智能寻迹小车制作.docx
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智能寻迹小车制作.docx
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智能寻迹小车制作
智能寻迹小车的制作
卜晴晴
【摘要】
本文介绍的是基于单片机STC89C51控制的自动往返电动小汽车控制系统的硬件和软件设计。
用STC89C51单片机实现自动往返电动小汽车设计,采用STC89C51单片机为控制核心,利用光电检测器检测道路上的标志,控制电动小汽车的正反向行驶,快慢速行驶,以及停车的位置,并可自动记录往返时间和行驶路程。
整个系统的电路结构简单,可靠性高。
实验测试结果满足要求,本文着重介绍了该系统的软硬件设计方法及测试结果分析。
【关键词】单片机LG9110电机驱动传感器寻迹小车
引言
随着微电子技术的不断发展,微处理器芯片的集成程度越来越高,单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、A/D转换器、D/A转换器等多种电路,这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合,组成智能化测量控制系统。
这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展。
单片机技术作为自动控制技术的核心之一,被广泛应用于工业控制、智能仪器、机电产品、家用电器等领域。
随着微电子技术的迅速发展,单片机功能也越来越强大,本设计基于单片机技术在智能寻迹小车控制系统的设计中,以STC89C51为核心,用LG9110驱动两个减速电机,当产生信号驱动小车前进时,是通过寻迹模块里的传感器管是否寻到黑线产生的电平信号通过传感器再返回到单片机,单片机根据程序设计的要求作出相应的判断送给电机驱动模块,让小车实现前进、左转、右转、停车等基本功能,寻白线时,外部环境光线的强弱对小车的运动会产生很大的影响,基于此原因,本实验中的寻迹是指在白色地板上寻黑线。
第一章单片机的简介
单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
它是一种在线式实时控制计算机,在线式就是现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机的(比如家用PC)的主要区别。
单片机以其价格低廉、功能强大、体积小、性能稳定等优点,深受广大电子设计爱好者喜爱。
目前,各种产品中都能看到单片机的身影,如门铃、报警器、玩具,以及各种数据采集系统和控制终端等。
单片机是现代电子设计中使用最为广泛的电子元件之一,而其中的51系列单片机是最早兴起的一类。
51系列单片机功能完备、指令系统丰富,发展最为成熟。
51系列单片机是指Intel的MCS-51系列及和具有兼容内核的单片机。
MCS-51系列单片机是最早、最基本的单片机,功能也最简单。
Intel公司生产的MCS-51系列单片机包括8031、8051、8032、8052、8751、8752等
现在集成电路技术飞速发展,各大芯片厂商提供了很多与MCS-51兼容的单片机。
如此Atmel公司的AT89C系列、AT89S系列,SiliconLaboratories公司的结构和指令系统,只是对其功能和内部资源等方面进行了不同程度的扩展。
这些具有兼容内核的51系列单片机,由于硬件结构和指令系统的一致性,大大方便了程序的移植,以及系统的升级,是得起使用起来十分方便。
8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互联构成的。
其主要由中央处理器(CPU)、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、串行口、并行I/O接口、定时/计数器、中断系统等几大单元,以及数据总线、地址总线、和控制总线组成。
单片机的发展趋势是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。
第二章智能小车的设计简介
2.1设计理念
智能小车实现了路面标识跟踪、金属探测、曲线行驶、躲避障碍物、寻找光源以及安全进入车库等功能,并且能够在行驶过程中用语音、指示灯等方式提示电动车的行驶状态。
采用左右独立的传动模式行驶,通过光电、红外和接近开关等传感器,由单片机系统来决策智能车的行驶状态。
采用PWM技术实现了电动机的多级调速;采用硬件自学习电路提高对不同黑白程度路面的适应能力。
独特的雷达扫描式光电探测装置保证了光源探测的灵活性,提高了控制决策的有效性。
不同路段的软件模块对各个传感器赋以不同的权值,提高了各个路段行驶策略的针对性。
通过均值采样算法降低了噪声信号的干扰,通过模糊控制算法实现了智能避障和光源跟踪。
采用原子模块循环法实现数据采集、分析、处理和控制输出。
2.1设计要求
当前的电动小汽车基本上采取的是基于纯硬件电路的一种开环控制方法,或者是直线行使,或者是在遥控下作出前进、后退、转弯、停车等基本功能。
但是它们不能实现在某些特殊的场合下,我们需要能够自动控制的小型设备先采集到一些有用的信息的功能。
本文正是在这种需要之下开发设计的一种智能的电动小车的自动控制系统。
它以单片机AT89C51为控制核心,附以外围电路,在画有黑线的白纸“路面”上行使,由于黑线和白线对光线的反射系数不同,可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”——黑线。
判断信号可通过单片机控制驱动模块修正前进方向,以使其保持沿着黑线行进。
轨迹探测模块用3只光电开关(图2)。
1只置于轨道中间,2只置于轨道外侧,当小车脱离轨道时,即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时,等待外面任意一只检测到黑线后,做出相应的转向调整,直到中间的光电开关重新检测到黑线(即回到轨道)再恢复正向行驶等智能控制系统。
第三章智能小车的设计流程
3.1总体方案的寻迹原理
智能寻迹小车能寻迹主要是由前方的两对红外发射与接收探头来完成的。
根据光有反射的特性。
所以说当红外发射出来的光线遇到物体时,就会形成反射的光线,而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。
当红外接收探头接收到信号后,再将信号送到单片机由单片机内部程序来控制电机,由电机完成小车的前进,转向。
3.2总体设计方案和框图
整个路系统分为检测、控制、驱动三个模块。
首先利用光电对管对路面信号进行检测,经过比较器处理之后,送给软件控制模块进行实时控制,输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动,从而控制整个小车的运动。
系统方案方框图如图所示:
图3-1智能小车寻迹系统框
该简易智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行使,由于黑线和白线对光线的反射系数不同,可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”——黑线。
判断信号可通过单片机控制驱动模块修正前进方向,以使其保持沿着黑线行进。
当小车脱离轨道时,即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时,等待外面任意一只检测到黑线后,做出相应的转向调整,直到中间的光电开关重新检测到黑线(即回到轨道)再恢复正向行驶。
在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。
红外探测法,即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。
在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色地面时发生漫发射,反射光被装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收,则小车上的接收管接收不到信号。
本设计以STC89C52单片机作为检测和控制核心。
采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物,用光敏电阻检测、判断车库位置,通过软件编程实现智能小车行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。
通过对电路的优化组合,可以最大限度地利用51单片机的全部资源。
P0口用于数码管显示,P1口用于电动机的PWM驱动控制,P2,P3口用于传感器的数据采集与中断控制。
这样做的优点是:
充分利用了单片机的内部资源,降低了总体设计的成本。
这样做的优点是:
充分利用了单片机的内部资源,降低了总体设计的成本。
3.3系统的硬件组成及设计原理
图3.-2小车视图
此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单元、电源单元、电机控制单元组成。
3.3.1单片机单元
此部分是整个小车运行的核心部件,起着控制小车所有运行状态的作用。
控制方法有很多,大部分都采用单片机控制。
由于51单片机具有价格低廉是使用简单的特点,这里选择了ATMEL公司的STC89C52作为控制核心部件。
STC89C52单片机系列的存储器用的是哈佛结构,即将程序和数据存储截然分开,程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。
STC89C52的存储器可分为五类:
程序存储器,内部数据存储器,特殊功能寄存器,位地址空间,外部数据存储器。
下面有详解
3.3.2电机控制单元
a电机的选择方案
方案1:
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以精确的定位,可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点,步进电机的输出力矩较低,随转速的升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,其转速较低,不适用于小车等有一定速度要求的系统。
经综合比较考虑,我们放弃了此方案。
方案2:
直流电机:
直流电机的控制方法比较简单,只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来,电压越高则电机转速越高。
对于直流电机的速度调节,可以采用改变电压的方法,也可采用PWM调速方法。
PWM调使加在直流电机两端的速就是电压为方波形式,通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。
基于以上分析,我们选择了方案一,使用直流电机作为电动车的驱动电机。
b电机驱动原理
从单片机输出的信号功率很弱,即使在没有其它外在负载时也无法带动电机,所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的功率,从而能够根据需要控制电机转动
LG9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件,将分立电路集成在单片IC之中,使外围器件成本降低,整机可靠性提高。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入,具有良好的抗干扰性;两个输出端能直接驱动电机的正反向运动,它具有较大的电流驱动能力,每通道能通过750~800mA的持续电流,峰值电流能力可达1.5~2.0A;同时它具有较低的输出饱和压降与静态电流;内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流,使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。
9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、自动阀门电机驱动、电磁门锁驱动等电路上。
图3-2LG9110管脚及功能
3.3.3传感器单元
在传感器方案的选择中,有以下两种方案供参考:
方案一:
使用CCD传感器来采集路面信息。
使用CCD传感器,可以获取大量的图像信息,可以全面完整的掌握路径信息,可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面而且抗干扰能力强。
但是对于本项目来说,使用CCD传感器也有其不足之处。
首先使用CCD传感器需要有大量图像处理的工作,需要进行大量数据的存储和计算。
因为是以实现小车视觉为目的,实现起来工作量较大,电路复杂。
方案二:
使用光电传感器来采集路面信息。
使用红外传感器最大的优点就是结构简明,实现方便,成本低廉,免去了复杂的图像处理工作,反应灵敏,响应时间低,便于近距离路面情况的检测。
但红外传感器的缺点是,它所获取的信息是不完全的,只能对路面情况作简单的黑白判别,检测距离有限,而且容易受到诸多扰动的影响,抗干扰能力较差,背景光源,器件之间的差异,传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。
在本次设计中,赛道为黑色与白色两种颜色,小车只要能区分黑色就可以采集到准确的路面信息。
经过综合考虑,在本设计中采用红外光电传感器作为信息采集元件。
图3-3红外传感器分布图
其中X1与Y1为第一级方向控制传感器,,一般中间的一个传感器XY在黑线上并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。
小车前进时,X1、X2在黑线上,当小车偏离黑线时,第一级传感器X1或Y1就能检测不到黑线时,把检测的信号送给小车的处理、控制系统,控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。
这次设计智能小车,可以按指定路线运行,自动区分直线轨道和弯路轨道,在指定弯路处拐弯,实现灵活前进、转弯、倒退等功能,在轨道上划出设定的地图,并且车速自动可调。
主要是以STC89C51单片机为核心,红外传感器进行目标识别与避障,使自动寻迹小车准确跟踪轨迹路线;采用直流电机对车的转向进行控制,由软件实现了小车自动行驶、自动避障,并发出指示信息等功能。
3.4系统的软件设计
该系统配套的软件程序采用模块结构,由C语言编写完成。
主要由初始化程序、偏道调整程序、偏离光源调整程序、声光指示子程序、读传感器状态、显示程序、定时器0的中断服务程序、定时器1的中断服务程序、外部中断0的服务程序、停车处理等模块组成。
系统的主体流程如图3-4所示。
流程图说明:
首先开始启动,进入系统初始化定义引脚,执行主程序小车前进。
根据小车的指示灯来判断小车的运行情况。
如果小车偏离跑道,会给单片机一个低电平信号进入电机模式选择,例如:
小车往左跑道偏出,传感器开始扫描,当红外接受探头接受到红外光线,给单片机底电平信号,这时经过单片机内部程序的处理设置合理的延时时间函数,同时电机左转。
直到小车跑回跑道,正常前进。
反复的重复这样的动作就可以实现寻迹的功能。
图3-4系统总流程图
第四章小车零部件介绍
4.1蜂鸣器
4.1.1蜂鸣器的结构原理
a.压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后(1.5~15V直流工作电压),多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号,阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极,经极化和老化处理后,再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
b.电磁式蜂鸣器电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后,振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈,使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下,周期性地振动发声。
4.1.2蜂鸣器的驱动
在单片机应用的设计上,很多方案都会用到蜂鸣器,大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警,比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。
这里对单片机在蜂鸣器驱动上的应用作一下描述。
图1-4为蜂鸣器发声
电路原理图。
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图4-1蜂鸣器发声电路原理图
驱动方式:
由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的,不需要利用交流信号进行驱动,只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音,很简单,这里就不对自激蜂鸣器进行说明了。
这里只对必须用1/2duty的方波信号进行驱动的他激蜂鸣器进行说明。
单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种:
一种是PWM输出口直接驱动,另一种是利用I/O定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。
PWM输出口直接驱动是利用PWM输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。
在单片机的软件设置中有几个系统寄存器是用来设置PWM口的输出的,可以设置占空比、周期等等,通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求的频率的波形之后,只要打开PWM输出,PWM输出口就能输出该频率的方波,这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。
比如频率为2000Hz的蜂鸣器的驱动,可以知道周期为500μs,这样只需要把PWM的周期设置为500μs,占空比电平设置为250μs,就能产生一个频率为2000Hz的方波,通过这个方波再利用三极管就可以去驱动这个蜂鸣器了。
而利用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点,必须利用定时器来做定时,通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形,这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。
比如为2500Hz的蜂鸣器的驱动,可以知道周期为400μs,这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200μs翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz,占空比为1/2duty的方波,再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。
4.1.3蜂鸣器驱动电路
由于蜂鸣器的工作电流一般比较大,以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的,所以要利用放大电路来驱动,一般使用三极管来放大电流就可以了。
下图1-5为比较安全的驱动电路
图4-2蜂鸣器安全的驱动电路图
4.1.4蜂鸣器驱动设计
由于这里要介绍两种驱动方式的方法,所以在设计模块系统中将两种驱动方式做到一块,即程序里边不仅介绍了PWM输出口驱动蜂鸣器的方法,还要介绍I/O口驱动蜂鸣器的方法。
所以,我们将设计如下的一个系统来说明单片机对蜂鸣器的驱动:
系统有两个他激蜂鸣器,频率都为2000Hz,一个由I/O口进行控制,另一个由PWM输出口进行控制;系统还有两个按键,一个按键为PORT按键,I/O口控制的蜂鸣器不鸣叫时按一次按键I/O口控制的蜂鸣器鸣叫,再按一次停止鸣叫,另一个按键为PWM按键,PWM口控制的蜂鸣器不鸣叫时按一次按键PWM输出口控制的蜂鸣器鸣叫,再按一次停止鸣叫。
5PWM输出口直接驱动蜂鸣器方式由于PWM只控制固定频率的蜂鸣器,所以可以在程序的系统初始化时就对PWM的输出波形进行设置。
首先根据SH69P43的PWM输出的周期宽度是10位数据来选择PWM时钟。
系统使用4MHz的晶振作为主振荡器,一个tosc的时间就是0.25μs,若是将PWM的时钟设置为tosc的话,则蜂鸣器要求的波形周期500μs的计数值为500μs/0.25μs=(2000)10=(7D0)16,7D0H为11位的数据,而SH69P43的PWM输出周期宽度只是10位数据,所以选择PWM的时钟为tosc是不能实现蜂鸣器所要的驱动波形的。
这里我们将PWM的时钟设置为4tosc,这样一个PWM的时钟周期就是1μs了,由此可以算出500μs对应的计数值为500μs/1μs=(500)10=(1F4)16,即分别在周期寄存器的高2位、中4位和低4位三个寄存器中填入1、F和4,就完成了对输出周期的设置。
再来设置占空比寄存器,在PWM输出中占空比的实现是通过设定一个周期内电平的宽度来实现的。
当输出模式选择为普通模式时,占空比寄存器是用来设置高电平的宽度。
250μs的宽度计数值为250μs/1μs=(250)10=(0FA)16。
只需要在占空比寄存器的高2位、中4位和低4位中分别填入0、F和A就可以完成对占空比的设置了,设置占空比为1/2duty。
以后只需要打开PWM输出,PWM输出口自然就能输出频率为2000Hz、占空比为1/2duty的方波。
6I/O口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式使用I/O口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式的设置比较简单,只需要对波形分析一下。
由于驱动的信号刚好为周期500μs,占空比为1/2duty的方波,只需要每250μs进行一次电平翻转,就可以得到驱动蜂鸣器的方波信号。
在程序上,可以使用TIMER0来定时,将TIMER0的预分频设置为/1,选择TIMER0的始终为系统时钟(主振荡器时钟/4),在TIMER0的载入/计数寄存器的高4位和低4位分别写入00H和06H,就能将TIMER0的中断设置为250μs。
当需要I/O口驱动的蜂鸣器鸣叫时,只需要在进入TIMER0中断的时候对该I/O口的电平进行翻转一次,直到蜂鸣器不需要鸣叫的时候,将I/O口的电平设置为低电平即可。
不鸣叫时将I/O口的输出电平设置为低电平是为了防止漏电。
4.2STC89C52单片机
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器(FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞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。
总控制电路如下图1-6
图4—3总控制电路图
图4-4STC89C52各引脚图
STC89C52各引脚功能及管脚电压
图4-4概述:
STC89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
STC89C52芯片共40引脚:
1~8脚:
通用I/O接口p1.0~p1.79脚:
rst复位键
10.11脚:
RXD串口输入TXD串口输出
12~19:
I/Op3接口(12,13脚INT0中断0 INT1中断1
14,15:
计数脉冲T0T116,17:
WR写控制RD读控制输出端)
18,19:
晶振谐振器
20地线
21~28p2接口高8位地址总线
29:
psen片外rom选通端 单片机对片外rom操作时29脚(psen)输出低电平
30:
ALE/PROG地址锁存器
31:
EArom取指令控制器高电平片内取低电平片外取
32~39:
p0.7~p0.0(注意此接口的顺序与其他I/O接口不同与引脚号的排列顺序相反)
40:
电源+5V
GND:
接地。
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)管脚说明:
VCC:
供电电压。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,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
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