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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 I 頁(yè) 共 I 頁(yè) 目 錄 1 引言 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 當(dāng)前電子擋車(chē)器的現(xiàn)狀與需求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 本課題研究的意義 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.3 本課題的主要任務(wù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 2 防恐電子擋車(chē)器的機(jī)械結(jié)構(gòu) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 2.1 四桿機(jī)構(gòu)的選用 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 2.2 機(jī)械部分要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5 2.3 確定液壓系統(tǒng)方案 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5 2.4 機(jī)械部分的設(shè)定方案 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 3 防恐電子擋車(chē)器的內(nèi)部控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????9 3.1 單片機(jī)的比較與型號(hào)選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 3.2 需求分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 3.3 89C51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與各工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????14 3.4 89C51 的引腳介紹 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 3.5 其他軟件介紹與外電路的說(shuō)明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 4.1 主程序的描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 4.2 子程序的描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 4.3 參數(shù)的設(shè)置 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 結(jié)束語(yǔ) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 致 謝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 參 考 文 獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 1 頁(yè) 共 34 頁(yè) 1 引言 隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)的交通運(yùn)輸業(yè)也發(fā)生了日 新月異的變化，各大高速公路如雨后春筍般地興建，因此給電子擋車(chē)器的要求也越 來(lái)越高。如今在公路、橋梁、隧道、停車(chē)場(chǎng)收費(fèi)站甚至在高級(jí)住宅小區(qū)、機(jī)場(chǎng)、體 育場(chǎng)和集會(huì)場(chǎng)都安裝了欄桿機(jī)。因此擋車(chē)器也成為了現(xiàn)實(shí)生活中越來(lái)越不可缺少的 一部分。 1.1 當(dāng)前電子擋車(chē)器的現(xiàn)狀與需求 目前市場(chǎng)上有各式各樣的擋車(chē)器。就切換的速度上看有：高速擋車(chē)器，動(dòng)作時(shí) 間一般為 1.2S～2S；中速擋車(chē)器，動(dòng)作的時(shí)間一般為 2.5S～3S；低速擋車(chē)器，動(dòng)作 時(shí)間一般為 4.5S 以上。就外形來(lái)看，有：直臂型，主要用于公路收費(fèi)站、停車(chē)場(chǎng)、 住宅、機(jī)關(guān)及學(xué)校等；曲臂型，主要用于受高度限制的區(qū)域；欄柵型，外形很優(yōu)美， 主要用于海關(guān)等防止從桿下通過(guò)的場(chǎng)所。就控制方式來(lái)看，有：手動(dòng)控制，遙控控 制和通訊控制。就機(jī)械傳動(dòng)上分有：液壓傳動(dòng)，這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)快、聲音 輕，但維護(hù)成本高，欄桿不宜太長(zhǎng)，撞擊后損壞率高,停電后的釋放簡(jiǎn)單；皮帶傳動(dòng)， 這種傳動(dòng)成本低,但易拉伸磨損,聲音響,傳輸平衡穩(wěn)定性較差,要日常維護(hù)；減速箱 傳動(dòng)，此種傳動(dòng)成本略低,機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,機(jī)件多,調(diào)節(jié)維護(hù)復(fù)雜；復(fù)合一體化傳動(dòng)， 此種傳動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)一體，根據(jù)不同的桿長(zhǎng)選擇不同的電機(jī)，無(wú)須調(diào)節(jié)減速機(jī) 構(gòu)，停電處理只需鑰匙柄，衛(wèi)生方便。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 2 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖1 住宅區(qū)欄桿式自動(dòng)擋車(chē)器 如圖1所示得益于切換的快速性以及外形的美觀，擋桿類(lèi)的擋車(chē)器應(yīng)用得非常廣 泛，但是，各收費(fèi)站使用的直桿類(lèi)道閘，對(duì)違章司機(jī)形同虛設(shè)，車(chē)輛沖卡現(xiàn)象相當(dāng) 嚴(yán)重。更有甚者，撞傷、撞死執(zhí)情人員，也時(shí)有發(fā)生。嚴(yán)重威脅收費(fèi)站工作人員的 人身安全，造成征費(fèi)工作困難，直接影響我國(guó)公路事業(yè)的發(fā)展。眾所周知好的事物 有它好的一面，也有不足的一面。 圖2 直桿擋車(chē)器 圖2所示目前就普通的擋車(chē)器存在的問(wèn)題是：結(jié)構(gòu)不牢固，容易被強(qiáng)行沖撞，容 易壞。而達(dá)不到攔車(chē)的目的。特別是近幾年來(lái)，恐怖活動(dòng)日益猖獗，特別是一些公 共場(chǎng)所如：機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、港口、橋梁和政府部門(mén)機(jī)構(gòu)等都是恐怖分子感興趣的場(chǎng)所， 為此各國(guó)采取了形式多樣的反恐措施。作為阻擋恐怖活動(dòng)的第一道關(guān)卡，擋車(chē)器起 到關(guān)鍵的作用。而普通擋車(chē)器是沒(méi)多大作用的。所以必須要研究出結(jié)構(gòu)牢固，強(qiáng)行 沖撞不壞的擋車(chē)器來(lái)取而代之，其新的名字為防恐電子擋車(chē)器。它是專(zhuān)門(mén)為之設(shè)計(jì) 的，它可以有效的防止恐怖分子沖撞普通擋車(chē)器類(lèi)似事件的發(fā)生。 1.2 本課題研究的意義 目前市場(chǎng)上流行的擋桿類(lèi)擋車(chē)器注重狀態(tài)切換的快速性但忽視系統(tǒng)抗沖撞能力， 形式上表現(xiàn)為一根由計(jì)算機(jī)控制抬起或落下的欄桿，成為一種意念上的關(guān)卡。防恐 電子擋車(chē)器采用擋板的形式，具有堅(jiān)固耐用、可靠性高的特點(diǎn)，重點(diǎn)加強(qiáng)了抗沖撞 能力，啟動(dòng)后，車(chē)輛無(wú)法通過(guò)，能有效地杜絕沖卡現(xiàn)象。 在國(guó)際恐怖主義猖獗、汽車(chē)炸彈等各種自殺式恐怖攻擊大街其道的國(guó)際環(huán)境下， 為了加強(qiáng)對(duì)海關(guān)、機(jī)場(chǎng)、重要政府機(jī)關(guān)搶救無(wú)效的保護(hù)，擋車(chē)器的障礙作用則明顯 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 3 頁(yè) 共 34 頁(yè) 應(yīng)儔于對(duì)靈活性的考慮。美國(guó)駐外大使管門(mén)前壘起的水袋可視為剛性擋車(chē)設(shè)施的代 表，只是更多的讓人聯(lián)想起近現(xiàn)代的戰(zhàn)爭(zhēng)。 電子防恐擋車(chē)器正可以解決當(dāng)前的恐怖沖卡現(xiàn)象，適用于公路、橋梁、隧道、 停車(chē)場(chǎng)、企事業(yè)單位、旅游區(qū)道口、車(chē)輛通行管理領(lǐng)域和收費(fèi)出入口。電子擋車(chē)器 的控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，系統(tǒng)集成度高，邏輯功能強(qiáng)，具備高度智能化。系統(tǒng) 控制設(shè)計(jì)有多種運(yùn)行模式供用戶選用；有與自動(dòng)控制系統(tǒng)、環(huán)路感應(yīng)器、報(bào)警器、 車(chē)輛計(jì)數(shù)器的連接的專(zhuān)用接口；用戶可通過(guò)選擇不同的運(yùn)行模式，通過(guò)不同的搭配 組合，靈活組成人工控制、半自動(dòng)控制、智能控制等各種不同類(lèi)型的控制管理系統(tǒng)。 本課題擬設(shè)計(jì)的防恐電子擋車(chē)器的特點(diǎn)是采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的單片機(jī)控制設(shè)備，擬采 用特殊的材料，具有壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、高性價(jià)比、高抗沖撞擊能力、 實(shí)現(xiàn)靈活、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。而使用的微型單片機(jī)控制器具有體積小、使用簡(jiǎn)單、通 用性強(qiáng)、快速高效等特點(diǎn)，便于方便控制與使用 [1～4] 。 1.3 本課題的主要任務(wù) 本課題擬設(shè)定一種剛性擋車(chē)器，在重點(diǎn)進(jìn)行抗沖撞設(shè)計(jì)的同時(shí)，充分發(fā)揮計(jì)算 機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。其設(shè)計(jì)成果可望形成一種有實(shí)用價(jià)值的 現(xiàn)代化防恐設(shè)備。 1.3.1 控制方面設(shè)計(jì)條件與要求： （1）動(dòng)作時(shí)間：10S （2）控制核心：?jiǎn)纹瑱C(jī) （3）控制方式： （a）現(xiàn)場(chǎng)按鈕控制。 （b）中央計(jì)算機(jī)集中控制。 （c）地感應(yīng)智能控制。 1.3.2 知識(shí)要求 （1）單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)知識(shí)。 （2）單片機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)能力。 （3）電子線路板并 protel 99se 設(shè)計(jì)。 1.3.3 成果要求 （1）總體方案設(shè)計(jì)與分析。 （2）設(shè)計(jì)使用說(shuō)明書(shū)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 4 頁(yè) 共 34 頁(yè) （3）單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖、電子線路板圖、單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件。 2 防恐電子擋車(chē)器的機(jī)械結(jié)構(gòu) 2.1 四桿機(jī)構(gòu)的選用 （1） 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿中，若一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿，則稱(chēng)其為曲柄 搖桿機(jī)構(gòu)。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若以曲柄為原動(dòng)件時(shí)，可將曲柄的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)?搖桿的往復(fù)擺動(dòng)；若以搖桿為原動(dòng)件時(shí)，可將搖桿的擺動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍恼苓\(yùn)動(dòng)。 如圖2.1所示的雷達(dá)天線俯仰搜索機(jī)構(gòu)。 圖2.1 雷達(dá)天線俯仰搜索機(jī)構(gòu) （2） 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是由四桿機(jī)構(gòu)的基本形式演化而來(lái)的。機(jī)構(gòu)的演化，不僅是為了 滿足運(yùn)動(dòng)方面的要求，還往往是為了改善受力狀況以及滿足結(jié)構(gòu)上的需要。如圖2.2 所示的自卸卡車(chē)車(chē)廂的舉升機(jī)構(gòu)ABC為例，其中搖桿 3為油缸，用壓力油推動(dòng)活塞使 車(chē)廂翻轉(zhuǎn)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 5 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖2.2 自卸卡車(chē)車(chē)廂的舉升機(jī)構(gòu) 本設(shè)計(jì)的擋車(chē)器機(jī)械部分與上述兩例的原理相似，采用四桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)械部分。 2.2 機(jī)械部分要求 機(jī)械部分是直接阻擋車(chē)沖擊的部分，也是外部結(jié)構(gòu)主要支柱。因此，必須具有 以下基本要求： （1）空間上足夠的大。擋車(chē)板在路的橫向和高度方向能夠阻擋住車(chē) （2）強(qiáng)度足夠。當(dāng)車(chē)以高速?zèng)_撞擋車(chē)板時(shí)，產(chǎn)生巨大的沖擊力。整個(gè)系統(tǒng)必須 具有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受巨大的剪切應(yīng)力，擠壓應(yīng)力以及彎曲應(yīng)力。 （3）運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能干涉。為了便于整個(gè)系統(tǒng)的裝拆，我們盡量的要減小坑的 體積，尤其是坑的深度，但是不能導(dǎo)致系統(tǒng)在工作中出現(xiàn)干涉，如桿碰到坑的壁面， 液壓缸和桿相互阻擋等導(dǎo)致系統(tǒng)強(qiáng)烈震動(dòng)甚至不能運(yùn)動(dòng)。 （4） 結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單。此系統(tǒng)主要是滿足剛度要求，對(duì)靈敏性要求和精密性要 求不高。減小結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可以提高系統(tǒng)的剛性，降低成本。 （5） 重量盡量小盡量的減小系統(tǒng)的重量，可以減小啟動(dòng)液壓系統(tǒng)的負(fù)荷，減 小成本，便于裝拆 [3]。 2.3 確定液壓系統(tǒng)方案 下面借鑒搭檔液壓缸的設(shè)計(jì)。初選液壓缸工作壓力，參考《液壓傳動(dòng)》表 10.3- 1，結(jié)合本液壓系統(tǒng)實(shí)際情況，初選系統(tǒng)壓力 為 18MPa。1p （1） 計(jì)算液壓缸的主要尺寸 正向行程（無(wú)桿腔進(jìn)油）時(shí)?121)FAPm??? 其中 為有桿腔壓力，此處取 ≈0， 為機(jī)械效率（ =0.88～0.95） ，通常2Pm?m? 取 =0.95。m 所以 即 1!1FAPm??124FDm?? 其中 D 為液壓缸內(nèi)徑 6140.23.81.95m??? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 6 頁(yè) 共 34 頁(yè) 根據(jù)表 23.1-9 ，D 取標(biāo)準(zhǔn)值 125mm]2[ 故活塞桿直徑 d 可由 求得?1?? 其中 為速度比 ， 推薦值為 1.33～2，查表 4.8-1?)(2212d? 取 1.33]1[ .32562m1d???? 根據(jù)表 23.1-10 ，d 取標(biāo)準(zhǔn)值 63mm][ 液壓缸具體如圖 2.3 所示 圖 2.3 液壓缸零件圖 232321 10)105(4mDA??????? 則液壓缸的有效面積 232221 )(d??? （2） 液壓缸其他尺寸的確定 活塞的寬度 B 按缸的工作壓力和活塞的密封方式確定，一般為（0.6～1）D 故]4[ 取 mm7526.0.??? 導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度 ，當(dāng) D>80mm 時(shí)，?。?.6～1）dl ]4[ 故取 ,圓整為 B=38mmmdl.83. 液壓缸的長(zhǎng)度 S 按其最大行程確定，一般不大于（20～30）D ]4[ 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 7 頁(yè) 共 34 頁(yè)CHBLS?? L:液壓缸行程，本設(shè)計(jì)取 760mm H:最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，它的大小影響到液壓缸的穩(wěn)定性和初始擾度。要求 mm10)2(???D C:其他長(zhǎng)度，比如密封件長(zhǎng)度 故取 mm95?S 液壓缸缸體的壁厚 ? 缸體厚度 的取值由強(qiáng)度條件決定，取 =24mm? 所以根據(jù)要求及實(shí)際計(jì)算所采用的系統(tǒng)方案如圖 2.4 所示 圖 2.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2.4 機(jī)械部分的設(shè)定方案 根據(jù)任務(wù)書(shū)要求并結(jié)合我搭檔的設(shè)計(jì)理念，初步設(shè)定如下方案： 方案：如圖2.5所示 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 8 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 2.5 初步設(shè)定方案 此方案的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，滿足空間要求。液壓缸不直接承受負(fù)載，負(fù)載阻力 小。各桿位置得當(dāng)，滿足剛度要求。機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角為45 ，利于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。故采用此方0 案。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 9 頁(yè) 共 34 頁(yè) 3 防恐電子擋車(chē)器的內(nèi)部控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)的比較與型號(hào)選擇 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，單片機(jī)的發(fā)展非常迅速，世界上一些著名廠商投放市場(chǎng)的 產(chǎn)品就有幾十個(gè)系列，數(shù)百個(gè)品種。其中有 Intel 公司的 MCS-48,MCS-51,Motorola 公司的 6801，6802，Zilog 公司的 Z8 系列，Rockwell 公司的 6501，6502 等.此外， 荷蘭的 PHILIPS 公司，日本的 NEC 公司和日立公司等也不甘落后，也相繼推出了各 自的單片機(jī)產(chǎn)品。盡管各個(gè)公司生產(chǎn)的單片機(jī)品種很多，但是自單片機(jī)問(wèn)世以來(lái)， 在我國(guó)使用最多的還是 Intel 公司的 MCS-51 系列的單片機(jī)及兼容單片機(jī)。 MCS 是 Intel 公司生產(chǎn)的單片機(jī)的系列號(hào)。MCS-51 系列單片機(jī)包括三個(gè)基本型 8031，8051，8751 以及后來(lái) ATMEL 公司擴(kuò)展的 8951 等。 下面對(duì) 8051 與 8751，8951 間的比較：8051 是在 8031 的基礎(chǔ)上，片內(nèi)又集成有 4KB ROM ，作為程序存儲(chǔ)器。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 128，I/O 口線為 32，計(jì)數(shù)器為 2 個(gè)，中斷源為 5 個(gè)。所以 8051 是一個(gè)程序不超過(guò) 4KB 的小系統(tǒng)。8051 應(yīng)用在程序 已定且批量大的單片機(jī)產(chǎn)品中。8751 片內(nèi)集成了 4KB 的 EPROM，構(gòu)成了一個(gè)程序 不大于 4KB 的小系統(tǒng)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 128，I/O 口線為 32，計(jì)數(shù)器為 2 個(gè)，中斷 源為 5 個(gè)。用戶可以將程序固化在 EPROM 中，EPROM 中的內(nèi)容可反復(fù)擦寫(xiě)和修改， 但價(jià)格比較貴點(diǎn)。MCS-51 系列的單片機(jī)中的 8051 是最早，最典型的產(chǎn)品。美國(guó) ATMEL 公司推出的 AT89C5X 系列。尤其是該系統(tǒng)中的 AT89C51 單片機(jī)在我國(guó)面 前的 8 位單片機(jī)應(yīng)用中占有相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。他在功能，引腳及指令系統(tǒng)方面完 全兼容。其中 AT89C51 單片機(jī)的時(shí)鐘頻率高達(dá) 24MHz，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器允許在線 （+5V ）電擦除，電寫(xiě)入或使用編程器對(duì)其重復(fù)編程。另外，AT89C51 還支持由軟 件選擇的兩種掉電工作方式，非常適于電池供電或其他要求低功耗的場(chǎng)合。由于片 內(nèi)帶 EPROM 的 87C51 價(jià)格偏高，而 AT89C51 就相當(dāng)于 87C51，只不過(guò)用芯片內(nèi)的 4KB Flash 存儲(chǔ)器取代了 87C51 片內(nèi)的 4KB 的 EPROM。AT89C51 片內(nèi)的 4KB Flash 存儲(chǔ)器可在線編程或使用編程器重復(fù)編程，且價(jià)格較低，因此 ATMEL 公司的 AT89C5X 系列單片機(jī)受到了應(yīng)用設(shè)計(jì)者的歡迎， AT89C51 是目前取代 MCS-51 系列 單片機(jī)的主流芯片之一。綜上所述，總之 8051 與 8751，8951 之間的區(qū)別 8051、8751、89C51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令集都是一樣的，區(qū)別在于： 8051：內(nèi)部帶有掩膜（由工廠直接編程燒死）的程序存儲(chǔ)器，自己無(wú)法修改； 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 10 頁(yè) 共 34 頁(yè)8751：內(nèi)部帶有 EPROM 程序存儲(chǔ)器，可編程，擦除則需要通過(guò)芯片上的玻璃 窗口用紫外線擦除器擦除； 89C51：內(nèi)部帶有 Flash 存儲(chǔ)器可以電擦除和改寫(xiě)，字母 C 代表 CMOS 工藝。 他們的比較如表 3.1 所示： 表 3.1 各單片機(jī)的內(nèi)部硬件資源 型號(hào) 片內(nèi)程序存 儲(chǔ)器 片內(nèi)數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 （B） I/O 口 線 （位） 定時(shí)器/計(jì) 數(shù)器 （個(gè)） 中斷源 （個(gè)） 引腳 （個(gè)） 8051 4KB ROM 128 32 2 5 40 8751 4KBEPROM 128 32 2 5 40 8951 4KB Flash 128 32 2 5 40 3.2 需求分析 80C51 單片機(jī)的程序在做單片機(jī)時(shí)寫(xiě)入，一次性固化，用戶不能改寫(xiě)；在 87C51 中為 4KB 的可編程、可改寫(xiě)的只讀存儲(chǔ)器是 EPROM；在 89C51 中為 4KB 的可騙程、可 改寫(xiě)的只讀存儲(chǔ)器是 EEPROM；而 80C31 不設(shè)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，使用時(shí)必須由片外擴(kuò) 展。 89C51 單片機(jī)是 80C51 含 EEPROM 的產(chǎn)品，是當(dāng)前最新的一種電擦寫(xiě)的 8 位單片 機(jī)，與 80C51 系列完全兼容，這種單片機(jī)有兩級(jí)或三級(jí)程序存儲(chǔ)器的保密系統(tǒng)，用 于保護(hù) E2PROM 中的程序，以防止非法拷貝，其片內(nèi)的閃速存儲(chǔ)器的編程和擦除完全 用電實(shí)現(xiàn)，另外 89C51 單片機(jī)還可用智能法進(jìn)行編程，可使每個(gè)字節(jié)編程的時(shí)間由 50MS 減少到 4MS，速度快、效率高；其片內(nèi)有 4KB 的 PEROM 代碼存儲(chǔ)器陣列，有低 電壓編程和高電壓編程（12V）兩種模式，低電壓編程狀態(tài)為用戶在系統(tǒng)中編程 89C51 提拱了一個(gè)方便的途徑，而高電壓編程（12V）模式與一般常規(guī) FLASH 或 EPROM 編程兼容。 由上可知，用電可擦除型的 ROM 給用戶還來(lái)了更大的方便，特別是應(yīng)用系統(tǒng)的 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，而且目前的市場(chǎng)體格已經(jīng)下降得很快，所以被廣泛采用。所以本次選用 89C51 單片機(jī)較優(yōu)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，可以將 CPU、RAM、ROM、定時(shí) 器/計(jì)數(shù)器以及輸入/輸出（I/O）接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件，集成在一塊電路芯片 上。這樣所組成的芯片級(jí)的微型計(jì)算機(jī)稱(chēng)為單片微型計(jì)算機(jī)。所以本系統(tǒng)選用的要 與 8051 單片機(jī)功能相似的且優(yōu)于它的單片機(jī)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 11 頁(yè) 共 34 頁(yè)8051 基本組成圖 3.1 所示。 振蕩器和 時(shí)序電路 程序存儲(chǔ)器 ( 4 K B ) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ( 2 5 6 K B ) 8 9 C 5 1 C U P 兩個(gè) 1 6 位定 時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 中斷 控制 總線擴(kuò)展 控制器 并行可編程和 I / O 可編程 串行口 外部中斷 內(nèi)部中斷 控制 ( 數(shù)據(jù) / 地址 ) 外時(shí)鐘源 外部事件計(jì)數(shù) P 0 P 1 P 2 P 3 R I D T I D 圖 3 . 1 單片機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)本方案的核心部分是單片機(jī)。在認(rèn)真考慮 CPU 各方面的功能下，本人決定 所使用的 CPU 的型號(hào)是： 8951。 首先設(shè)計(jì)分析。分別用三個(gè)按鈕，接高電平 5V 電源，并各自連接 8951 CPU 的 一端的三個(gè)引腳，CPU 的另一端的三個(gè)引腳接紅黃綠三盞燈，當(dāng)按接紅燈的按鈕時(shí)， 輸入端的開(kāi)關(guān)閉合，經(jīng) CPU 處理后由低電平輸出，紅燈亮?xí)r。說(shuō)明該 CPU 性能正 常。當(dāng)按接黃燈的按鈕時(shí)，黃燈亮?xí)r，說(shuō)說(shuō)明該 CPU 性能還是正常。依次，如上。 如果紅黃綠三燈有不亮的，說(shuō)明系統(tǒng)出問(wèn)題。 其次手動(dòng)控制部分。輸入端為：擋板，落板，停板三個(gè)按鈕分別接高電平 5V 電 源。當(dāng)擋板按鈕閉合時(shí)，經(jīng) CPU 處理后，輸出端輸出，電機(jī)順轉(zhuǎn)，擋板抬起為正常 工作。當(dāng)落板按鈕閉合時(shí)，經(jīng) CPU 處理后，輸出端輸出，電機(jī)逆轉(zhuǎn)，落板放下為正 常工作。同理在按停板按鈕時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。自動(dòng)控制部分主要是前傳感器和后 傳感器感應(yīng)。 限位是限制擋車(chē)器的最大和最小的活動(dòng)空間，用來(lái)保證擋車(chē)器的正常工作。限 制部分具體分為三部分。分別為上限位，下限位和輔助工具報(bào)警器。當(dāng)擋板抬升為 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 12 頁(yè) 共 34 頁(yè) 時(shí)，上感應(yīng)器自動(dòng)感受到擋板，同時(shí)使電機(jī)順轉(zhuǎn)停止。同理，當(dāng)擋板下降時(shí)，下45? 感應(yīng)器自動(dòng)感受到擋板的下降，使電機(jī)逆轉(zhuǎn)停止。當(dāng)擋車(chē)器的擋板超過(guò)最大或最小 活動(dòng)空間時(shí)，CPU 自動(dòng)感受到，并且發(fā)出自動(dòng)報(bào)警。 最后就是記數(shù)過(guò)程了。當(dāng)汽車(chē)經(jīng)過(guò)擋車(chē)器后，有一個(gè)地面的感應(yīng)器。當(dāng)經(jīng)過(guò)一輛 汽車(chē)，感應(yīng)器就會(huì)自動(dòng)感應(yīng)輸入 CPU，經(jīng)中央處理器處理后，并控制專(zhuān)門(mén)的車(chē)輛計(jì) 數(shù)器計(jì)數(shù)所經(jīng)過(guò)的汽車(chē)車(chē)輛。 電氣與單片機(jī)控制系統(tǒng)的總體框架如下圖 3.2 所示。主要包括 89C51 單片機(jī)主 控制系統(tǒng)，輸入部分包括：抬板、落板與停板按鍵開(kāi)關(guān)，紅燈、綠燈與霧燈按鍵開(kāi) 關(guān)，前后地感應(yīng)按鍵開(kāi)關(guān)，上、下限位開(kāi)關(guān)，前后地感應(yīng)模塊控制拔碼開(kāi)關(guān)，抬板、 落板最大時(shí)限設(shè)置拔碼開(kāi)關(guān)，定時(shí)自動(dòng)落板設(shè)置拔碼開(kāi)關(guān)；輸出部分包括：電機(jī)的 開(kāi)停，抬板、落板及停板，紅燈、綠燈及霧燈，脈沖記數(shù)器。 8 9 C 5 1 單片機(jī)系統(tǒng) 抬板 , 落板 , 停板開(kāi)關(guān) 紅燈 , 綠燈 , 霧燈開(kāi)關(guān) 前 , 后地感 應(yīng)開(kāi)關(guān) 上 , 下限位 開(kāi)關(guān) 抬板 , 落 板 , 停板 紅燈 , 綠 燈 , 霧燈 電機(jī)開(kāi) ?？刂?脈沖計(jì)數(shù)器 抬板 , 落 板最大限 時(shí)設(shè)置 定時(shí)自動(dòng) 抬板設(shè)置 前 , 后地感應(yīng) 模塊抬落設(shè)置 反向 功率 放大 報(bào)警器 圖 3.2 基本設(shè)計(jì)圖 此電氣與單片機(jī)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： （1）采用單片機(jī)控制，簡(jiǎn)化了電路，提高了可靠性。 （2）內(nèi)含線圈檢測(cè)器，僅需在車(chē)道上布埋線圈，即可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)檢測(cè)與擋 板的自動(dòng)控制。 （3）無(wú)觸點(diǎn)光電開(kāi)關(guān)，可靠耐用。 （4）可外加車(chē)輛計(jì)數(shù)器。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 13 頁(yè) 共 34 頁(yè)（5）防控裝置，保護(hù)車(chē)輛與擋板。 此電氣與單片機(jī)系統(tǒng)具備全方位安全防護(hù)附加功能： （1）自動(dòng)落板功能。當(dāng)鋪設(shè)地感應(yīng)線圈功能模塊啟用時(shí)，車(chē)輛進(jìn)入被檢測(cè)區(qū)時(shí)， 擋板會(huì)自動(dòng)下落。 （2）LED 紅燈、綠燈雙顯信號(hào)。該裝置在正常情況下為通行車(chē)輛自動(dòng)切換顯示 紅綠燈信號(hào)。 （3）聲警示裝置。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障或車(chē)輛違規(guī)通過(guò)時(shí)發(fā)出聲警信號(hào)。 表 3.2 最后 輸入、輸出需求分析輸入如下 功能控制 I/O 點(diǎn)數(shù) 抬板鍵 1 落板鍵 1 停板鍵 1 紅燈開(kāi)關(guān) 1 綠燈開(kāi)關(guān) 1 霧燈開(kāi)關(guān) 1 前地感應(yīng)開(kāi)關(guān) 1 后地感應(yīng)開(kāi)關(guān) 1 上限位開(kāi)關(guān) 1 下限位開(kāi)關(guān) 1 抬板最大限時(shí) 2 落板最大限時(shí) 2 等待抬板設(shè)時(shí) 2 前地感應(yīng)模塊 1 后地感應(yīng)模塊 1 表 3.3 輸出如下 動(dòng)作 電機(jī)停 止 停板 抬板/落 板 紅燈 綠燈 霧燈 報(bào)警器 車(chē)輛計(jì) 數(shù) I/O 點(diǎn)數(shù) 1 1 1 1 1 1 1 1 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 14 頁(yè) 共 34 頁(yè)由上可知，輸入口共有 18 個(gè)，用的是 P1 口、P2 口及 P3.2、P3.3；輸出口是 7 個(gè)，用的是 P0 口。 3.3 89C51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與各工作原理 3.3.1 89C51 的單片機(jī)由如下功能部件組成 (1) 微處理器（CPU） (2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM) (3) 程序存儲(chǔ)器(4KB Flash ROM) (4) 4 個(gè) 8 位可編程并行 I/O 口(P0 口，P1 口，P2 口，P3 口) (5) 1 個(gè)全雙工串行口 (6) 2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 (7) 中斷系統(tǒng) (8)特殊功能寄存器（SFR） 其片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖 3.3 所示： CPU (運(yùn)算器) （控制器） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器 RAM P1 串行口 定時(shí) 器 中斷 系統(tǒng) P3 P0 P2 程序存儲(chǔ)器4KBFlashROM RROROM ROM 特殊功能 寄存器 （SFR） X T A L 1 X T A L 2 8 8 8 8 ALE PSEN EA RESET 圖 3 .3 89C51 單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu) 上述各功能部件通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成（如上圖） ，其基本結(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯。片的傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模式。但 CPU 對(duì)各種功能部件的控制是采用 特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式 [16] [17]。 3.3.2 CPU 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè)89C51 單片機(jī)中有 1 個(gè) 8 位的 CPU，與通用的 CPU 基本相同，同樣包括了運(yùn)算 器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的位處理功能。單片機(jī)的中央處理器和 通用微處理器基本相同，只是增設(shè)了“面向控制”的處理功能。例如：位處理、查 表、多種跳轉(zhuǎn)、狀態(tài)檢測(cè)、中斷處理等，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。 3.3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） 片內(nèi)為 128B（52 子系列為 256B）,片外最多可外擴(kuò) 64KB。片內(nèi) 128B 的 RAM 以高速 RAM 的形式集成在單片機(jī)內(nèi)，可以加快單片機(jī)運(yùn)行的速度，而且這種結(jié)構(gòu)的 RAM 還可以降低功率。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM 構(gòu)成，用來(lái)存儲(chǔ)隨機(jī)數(shù) 據(jù)。它可分為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最高地址 只有 8 位，因而最大尋址范圍為 256 個(gè)字節(jié)。 （1）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 它是最靈活的地址空間，可分成片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)和特殊功能寄存器 SFR 區(qū)兩 個(gè)獨(dú)立的功能不同的區(qū)。 片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)：根據(jù)不同的尋址方式可分為以下幾個(gè)區(qū)域。 工作寄存器區(qū)：這是一個(gè)寄存器直接尋址的區(qū)域，是片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)的 00H～1FH，共 32 個(gè)單元，是 4 個(gè)通用工作寄存器組，每個(gè)組包含 8 個(gè) 8 位寄存器。 其選擇是通過(guò)軟件對(duì)程序狀態(tài)字（PSW）中的 RS0、RS1 位的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 位尋址區(qū)：是片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)的 20H～2FH 的 16 個(gè)字節(jié)單元，共包含 128 位， 是可位尋址的 RAM 區(qū)。 字節(jié)尋址區(qū)：是片內(nèi) RAM 區(qū)的 30H～7FH，共 80 個(gè)字節(jié)單元 ，可以采用直接字 節(jié)尋址的方法訪問(wèn)。 堆棧區(qū)及堆棧指示器：堆棧是在片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)中，數(shù)據(jù)先進(jìn)后出或后進(jìn)先出 的區(qū)域。堆棧指示器在存放當(dāng)前堆棧棧頂所指存儲(chǔ)單元地址的一個(gè) 8 位寄存器。進(jìn) 棧時(shí) SP 的內(nèi)容是增加的，出棧時(shí) SP 的內(nèi)容是減少的。系統(tǒng)復(fù)位后 SP 內(nèi)容為 07H。 它有保護(hù)斷點(diǎn)和保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)功能。 特殊功能寄存器 SFR 區(qū)：它是單片機(jī)中各功能部件所對(duì)應(yīng)的寄存器，用以存放 相應(yīng)的功能部件的控制命令、狀態(tài)或數(shù)據(jù)的區(qū)域。除程序計(jì)數(shù)器和 4 個(gè)通用工作寄 存器組外，其余所有的寄存器都在這個(gè)地址空間之內(nèi)。 （2）片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：它是在外部存放數(shù)據(jù)的區(qū)域，這一區(qū)域用寄存器間接尋 址的方法訪問(wèn)，所用的寄存器為 DPTR、R1 或 R0。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 16 頁(yè) 共 34 頁(yè)3.3.4 程序存儲(chǔ)器（Flash RoM） 它是用來(lái)存儲(chǔ)程序。89C51 片內(nèi)集成有 4KB 的 Flash 存儲(chǔ)器如果片內(nèi)程序存儲(chǔ) 器容量不夠，片外最多可外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器至 64KB。程序存儲(chǔ)器用于存放經(jīng)調(diào)試正確 的應(yīng)用程序和表格之類(lèi)的固定常數(shù)。由于采用 16 位的程序計(jì)數(shù)器 PC 和 16 位的地址 總線，因而其可擴(kuò)展的地址空間為 64KB，且這 64KB 地址空間是連續(xù)、統(tǒng)一的。 （1）整個(gè)程序存儲(chǔ)器可以分為片內(nèi)和片外兩部分，CPU 訪問(wèn)片內(nèi)存儲(chǔ)器和片外 存儲(chǔ)器，可由引腳所接的電平來(lái)確定。 引腳接高電平時(shí)，程序從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器EA 開(kāi)始執(zhí)行，即訪問(wèn)片內(nèi)存儲(chǔ)器；當(dāng) PC 值超出片內(nèi) ROM 容量時(shí)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外程序 存儲(chǔ)器空間開(kāi)始執(zhí)行。 引腳接低電平時(shí)，迫使系統(tǒng)全部執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器程序。EA （2）程序存儲(chǔ)器的某些單元被保留用于特定的程序入口地址 由于系統(tǒng)復(fù)位后的 PC 地址為 0000H，故系統(tǒng)從 0000H 單元開(kāi)始取指，執(zhí)行程序。 從 0003H～002BH 單元被保留用于 6 個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序的入口地址，故有以下 7 個(gè)特定地址被保留： 復(fù)位或非屏蔽中斷 0000H 外部中斷 0 0003H 計(jì)時(shí)器 T0 溢出 000BH 外部中斷 1 0013H 計(jì)時(shí)器 T1 溢出 001BH 串行口中斷 0023H 計(jì)時(shí)器 T2/T2EX 下降沿 002BH 在程序設(shè)計(jì)時(shí)，通常在這些中斷入口處設(shè)置無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，使之轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的 中斷服務(wù)程序段處執(zhí)行。 （3）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為固定只讀存儲(chǔ)器 ROM，存儲(chǔ)器的類(lèi)型有：掩膜 ROM、 OTP（一次性編程）ROM 和 MTP（多次編程程） ROM（包括 EPROM 及 EEPROM 等） 。 在 87C51 中為 4KB 的可編程、可改寫(xiě)的只讀存儲(chǔ)器是 EPROM；在 89C51 中為 4KB 的 可騙程、可改寫(xiě)的只讀存儲(chǔ)器是 EEPROM；而 80C31 不設(shè)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，使用時(shí)必 須由片外擴(kuò)展。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè) 3.3.5 中斷系統(tǒng) 具有 5 個(gè)中斷源，2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。中斷：程序執(zhí)行過(guò)程中，允許外部或內(nèi)部事 件通過(guò)硬件打斷程序的執(zhí)行，使其轉(zhuǎn)向?yàn)樘幚硗獠炕騼?nèi)部事件的中斷服務(wù)程序中去； 完成中斷服務(wù)程序后，CPU 繼續(xù)原來(lái)被打斷的程序，這樣的過(guò)程稱(chēng)為中斷過(guò)程。外 部中斷觸發(fā)方式：電平觸發(fā)方式，低電平有效；跳變觸發(fā)方式，電平發(fā)生由高到低 時(shí)觸發(fā)。這兩種觸發(fā)方式可以設(shè)置 TCON 寄存器中的 和 中斷觸發(fā)申請(qǐng)觸1INT0 發(fā)方式控制位來(lái)選擇：設(shè)置 IT1、IT0=0，選擇電平觸發(fā)方式；設(shè)置 、 ，1IT0N 選擇跳變觸發(fā)方式。中斷優(yōu)先級(jí)：幾個(gè)中斷源同時(shí)申請(qǐng)中斷時(shí)，或者 CPU 正在處理 某外部事件時(shí)，又有另一外部事件申請(qǐng)中斷，CPU 必須區(qū)分哪個(gè)中斷源更重要，從而 確定優(yōu)先處理誰(shuí)的能力。 3.3.6 定時(shí)器/計(jì)算器 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器/計(jì)算器，具有 4 種工作方式。定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器在單片 機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，往往需要精確的定時(shí)，或者需對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了減少軟 件開(kāi)銷(xiāo)和提高單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制能力，因而均在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置定時(shí)器/計(jì)數(shù)器電路， 通過(guò)中斷，實(shí)現(xiàn)定時(shí)/計(jì)數(shù)的自動(dòng)處理。計(jì)算機(jī)的整個(gè)工作是在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下按 照嚴(yán)格的時(shí)棄有規(guī)律地一個(gè)節(jié)拍一個(gè)節(jié)拍地執(zhí)行各種操作。單片機(jī)內(nèi)部也設(shè)有定時(shí) 電路，只需外接振蕩元件即可工作。 3.3.7 串行口 1 個(gè)全雙工的串行口，具有 4 種工作方式?？蛇M(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行 I/O 口， 甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。其中 并行 I/O 口為了滿足“面向控制”實(shí)際應(yīng)用的需要，單片機(jī)提拱了數(shù)量多、功能強(qiáng)、 使用靈活的并行 I/O 口。不同單片機(jī)的并行 I/O 電路在結(jié)構(gòu)上稍有差異。有些單片 機(jī)的并行 I/O 口不僅可以靈活地選作輸入或輸出，而且具有多種功能。串行 I/O 口 高檔 8 位單片機(jī)均增設(shè)了全雙工串行 I/O 口，從而提拱了與某些終端設(shè)備進(jìn)行串行 通信，或者和一些特殊功能的器件相連的能力，甚至用多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系 統(tǒng)，使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 3.3.8 P1 口、P2 口、P3 口、P0 口 P0 口：8 位，漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。當(dāng) 89C51 擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器及 I/O 接口芯 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 18 頁(yè) 共 34 頁(yè)片時(shí)，P0 口作為地址總線(低 8 位)及數(shù)據(jù)總線的分時(shí)復(fù)用端口。 P0 口也可以作為通 用的 I/O 口使用，但需要加上拉電阻，這時(shí)為準(zhǔn)雙向口。當(dāng)作為普通的 I/O 輸入時(shí)， 應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫(xiě)入 1。P0 口可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 P1 口：8 位，準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。P1 口是專(zhuān)為用戶使用的準(zhǔn)雙 向 I/O 口，當(dāng)作為普通的 I/O 輸入時(shí)，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫(xiě)入 1。 P1 口可驅(qū) 動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。P2 口：8 位，準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。當(dāng) 89C51 擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器及 I/O 口時(shí)，P2 口可輸出高 8 位地址。P2 口也可以作為普通 的 I/O 口使用。當(dāng)作為普通的 I/O 輸入時(shí)，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫(xiě)入 1。 P1 口 可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 P3 口：8 位，準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。P3 口也可以作為通用的 I/O 口使用。當(dāng)作為通用的 I/O 輸入時(shí)，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫(xiě)入 1。 P1 口可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 3.3.9 特殊功能寄存器（SFR） 共有 21 個(gè)特殊功能寄存器，用于 CPU 對(duì)片內(nèi)各功能部件進(jìn)行管理、控制和監(jiān) 視。特殊功能寄存器實(shí)際上就是片內(nèi)各個(gè)功能部件控制寄存器和狀態(tài)寄存器，這些 特殊功能寄存器映射在片內(nèi) RAM 區(qū) 80H~FFH 的地址區(qū)間內(nèi)。89C51 單片機(jī)系列的 存儲(chǔ)器采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，即將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開(kāi)，程序存儲(chǔ)器和 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各有自己的尋址方式、尋址空間和控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于單片機(jī)“面 向控制”的實(shí)際應(yīng)用極為方便、有利。在 89C51 單片機(jī)中，不僅在片內(nèi)駐留了一定 的容量的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及眾多的特殊功能寄存器，而且還具有極強(qiáng)的外 部存儲(chǔ)器擴(kuò)展能力，尋址范圍分別可達(dá) 64KB，尋址和操作簡(jiǎn)單方便。 89C51 單片機(jī)存儲(chǔ)器映象圖如圖 3.4 所示 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 19 頁(yè) 共 34 頁(yè) ( R O M ) ( E A = 0 ) ( E A = 1 ) 特殊功能 寄存器 ( S F R ) ( R A M I / O ) ( 6 4 K B ) 片內(nèi) R A M 1 0 0 0 H F F F F H F F H 8 0 H 0 0 0 0 H F F F F H 0 0 0 0 H 0 F F F H 0 0 0 0 H 0 F F F H 0 0 H 7 F H 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 片外程序存儲(chǔ)器 程序存儲(chǔ)器 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 圖 3 . 4 8 9 C 5 1 單片機(jī)存儲(chǔ)器映象圖 在邏輯上設(shè)有 3 個(gè)存儲(chǔ)器地址空間： 片內(nèi)、片外統(tǒng)一的 64KB 程序存儲(chǔ)器地址空間 片內(nèi) 256B 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間 片外 64KB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間 [6～8] [11] 3.4 89C51 的引腳介紹 40 個(gè)引腳按其功能可分為如下 3 類(lèi)： （1）電源及時(shí)鐘引腳-------Vcc，Vss；XTAL1, XTAL2。 （2）控制引腳-------- ，ALE， ，RESET（即 RST） 。PSENA （3）I/O 口引腳-------P0，P1，P2 ，P3，為 4 個(gè) 8 位 I/O 口的外部引腳。 下面介紹引腳的功能如圖 3.5 所示： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 20 頁(yè) 共 34 頁(yè) 8 9 C 5 1 P 1 . 0 P 1 . 1 P 1 . 2 P 1 . 3 P 1 . 4 P 1 . 5 P 1 . 6 P 1 . 7 P 3 . 7 P 3 . 6 P 3 . 5 P 3 . 4 P 3 . 3 P 3 . 2 P 3 . 1 P 3 . 0 R S T A L E / P R O G E A / V P P P 0 . 7 P 0 . 6 P 0 . 5 P 0 . 4 P 0 . 3 P 0 . 2 P 0 . 1 P 0 . 0 V D D P 2 . 1 P 2 . 2 P 2 . 3 P 2 . 4 P 2 . 5 P 2 . 6 P 2 . 7 P S E N V S S X T A L 1 X T A L 2 P 2 . 0 I N T 0 T X D R X D ( T 2 E X ) ( T 2 ) W R T 1 T 0 I N T 1 R D 圖 3.5 40 引腳雙列直插封裝圖 各引腳的功能敘述如下： (1) 電源和晶振： VCC—運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5V。 CSS—接地。 XTAL1—輸入到振蕩器的反相放大器。 XTSL2—反相放大器輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。 當(dāng)用外部振蕩時(shí)，XTAL2 不用，XTAL1 接收振蕩器信號(hào)。 (2) I/O 口：4 個(gè)，32 根。 P0—8 位、漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器時(shí)，作地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù) 用。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)。P0 口能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 P1—8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。在編程/校驗(yàn)期間，用做輸入低位字節(jié)地址。P1 口可 以驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 P2—8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器時(shí)，輸出高 8 位地址。在編程/校 驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。P2 口可以驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 21 頁(yè) 共 34 頁(yè)P(yáng)3—8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路。它提拱各種替代功能。在提拱這 些功能時(shí)，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置 1。P3 口可以輸入/輸出 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 串行口： P3.0—RXD（串行輸入口） ，輸入。 P3.1—TXD（串行輸出口） ，輸出。 中斷： P3.2— 外部中斷 0，輸入。INT P3.3— 外部中斷 1，輸入。1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器： P3.4—T0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 外部輸入，輸入。 P3.5—T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 外部輸入，輸入。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選通： P3.6—WR，低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫(xiě)選通。 P3.7—RD，低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通。 (3) 控制線：共 4 根。 輸入： RST—復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。在振蕩器工作時(shí)，在 RST 上作用兩個(gè)機(jī)器周 期以上的高電平，將器件復(fù)位。 /VPP—片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。在編程時(shí)，其上施加EA 21V 的編程電壓。 輸入、輸出： ALE/ —地址鎖存允許信號(hào)，輸出。用做片外存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)，低字節(jié)地址PROG 鎖存。 輸出： —片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效 [13～15] 。SEN 3.5 其他軟件介紹與外電路的說(shuō)明 3.5.1 光電耦合器 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 22 頁(yè) 共 34 頁(yè)和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明 絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見(jiàn)的發(fā)光源為發(fā) 光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類(lèi)較多，常見(jiàn) 有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集 成電路型等。 光電耦合器具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)．無(wú)觸 點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，因而在各種電子設(shè)備上得到廣泛的應(yīng) 用．光電耦合器可用于隔離電路、負(fù)載接口及各種家用電器等電路中． 工作原理：在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流 的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受 光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。 光電耦合器用于接口電路光電耦合器 4N25 起到使輸入部分和 89C51 系統(tǒng)隔離 的作用，這樣可以避免輸入部分電源變化對(duì)單片機(jī)電源的影響，減小系統(tǒng)所受的干 擾，提高系統(tǒng)可靠性。與彈簧開(kāi)關(guān)相比有許多優(yōu)點(diǎn)，因此這時(shí)采用通過(guò)光電耦合器 來(lái)輸入信號(hào)。 3.5.2 車(chē)輛檢測(cè)器 車(chē)輛檢測(cè)器用于對(duì)通過(guò)車(chē)道的車(chē)輛進(jìn)行感應(yīng)式的檢測(cè)?？梢允褂脙煞N方法對(duì)車(chē) 輛進(jìn)行檢測(cè)，一種是通過(guò)光感器，另一種是通過(guò)地感應(yīng)線圈。 3.5.3 光感器 利用光感器是否接收到光來(lái)檢測(cè)過(guò)道車(chē)輛從而對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)有 車(chē)經(jīng)過(guò)發(fā)射源的光線將會(huì)受阻，否則將會(huì)接收到光線從而進(jìn)光電轉(zhuǎn)換的自動(dòng)控制， 這樣就可以對(duì)車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)。 3.5.4 地感應(yīng)線圈 它是通過(guò)探測(cè)金屬物在感應(yīng)線圈上造成的電感量變化來(lái)探測(cè)到金屬的。線圈是 由多匝導(dǎo)線繞制成的，埋在路面下，用水泥填充好；線圈引線連接到感應(yīng)器。當(dāng)金 屬物通過(guò)感應(yīng)線圈時(shí)，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，被感應(yīng)器檢測(cè)到通過(guò)內(nèi)部控制 器的運(yùn)算判斷出有金屬物，通過(guò)繼電輸出信號(hào)。由于有微處理器的智能控制作用， 感應(yīng)器的靈敏度可調(diào)節(jié)，適用各種要求。通過(guò)感應(yīng)線圈，所有金屬結(jié)構(gòu)的車(chē)輛，如 小轎車(chē)、卡車(chē)、公共汽車(chē)、電車(chē)甚至自行車(chē)都很容易檢測(cè)到。并且有靈敏度高，反 應(yīng)速度快且始終檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 23 頁(yè) 共 34 頁(yè)由于光感器是裸露在外面的，容易受損，而且設(shè)施的安全防護(hù)得不到有利和保 證；其次雖然采用紅外線為傳感器件，可以工作在低溫、高溫、雨、雪等惡劣氣候 環(huán)境中，靈敏度高，但用光感器受車(chē)的外形的影響很大，如小轎車(chē)、商用車(chē)等外形 具有很大的差異，并且很容易受外界條件的影響，因而使其檢測(cè)不正確，輸入信號(hào) 很不穩(wěn)定，甚至發(fā)生錯(cuò)誤的控制信號(hào)。 而在地感應(yīng)線圈是埋入地底的，不容易被觸摸到，能夠很好地保證設(shè)施的安全； 它也不受其它外界條件的影響，工作起來(lái)即穩(wěn)定又可靠。 綜合上述幾點(diǎn)來(lái)看，光感器誤碼判率較高，而在感應(yīng)線圈較穩(wěn)定，因此選用地 感應(yīng)線圈作為車(chē)輛檢測(cè)器較優(yōu)。 車(chē)道 前地感應(yīng)線圈 后地感應(yīng)線圈 擋板 圖 3.6 地感應(yīng)線圈的分布 地感應(yīng)線圈的分布如上圖 3.6 所示。檢測(cè)線圈鋪設(shè)完畢后，應(yīng)用水泥將線槽填 平。輸出 0 表示無(wú)車(chē)，輸出 1 表示有車(chē)；并且有檢測(cè)指示燈信號(hào)輸出，LED 亮,表示 有車(chē);LED 暗 ,表示無(wú)車(chē);LED 閃爍,表示正處于初始化狀態(tài)。剛開(kāi)機(jī)時(shí)，LED 指示燈開(kāi) 始閃爍，表示此時(shí)正在初始化初值。約 2 至 3 秒鐘后，LED 指示燈變暗，此時(shí)即可 開(kāi)始正常工作。 3.5.5 12V 外電路說(shuō)明 如圖 3.7 所示 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 24 頁(yè) 共 34 頁(yè) N E T O T U 1 N E T O T U 2 N E T O T U 3 N E T O T U 4 N E T O T U 5 N E T O T U 6 N E T O T U 7 + 1 2 V 1 J 2 J 3 J 4 J 5 J 6 J 7 J 圖 3.7 12V 外電路說(shuō)明 單片機(jī)的 P0 口的前 7 位輸出經(jīng)過(guò)反向器反相，再通過(guò)功率放大器進(jìn)行功率放大， 來(lái)使 1J、2J、3J、4J、5J、6J、7J 各小型繼電器的通電與斷電。1J 是用來(lái)使接觸器 1C 通斷電的。2J 是用來(lái)使電磁換向閥通斷電的。3J 是用來(lái)使電磁換向閥左或右得電 的。4J 是控制紅燈的繼電器，5J 是控制綠燈的繼電器，6J 是控制霧燈的繼電器，7J 是控制報(bào)警器的繼電器。只有當(dāng) P0 口是低電平時(shí)以上的各繼電器才會(huì)得電。 3.5.6 24V 外電路說(shuō)明 如圖 3.8 所示 利用 1J 繼電器來(lái)控制接觸器 1C 通斷電。繼電器 2J、3J 共同控制電磁換向閥左 1DT 左得失電，繼電器 2J、3J 共同控制電磁換向閥右 2DT 得失電。當(dāng) 2J 斷電時(shí)，電 磁換向閥的左、右都將失電，此時(shí)執(zhí)行停板；當(dāng) 2J 通電時(shí)，3J 的通電則執(zhí)行抬板， 3J 失電則執(zhí)行落板。 + 2 4 V 1 J 2 J 3 J 3 J 1 D T 2 D T 1 C 圖 3.8 24V 外電路說(shuō)明 3.5.7 120V、380 外電路說(shuō)明 如 3.9 所示： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 25 頁(yè) 共 34 頁(yè)三相電源經(jīng)過(guò)熔斷器 FU，再通過(guò)繼電器 1C、熱繼電器 FR 來(lái)控制三相電機(jī)的。 熔斷器 FU 作為電路短路保護(hù)，但達(dá)不到過(guò)載保護(hù)的目的。這是因?yàn)橐环矫嫒蹟嗥鞯?規(guī)格必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)電流大小作適當(dāng)選擇，另一方面還要考慮熔斷器保住特性的反 時(shí)限特性和分散性，熱繼電器 FR 具有過(guò)載保護(hù)的作用。由于熱繼電器的熱慣性比較 大，即使熱元件流過(guò)幾倍額定電流，熱繼電器也不會(huì)立即動(dòng)作。只有在電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí) 間過(guò)載下 FR 才動(dòng)作，斷開(kāi)控制電路。欠電壓保護(hù)與失電保護(hù)是依靠接觸器本身的電 磁機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 B C 1 C 4 J 5 J 6 J 7 J F R F U F U F U F U F U 紅燈 綠燈 霧燈 報(bào)警器 M 3 ~ A 圖 3.9 120V、380 外電路說(shuō)明 二相電源經(jīng)過(guò)熔斷器 FU 然后分別由 4J、5J、6J 和 7J 來(lái)控制紅燈、綠燈