 硬件控制线路图 82.3 工作原理 82.4 器件和原理 92.4.1.什么是单片机 92.4.2 什么是单片机系统 122.4.3 单片机系统的应用 132.5 部分电路功能 142.5.1 晶振电路 142.5.2 复位电路 162.5.3 信号灯控制电路 172.5.4 LED 显示及显示接口 .19三、交通信号灯软件的系统编程 213.1 单片机的 C 语言程序设计 .213.2 C 语言与 MCS51213.2.1 MCS51 酌编程语言 .213.2.2 C51 编译器与程序开发过程 .223.2.3 C51 程序结构 .223
9、.3 利用 C51 程序编写延时程序 233.4 信号灯亮灭的定时功能 233.4.1 单片机的定时器 233.4.2 如何使用 MCS-51 单片机的定时器呢？ 243.4.3 定时器数值的设置应该注意的事项 253.4.4 定时 1ms 的程序代码 263.5 51 单片机的中断系统 .2643.5.1 中断系统的概念 263.5.2 单片机的中断系统的作用 263.5.3 如何实现单片机的中断 273.5.4 单片机系统的中断过程 283.6 数码管显示程序功能 293.7 软件流程图 30四、系统的组装与调试 304.1 制板 .304.2 组装及调试 314.2.1 AT89S51
10、单片机实验及实践系统板简介 .314.2.2 Keil C 软件和 AT89S51 单片机下载器软件的使用 .324.2.3 调试过程 35五总结 36谢 辞 38参考文献 39附 录 40附录一：主程序流程图 40附录二：中断服务流程图 41哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 42 页5引言交通的发达，标志着城市的发达，相对交通的管理则显得越来越重要。对于复杂的城市交通系统，为了确保安全，保证正常的交通秩序，十字路口的信号控制必需按照一定的规律变化，以便于车辆行人能顺利地通过十字路口。考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用M
11、CS - 51系列的单片机来实现十字路口交通信号灯的控制。 正常情况下，十字路口的红绿灯应交替变换，考虑紧急情况下，如有救护车或警车到来时，应优先让其通过。 在本文中，用发光二极管来模拟信号灯，救护车的优先通过请求信号由外部中断技术来模拟。要求使用 8051定时器/ 计数器0作为定时器，假设南北和东西的通车时间都为 30 s ，外部中断的延时为10 s ，要求对通行时间进行倒计时，从P1 口输出，在LED上显示并进行递减。以此来实现十字路口交通灯的指示功能。交通灯在安全行车过程中起着十分重要的作用, 现在交通灯一般设在十字路口, 在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯, 加上一个倒计时的显示计
12、时器来控制行车, 对于一般情况下的安全行车、车辆分流发挥着作用, 但根据实际行车过程中出现的情况, 主要有如下几个缺点: 1两车道让车轮流放行时间相同且固定, 在十字路口, 经常一个车道为主干道,车辆较多, 放行时间应该长些; 另一车道为副干道, 车辆较少,放行时间短些。2 没有考虑紧急车通过时, 两车道应采取的措施, 譬如, 有消防车通过执行紧急任务时, 两车道的车都应停止, 让紧急车通过。根据行车过程中出现的实际情况, 如何全面有效地利用交通灯指示交通情况, 本人尝试用单片机来控制交通灯, 在软、硬件方面采取一些改进措施, 使交通灯在控制中灵活而有效。传统的交通灯控制系统, 采用的基本上是
13、3种控制方式。手按: 交警在岗亭值守,人为进行红绿灯改变; 黄闪: 夜间无人值守时, 用每秒1次的黄灯闪亮, 提醒司机安全驾驶; 程控: 以60s 作为一个时间单位。某一方面(例南北方向) 红黄绿三灯的工作程序分别是: 红灯先亮30s, 然后绿灯亮28s, 再绿灯闪亮3s (每秒1次) , 最后黄灯亮2s。此时, 另一方向(东西方向) 红黄绿三灯的工作顺序相应为: 绿灯亮25s, 绿灯闪亮3s (每秒1次) , 黄灯亮2s, 最后红灯亮30s。此后以60s 作为时间单位进行上述的反复循环, 较为合理地解决了十字路口的交通调度问题。但红绿灯的工作顺序及时间都是固定的, 缺乏灵活性。采用该3种方式
14、能解决一般岗亭的交通灯控制。但重点岗亭仍需要有2人以上同时值班, 保证有事要处理时, 仍能保留一名交警负责对交通灯的控制。而此时若想采用程控方式, 交警将无法对交通灯再人为地加以管理。难以再科学地指挥车辆的通行, 有效地解决交通堵塞问题。例如当南北方向车流量很大时, 程控方式下的南北方向绿灯无法保证开放更长的时间, 以缓解交通拥挤的问题。当前，交通事业蓬勃发展，交通流量年年增长，大、中、小城市的汽车、摩托车等各种车辆与日俱增，道路交通繁忙，经常有严重堵车现象，特别是在交叉口，机动车、非机动车、行人来往非常混乱，为了在叉口的各条干道实现合理的科学分流。本6人根据单片机具有物美价廉、功能强、使用方
15、便灵活、可靠性高等特点，提出了一种用 MCS-51 单片机自动控制交通信号灯及时间显示的方法，同时给出了软硬件的实现方法，为交通指挥自动化提供了一种新的廉价手段，具有一定的推广意义。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 42 页7一 交通信号灯硬件电路的设计1.1 交通信号灯的作用及工作原理：一般情况下，红绿灯设在十字路口，或在多干道的叉口上，目的是为了调整叉口的交通秩序使各干道来往车辆能够有条不紊地行驶，否则将造成意想不到的严重后果。当然在叉口设置合理的红绿灯后，也可大大减少交通管理部门的人力、物力。叉口交通信号等的基本作用：红灯亮表示车辆、行人禁止通行，绿
16、灯亮表示车辆、行人可以通行，绿灯转换成红灯前几秒，可用黄灯亮来暗示驾驶员或行人即将禁止通行。该系统的屏幕时间显示用倒计时方式表示红绿灯的切换时间，时间显示器的作用是协助红绿灯工作，跟随红、绿灯反复地进行切换。目的是为了使驾驶员和行人能够看见红绿等亮的时间还剩几秒以便停车线以内的驾驶员和行人能够更清楚地知道此时该继续通行或减速，才不会使驾驶员盲目地加速或减速停车而阻碍另一干道车辆或行人的通行，从而可以提高叉口车辆及行人的流通率，当然也可以减少事故的发生，为交通安全提供保障。交通信号灯的工作原理：如图 1 示，当 A、B 组红灯亮绿灯灭；则 C、D 组绿灯亮红灯灭。对 A、B 组或 C、D 组而言
17、，每当绿灯亮转换成红灯亮前几秒（具体多长时间视实际情况而定）黄灯亮，当绿灯灭时黄灯也灭。1.2 设计要求首先,要了解实际交通灯的变化规律. 假设一个十字路口为东西南北走向. 初始状态0东西方向绿灯通车,南北方向红灯,延时30 s. 转状态1 ,东西方向黄灯亮，南北方向红灯按1HZ的频率闪烁,延时5s . 再转状态2 ,东西方向红灯亮,南北方向绿灯通车,延时20 s. 转状态3 ,东西方向红灯按1HZ的频率闪烁，南北方向黄灯亮,延时5 s . 最后循环至状态0. 这里的延时采用定时器0延时.其次,当有紧急救护车出现时,应使东西南北四个方向全亮红灯,并延时10 s , 以便急救车通过,同时对通行时
18、间进行倒计时,从P1口及P3口输出在发光二极管,使用8051 8定时器/ 计数器0作为定时器实现子程序延时.技术上可用外部中断0发出一单脉冲向CPU申请中断.再次,一般交通信号灯控制程序中使用软件延时,软件延时是靠执行一个循环程序以进行时间延迟. 软件定时的特点是时间精确,且不需外加硬件电路. 但软件定时要占用CPU ,增加CPU 开销,因此软件定时的时间不宜太长.本程序使用定时器/ 计数器0来定时,定时电路已经集成在芯片中,这种由硬件电路完成,不占CPU 时间. 它通过对系统时钟脉冲的计数来实现,即每个机器周期产生一个计数脉冲,也就是每个机器周期计数器加1. 计数值通过程序设定,改变计数值,
19、也就改变了定时时间,使用起来既灵活又方便.1.3 设计方法选用 MCS-51 单片机来实现，根据设计要求，交通信号灯控制器的外部输出信号为主、副车道红、黄、绿灯共 12 个驱动信号；编程使相应位复/置位来实现信号灯的亮/灭控制，使得十字路口的红、绿灯交替点亮；在灯色交换时，黄灯闪烁提醒。设计要求有紧急车辆通过时，十字路口均显示红灯。可以通过软件中断来完成紧急任务，定义 T0 为计数中断并为下降沿触发，编写对应中断向量子程序和中断服务程序，完成中断处理。设计还对定时控制有所要求。对于精确定时，应该用计数器加以控制，硬件实现复杂度增加。考虑到该设计对时间精度要求不高，所以采用软件定时可以大大简化电
20、路。先计算出程序单部执行的时间，设置循环参数，利用 if 语句按设计要求完成定时控制。 二 系统组成2.1 控制要求主、支干道交替通行，主干道每次放行 30 秒，支干道每次放行 20 秒；绿灯亮时表示可以通行，红灯亮时表示禁止通行；每次绿灯变红灯时，黄灯先亮 5 秒（此时另一干道上的红灯不变） ；十字路口要求有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间. 2.2 硬件控制线路图哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 42 页91 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 18-May-200
21、5 Sheet of File: D:010220841jiaotongdeng11.ddb Drawn By:EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10VCC40GND20IC1AT89S51C230PC330P Y1
22、12MHZ+5RESETC410VFS2SW-PBR110KGND +5123456789J310K+5123456789J4560+5D1LEDD2LEDD3LEDD4LEDD5LEDD6LEDD7LEDD8LED+5+5GNDD9LEDD10LEDD11LEDD12LEDR4100R7330R5100R3100+5+5+5RESET+511 2 2S1SW-PBR64.7K+5GND12J2CON2 GND+5 R2100D13LEDGNDS1S2S3S4S5S6S7S8P20P21P22P23P24P25P26P27C1104PFGND+5GND123456789J1100e1 d2dp
23、3 c4g5 s16s4 7a 8f 9s3 10s2 11b 12U1LED8e1 d2dp3 c4g5 s16s4 7a 8f 9s3 10s2 11b 12U2LED8P20P21P22P23P24 P25P26P27P20P21P22P23P24 P25P26P27S1 S2S3S4S5 S6S7S81 23 45 67 89 10JP1HEADER 5X2P15P16P17P15P16P17RESETGND+5图 2 原理图2.3 工作原理采用单片机的I/O口P1口和P3直接和交通灯连接, 控制程序放在MCS- 51单片机如8051的ROM中, 在十字路口的四组红、黄、绿交通灯中,
24、受单片机P1.0P1.7和P3.0、P3.1、P3.3、P3.7 控制, 由于交通灯为发光二极管且阳极通过限流电阻和电源正极连接, 因此I/O口输出低电平时, 与之相连的相应指示灯会亮, I/O口输出高电平时, 相应指示灯会灭。紧急车请求通过的信号由人工控制, 以中断方式输入单片机, 无紧急车通过时, 中断引脚INT0 通过电阻和电源正极连接为高电平, 不产生中断请求, 单片机执行主程序, 有紧急车通过时, 中断引脚采用人工方法接地为低电平, 产生中断请求, 单片机执行中断服务程序, 让紧急车通过, 紧急车通过后, 中断引脚变为高电平, 返回主程序。由于倒计时显示装置已普遍采用, 因此本文未引
25、入探讨。2.4 器件和原理2.4.1.什么是单片机单片机是将中央处理器（CPU） 、随机存储器（RAM） 、只读存储器（ROM 或 EPROM） 、定时器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器（Microcontroller） 。中央处理器包括运算器、控制器和寄存器 3 个主要部分，是单片机的核心。存储器按工作方式可以分为两大类：随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM。RAM 可被 CUP 随机地读写，断电后存储的内容消失；ROM 中的信息只能被读取，一般用于存放固定的程序。ROM 中的内容只能用编程器专用设备写入。输入/输出接口（I/O 接口）是单片机的重要组成部分。程序、
26、数据以及现场信息需要通过输入设备送到单片机，计算结果需要通过输出设备输出到外设。常用的输入10有按键、键盘、A/D 等，输出设备一般有 LED、电机等。为了方便理解，我们可以将单片机和 PC 机进行一个比较。一台能够工作的计算机要由 CPU、RAM、ROM、输入/输出设备等几个部分组成。在 PC 机上这些部分被分成若干块芯片，安装在主板上。而单片机相当于集成了以上所有芯片的一块集成电路芯片。有一些单片机中除了上述基本的功能，还集成了其他部分功能，如 A/D、D/A 等。一个标准的 89C51 单片机的引脚功能图如图 3 所示。图 3 89C51 单片机及其引脚1AT89C51 单片机性能介绍A
27、T89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2主要特性：1.与 MCS-51 兼容 2.4K 字节可编程闪烁存储器 3.寿命：1000 写/擦循环
28、4.数据保留时间：10 年5.全静态工作：0Hz-24Hz6.三级程序存储器锁定7.128*8 位内部 RAM8.32 可编程 I/O 线 2 B: 2 T 9 0 1 1 22 3 3 4 5 5 6 7 7 80 1 2 3 4 5 7 0 1 2 3 4 6 7 P D D G 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 42 页119.两个 16 位定时器/计数器10.5 个中断源 11.可编程串行通道12.低功耗的闲置和掉电模式13.片内振荡器和时钟电路3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，
29、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
30、 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
31、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 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 2-1 所示：口管脚 备选功能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）12P3.4 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）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位
32、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
33、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。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.4.2 什么是单片机系统单片机系统的基本结构框图如图 4 所示。
34、从图中可以看出，对于一个典型的单片机系统而言，主要由单片机、晶振和复位电路、输入控制电路、输出显示电路以及外围功能器件 5 个部分组成。除了上文中介绍过的单片机外，单片机系统中的其他 4 个部分的主要作用和器件如下。晶振和复位电路：单片机系统的必要组成部分，控制单片机的机器周期和功能复位。输入控制：是指在一定要求下，采取何种形式的控制方式来实现单片机不同功能的转换，以及控制指令以何种方式传送到单片机。常用的输入控制方法有按键、矩阵键盘、串行通信等方式。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 42 页13晶振、复位电路输入控制 输出显示外围功能器件单片机图 4
35、单片机系统的基本组成输出显示：是指单片机将需要显示的数据发送到 LED、液晶等显示模块，并控制LED 等显示模块按照一定的格式显示的功能。此外，输出对象还有电机、传感器等特殊的功能器件。外围功能器件：单片机只是控制器件，对应与一定的设计要求，需要加入特定功能的器件。例如外部存储器，单片机通过对外部存储器的读写操作，完成对数据的存储器的读写操作，完成对数据的存储和读取，从而扩展单片机的存储单元和数据。此外，常用的外围器件还有 A/D、D/A、74LS07 门电路以及特定功能的传感器等。单片机的最简单系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要由单片机、晶振电路和复位电路构成。而输入/输出部分则
36、通过单片机的 I/O 口实现。2.4.3 单片机系统的应用单片机的应用十分广泛，在工业控制领域、家电产品、智能化仪器仪表、计算机外部设备，特别是机电一体化产品中，都有重要的用途。其主要的用途可以分为以下方面。 显示：通过单片机控制发光二极管或是液晶，显示特定的图形和字符。 机电控制：用单片机控制机电产品做定时或定向的动作。 检测：通过单片机和传感器的联合使用，用来检测产品或者工况的意外发生。 通信：通过 RS-232 串行通信或者是 USB 通信，传输数据和信号。 科学计算：用来实现简单的算法。那么单片机是不是解决上述应用的惟一选择呢？当然不是！目前，在自动控制中，一般有 3 种选择，分别是嵌
37、入式微机、DSP 和单片机，他们的性能比较如表 2-2 所示。14表 2-2 嵌入式微机、DSP、单片机性能比较指标 嵌入式微机 DSP 单片机运算速度 一般 快 慢信息处理量 大 大 小体积和重量 大 小 小系统集成度 高 一般 低开发成本 适中 高 低典型器件 SUPERDX 型嵌入式模块 DSP-56800TMS320C54XMCS-51MCS-98单片机最明显的优点是价格便宜，从几元人民币到几十元人民币。这是因为这类芯片的生产量很大，技术也很成熟。其次，单片机的体积也远小于其他两种方案。单片机本身一般用 40 脚封装，当然功能多一些的单片机也有引脚比较多的，如 68 引脚，功能少的只有
38、 10 多个或 20 多个引脚，有的甚至只有 8 只引脚。当然，单片机无论在速度还是容量方面都远小于其他两种方案，但是实际上工作中并不是任何需要计算机的场合都要求计算机有很高的性能。例如，控制电冰箱温度的控制器就不需要使用嵌入式系统，用一片 51 就可以轻松实现。所以应用的关键是看是否够用，是否有很好的性能价格比。51 系列的单片机已经面世十多年，依然没有被淘汰，还在不断的发展中，这就说明是它有广阔的应用前景。2.5 部分电路功能2.5.1 晶振电路简单地说，没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。单片机工作时，是一条一条地从 ROM 中取指令，然后一步一
39、步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。一个机器周期包括12 个时钟周期。如果一个单片机选择了 12MHz 晶振，它的时钟周期是 1/12us，它的一个机器周期是 12*（1/12）us，也就是 1us。MCS-51 单片机的所有指令中，有一些完成得比较快，只要一个机器周期就行了，有一些完成得比较慢，得要 2 个机器周期，还有两条指令要 4 个机器周期才行。为了衡量指令执行时间的长短，又引入一个新的概念：指令周期。所谓指令周期就是指执行一条指令的时间。例如，当需要计算 DJNZ 指令完成所需要的时间时，首先必须要知道晶振的频率，设所用晶振为 12MHZ，则一
40、个机器周期就是 1us。而 DJNZ 指令是双周期指令，所以执行一次要 2us。如果该指令需要执行 500 次，正好 1000us，也就是 1ms。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 42 页15机器周期不仅对于指令执行有着重要的意义，而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了 12MHz 晶振，那么当定时器的数值加 1 时，实际经过的时间就是 1us，这就是单片机的定时原理。1、晶振的选择晶振一般分为晶体振荡器和晶体谐振器。在单片机系统中，晶体振荡器将外围的电容集成到振荡器的内部，无需再设计晶振电路，只需要将电源加载到晶振上，晶
41、振就可以起振，并通过两个引脚输出到单片机的晶振引脚上。一般的，由于晶体振荡器的体积较大，价格较贵，在实际使用中，还可以选择晶体谐振器，也就是常说的立式晶振。该晶振需要外部的晶振电路才可以起振，但是由于该电路非常简单，并且使用灵活，在单片机系统中也有广泛地应用。2、通用的晶振电路单片机的晶振电路是一种典型电路，分为内部时钟方式和外部时钟方式两种。内部时钟方式的电路如图 4 所示。图 4 单片机的内部晶振电路内部始终的晶振频率一般都选择在 4MHz12MHz 之间，外接两个谐振电容。该电容的典型值为 30PF，但是在实际应用时，需要根据实际起振情况选择。如果单片机的时钟必须使用某一个外接的时钟信号
42、，就不要外接晶振。由于此时的外接晶振引脚上没有晶振信号输入，内部的时钟电路将停振。这种方式称为外部时钟方式。图 5 给出了两种外部时钟的电路，可以根据不同的单片机型号选择不同的电路。16HMOS 型单片机 CHMOS 型单片机图 5 单片机的外部晶振电路3、振荡器特性：XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.5.2 复位电路简单地说，单片机的复位就和
43、计算机的重起一样的概念。任何单片机在工作之前都要有个复位的过程，复位对单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作。一般的复位只需要 5ms 的时间。复位引脚 RST/Vpd 通过片内一个施密特触发器（抑制噪声作用）与片内复位电路相连，施密特触发器的输出，在每个机器周期的 S5P2 有复位电路采样依次。当振荡电路工作，并且在 RST 引脚加上一个至少保持 2 个机器周期的高电平时，就能使 8051 完成一次复位。按上面所说，时间不少于 5ms。为了达到这个要求，需要在外部设计复位电路。复位电路的实现可以有很多种方法，但是从功能上一般分为两种：一种是电源复位，即外部的复位电路在系统通上电源之
44、后直接使单片机工作，单片机的起停通过电源控制；另一种方法是在复位电路中设计按键开关，通过按键开关触发复位电平，控制单片机的复位。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 42 页171、通用的复位电路和晶振电路一样，复位电路也是单片机系统的典型外部电路。基本的复位电路的原理图如图 6 所示。图 6 单片机的复位电路从原理上，一般采用上电复位嗲路。这种复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是 RST 引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST 端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作。2、改进型的复位电路对于有着丰富电路
45、设计经验的读者而言，可以根据自己的需要，定制满足实际要求的电路。这里，给出了一种根据实际需要设计的上电复位电路，如图 7 所示。图 7 改进型的复位电路2.5.3 信号灯控制电路18外围器件选择的是发光二极管，发光二极管在其两端的电压差超出其导通压降时开始工作，发光二极管的导通压降一般为 1.7V1.9V。此外，工作电流要满足该二极管的工作电流。满足电流和电压的要求，发光二极管就可以发光了。单片机系统中往往是数字信号，不是 5V 就是 0V，所以只要将二极管的正负极和电源对应上就可以了。但还需在发光二极管和单片机连接时加一个限流电阻，这个电阻的作用在于限制通过二极管的电流，从而达到减少功耗或者
46、满足端口对最大电流的限制。图 8 信号灯控制和时间显示电路一般二极管的点亮电流为 5mA 至 10mA，在 5V 驱动时，厂家多采用 470 欧的限流电阻，在电路中采用了 1K 的电阻，电流也就 35mA。当然为了更亮一点，可以减小电阻值，当然，二极管的电流不要超出单片机的 I/O 最大电流。发光二极管的参数分成三大类：一是电参数；二是光参数；三是极限参数。 电参数发光二极管的电参数主要有下列几项。正向电压 Vf。它是指：在给发光二极管加入规定的正向电流时，发光二极管正极与负极引脚之间的电压降。发向耐压 Vr。它是指：保证发光二极管不出现反向击穿时所允许给发光二极管加的最大反向电压。反向漏电流
47、 Ir。它是指：在给发光二极管加上规定的反向偏置电压时，流过发光二极管的反向电流，即从负极流向正极的电流。结电容 Co。它是指：发光二极管 PN 结的结电容，一般为小于 100PF，此结电容愈小愈好。 光参数发光二极管的光参数主要有发光峰值波长、半峰宽度和发光强度。其中发光强度哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 共 42 页19是发光二极管的一项重要光参数，它表征了发光二极管发光时的亮度。 极限参数发光二极管的极限参数关系到发光二极管的安全使用，在使用过程中若超过极限参数，发光二极管将会损坏。发光二极管的极限参数主要有两项：一是极限功率 Pm；二是极限工作电流
48、 Im。在小电流发光二极管中，极限电流一般小于 5MA。发光二极管的三种参数中，除光参数是它特有的外，其他两项参数的含义与普通二极管相同。2.5.4 LED 显示及显示接口单片机应用系统中，使用的显示器主要有 LED(发光二极管显示器)和 LCD(液晶显示器)。这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口放便。近年来也开始配置简易形式的 CRT 接口，可以较方使池进行图形显示。数码管在该电路中主要是显示单片机的输出数据、状态等，因而，作为外围典型器件，数码管显示是反映系统输出和操纵输入的有效器件。数码管具备数字接口，可以很方便地和单片机系统连接；数码管的体积小，重量轻，并且共好低，是一种理想的显示单片机数据输出内容的期间，在单片机系统中有着重要的作用。显示电路如图 8 所示。1LED 显示器结构与原理LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，在单片机应用系统中通常使用的是七段 LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种，如图 9 所示。共阴极 LED 显示块的发光级管阴极共地。如图中(c)所示，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极 LED 显示块的发光二极管阳极并
