学习情境1信号灯控制系统的设计与制作

《单片机应用技术》1学习情境1信号灯控制系统的设计与制作1．1资讯—知识准备1．1．1信号灯控制系统的介绍信号灯在工厂企业、交通运输业、商业、学校等各个行业应用非常广泛，信号灯有各种各样的类型，用途也各不相同。信号灯不同的颜色，不同的形状，不同的亮暗规律等都表示不同的含义，因此，对信号灯的控制尤为重要。信号灯的控制有多种方式，如机械开关控制方式，电气开关控制方式，数字逻辑电路控制方式，可编程逻辑器件PLD控制方式，单片机控制方式等；有强电控制的信号灯，也有弱电控制的信号灯；有硬件控制的信号灯，也有软件控制的信号灯。应用单片机对信号灯控制方式，具有控制电路简单、控制灵活、操作方便等一系列优点，应用非常广泛。从原理上讲,目前信号灯控制系统有四种类型。它们的特点为第一类是机械电气开关控制方式，这种控制方式应用机械电气开关，控制复杂，连接困难，体积庞大，灵活性差，目前应用较少。第二类是用中小规模数字电路构成,其中包括了组合逻辑电路和时序电路，设计这一类信号灯控制系统时，要用到真值表、状态图等知识，电路结构复杂、灵活性差、调试困难。第三类是用可编程逻辑器件PLD构成,可以由FPGA或CPLD组成，设计这一类信号灯控制系统时，要用到VHDL语言和PLD专用开发软件，有相当的难度。第四类是用单片机构成，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。可以由各个厂家、各种类型的单片机及相应的外围电路组成，设计这一类信号灯控制系统时，要用到单片机软硬件、接口及产品开发等很多单片机知识。因此，应用单片机对信号灯控制方式优点多，使用广泛。要完成信号灯控制的设计制作，首先了解单片机的知识。1．1．2单片机硬件系统单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）简称单片机，是指集成在一块芯片上的计算机，它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。从航天航空、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织到机电一体化设备、邮电通信、日用设备和器械等，单片机都发挥了巨大作用。1．1．2．1什么是单片机及单片机应用系统1．微型计算机及微型计算机系统微型计算机（Microcomputer）简称微机，是计算机的一个重要分支。人们通常按照计算机的体积、性能和应用范围等条件，将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机等。微型计算机不但具有其它计算机快速、精确、程序控制等特点，最突出的是它具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜等优点。个人计算机简称PC（PersonalComputer）机，是微型计算机中应用最为广泛的一种，也是近年来计算机领域中发展最快的一个分支，由于PC机在性能和价格方面适合个人用户购买和使用，目前，它已经像普通家电一样深入到了家庭和社会生活的各个方面。微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。《单片机应用技术》2硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中，运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（CentralProcessingUnit），简称CPU，是微机的核心部件，配上存放程序和数据的存储器、输入输出（Input/Output，简称I/O）接口电路及外部设备即构成微机的硬件系统。软件系统是指微机系统所使用的各种程序的总体。软件的主体驻留在存储器中，人们通过它对整机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两者是相辅相成、缺一不可的。微型计算机系统组成示意图如图1.1所示。软件系统硬件系统+控制器运算器存储器输出接口电路输出设备输入设备输入接口电路CPU微型计算机系统图1.1微型计算机系统组成示意图由图1.1知微型计算机系统有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成，其各部分的意义为1）运算器运算器是计算机的运算部件用于实现算术和逻辑运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。2）控制器控制器是计算机的指挥控制部件,使计算机各部分能自动协调地工作.运算器和控制器是计算机的核心部分,常把它们合在一起称之为中央处理器,简称CPU。3）存储器存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。存储器又分为内存储器和外存储器。例如实训中使用的EPROM2764。4）输入设备输入设备用于将程序和数据输入到计算机中，如键盘。5）输出设备输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果，以用户需要的形式显示或保存，如显示器、打印机。通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称之为计算机的外部设备，简称“外设”。2．单片微型计算机单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（CentralProcessingUnit）、随机存取存储器RAM（RandomAccess《单片机应用技术》3Memory）、只读存储器ROM（Read-onlyMemory）、基本输入/输出(Input/Output)接口电路、定时器/计数器等部件制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意图如图1.2所示。CPU存储器串行I/O接口并行I/O接口定时器/计数器中断系统P0-P3TxDRxDTINT图1.2单片机内部结构示意图单片机实质上是一个硬件的芯片，在实际应用中，通常很难直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。3．单片机应用系统及组成单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。本书的实训电路板也是一个单片机的应用系统,它除了有单片机芯片以外，还有许多的外围电路，再配以后续章节一系列的实训程序可以完成很多功能。所以说，单片机应用系统是由硬件和软件组成，硬件是应用系统的基础，软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可，单片机应用系统的组成如图1.3所示。单片机接口电路及外设等+硬件软件+单片机应用系统图1.3单片机应用系统的组成由此可见，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并能够将二者有机结合起来，才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。自从1974年美国Fairchild公司研制出第一台单片机F8之后，迄今为止，单片机经历了由4位机到8位机再到16位机的发展过程。单片机制造商很多，主要有美国的Intel、Motorola、Zilog等公司。目前，单片机正朝着高性能、多品种方向发展，近年来32位单《单片机应用技术》4片机已进入了实用阶段。但是由于8位单片机从性能价格比上占有优势，而且8位增强型单片机在速度和功能上向现在的16位单片机挑战，因此在未来相当长的时期内8位单片机仍是单片机的主流机型。1．1．2．2MCS-51单片机系列尽管各类单片机很多，但无论是从世界范围或是从国内范围来看，使用最为广泛的应属MCS-51单片机。基于这一事实，以应用最为广泛的MCS-51系列八位单片机（8031、8051、8751等）为研究对象，介绍单片机的硬件结构、工作原理及应用系统的设计。MCS-51单片机系列共有十几种芯片，如表1.1所列。表1.1表中列出了MCS-51单片机系列的芯片型号，以及它们的技术性能指标，使我们对它们的基本情况有一个概括的了解。下面我们就在这个表的基础上对MCS-51系列单片机进一步说明。1．51子系列和52子系列MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。52子系列功能增强的具体方面，从表1-1所列内容中可以看出：（1）片内ROM从4KB增加到8KB（2）片内RAM从128字节增加到256字节（3）定时器/计数器从2个增加到3个（4）中断源从5个增加到6个在52子系列的内部ROM中以掩膜方式集成有8KBASIC解释程序，这就是通常所说的8052-BASIC。这意味着单片机已可以使用高级语言。该BASIC与基本BASIC想比，增加了一些控制语句，以满足单片机作为控制机的需要。1.MCS-51单片机的内部组成及信号引脚MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4KBROM，8751内部有4KBEPROM，8031片内无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。因此以8051为例，说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。1）8051单片机的基本组成8051单片机的基本组成如图1.4。2．单片机芯片半导体工艺《单片机应用技术》5MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺，即高速度高密度短沟道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。表0-1中芯片型号中带有字母“C”的，为CHMOS芯片，其余均为一般的HMOS芯片。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如8051的功耗为630mW,而80C51的功耗只有120mW.在便携式、手提式或野外作业仪器设备上低功耗是非常有意义的。因此在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。3．片内ROM存储器配置形式MCS-51单片机片内程序储器有三种配置形式，即：掩膜ROM、EPROM和无ROM。这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片,它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应根据需要进行选择。一般情况下，片内带掩膜型ROM适应于定型大批量应用产品的生产；片内带EPROM适合于研制产品样机；外接EPROM的方式适用于研制新产品。最近Intel公司又推出片内带EEPROM型的单片机，可以在线写入程序。1．1．2．3MCS-51单片机结构和原理尽管单片机比较简单，但要按五个基本组成部件来讲单片机的硬件结构和原理，也将是一件十分复杂的事。其实也没有这种必要。因此，通常讲述单片机结构原理时，总是从实际需要出发，只介绍与程序设计和系统扩展应用有关的内容。MCS-51单片机的内部组成及信号引脚MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4KBROM，8751内部有4KBEPROM，8031片内无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。因此以8051为例，说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。1.8051单片机的基本组成8051单片机的基本组成如图1.4。各部分的作用为（1）中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。（2）内部数据存储器（内部RAM）8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。CPU时钟电路并行接口定时/计数器RAMROM串行接口中断系统P0P3P2P1TxDRxDINT0INT1T0T1《单片机应用技术》6图1.4MCS-51单片机结构框图（3）内部程序存储器（内部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此称之为程序存储器，简称内部ROM。（4）定时器/计数器8051共有2个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。（5）并行I/O口MCS-51共有四个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入输出。在实训中我们已经使用了P1口，通过P1口连接8个发光二极管。（6）串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。（7）中断控制系统MCS-51单片机的中断功能较强，以满