单片机电路图详解.docx

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单片机电路图详解

单片机：

交通灯课程设计

（一）

目录

摘要---------------------------------------------------------1

1.概述--------------------------------------------------------2

2.硬件设计-----------------------------------------------------3

 2.1单片机及其外围--------------------------------------------3

    2.1.1单片机的选择-----------------------------------------3

    2.1.2单片机的特点及其应用范围-----------------------------3

    2.1.3存储器的扩展-----------------------------------------4

    2.1.4内存的扩展-------------------------------------------6

    2.1.5MCS-52的I/O接口扩展---------------------------------8

 2.2电路部分--------------------------------------------------11

    2.2.1元器件选用-------------------------------------------11

    2.2.2电路完成功能-----------------------------------------13

3.软件设计------------------------------------------------------15

  3.1软件概述-------------------------------------------------15

  3.2汇编语言指令说明-----------------------------------------16

  3.3定时/计数器的原理----------------------------------------16

     3.3.1定时/计数器的概述-----------------------------------16

     3.3.28255A片选及各端口地址-------------------------------18

     3.3.3信号控制码------------------------------------------18

3.3.4工作方式寄存器--------------------------------------19

3.3.5定时/计数器初值及定时器T0的工作方式----------------20

3.4MCS-51的中断--------------------------------------------21

4.总结----------------------------------------------------------26

参考文献--------------------------------------------------------27

附录1原程序---------------------------------------------------28

附录2图-------------------------------------------------------33

摘要

随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的各种系统也越来越多。

同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。

它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。

它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。

本次设计为十字路口交通灯控制系统设计,硬件部分它以8031单片机为核心,并在此基础上扩展了程序存储器（EPROM）2764、静态数据存储器（SRAM）6264，利用地址锁存器74LS373扩展I/O并行接口芯片8255A。

软件部分它结合定时/计数等知识进行程序编译。

 关键词:

单片机;存储器;扩展;定时/计数器

1.概述

随着微控技术的日益完善和发展，单片机的应用在不断走向深入。

它的应用比定导致传统的控制技术从根本上发生变革。

也就是说单片机应用的出现是对传统控制技术的革命。

它在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领路得到了广泛应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化控制。

因此单片机的开发应用已成为高技术工程领域的一项重大课题。

因此了解单片机知识，掌握单片机的应用技术具有重大的意义。

当前,在世界范围内,一个以微电子技术,计算机的通讯技术为先导的,一信息技术及信息产业的信息革命时期。

而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效地发挥其作用是科学界最热门的话题,也是当今计算机应用中空前活跃的领域。

本文主要从计算机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理,用以控制过往车辆的正常运作。

2.硬件设计

2.1单片机及其外围

2.1.1单片机的选择

 单片微机（Single-ChipMicrocomputer）简称为单片机。

它在一块芯片上集中成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数和多功能输入/输出I/O口,如并行口I/O、串行口I/O和转换A/D等。

就其组成而言，一块单片机就是一台计算机。

其典型结构如图所示。

由于它具有体积小、功能强和价格便宜等优点，因而被广泛地应用于产品智能化和工业控制自动化上。

　　　MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应用设计资料丰富齐全。

为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立CPU，即选择MSC-51系列中的8031单片机。

　　　8031内部包括一个8位CPU、128个字节的RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位I/O口，一个全双工串行口，2个16位定时器/记数器，但片内无程序存储器，须外扩EPROM芯片。

　　　MCS-51系列的引脚均为40只引脚双列直插封装（DIP）40只引脚按其功能来分，可分为3类：

（1）电源及时钟引脚:

 Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。

（2）控制引脚：

/PSEN、/EA、ALE、RESET（即RST）。

 （3）I/O口引脚：

P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。

　　　MCS-51存储器的结构采用了哈佛（Har-vard）结构。

存储器空间可划分为如下5类：

　　1. 程序存储器（8031无内部程序存储器。

）

　　2. 内部数据存储器

3. 特殊功能寄存器（SFR-SpecialFunctionRegister）

4. 位地址空间，211个可寻址位。

5. 外部数据寄存器，片外可扩展64K字节RAM。

2.1.2单片机的特点及其应用范围

　单片机特点：

a）     单片机体积小巧、使用灵活、成本低，易于真正产品化。

组装各种智能式控制设备和仪器，能做到机电仪一体化。

b）     面向控制。

能有针对性地解决各种从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。

c）     抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作。

这是其它微机集中无法比拟的。

d）     可以方便的实现多机、分布式的集散控制，使整个控制系统的效率大大地提高。

e）     单片机应用产品的研制周期短，所开发出来的样机就是以后批量生产的产品，可以避免不必要的二次开发过程。

　　　单片机应用：

a）     工业方面：

电机控制，工业机器人，过程控制，智能传感器，机电仪一体化等。

b）     仪器仪表方面：

智能仪器，医疗仪器，色谱仪，示波器等。

c）     家用电器：

高级电子玩具，微波灶，洗衣机，录像机等。

d）     电讯方面：

调制解调器，智能通讯设备等。

e）     导航与控制方面：

导弹控制，鱼雷制导控制，智能武器装置，航天导航系统等　。

f）     数据处理方面：

图形终端，彩色与黑白复印机，温式硬盘驱动器，磁带机，打印机等。

g）     汽车方面：

点火控制，变速器控制，防滑刹车，排气控制等。

2.1.3存储器的扩展

MCS-51单片机片内集成了各种存储器和I/O功能部件，但有时候根据应用系统的功能需求，片内的资源还不能满足需要。

8031单片机片内缺少程序存储器（ROM）。

存储器的扩展：

MCS-51单片机外部存储器结构，采用的是哈佛结构。

即程序存储妻的空间和数据存储器的空间是截然分开，分别寻址的结构。

系统扩展的首要问题是构造三大系统总线，然后再往系统总线上“挂”存储器芯片或I/O接口芯片，“挂”存储器芯片就是存储器扩展，“挂”I/O接口芯片就是I/O扩展。

受引脚数目的限制，数据线和低8位地址线复用。

由P0口线兼用。

为了将它们分离出来，需要外加地址锁存器，从而构成与一般CPU相类似的片外三总线。

如图所示：

8031

P2

APE

P0

PSEN

WE

RD

地址

锁存器

A8~A15

A0~A7

D0~D7

地址总线

数据总线

控制总线

　　　　                       图2-1构成图

地址锁存器一般采用74LS373。

锁存器74LS373带有三态门的8D锁存器，引脚说明：

D7～D0:

8位数据输入线。

Q7～Q0:

8位数据输出线。

G:

数据输入锁存选通信号,。

OE:

数据输出允许信号。

　　　　采用74LS373的地址总线的扩展电路如下。

1．以P0口作为低8位地址/数据总线。

2.以P2口的口线作高位地址线。

3.控制信号线。

   使用ALE信号作为低8位地址的锁存控制信号。

   以PSEN*信号作为扩展程序存储器的读选通信号。

   以EA*信号作为内外程序存储器的选择控制信号。

   由RD*和WR*信号作为扩展数据存储器和I/O口的读选通、写选通信号。

尽管MCS-51有4个并行I/O口，共32条口线，但由于系统扩展需要，真正作为数据I/O使用的，就剩下P1口和P3口的部分口线。

优点：

串行接口器件体积小，与单片机接口时需要的I/O口线很少（仅需3-4根），提高可靠性。

　　常用的存储器地址分配的方法有两种：

线性选择法（简称线选法）和地址译码法（简称译码法）。

　1、线选法

直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片（或I/O接口芯片）的片选信号。

优点：

电路简单，不需要地址译码器硬件，体积小，成本低。

缺点：

可寻址的器件数目受到限制，地址空间不连续，地址不唯一。

2、译码法

最常用的译码器芯片：

74LS138（3-8译码器）74LS139（双2-4译码器）74LS154（4-16译码器）。

完全可根据设计者的要求，产生片选信号。

全译码：

全部高位地址线都参加译码；

部分译码：

仅部分高位地址线参加译码。

由于线选法具有简单明了，不需另外增加硬件电路的特点。

适于外扩芯片不多，规模不大的单片机系统。

所以选择线选法扩展存储器。

2.2.4内存的扩展   

程序存储器EPROM的扩展

程序存储器一般采用只读存储器，。

根据编制程序的方式不同，ROM分为掩膜ROM，可编程ROM（PROM），EPROM，E2ROM，FlashROM等几种。

目前EPROM的典型芯片是27系列产品，例如2716（16KB×8）、2732（32KB×8），2764（8KB×8）、27128（16KB×8）、27256（32KB×8）、27512（64KB×8）。

这里选择2764（8KB×8）芯片。

静态数据存储器的扩展

MSC-51单片机的内部有128个字节的RAM。

在实际应用中，仅仅靠片内的RAM往往不够用，必须扩展外部数据存储器。

常用的数据存储器有静态数据存储器（SRAM）和动态数据存储器（DRAM），在单片机应用系统中，外扩的数据存储器都采用静态数据存储器。

常见的静态RAM（SRAM）芯片的典型型号有：

6116（2KB×8）、6264（8KB×8）、62128（16KB×8）、62256（32KB×8）。

它们都用单一+5V电源供电，双列直插封装。

这里选择6264（8KB×8），为28引脚封装。

EPROM和RAM综合扩展的硬件接口电路设计

扩展接口电路如图：

                      图2-2扩展接口电路图

1.   控制信号及片选信号

地址线P2.5直接接到2764和6264）的片选CE端。

当P2.6=0，P2.5=1时2764和6264的CE端全为高电平。

当P2.6=1，P2.5=0时2764和6264的CE端全为低电平。

具体哪个芯片工作还要通过PSEN、WR、RD控制线控制。

当片外程序存储区读选通信号PSEN为低电平，肯定到EPROM中读程序；当读、写通信号RD或WR为低电平则到RAM中读数据或者向RAM写入数据。

PSEN、WR、RD三个信号是在是在执行指令的时候产生的，但任何一个时刻，只能执行一条指令，所以只能一个信号有效，其他信号不可能同时有效。

2.   各芯片地址空间分配

硬件电路一旦确定，各个芯片的地址范围实际就已经确定，编写程序的时候只要给出选择芯片的地址就能准确的选中该芯片。

程序和数据存储器地址均用16位，P0口确定低8位，P2口确定高8位地址。

2.2.5MSC-51的I/O接口扩展

　　常用的I/O接口芯片

MCS-51单片机是Intel公司的产品，而Intel公司的配套可编程I/O接口芯片的种类齐全，这就为MCS-51单片机扩展I/O接口提供了很大的方便。

Intel公司常用的外围I/O接口芯片有：

（1）8255A：

可编程的通用并行接口电路（3个8位I/O口）。

（2）8155H：

可编程的IO/RAM扩展接口电路（2个8位I/O口,1个6位I/O口,256个RAM字节单元，1个14位的减法定时器/计数器）。

　　它们都可以和MCS-51单片机直接连接，且接口逻辑十分简单。

此外，74LS系列的TTL电路也可以作为MCS-51的扩展I/O口，如74LS244、74LS273等。

除了上述各种I/O接口电路与MCS-51单片机的接口设计，还可以利用MCS-51的串行口来扩展并行I/O口。

　　本次设计选择可编程的通用并行接口芯片8255A。

　　8255A芯片介绍：

8255A是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，三种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用灵活方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。

　　引脚说明：

8255A共有40只引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下：

D7～D0：

三态双向数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。

CS：

片选信号线，低电平有效，表示本芯片被选中。

RD：

读出信号线，低电平有效，控制8255A中数据的读出。

WR：

写入信号线，低电平有效，控制向8255A数据的写入。

Vcc：

+5V电源。

PA7～PA0：

A口输入/输出线。

PB7～PB0：

B口输入/输出线。

PC7～PC0：

C口输入/输出线。

A1～A0：

地址线，用来选择8255A内部的4个端口。

　　　8255A包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式的控制电路，一个读/写控制逻辑电路和8位数据总线缓冲器。

各部件的功能如下：

　　1.端口A、B、C

8255A有三个8位并行口，PA、PB和PC。

都可以选择作为输入输出工作模式，但在功能和结构上有些差异。

PA口：

一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入锁存器。

PB口：

一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入缓冲器。

PC口：

一个8位的输出锁存器；一个8位数据输入缓冲器。

通常PA口、PB口作为输入输出口，PC口可作为输入输出口，也可在软件的控制下，分为两个4位的端口，作为端口A、B选通方式操作时的状态控制信号。

　　2.A组和B组控制电路

这是两组根据CPU写入的“命令字”控制8255A工作方式的控制电路。

A组控制PA口和PC口的上半部（PC7～PC4）；B组控制PB口和PC口的下半部（PC3～PC0）,并可根据“命令字”对端口的每一位实现按位“置位”或“复位”。

　　3.数据总线缓冲器

数据总线缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255A与系统总线之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。

　　4．读/写控制逻辑电路

读/写控制逻辑电路接收CPU发来的控制信号、RESET、地址信号A1～A0等，然后根据控制信号的要求，将端口数据读出，送往CPU或者将CPU送来的数据写入端口。

各端口的工作状态与控制信号的关系如表所示。

表2-1各端口的工作状态与控制信号的关系

A1

A2

RD

WR

CS

工作状态

0

0

0

1

0

A口数据→数据总线（读端口A） 

B口数据→数据总线（读端口B）

C口数据→数据总线（读端口C）

0

1

0

1

0

1

0

0

1

0

0

0

1

0

0

总线数据→A口（写端口A）

总线数据→B口（写端口B）

总线数据→C口（写端口C）

总线数据→控制字寄存器（写控制字）

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

0

0

X

X

X

X

1

数据总线为三态

1

1

0

1

0

非法状态

X

X

1

1

0

数据总线为三态

　　8031单片机和8255A的接口

"   硬件接口电路

如图2-3所示是8031单片机扩展一片8255A的电路图。

图中，74LS373是地址锁存器，P0.1、P0.0经74LS373与8255A的地址线A1、A0连接；P0.7经74LS373与片选端相连，其他地址线悬空；8255A的控制线RD*、WR*直接接于8031的RD*和WR*端；数据总线P0.0～P0.7与8255A的数据线D0～D7连接。

　8255A端口地址的确定

图2-3中8255A只有3根线与地址线相接。

片选端CS*、地址选择端A1、A0。

分别接于P0.7、P0.1、P0.0，其它地址线全悬空。

显然只要保证P0.7为低电平时，选中该8255A，若P0.1、P0.0再为“00”则选中8255A的A口，同理P0.1、P0.0为“01”、“10”、“11”分别选中B口、C口及控制口。

图2-38031扩展图

2.2电路部分

2.2.1元器件的选用

在该电路中，为了实现交通灯的功能，采用了OPTOTRIAC（光电隔离开关），和TRIAC（晶闸管）等，下面分别进行介绍

   光电隔离器的主要性能与工作原理：

主要性能：

1． 保护串行口，有效地防止因带电插拔几其他原因引起的串行口损坏。

2． RS-232C实现远距离通讯，通讯距离可延长至1～20公里。

9600Bmp时大于1公里。

3． 两个RS-232C串行口之间实现电隔离，隔离电压脉冲1500V，持续电压700V。

4． 不用外接电源，内部采用信号电平作DC-DC变换后供电，使用方便。

5． 传输线无需屏蔽。

SK系列串口光隔离器的传输线中是IPP=20Ma的电流环传送数据，有很强的抗电场干扰能力。

工作原理

利用RS-232C输出信号与光耦器件组成电流环，接收电路将光耦合进来的信号还原成满足RS-232C接口要求的信号电平。

接收电路由DC-DC供给接近±12V的电源，RS-232C的供电取自串口的RTS或DTR信号。

晶闸管：

晶闸管的工作条件：

1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受和种电压，晶闸管都处于关短状态。

2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

3.晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

晶闸管的内部分析工作过程：

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。

当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。

每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。

因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门机电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,

晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：

Ia=Ic1+Ic2+Ic0或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig

从而可以得出晶闸管阳极电流为：

I=（Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））（1—1）式，硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,（a1+a2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0晶闸关处于正向阻断状态。

当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。

这样强烈的正反馈过程迅速进行。

当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。

晶闸管已处于正向导通状态。

式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。

晶闸管在导通后，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。

2.2.2电路完成功能

图2-4电路部分

电路完成功能是：

车辆放行方向上（A线）绿灯亮15s，亮灭各0.75秒，闪烁3次灭，黄灯亮3秒灭，红灯亮；东西组红灯灭，绿灯亮。

如此周而复始。

各方向上计数器从30开个电路由光电隔离开关所控制，6个晶闸管控制灯泡用来模拟双向十字路口的红、黄、绿灯。

３．软件设计

3.1软件概述

  本次设计，编写软件使用的是汇编语言。

因为汇编语言是面向机器硬件的语言，助记符指令和机器指令一一对应，用