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本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 I 頁 共 I 頁 目 錄 1 引言 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 當前電子擋車器的現狀與需求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 本課題研究的意義 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.3 本課題的主要任務 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 2 防恐電子擋車器的機械結構 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 2.1 四桿機構的選用 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 2.2 機械部分要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5 2.3 確定液壓系統(tǒng)方案 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5 2.4 機械部分的設定方案 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 3 防恐電子擋車器的內部控制系統(tǒng)設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????9 3.1 單片機的比較與型號選擇 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 3.2 需求分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 3.3 89C51 單片機的硬件結構與各工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????14 3.4 89C51 的引腳介紹 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 3.5 其他軟件介紹與外電路的說明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 4 軟件系統(tǒng)的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 4.1 主程序的描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 4.2 子程序的描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 4.3 參數的設置 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 結束語 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 致 謝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 參 考 文 獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 34 頁 1 引言 隨著社會生產力的發(fā)展，科學技術的不斷進步，我國的交通運輸業(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，因此給電子擋車器的要求也越 來越高。如今在公路、橋梁、隧道、停車場收費站甚至在高級住宅小區(qū)、機場、體 育場和集會場都安裝了欄桿機。因此擋車器也成為了現實生活中越來越不可缺少的 一部分。 1.1 當前電子擋車器的現狀與需求 目前市場上有各式各樣的擋車器。就切換的速度上看有：高速擋車器，動作時 間一般為 1.2S～2S；中速擋車器，動作的時間一般為 2.5S～3S；低速擋車器，動作 時間一般為 4.5S 以上。就外形來看，有：直臂型，主要用于公路收費站、停車場、 住宅、機關及學校等；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， 主要用于海關等防止從桿下通過的場所。就控制方式來看，有：手動控制，遙控控 制和通訊控制。就機械傳動上分有：液壓傳動，這種傳動結構簡單、傳動快、聲音 輕，但維護成本高，欄桿不宜太長，撞擊后損壞率高,停電后的釋放簡單；皮帶傳動， 這種傳動成本低,但易拉伸磨損,聲音響,傳輸平衡穩(wěn)定性較差,要日常維護；減速箱 傳動，此種傳動成本略低,機械結構復雜,機件多,調節(jié)維護復雜；復合一體化傳動， 此種傳動電機和減速機構一體，根據不同的桿長選擇不同的電機，無須調節(jié)減速機 構，停電處理只需鑰匙柄，衛(wèi)生方便。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 34 頁 圖1 住宅區(qū)欄桿式自動擋車器 如圖1所示得益于切換的快速性以及外形的美觀，擋桿類的擋車器應用得非常廣 泛，但是，各收費站使用的直桿類道閘，對違章司機形同虛設，車輛沖卡現象相當 嚴重。更有甚者，撞傷、撞死執(zhí)情人員，也時有發(fā)生。嚴重威脅收費站工作人員的 人身安全，造成征費工作困難，直接影響我國公路事業(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 直桿擋車器 圖2所示目前就普通的擋車器存在的問題是：結構不牢固，容易被強行沖撞，容 易壞。而達不到攔車的目的。特別是近幾年來，恐怖活動日益猖獗，特別是一些公 共場所如：機場、車站、港口、橋梁和政府部門機構等都是恐怖分子感興趣的場所， 為此各國采取了形式多樣的反恐措施。作為阻擋恐怖活動的第一道關卡，擋車器起 到關鍵的作用。而普通擋車器是沒多大作用的。所以必須要研究出結構牢固，強行 沖撞不壞的擋車器來取而代之，其新的名字為防恐電子擋車器。它是專門為之設計 的，它可以有效的防止恐怖分子沖撞普通擋車器類似事件的發(fā)生。 1.2 本課題研究的意義 目前市場上流行的擋桿類擋車器注重狀態(tài)切換的快速性但忽視系統(tǒng)抗沖撞能力， 形式上表現為一根由計算機控制抬起或落下的欄桿，成為一種意念上的關卡。防恐 電子擋車器采用擋板的形式，具有堅固耐用、可靠性高的特點，重點加強了抗沖撞 能力，啟動后，車輛無法通過，能有效地杜絕沖卡現象。 在國際恐怖主義猖獗、汽車炸彈等各種自殺式恐怖攻擊大街其道的國際環(huán)境下， 為了加強對海關、機場、重要政府機關搶救無效的保護，擋車器的障礙作用則明顯 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 34 頁 應儔于對靈活性的考慮。美國駐外大使管門前壘起的水袋可視為剛性擋車設施的代 表，只是更多的讓人聯(lián)想起近現代的戰(zhàn)爭。 電子防恐擋車器正可以解決當前的恐怖沖卡現象，適用于公路、橋梁、隧道、 停車場、企事業(yè)單位、旅游區(qū)道口、車輛通行管理領域和收費出入口。電子擋車器 的控制系統(tǒng)采用計算機控制，系統(tǒng)集成度高，邏輯功能強，具備高度智能化。系統(tǒng) 控制設計有多種運行模式供用戶選用；有與自動控制系統(tǒng)、環(huán)路感應器、報警器、 車輛計數器的連接的專用接口；用戶可通過選擇不同的運行模式，通過不同的搭配 組合，靈活組成人工控制、半自動控制、智能控制等各種不同類型的控制管理系統(tǒng)。 本課題擬設計的防恐電子擋車器的特點是采用國內外先進的單片機控制設備，擬采 用特殊的材料，具有壽命長、性能穩(wěn)定、抗干擾性強、高性價比、高抗沖撞擊能力、 實現靈活、易擴展等優(yōu)點。而使用的微型單片機控制器具有體積小、使用簡單、通 用性強、快速高效等特點，便于方便控制與使用 [1～4] 。 1.3 本課題的主要任務 本課題擬設定一種剛性擋車器，在重點進行抗沖撞設計的同時，充分發(fā)揮計算 機控制技術的優(yōu)勢，實現系統(tǒng)的自動控制。其設計成果可望形成一種有實用價值的 現代化防恐設備。 1.3.1 控制方面設計條件與要求： （1）動作時間：10S （2）控制核心：單片機 （3）控制方式： （a）現場按鈕控制。 （b）中央計算機集中控制。 （c）地感應智能控制。 1.3.2 知識要求 （1）單片機控制系統(tǒng)軟件設計知識。 （2）單片機控制軟件開發(fā)能力。 （3）電子線路板并 protel 99se 設計。 1.3.3 成果要求 （1）總體方案設計與分析。 （2）設計使用說明書。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 34 頁 （3）單片機控制系統(tǒng)原理圖、電子線路板圖、單片機控制系統(tǒng)軟件。 2 防恐電子擋車器的機械結構 2.1 四桿機構的選用 （1） 曲柄搖桿機構 鉸鏈四桿機構的兩個連架桿中，若一個為曲柄，另一個為搖桿，則稱其為曲柄 搖桿機構。在曲柄搖桿機構中，若以曲柄為原動件時，可將曲柄的連續(xù)運動轉變?yōu)?搖桿的往復擺動；若以搖桿為原動件時，可將搖桿的擺動轉變?yōu)榍恼苓\動。 如圖2.1所示的雷達天線俯仰搜索機構。 圖2.1 雷達天線俯仰搜索機構 （2） 曲柄滑塊機構 曲柄滑塊機構是由四桿機構的基本形式演化而來的。機構的演化，不僅是為了 滿足運動方面的要求，還往往是為了改善受力狀況以及滿足結構上的需要。如圖2.2 所示的自卸卡車車廂的舉升機構ABC為例，其中搖桿 3為油缸，用壓力油推動活塞使 車廂翻轉。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 34 頁 圖2.2 自卸卡車車廂的舉升機構 本設計的擋車器機械部分與上述兩例的原理相似，采用四桿機構作為機械部分。 2.2 機械部分要求 機械部分是直接阻擋車沖擊的部分，也是外部結構主要支柱。因此，必須具有 以下基本要求： （1）空間上足夠的大。擋車板在路的橫向和高度方向能夠阻擋住車 （2）強度足夠。當車以高速沖撞擋車板時，產生巨大的沖擊力。整個系統(tǒng)必須 具有足夠的強度來承受巨大的剪切應力，擠壓應力以及彎曲應力。 （3）運動過程中不能干涉。為了便于整個系統(tǒng)的裝拆，我們盡量的要減小坑的 體積，尤其是坑的深度，但是不能導致系統(tǒng)在工作中出現干涉，如桿碰到坑的壁面， 液壓缸和桿相互阻擋等導致系統(tǒng)強烈震動甚至不能運動。 （4） 結構盡量簡單。此系統(tǒng)主要是滿足剛度要求，對靈敏性要求和精密性要 求不高。減小結構的復雜性，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，可以減小啟動液壓系統(tǒng)的負荷，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計。初選液壓缸工作壓力，參考《液壓傳動》表 10.3- 1，結合本液壓系統(tǒng)實際情況，初選系統(tǒng)壓力 為 18MPa。1p （1） 計算液壓缸的主要尺寸 正向行程（無桿腔進油）時?121)FAPm??? 其中 為有桿腔壓力，此處取 ≈0， 為機械效率（ =0.88～0.95） ，通常2Pm?m? 取 =0.95。m 所以 即 1!1FAPm??124FDm?? 其中 D 為液壓缸內徑 6140.23.81.95m??? 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 34 頁 根據表 23.1-9 ，D 取標準值 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???? 根據表 23.1-10 ，d 取標準值 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.??? 導向套滑動面的長度 ，當 D>80mm 時，?。?.6～1）dl ]4[ 故取 ,圓整為 B=38mmmdl.83. 液壓缸的長度 S 按其最大行程確定，一般不大于（20～30）D ]4[ 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 34 頁CHBLS?? L:液壓缸行程，本設計取 760mm H:最小導向長度，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:其他長度，比如密封件長度 故取 mm95?S 液壓缸缸體的壁厚 ? 缸體厚度 的取值由強度條件決定，取 =24mm? 所以根據要求及實際計算所采用的系統(tǒng)方案如圖 2.4 所示 圖 2.4 液壓系統(tǒng)設計方案 2.4 機械部分的設定方案 根據任務書要求并結合我搭檔的設計理念，初步設定如下方案： 方案：如圖2.5所示 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 34 頁 圖 2.5 初步設定方案 此方案的特點：結構緊湊，滿足空間要求。液壓缸不直接承受負載，負載阻力 小。各桿位置得當，滿足剛度要求。機構傳動角為45 ，利于機構運動。故采用此方0 案。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 34 頁 3 防恐電子擋車器的內部控制系統(tǒng)設計 3.1 單片機的比較與型號選擇 20 世紀 80 年代以來，單片機的發(fā)展非常迅速，世界上一些著名廠商投放市場的 產品就有幾十個系列，數百個品種。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 自的單片機產品。盡管各個公司生產的單片機品種很多，但是自單片機問世以來， 在我國使用最多的還是 Intel 公司的 MCS-51 系列的單片機及兼容單片機。 MCS 是 Intel 公司生產的單片機的系列號。MCS-51 系列單片機包括三個基本型 8031，8051，8751 以及后來 ATMEL 公司擴展的 8951 等。 下面對 8051 與 8751，8951 間的比較：8051 是在 8031 的基礎上，片內又集成有 4KB ROM ，作為程序存儲器。片內數據存儲器為 128，I/O 口線為 32，計數器為 2 個，中斷源為 5 個。所以 8051 是一個程序不超過 4KB 的小系統(tǒng)。8051 應用在程序 已定且批量大的單片機產品中。8751 片內集成了 4KB 的 EPROM，構成了一個程序 不大于 4KB 的小系統(tǒng)片內數據存儲器為 128，I/O 口線為 32，計數器為 2 個，中斷 源為 5 個。用戶可以將程序固化在 EPROM 中，EPROM 中的內容可反復擦寫和修改， 但價格比較貴點。MCS-51 系列的單片機中的 8051 是最早，最典型的產品。美國 ATMEL 公司推出的 AT89C5X 系列。尤其是該系統(tǒng)中的 AT89C51 單片機在我國面 前的 8 位單片機應用中占有相當大的市場份額。他在功能，引腳及指令系統(tǒng)方面完 全兼容。其中 AT89C51 單片機的時鐘頻率高達 24MHz，Flash 存儲器允許在線 （+5V ）電擦除，電寫入或使用編程器對其重復編程。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合。由于片 內帶 EPROM 的 87C51 價格偏高，而 AT89C51 就相當于 87C51，只不過用芯片內的 4KB Flash 存儲器取代了 87C51 片內的 4KB 的 EPROM。AT89C51 片內的 4KB Flash 存儲器可在線編程或使用編程器重復編程，且價格較低，因此 ATMEL 公司的 AT89C5X 系列單片機受到了應用設計者的歡迎， AT89C51 是目前取代 MCS-51 系列 單片機的主流芯片之一。綜上所述，總之 8051 與 8751，8951 之間的區(qū)別 8051、8751、89C51 的內部結構和指令集都是一樣的，區(qū)別在于： 8051：內部帶有掩膜（由工廠直接編程燒死）的程序存儲器，自己無法修改； 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 34 頁8751：內部帶有 EPROM 程序存儲器，可編程，擦除則需要通過芯片上的玻璃 窗口用紫外線擦除器擦除； 89C51：內部帶有 Flash 存儲器可以電擦除和改寫，字母 C 代表 CMOS 工藝。 他們的比較如表 3.1 所示： 表 3.1 各單片機的內部硬件資源 型號 片內程序存 儲器 片內數據 存儲器 （B） I/O 口 線 （位） 定時器/計 數器 （個） 中斷源 （個） 引腳 （個） 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 單片機的程序在做單片機時寫入，一次性固化，用戶不能改寫；在 87C51 中為 4KB 的可編程、可改寫的只讀存儲器是 EPROM；在 89C51 中為 4KB 的可騙程、可 改寫的只讀存儲器是 EEPROM；而 80C31 不設片內程序存儲器，使用時必須由片外擴 展。 89C51 單片機是 80C51 含 EEPROM 的產品，是當前最新的一種電擦寫的 8 位單片 機，與 80C51 系列完全兼容，這種單片機有兩級或三級程序存儲器的保密系統(tǒng)，用 于保護 E2PROM 中的程序，以防止非法拷貝，其片內的閃速存儲器的編程和擦除完全 用電實現，另外 89C51 單片機還可用智能法進行編程，可使每個字節(jié)編程的時間由 50MS 減少到 4MS，速度快、效率高；其片內有 4KB 的 PEROM 代碼存儲器陣列，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 給用戶還來了更大的方便，特別是應用系統(tǒng)的 現場調試，而且目前的市場體格已經下降得很快，所以被廣泛采用。所以本次選用 89C51 單片機較優(yōu)。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，可以將 CPU、RAM、ROM、定時 器/計數器以及輸入/輸出（I/O）接口電路等主要計算機部件，集成在一塊電路芯片 上。這樣所組成的芯片級的微型計算機稱為單片微型計算機。所以本系統(tǒng)選用的要 與 8051 單片機功能相似的且優(yōu)于它的單片機。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 34 頁8051 基本組成圖 3.1 所示。 振蕩器和 時序電路 程序存儲器 ( 4 K B ) 數據存儲器 ( 2 5 6 K B ) 8 9 C 5 1 C U P 兩個 1 6 位定 時器 / 計數器 中斷 控制 總線擴展 控制器 并行可編程和 I / O 可編程 串行口 外部中斷 內部中斷 控制 ( 數據 / 地址 ) 外時鐘源 外部事件計數 P 0 P 1 P 2 P 3 R I D T I D 圖 3 . 1 單片機的基本組成結構 設計本方案的核心部分是單片機。在認真考慮 CPU 各方面的功能下，本人決定 所使用的 CPU 的型號是： 8951。 首先設計分析。分別用三個按鈕，接高電平 5V 電源，并各自連接 8951 CPU 的 一端的三個引腳，CPU 的另一端的三個引腳接紅黃綠三盞燈，當按接紅燈的按鈕時， 輸入端的開關閉合，經 CPU 處理后由低電平輸出，紅燈亮時。說明該 CPU 性能正 常。當按接黃燈的按鈕時，黃燈亮時，說說明該 CPU 性能還是正常。依次，如上。 如果紅黃綠三燈有不亮的，說明系統(tǒng)出問題。 其次手動控制部分。輸入端為：擋板，落板，停板三個按鈕分別接高電平 5V 電 源。當擋板按鈕閉合時，經 CPU 處理后，輸出端輸出，電機順轉，擋板抬起為正常 工作。當落板按鈕閉合時，經 CPU 處理后，輸出端輸出，電機逆轉，落板放下為正 常工作。同理在按停板按鈕時，電機停止運轉。自動控制部分主要是前傳感器和后 傳感器感應。 限位是限制擋車器的最大和最小的活動空間，用來保證擋車器的正常工作。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警器。當擋板抬升為 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 34 頁 時，上感應器自動感受到擋板，同時使電機順轉停止。同理，當擋板下降時，下45? 感應器自動感受到擋板的下降，使電機逆轉停止。當擋車器的擋板超過最大或最小 活動空間時，CPU 自動感受到，并且發(fā)出自動報警。 最后就是記數過程了。當汽車經過擋車器后，有一個地面的感應器。當經過一輛 汽車，感應器就會自動感應輸入 CPU，經中央處理器處理后，并控制專門的車輛計 數器計數所經過的汽車車輛。 電氣與單片機控制系統(tǒng)的總體框架如下圖 3.2 所示。主要包括 89C51 單片機主 控制系統(tǒng)，輸入部分包括：抬板、落板與停板按鍵開關，紅燈、綠燈與霧燈按鍵開 關，前后地感應按鍵開關，上、下限位開關，前后地感應模塊控制拔碼開關，抬板、 落板最大時限設置拔碼開關，定時自動落板設置拔碼開關；輸出部分包括：電機的 開停，抬板、落板及停板，紅燈、綠燈及霧燈，脈沖記數器。 8 9 C 5 1 單片機系統(tǒng) 抬板 , 落板 , 停板開關 紅燈 , 綠燈 , 霧燈開關 前 , 后地感 應開關 上 , 下限位 開關 抬板 , 落 板 , 停板 紅燈 , 綠 燈 , 霧燈 電機開 ?？刂?脈沖計數器 抬板 , 落 板最大限 時設置 定時自動 抬板設置 前 , 后地感應 模塊抬落設置 反向 功率 放大 報警器 圖 3.2 基本設計圖 此電氣與單片機系統(tǒng)的主要特點： （1）采用單片機控制，簡化了電路，提高了可靠性。 （2）內含線圈檢測器，僅需在車道上布埋線圈，即可實現車輛的自動檢測與擋 板的自動控制。 （3）無觸點光電開關，可靠耐用。 （4）可外加車輛計數器。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 34 頁（5）防控裝置，保護車輛與擋板。 此電氣與單片機系統(tǒng)具備全方位安全防護附加功能： （1）自動落板功能。當鋪設地感應線圈功能模塊啟用時，車輛進入被檢測區(qū)時， 擋板會自動下落。 （2）LED 紅燈、綠燈雙顯信號。該裝置在正常情況下為通行車輛自動切換顯示 紅綠燈信號。 （3）聲警示裝置。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障或車輛違規(guī)通過時發(fā)出聲警信號。 表 3.2 最后 輸入、輸出需求分析輸入如下 功能控制 I/O 點數 抬板鍵 1 落板鍵 1 停板鍵 1 紅燈開關 1 綠燈開關 1 霧燈開關 1 前地感應開關 1 后地感應開關 1 上限位開關 1 下限位開關 1 抬板最大限時 2 落板最大限時 2 等待抬板設時 2 前地感應模塊 1 后地感應模塊 1 表 3.3 輸出如下 動作 電機停 止 停板 抬板/落 板 紅燈 綠燈 霧燈 報警器 車輛計 數 I/O 點數 1 1 1 1 1 1 1 1 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 34 頁由上可知，輸入口共有 18 個，用的是 P1 口、P2 口及 P3.2、P3.3；輸出口是 7 個，用的是 P0 口。 3.3 89C51 單片機的硬件結構與各工作原理 3.3.1 89C51 的單片機由如下功能部件組成 (1) 微處理器（CPU） (2) 數據存儲器(RAM) (3) 程序存儲器(4KB Flash ROM) (4) 4 個 8 位可編程并行 I/O 口(P0 口，P1 口，P2 口，P3 口) (5) 1 個全雙工串行口 (6) 2 個 16 位定時器/計數器 (7) 中斷系統(tǒng) (8)特殊功能寄存器（SFR） 其片內結構如圖 3.3 所示： CPU (運算器) （控制器） 數據存儲 器 RAM P1 串行口 定時 器 中斷 系統(tǒng) P3 P0 P2 程序存儲器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 單片機片內結構 上述各功能部件通過片內單一總線連接而成（如上圖） ，其基本結構依舊是 CPU 加上外圍芯。片的傳統(tǒng)微型計算機結構模式。但 CPU 對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 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 34 頁89C51 單片機中有 1 個 8 位的 CPU，與通用的 CPU 基本相同，同樣包括了運算 器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的位處理功能。單片機的中央處理器和 通用微處理器基本相同，只是增設了“面向控制”的處理功能。例如：位處理、查 表、多種跳轉、狀態(tài)檢測、中斷處理等，增強了實時性。 3.3.3 數據存儲器（RAM） 片內為 128B（52 子系列為 256B）,片外最多可外擴 64KB。片內 128B 的 RAM 以高速 RAM 的形式集成在單片機內，可以加快單片機運行的速度，而且這種結構的 RAM 還可以降低功率。數據存儲器由隨機存取存儲器 RAM 構成，用來存儲隨機數 據。它可分為片內數據存儲器和片外數據存儲器兩部分。片內數據存儲器最高地址 只有 8 位，因而最大尋址范圍為 256 個字節(jié)。 （1）片內數據存儲器 它是最靈活的地址空間，可分成片內數據 RAM 區(qū)和特殊功能寄存器 SFR 區(qū)兩 個獨立的功能不同的區(qū)。 片內數據 RAM 區(qū)：根據不同的尋址方式可分為以下幾個區(qū)域。 工作寄存器區(qū)：這是一個寄存器直接尋址的區(qū)域，是片內數據 RAM 區(qū)的 00H～1FH，共 32 個單元，是 4 個通用工作寄存器組，每個組包含 8 個 8 位寄存器。 其選擇是通過軟件對程序狀態(tài)字（PSW）中的 RS0、RS1 位的設置來實現的。 位尋址區(qū)：是片內數據 RAM 區(qū)的 20H～2FH 的 16 個字節(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 RAM 區(qū)的 30H～7FH，共 80 個字節(jié)單元 ，可以采用直接字 節(jié)尋址的方法訪問。 堆棧區(qū)及堆棧指示器：堆棧是在片內數據 RAM 區(qū)中，數據先進后出或后進先出 的區(qū)域。堆棧指示器在存放當前堆棧棧頂所指存儲單元地址的一個 8 位寄存器。進 棧時 SP 的內容是增加的，出棧時 SP 的內容是減少的。系統(tǒng)復位后 SP 內容為 07H。 它有保護斷點和保護現場兩個功能。 特殊功能寄存器 SFR 區(qū)：它是單片機中各功能部件所對應的寄存器，用以存放 相應的功能部件的控制命令、狀態(tài)或數據的區(qū)域。除程序計數器和 4 個通用工作寄 存器組外，其余所有的寄存器都在這個地址空間之內。 （2）片外數據存儲器：它是在外部存放數據的區(qū)域，這一區(qū)域用寄存器間接尋 址的方法訪問，所用的寄存器為 DPTR、R1 或 R0。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 共 34 頁3.3.4 程序存儲器（Flash RoM） 它是用來存儲程序。89C51 片內集成有 4KB 的 Flash 存儲器如果片內程序存儲 器容量不夠，片外最多可外擴程序存儲器至 64KB。程序存儲器用于存放經調試正確 的應用程序和表格之類的固定常數。由于采用 16 位的程序計數器 PC 和 16 位的地址 總線，因而其可擴展的地址空間為 64KB，且這 64KB 地址空間是連續(xù)、統(tǒng)一的。 （1）整個程序存儲器可以分為片內和片外兩部分，CPU 訪問片內存儲器和片外 存儲器，可由引腳所接的電平來確定。 引腳接高電平時，程序從片內程序存儲器EA 開始執(zhí)行，即訪問片內存儲器；當 PC 值超出片內 ROM 容量時，會自動轉向片外程序 存儲器空間開始執(zhí)行。 引腳接低電平時，迫使系統(tǒng)全部執(zhí)行片外程序存儲器程序。EA （2）程序存儲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)復位后的 PC 地址為 0000H，故系統(tǒng)從 0000H 單元開始取指，執(zhí)行程序。 從 0003H～002BH 單元被保留用于 6 個中斷源的中斷服務程序的入口地址，故有以下 7 個特定地址被保留： 復位或非屏蔽中斷 0000H 外部中斷 0 0003H 計時器 T0 溢出 000BH 外部中斷 1 0013H 計時器 T1 溢出 001BH 串行口中斷 0023H 計時器 T2/T2EX 下降沿 002BH 在程序設計時，通常在這些中斷入口處設置無條件轉移指令，使之轉向對應的 中斷服務程序段處執(zhí)行。 （3）片內程序存儲器為固定只讀存儲器 ROM，存儲器的類型有：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、可改寫的只讀存儲器是 EPROM；在 89C51 中為 4KB 的 可騙程、可改寫的只讀存儲器是 EEPROM；而 80C31 不設片內程序存儲器，使用時必 須由片外擴展。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 共 34 頁 3.3.5 中斷系統(tǒng) 具有 5 個中斷源，2 級中斷優(yōu)先權。中斷：程序執(zhí)行過程中，允許外部或內部事 件通過硬件打斷程序的執(zhí)行，使其轉向為處理外部或內部事件的中斷服務程序中去； 完成中斷服務程序后，CPU 繼續(xù)原來被打斷的程序，這樣的過程稱為中斷過程。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 時觸發(fā)。這兩種觸發(fā)方式可以設置 TCON 寄存器中的 和 中斷觸發(fā)申請觸1INT0 發(fā)方式控制位來選擇：設置 IT1、IT0=0，選擇電平觸發(fā)方式；設置 、 ，1IT0N 選擇跳變觸發(fā)方式。中斷優(yōu)先級：幾個中斷源同時申請中斷時，或者 CPU 正在處理 某外部事件時，又有另一外部事件申請中斷，CPU 必須區(qū)分哪個中斷源更重要，從而 確定優(yōu)先處理誰的能力。 3.3.6 定時器/計算器 片內有 2 個 16 位的定時器/計算器，具有 4 種工作方式。定時器 /計數器在單片 機的實際應用中，往往需要精確的定時，或者需對外部事件進行計數。為了減少軟 件開銷和提高單片機的實時控制能力，因而均在單片機內部設置定時器/計數器電路， 通過中斷，實現定時/計數的自動處理。計算機的整個工作是在時鐘信號的驅動下按 照嚴格的時棄有規(guī)律地一個節(jié)拍一個節(jié)拍地執(zhí)行各種操作。單片機內部也設有定時 電路，只需外接振蕩元件即可工作。 3.3.7 串行口 1 個全雙工的串行口，具有 4 種工作方式?？蛇M行串行通信，擴展并行 I/O 口， 甚至與多個單片機相連構成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。其中 并行 I/O 口為了滿足“面向控制”實際應用的需要，單片機提拱了數量多、功能強、 使用靈活的并行 I/O 口。不同單片機的并行 I/O 電路在結構上稍有差異。有些單片 機的并行 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 位單片機均增設了全雙工串行 I/O 口，從而提拱了與某些終端設備進行串行 通信，或者和一些特殊功能的器件相連的能力，甚至用多個單片機相連構成多機系 統(tǒng)，使單片機的功能更強且應用更廣。 3.3.8 P1 口、P2 口、P3 口、P0 口 P0 口：8 位，漏極開路的雙向 I/O 口。當 89C51 擴展外部存儲器及 I/O 接口芯 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 共 34 頁片時，P0 口作為地址總線(低 8 位)及數據總線的分時復用端口。 P0 口也可以作為通 用的 I/O 口使用，但需要加上拉電阻，這時為準雙向口。當作為普通的 I/O 輸入時， 應先向端口的輸出鎖存器寫入 1。P0 口可驅動 8 個 LS 型 TTL 負載。 P1 口：8 位，準雙向 I/O 口，具有內部上拉電阻。P1 口是專為用戶使用的準雙 向 I/O 口，當作為普通的 I/O 輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入 1。 P1 口可驅 動 4 個 LS 型 TTL 負載。P2 口：8 位，準雙向 I/O 口，具有內部上拉電阻。當 89C51 擴展外部存儲器及 I/O 口時，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。當作為普通的 I/O 輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入 1。 P1 口 可驅動 4 個 LS 型 TTL 負載。 P3 口：8 位，準雙向 I/O 口，具有內部上拉電阻。P3 口也可以作為通用的 I/O 口使用。當作為通用的 I/O 輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入 1。 P1 口可驅動 4 個 LS 型 TTL 負載。 3.3.9 特殊功能寄存器（SFR） 共有 21 個特殊功能寄存器，用于 CPU 對片內各功能部件進行管理、控制和監(jiān) 視。特殊功能寄存器實際上就是片內各個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 RAM 區(qū) 80H~FFH 的地址區(qū)間內。89C51 單片機系列的 存儲器采用的是哈佛結構，即將程序存儲器和數據存儲器截然分開，程序存儲器和 數據存儲器各有自己的尋址方式、尋址空間和控制系統(tǒng)。這種結構對于單片機“面 向控制”的實際應用極為方便、有利。在 89C51 單片機中，不僅在片內駐留了一定 的容量的程序存儲器和數據存儲器及眾多的特殊功能寄存器，而且還具有極強的外 部存儲器擴展能力，尋址范圍分別可達 64KB，尋址和操作簡單方便。 89C51 單片機存儲器映象圖如圖 3.4 所示 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁 共 34 頁 ( 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 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 片內程序存儲器 片外程序存儲器 程序存儲器 片內數據存儲器 片外數據存儲器 數據存儲器 圖 3 . 4 8 9 C 5 1 單片機存儲器映象圖 在邏輯上設有 3 個存儲器地址空間： 片內、片外統(tǒng)一的 64KB 程序存儲器地址空間 片內 256B 數據存儲器地址空間 片外 64KB 的數據存儲器地址空間 [6～8] [11] 3.4 89C51 的引腳介紹 40 個引腳按其功能可分為如下 3 類： （1）電源及時鐘引腳-------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 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 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁 共 34 頁 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—運行和程序校驗時加+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，輸入到內部時鐘發(fā)生器。 當用外部振蕩時，XTAL2 不用，XTAL1 接收振蕩器信號。 (2) I/O 口：4 個，32 根。 P0—8 位、漏極開路的雙向 I/O 口。當使用片外存儲器時，作地址和數據分時復 用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)。P0 口能驅動 8 個 LSTTL 負載。 P1—8 位、準雙向 I/O 口。在編程/校驗期間，用做輸入低位字節(jié)地址。P1 口可 以驅動 4 個 LSTTL 負載。 P2—8 位、準雙向 I/O 口。當使用片外存儲器時，輸出高 8 位地址。在編程/校 驗期間，接收高位字節(jié)地址。P2 口可以驅動 4 個 LSTTL 負載。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 共 34 頁P3—8 位、準雙向 I/O 口，具有內部上拉電路。它提拱各種替代功能。在提拱這 些功能時，其輸出鎖存器應由程序置 1。P3 口可以輸入/輸出 4 個 LSTTL 負載。 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 定時器/計數器： P3.4—T0 定時器/計數器 0 外部輸入，輸入。 P3.5—T1 定時器/計數器 1 外部輸入，輸入。 數據存儲器選通： P3.6—WR，低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。 P3.7—RD，低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。 (3) 控制線：共 4 根。 輸入： RST—復位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在 RST 上作用兩個機器周 期以上的高電平，將器件復位。 /VPP—片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加EA 21V 的編程電壓。 輸入、輸出： ALE/ —地址鎖存允許信號，輸出。用做片外存儲器訪問時，低字節(jié)地址PROG 鎖存。 輸出： —片外程序存儲器選通信號，低電平有效 [13～15] 。SEN 3.5 其他軟件介紹與外電路的說明 3.5.1 光電耦合器 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發(fā)光源 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁 共 34 頁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，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。光電耦合器的種類較多，常見 有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集 成電路型等。 光電耦合器具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強．無觸 點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，因而在各種電子設備上得到廣泛的應 用．光電耦合器可用于隔離電路、負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使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流 的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受 光器輸出端引出，這樣就實現了電一光一電的轉換。 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單片機電源的影響，減小系統(tǒng)所受的干 擾，提高系統(tǒng)可靠性。與彈簧開關相比有許多優(yōu)點，因此這時采用通過光電耦合器 來輸入信號。 3.5.2 車輛檢測器 車輛檢測器用于對通過車道的車輛進行感應式的檢測?？梢允褂脙煞N方法對車 輛進行檢測，一種是通過光感器，另一種是通過地感應線圈。 3.5.3 光感器 利用光感器是否接收到光來檢測過道車輛從而對輸入信號進行自動控制。當有 車經過發(fā)射源的光線將會受阻，否則將會接收到光線從而進光電轉換的自動控制， 這樣就可以對車輛進行檢測。 3.5.4 地感應線圈 它是通過探測金屬物在感應線圈上造成的電感量變化來探測到金屬的。線圈是 由多匝導線繞制成的，埋在路面下，用水泥填充好；線圈引線連接到感應器。當金 屬物通過感應線圈時，導致線圈的電感量發(fā)生變化，被感應器檢測到通過內部控制 器的運算判斷出有金屬物，通過繼電輸出信號。由于有微處理器的智能控制作用， 感應器的靈敏度可調節(jié)，適用各種要求。通過感應線圈，所有金屬結構的車輛，如 小轎車、卡車、公共汽車、電車甚至自行車都很容易檢測到。并且有靈敏度高，反 應速度快且始終檢測的優(yōu)點。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁 共 34 頁由于光感器是裸露在外面的，容易受損，而且設施的安全防護得不到有利和保 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，但用光感器受車的外形的影響很大，如小轎車、商用車等外形 具有很大的差異，并且很容易受外界條件的影響，因而使其檢測不正確，輸入信號 很不穩(wěn)定，甚至發(fā)生錯誤的控制信號。 而在地感應線圈是埋入地底的，不容易被觸摸到，能夠很好地保證設施的安全； 它也不受其它外界條件的影響，工作起來即穩(wěn)定又可靠。 綜合上述幾點來看，光感器誤碼判率較高，而在感應線圈較穩(wěn)定，因此選用地 感應線圈作為車輛檢測器較優(yōu)。 車道 前地感應線圈 后地感應線圈 擋板 圖 3.6 地感應線圈的分布 地感應線圈的分布如上圖 3.6 所示。檢測線圈鋪設完畢后，應用水泥將線槽填 平。輸出 0 表示無車，輸出 1 表示有車；并且有檢測指示燈信號輸出，LED 亮,表示 有車;LED 暗 ,表示無車;LED 閃爍,表示正處于初始化狀態(tài)。剛開機時，LED 指示燈開 始閃爍，表示此時正在初始化初值。約 2 至 3 秒鐘后，LED 指示燈變暗，此時即可 開始正常工作。 3.5.5 12V 外電路說明 如圖 3.7 所示 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 34 頁 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 外電路說明 單片機的 P0 口的前 7 位輸出經過反向器反相，再通過功率放大器進行功率放大， 來使 1J、2J、3J、4J、5J、6J、7J 各小型繼電器的通電與斷電。1J 是用來使接觸器 1C 通斷電的。2J 是用來使電磁換向閥通斷電的。3J 是用來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 是控制報警器的繼電器。只有當 P0 口是低電平時以上的各繼電器才會得電。 3.5.6 24V 外電路說明 如圖 3.8 所示 利用 1J 繼電器來控制接觸器 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 2J 斷電時，電 磁換向閥的左、右都將失電，此時執(zhí)行停板；當 2J 通電時，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 外電路說明 3.5.7 120V、380 外電路說明 如 3.9 所示： 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 34 頁三相電源經過熔斷器 FU，再通過繼電器 1C、熱繼電器 FR 來控制三相電機的。 熔斷器 FU 作為電路短路保護，但達不到過載保護的目的。這是因為一方面熔斷器的 規(guī)格必須根據電動機電流大小作適當選擇，另一方面還要考慮熔斷器保住特性的反 時限特性和分散性，熱繼電器 FR 具有過載保護的作用。由于熱繼電器的熱慣性比較 大，即使熱元件流過幾倍額定電流，熱繼電器也不會立即動作。只有在電動機長時 間過載下 FR 才動作，斷開控制電路。欠電壓保護與失電保護是依靠接觸器本身的電 磁機構來實現的。 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 報警器 M 3 ~ A 圖 3.9 120V、380 外電路說明 二相電源經過熔斷器 FU 然后分別由 4J、5J、6J 和 7J 來控制紅燈、綠燈