：基于单片机的交通灯设计 3 硬件设计
3.1 MCS-51单片机简介
单片机是微机的一种，是将单片机的CPU、存储器、I/O接口和总线制作在一块芯片上的大规模集成电路。由于单片机具有体积小、功能全、价格低、开发应用方便等优点，又可将其嵌入产品的内部，因此得到了及其广泛的应用[4]。
3.1.1 单片机的内部结构
单片机经过几十年的不断发展，其功能和组成结构基本已固定，内部结构示意图如图3-1所示。
1. 中央处理器（CPU）
CPU是单片机的核心部件，根据CPU字长可分为1位机、4位机、8位机、16位机以及32位机，CPU的运算速度、处理数据能力、实施控制功能等性能都与CPU的字长有关，因此，字长是衡量CPU功能的主要指标。
2. 存储器
存储器按功能可分为程序存储器和数据存储器，由于单片机主要面向控制，因此一般需要大容量的程序存储器和较少的数据存储器，同时存储器类型也不一样。
3. 程序存储器
单片机内部程序存储器容量一般为1KB~64KB,通常采用只读存储器（ROM）。采用只读存储器作为程序存储器，不仅提高了可靠性，而且由于只读存储器的集成度较高、价格较低，降低了成本。
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CPU ROM 并行I/O口 RAM 串行I/O口 定时器 中断系统
图3-1 单片机内部结构示意图
4. 数据存储器
单片机内部的数据存储量一般为64B~256B，通常采用静态随即存储器（RAM），还有少数单片机内采用EEPROM作为数据存储器。数据存储器可分为工作寄存器、堆栈，位标志和数据缓冲器使用。
5. I/O接口及特殊功能部件
单片机内部有数量不等的并行接口，可以作为外界无输入/输出设备，通常也包含1~2个串行口，用于实现异步串行通信。特殊功能部件通常包括定时/计数器，其他例如A/D、PWM、DMA等根据不同类型的单片机，其配置不同[5]。
3.1.2单片机应用系统
根据单片机应用场合及系统控制的要求不同，在规模、结构上存在很大不同，根据使用功能器件的种类和数量，可分为基本系统和扩展系统。
1. 基本系统
在此系统中，包含一个单片机，在该单片机中含有程序存储器和数据存储器，仅在外部配置了维持系统运行的基本部件，例如电源、输入/输出，除了这些，还包括不扩充程序存储器、数据存储器、I/O接口以及其他功能部件，因此也被称为最小系统，其结构示意图如图3-2所示。
复位电路 输入/输出 单片机 电源电路 图3-2 单片机最小系统示意图
时钟电路
2. 扩展系统
在大多数系统中，由于需要实现一些特殊的功能，采用最小系统无法满足系统的控制要求，所以要扩展特殊功能部件，弥补单片机内部资源的不足。单片机扩展系统通过并行I/O口或者串行口做总线，在外部扩展了程序存储器、数据存储器、A/D转换等特殊部件，以满足控制系统的特殊要求，其结构示意图如图3-3所示[6]。
：基于单片机的交通灯设计
图3-3 单片机扩展系统钢结构示意图
复位电路 输入/输出 单片机 电源电路 时钟电路 EPROM程 序存储器 RAM数据存储器 A/D 并行接口 串行接口 D/A 3.1.3单片机的发展趋势
随着科学技术的不断发展，单片机的工艺和集成度不断提高，其功能正朝着多功能、高性能的方向发展，主要体现在以下几方面。
1. 各种等级的单片机性能提高
随着工艺技术和集成度技术的发展，许多低端单片机的性能在CPU功能、内部资源及寻址范围等方面有了较大的提高，甚至可以完成部分高端单片机才能实现的功能，其运算速度、功能和可靠性等方面也得到了快速的发展。
2. 小型化、低功耗
在一些智能控制系统中，其整体系统体积较小，功率不大，因此要求单片机的体积和功耗都要在一定范围内，促使单片机向小型化、低功耗的方向发展。例如，1992年美国推出的i80860超级单片机，运算速度为1.2亿次每秒，可进行32位整数运算、64位浮点运算，同时片内集成了一个三维图形处理器，可构成超级图形工作站[7]。
3.2 系统电路
系统共分为5个模块，最小系统模块、LED显示模块、数码管显示模块、
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按键控制模块和驱动模块。
3.2.1 最小系统模块
最小系统模块由89C52单片机、晶振电路及复位电路组成。89C52单片机作为整个系统的核心部分，将LED模块、数码管显示模块、按键控制模块及驱动模块连结成一个整体的系统，并提供程序的输入端口；晶振电路提供时钟激励，保证单片机内部和外部电路的时序逻辑电路协调动作；复位电路在上电或复位的过程中，控制CPU的复位状态，这段时间内让CPU保持复位状态，防止CPU发出错误的指令或执行错误的操作。
图3-4 最小系统模块
3.2.2 LED显示模块
LED显示模块由4个LED等组成，分别为LED1、LED2、LED3、LED4，
：基于单片机的交通灯设计 4个LED分别接入89C52单片机的P1.1、P1.5、P1.4、P1.0。其中，LED1和LED2分别表示南北方向的绿灯和红灯，LED4和LED3分别表示东西方向的绿灯和红灯。
当LED1和LED3点亮时，南北方向可以通行，东西方向禁止通行；当LED2和LED4点亮时，南北方向禁止通行，东西方向可以通行。
图3-5 LED显示模块
3.2.3 数码管显示模块
数码管显示模块由4个七段数码管组成，接单片机89C52在自动控制模式中，后两个数码管显示时间（从60秒倒计时到1秒）。在人工控制模式中，在K2键按下时，若当前交通为南北通行，则四个数码管直接显示“9999”，若当前交通为东西通行，则四个数码管先显示10秒倒计时（从10秒到1秒），完成后显示“9999”；在K3键按下时，若当前交通为东西通行，则四个数码管直接显示“9999”，若当前交通为南北通行，则四个数码管先显示10秒倒计时（从10秒到1秒），完成后显示“9999”；在K1键按下时，四段数码管由“9999”变为10秒倒计时，此时系统进入自动控制模式。
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