2651 防恐電子擋車(chē)器設(shè)計(jì)——擋車(chē)器總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2651 防恐電子擋車(chē)器設(shè)計(jì)——擋車(chē)器總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),電子,擋車(chē),設(shè)計(jì),總體,整體,控制系統(tǒng) 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 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 當(dāng)前電子擋車(chē)器的現(xiàn)狀與需求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 本課題研究的意義 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21.3 本課題的主要任務(wù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 防恐電子擋車(chē)器的機(jī)械結(jié)構(gòu) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.1 四桿機(jī)構(gòu)的選用 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.2 機(jī)械部分要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.3 確定液壓系統(tǒng)方案 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.4 機(jī)械部分的設(shè)定方案 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????73 防恐電子擋車(chē)器的內(nèi)部控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????93.1 單片機(jī)的比較與型號(hào)選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????93.2 需求分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????103.3 89C51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與各工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????143.4 89C51 的引腳介紹 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????193.5 其他軟件介紹與外電路的說(shuō)明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????214 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????264.1 主程序的描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????264.2 子程序的描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????284.3 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(hù)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(hù)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?xún)r(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)閾u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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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 760mmH: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(???DC: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(mǎn)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(mǎn)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(hù)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 408751 4KBEPROM 128 32 2 5 408951 4KB Flash 128 32 2 5 403.2 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(hù)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(hù)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(hù)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 1C 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 0P 1P 2P 3R I DT 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)?？刂泼}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 RAMP1串行口定時(shí)器中斷系統(tǒng)P3P0 P2 程序存儲(chǔ)器4KBFlashROM RROROM ROM特殊功能寄存器（SFR）XTAL1XTAL28 88 8ALE 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(mǎn)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(hù)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 M1 0 0 0 HF F F F HF F H8 0 H0 0 0 0 HF F F F H0 0 0 0 H0 F F F H0 0 0 0 H0 F F F H0 0 H7 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 1P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 3 . 7P 3 . 6P 3 . 5P 3 . 4P 3 . 3P 3 . 2P 3 . 1P 3 . 0R S TA L E / P R O GE A / V P PP 0 . 7P 0 . 6P 0 . 5P 0 . 4P 0 . 3P 0 . 2P 0 . 1P 0 . 0V D DP 2 . 1P 2 . 2P 2 . 3P 2 . 4P 2 . 5P 2 . 6P 2 . 7P S E NV S SX T A L 1X T A L 2P 2 . 0I N T 0T X DR X D( T 2 E X )( T 2 )W RT 1T 0I N T 1R 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。INTP3.3— 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EA21V 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] 。SEN3.5 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 V1 J2 J3 J4 J5 J 6 J7 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 V1 J2 J 3 J3 J1 D T2 D T1 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)橐环矫嫒蹟嗥鞯囊?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。BC1 C4 J5 J6 J7 JF RF UF UF UF UF U紅燈 綠燈霧燈報(bào)警器M3 ~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、霧燈和報(bào)警器。3.5.8 車(chē)輛計(jì)數(shù)器這里的車(chē)輛計(jì)數(shù)器是通過(guò) P0.7 口高低電平的轉(zhuǎn)換來(lái)獲得輸入脈沖的，而每輸入一個(gè)脈沖，脈沖記數(shù)器將記數(shù)一次，這樣就可以利用脈沖記數(shù)模塊對(duì)經(jīng)過(guò)的車(chē)輛進(jìn)行記數(shù)。脈沖記數(shù)的累計(jì)值具有掉電保持功能，既模塊在失去工作電源后，原來(lái)各通道的累計(jì)數(shù)值保持不變，重新上電后模塊在原累計(jì)值的基礎(chǔ)上繼續(xù)累計(jì) [9]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 26 頁(yè) 共 34頁(yè)4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 主程序的描述主程序的流程見(jiàn)圖 4.1 所示。從流程圖可以看出，整個(gè)程序分為輸入數(shù)據(jù)的掃描程序和數(shù)據(jù)的處理程序兩部分，系統(tǒng)上電或復(fù)位之后，經(jīng)系統(tǒng)初始化，首先判斷P1 口的狀態(tài)：若為 FFH，繼續(xù)掃描輸入數(shù)據(jù)；若不為 FFH，則轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)的處理程序。開(kāi)始初始化有鍵按下嗎 ？是落板鍵嗎 ？是停板鍵嗎 ？是抬板鍵嗎 ？是紅燈開(kāi)關(guān)嗎 ？是綠燈開(kāi)關(guān)嗎 ？是霧燈開(kāi)關(guān)嗎 ？計(jì)時(shí)交替亮熄綠燈交替亮熄紅燈交替亮熄霧燈YYNYNYNYYNN落板1