51單片機實現狀態(tài)機

1、單片機技術基礎教程與實踐整理ppt 第第9章章 51單片機實現狀態(tài)機單片機實現狀態(tài)機 9.1 有限狀態(tài)機有限狀態(tài)機有限狀態(tài)機（FSM）與流程圖很相似，具有一組按照一定路徑排列的狀態(tài)，依據于狀態(tài)中的事件和動作，一個狀態(tài)可以轉移到其他狀態(tài)。狀態(tài)是時間中的一個點，例如，當你等火車的時候，你在等待狀態(tài)。一種狀態(tài)在一個狀態(tài)機中，只能出現一次。事件是某時發(fā)生的事情，例如火車到達，火車運行。動作是當事件出現時，實現的任務，例如，火車到達后，上車轉移是兩個狀態(tài)之間的聯系，可以從一個狀態(tài)移動到另外一個狀態(tài)。狀態(tài)圖就是對一個事物在某個事件發(fā)生后從一個源狀態(tài)到另外一個目的狀態(tài)轉移的圖形描述。狀態(tài)圖中，使用圓圈表示狀

2、態(tài)，圓圈中的文字或數字表示該狀態(tài)的名字或是編碼，狀態(tài)轉移方向用箭頭表示，在箭頭旁寫的文字是轉移條件。對于梅里狀態(tài)圖，在箭頭旁用“輸入/輸出”的格式表示轉移條件與滿足該轉移條件下的輸出；而對于摩爾狀態(tài)機，常將輸出放在狀態(tài)圓圈中。單片機技術基礎教程與實踐整理pptreset=0reset=0reset=0reset=0reset=0reset=0a0a0a1a1a2a2a3a3a4a4報警報警置數置數定時定時k=0k=0k=0k=0k=1k=1td=1td=1.由圖可知，當k=0時，狀態(tài)從a0轉移到a1，若是k0=1，從狀態(tài)a1轉移到a2，等等，若是reset=0，則無論在什么狀態(tài)，都將轉移到a0

3、狀態(tài)。單片機技術基礎教程與實踐整理ppt一個狀態(tài)機描述需要五個要素：狀態(tài)、輸入、輸出、狀態(tài)轉移函數、輸出函數。如果在一個狀態(tài)中包含著另一個狀態(tài)序列，則稱該狀態(tài)為復合狀態(tài)。狀態(tài)機就是能夠根據狀態(tài)轉移條件進行狀態(tài)轉換和輸出狀態(tài)活動的自動機。狀態(tài)機可以使用數字電路實現，或是單片機通過軟件編程實現。如果狀態(tài)數量有限、輸入數量有限、輸出數量有限，則稱為有限狀態(tài)機（FSM）。在數字電路中，有兩類基本的電路，它們是組合電路和時序電路，它們之間的區(qū)別是組合電路的結構中沒有反饋、輸入值直接決定輸出值，而時序電路的結構中具有反饋，其輸出由狀態(tài)和輸入決定。狀態(tài)機是時序電路的一種。記 憶 電 路組 合 邏 輯反 饋輸

4、 入現 在 狀 態(tài)次 態(tài) 邏 輯 或 驅 動 邏 輯.單片機技術基礎教程與實踐整理ppt9.1.1 時鐘同步有限狀態(tài)機時鐘同步有限狀態(tài)機如果一個時序電路中的觸發(fā)器都使用同一個時鐘信號，則稱為同步狀態(tài)機1.結構時鐘同步狀態(tài)機的結構如圖所示。其中次態(tài)邏輯由現態(tài)和輸入形成。狀態(tài)記憶是n個觸發(fā)器，用于記憶2n狀態(tài)。輸出邏輯由現在狀態(tài)和輸入形成。在時鐘的上升沿或是下降沿（取決于觸發(fā)器結構），觸發(fā)器在次態(tài)邏輯的控制下動作。次態(tài)邏輯狀態(tài)記憶驅動現態(tài)輸出邏輯時鐘輸入輸出.單片機技術基礎教程與實踐整理ppt2.輸出邏輯如果一個時序電路的輸出與現在狀態(tài)和輸入都有關，則稱為梅里狀態(tài)機，就是說，在某狀態(tài)下，滿足某輸入

5、條件的輸出就是梅里輸出。值得注意的是梅里狀態(tài)機的輸入變化直接引起輸出的變化，而不是等到下一個狀態(tài)到來時輸出才變化。就是梅里狀態(tài)機。次態(tài)邏輯狀態(tài)記憶驅動現態(tài)輸出邏輯時鐘輸入輸出.與輸入無關，輸出只與狀態(tài)有關的狀態(tài)機，稱為摩爾狀態(tài)機，所以摩爾狀態(tài)機的輸出與狀態(tài)變化同步。摩爾狀態(tài)機是使用廣泛的狀態(tài)機，如圖所示。單片機技術基礎教程與實踐整理ppt3.狀態(tài)編碼具有n個狀態(tài)變量的狀態(tài)機具有2n個狀態(tài)。究竟一個狀態(tài)用什么樣的二進制數表示，就是狀態(tài)編碼問題。狀態(tài)與它的編碼之間不是唯一關系。最簡單的狀態(tài)編碼就是采用自然二進制整數順序來表示狀態(tài)，這樣的編碼雖然簡單，但是最終的電路未必是最簡單的。如果要得到最簡單的

6、結果，最好把各種編碼都試一試，但是太累人，一般情況下采用經驗編碼方法。在狀態(tài)編碼時應該考慮的一些因素：（1）選擇初始狀態(tài)的編碼與狀態(tài)機的復位狀態(tài)相同，這樣就會使狀態(tài)機復位時就回到狀態(tài)機的初始狀態(tài)。（2）每一次狀態(tài)變化，應該使發(fā)生的狀態(tài)變量最少。（3）如果有未使用的狀態(tài)，則盡量選擇可以達到簡化邏輯設計的狀態(tài)編碼。設計中應該保證從未使用狀態(tài)一定可以進入初始狀態(tài)。單片機技術基礎教程與實踐整理ppt4.主從狀態(tài)機一個大的狀態(tài)機設計是非常復雜的，一般情況下，最好將大的狀態(tài)機分解成小狀態(tài)機的集合。一般劃分的原則是按照功能劃分，主要輸入、輸出和控制算法由主狀態(tài)機完成，而輔助的、在主狀態(tài)機控制下的算法由子狀態(tài)

7、機完成，就是說主狀態(tài)機完成頂層算法，子狀態(tài)機完成底層算法。最常見的劃分就是將計數器作為子狀態(tài)機，這時，主狀態(tài)機只要發(fā)出啟動信號，而等待計數器返回的計數完成信號。雖然主狀態(tài)機增加了啟動計數器的輸出信號和來自計數器的計數完成信號，但是該計數器就可以為主狀態(tài)機節(jié)省n1個狀態(tài)。主從狀態(tài)機的一般結構如圖所示。主 狀 態(tài) 機子 狀 態(tài) 機 1子 狀 態(tài) 機 2子 狀 態(tài) 機 nSTART1START2STARTnDONE1DONE2DONEn輸 出輸 入.單片機技術基礎教程與實踐整理ppt5.狀態(tài)轉移條件狀態(tài)轉移的條件和輸入的信號數有關，n個輸入信號，將有2n個轉移條件，這些條件之間應該是互斥的，只能有一

8、個轉移條件有效。也就是只能轉移到另外一個狀態(tài)，而不是一個以上的狀態(tài)。在狀態(tài)機設計過程中，對于狀態(tài)轉移的條件是容易給出的，但是使多個狀態(tài)轉移條件滿足互斥條件確是比較難的，因為這需要更深刻的考慮狀態(tài)、轉移條件之間的關系。一個狀態(tài)只向另外一個狀態(tài)轉移的狀態(tài)機是最簡單的狀態(tài)機，因為只有一個狀態(tài)轉移條件。有些狀態(tài)圖只給出本狀態(tài)向外狀態(tài)的轉移條件，而向自己轉移的條件未給出，這種情況可以理解為只要不向外狀態(tài)轉移就保持在本狀態(tài)不動。單片機技術基礎教程與實踐整理ppt6.狀態(tài)機的輸入信號狀態(tài)機的輸入信號往往使是按鍵信號，既然是按鍵信號，則按下去的時間長短是隨機的，可能是一個或幾個時鐘脈沖的時間，如果狀態(tài)機的狀態(tài)

9、轉移是在某輸入信號的作用之下連續(xù)轉移，例如，在狀態(tài)1，當按鍵第一次為0時，轉移到狀態(tài)2，第二次為0時轉移到狀態(tài)1，則會因為按鍵一直保持在0，引起狀態(tài)不斷的轉換，不能實現每按一次按鍵，轉換一次狀態(tài)的目的。解決的方法是設計邊沿微分電路，使按鍵按下時，只在下降沿輸出一個時鐘周期的低電平，保證只有一個狀態(tài)轉移。7.上電狀態(tài)機初始化在狀態(tài)機上電時，無論為何種輸入條件，都應該進入到一個確定的狀態(tài)，該狀態(tài)稱為上電初始狀態(tài)。有些狀態(tài)機可以在上電時，自動進入上電初始狀態(tài)，有些狀態(tài)機則不能，需要復位信號的幫助才能進入上電初始狀態(tài)。9.1.2狀態(tài)圖狀態(tài)圖狀態(tài)圖是用于小型、中型狀態(tài)機設計的一種方法，該方法的特點是簡單

10、。狀態(tài)圖中的狀態(tài)轉移是用一根弧線表示的，所以不管有多少輸入變量，也只能有一個轉移條件表達式，應該使現在狀態(tài)到所有次態(tài)的轉移條件互斥，也就是說只能轉移到一個次態(tài)。另外需要說明的是用于控制器的狀態(tài)機大部分都是摩爾狀態(tài)機，就是說這些狀態(tài)機的輸出僅僅與狀態(tài)有關。單片機技術基礎教程與實踐整理ppt例題9-1設計一個順序開關裝置，該開關裝置在按鍵k第一次按下時，三盞燈x、y和z同時點亮，當k再次按下時，x燈立刻熄滅；y燈15s后熄滅，在y燈熄滅后18s后，z燈熄滅。轉 移 條件說明狀態(tài)說明輸出說明k輸入按鍵z0三燈都滅t1515秒定時 起動td1515秒定時到信號z1三燈都亮t1818秒定時 起動td18

11、18秒定時到信號z2三燈都亮xx燈z3x燈滅，其他亮yy燈z4x、y燈滅，z燈亮zz燈單片機技術基礎教程與實踐整理pptz0z0z1z1z2z2z3z3z4z4k=0k=0k=1k=1td15=1td15=1td18=1td18=1k=0k=0.x=0y=0z=0 x=1y=1z=1x=1y=1z=1x=0y=1z=1x=0y=0z=1.單片機技術基礎教程與實踐整理ppt例題9-2試設計一個交通信號燈控制器，該交通燈的紅、黃、綠燈亮滅順序是如下：南北綠燈10秒南北黃燈3秒南北綠閃5秒東西綠燈10秒東西黃燈3秒東西綠閃5秒南北紅燈東西紅燈. . . . .轉移條件說明狀態(tài)說明輸出說明td1010

12、秒定時到信號a0南北綠、東西紅t1010秒定時起動td58秒定時到信號a1南北綠閃，東西紅t88秒定時起動td33秒定時到信號a2南北黃、東西紅t33秒定時起動a3南北紅、東西綠n1南北紅燈a4南北紅、東西綠閃n2南北黃燈a5南北紅、東西黃n3南北綠燈d1東西紅燈d2東西黃燈d3東西綠燈單片機技術基礎教程與實踐整理ppta0a0a1a1a2a2a3a3a4a4a5a5td10td10td5td5td3td3td10td10td5td5td3td3.單片機技術基礎教程與實踐整理ppt9.2.1 C語言描述狀態(tài)機的語句語言描述狀態(tài)機的語句intstate=S0;/初始狀態(tài)while(1)/無限循環(huán)

13、switch(state)caseS0:If(T0轉移條件滿足)狀態(tài)轉移到滿足T0條件的次態(tài)；操作；If(T1轉移條件滿足)狀態(tài)轉移到滿足T1條件的次態(tài)；操作；If(TN轉移條件滿足)狀態(tài)轉移到滿足TN條件的次態(tài)；操作；break;caseS1:/插入S1的操作；/插入離開S1的轉移；break;caseSN:/插入SN的操作；/插入離開SN的轉移；break;通常將表示狀態(tài)轉移的一系列通常將表示狀態(tài)轉移的多個if語句寫成if-else語句，這樣可以使轉移條件形成互斥。單片機技術基礎教程與實踐整理ppt當然也可以直接使用if語句描寫狀態(tài)機，例如：if(state=S0)if(T0轉移條件滿足)

14、狀態(tài)轉移到滿足T0條件的次態(tài)；操作；elseif(T1轉移條件滿足)狀態(tài)轉移到滿足T1條件的次態(tài)；操作；elseif(TN轉移條件滿足)狀態(tài)轉移到滿足TN條件的次態(tài)；操作；if(state=S1)/插入離開該狀態(tài)的條件語句/插入要轉移的次態(tài)/插入S1狀態(tài)的操作語句if(state=SN)/插入離開該狀態(tài)的條件語句/插入要轉移的次態(tài)/插入SN狀態(tài)的操作語句單片機技術基礎教程與實踐整理ppt9.2.2 描述狀態(tài)機的完整描述狀態(tài)機的完整C程序格式程序格式#include數碼管的譯碼表格設置定時器的定時變量設置狀態(tài)變量設置其他全局變量主程序：局部變量初始化定時器初始化語句中斷允許語句主程序無限循環(huán)中：

15、（1）輸入信號處理語句獲得所有的輸入信號狀態(tài)單片機技術基礎教程與實踐整理ppt（2）狀態(tài)機描述語句主要是描述狀態(tài)轉移、轉移條件、定時變量清零等該狀態(tài)下的輸出語句顯示該狀態(tài)的發(fā)光二極管（不是必須的，用于調試）（3）顯示處理語句將定時數據送到數碼管顯示（不是必須的，用于調試）（4）其他語句（5）若是在狀態(tài)描述語句中沒有描述輸出，可單獨將各個狀態(tài)下的輸出描述定時器中斷服務程序中：設置靜態(tài)局部變量根據定時器工作模式確定是否設置初值，若是需要精確定時，選擇不需要預置初值的工作方式2每中斷一次就增加數值的語句，獲得確定的中斷時間（例如1s）。按照確定的中斷時間，增加定時變量單片機技術基礎教程與實踐整理pp

16、t9.3 示例程序示例程序 在狀態(tài)機描述中，除了直接描述狀態(tài)機的語句外，還需要按鍵（鈕）輸入語句、定時器描述等語句，本節(jié)通過示例對按鍵、定時等的C描述給予介紹。示例程序1按鍵處理程序。P3口全部連接按鍵，P0口連接的數碼管顯示按鍵的值，程序中變量kk是按鍵的值，不同的按鍵按下，數碼管顯示不同的值。變量說明變量說明nn延遲時間循環(huán)變量kk按鍵值table共陽數碼管譯碼表單片機技術基礎教程與實踐整理ppt源程序如下：#includeAT89X51.hunsignedintcodetable=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,

17、0 x90;unsignedintkk=0 x08;voidmain()unsignedintnn;while(1)P3=0 xff;/P3口連接8個按鍵作為輸入if(P3|0 x00)!=0 xff)/如果有按鍵按下for(nn=0;nn1000;nn+);/延時if(P3|0 x00)!=0 xff)/按鍵還在按下狀態(tài)switch(P3)case0 xfe:/P3_0=0,fe=11111110kk=0;break;case0 xfd:/P3_1=0,fd=11111101kk=1;break;單片機技術基礎教程與實踐整理pptcase0 xfb:/P3_2=0,fb=11111011kk

18、=2;break;case0 xf7:/P3_3=0f7=11110111kk=3;break;case0 xef:/P3_4=0,ef=11101111kk=4;break;case0 xdf:/P3_5=0,df=11011111kk=5;break;case0 xbf:/P3_6=0,bf=10111111kk=6;break;case0 x7f:/P3_7=07f=01111111kk=7;break;default:kk=8;while(P3!=0 xff);/如果按鍵還在按下時，則停留在此，等待按鍵抬起P0=tablekk;/將鍵值送到P0口連接的數碼管顯示單片機技術基礎教程與實踐

19、整理ppt示例程序2按鍵控制秒計數（定時器0工作在方式1）。P3口引腳連接按鍵，按鍵按下后，P0口連接的數碼管顯示按鍵號，P1口循環(huán)顯示0按鍵號之間的值，P2_0連接的LED燈亮1s，滅1s。如下程序采用定時器0，方式1工作，由于預裝初值需要時間，所以不是精確計數。變量說明變量說明nn主函數內延遲時間循環(huán)變量kk按鍵值t0隨定時器中斷次數遞增變量nn局部靜態(tài)變量，隨定時器中斷次數增加table共陽數碼管譯碼表單片機技術基礎教程與實踐整理ppt源程序如下：#includeAT89X51.h/文件夾名yuzuo2unsignedintcodetable=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB

20、0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;unsignedintkk=0 x08;unsignedintt0;voidmain()unsignedintnn;TMOD=0 x01;/定時器0，M1M0=01（模式1），gate=0（外中斷不起作用）,C/T=0TH0=0 x3c;/設置TH初值0 x3cb0=65536-50000=15536，50ms中斷一次，每秒中斷20次TL0=0 xb0;/設置TL初值TR0=1;/啟動定時器0ET0=1;/設置中斷使能寄存器，允許定時器0中斷EA=1;/允許所有中斷源中斷while(1)P3=0 xff;/P3口連接8

21、個按鍵作為輸入if(P3)!=0 xff)/如果有鍵按下for(nn=0;nnkk)/由于kk是按鍵值，所以按鍵不同，kk不同，因此延遲時間也不同。t0=0;單片機技術基礎教程與實踐整理ppt示例程序3按鍵控制定時時間的程序（定時器0工作在方式2）。按鍵值kk不同，則t0值的循環(huán)周期不同，因此可以通過kk改變t0，進而改變與t0相關的周期長度。變量說明變量說明nn主函數內延時時間循環(huán)變量kk按鍵值t0隨定時器中斷次數遞增變量nn局部靜態(tài)變量，隨定時器中斷次數增加table共陽數碼管譯碼表單片機技術基礎教程與實踐整理ppt源程序如下：#includeAT89X51.hunsignedintcod

22、etable=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;unsignedintkk=0 x08;unsignedintt0;voidmain()unsignedintnn;TMOD=0 x02;/定時器0，工作模式M1，M0=2（0000，0010），8位、自動重裝定時模式/gate=0（外中斷不起作用）,C/T=0（取時鐘信號）TH0=0 x06;/預置初值6到定時器TH，預置250微秒溢出一次（12MHz）/0.25ms，若是需要定時1s，則需要乘以4000，TL0=0 x06;/預置TL0值TR0=1;/啟動定

23、時器0ET0=1;/允許定時器中斷EA=1;/允許總中斷單片機技術基礎教程與實踐整理pptwhile(1)P3=0 xff;/P3口連接8個按鍵作為輸入if(P3)!=0 xff)/有鍵按下for(nn=0;nnkk)/kk改變t0的循環(huán)周期t0=0;單片機技術基礎教程與實踐整理ppt示例程序4在使用如下的按鍵檢測程序時，可以根據需要按鍵的多少裁減程序。如果需要按鍵按下時起作用，則應該去掉等待按鍵抬起的語句，但是應該注意，若是在狀態(tài)轉移條件中，連續(xù)兩個轉移條件具有相同的鍵值，這可能引起狀態(tài)連續(xù)變化。P3口連接按鍵，P0口連接的數碼管顯示按鍵值。變量說明變量說明nn主函數內延遲時間循環(huán)變量kk按

24、鍵值n0，n1，n2n3,n4,n5,n6,n7各個按鍵按下標志t0隨定時器中斷次數遞增變量nn局部靜態(tài)變量，隨定時器中斷次數增加table共陽數碼管譯碼表單片機技術基礎教程與實踐整理ppt源程序如下：#includeAT89X51.hunsignedintcodetable=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;unsignedintn0,n1,n2,n3,n4,n5,n6,n7;unsignedintkk=8;voidmain()unsignedintnn;while(1)P3=0 xff;/P3口連接8個按

25、鍵作為輸入if(P3_0=0)/P3_0鍵按下for(nn=0;nn1000;nn+);/延時if(P3_0=0)/如果還在按下狀態(tài)，則n0=1，kk=0；否則n0=0，kk=8；n0=1;kk=0;P2_0=0;elsen0=0;while(!P3_0);/等待按鍵抬起單片機技術基礎教程與實踐整理pptif(P3_1=0)/P3_1連接的按鍵處理程序for(nn=0;nn1000;nn+);if(P3_1=0)n1=1;kk=1;elsen1=0;while(!P3_1);if(P3_2=0)/P3_2連接的按鍵處理程序for(nn=0;nn1000;nn+);if(P3_2=0)n2=1;

26、kk=2;elsen2=0;while(!P3_2);if(P3_3=0)/P3_3連接的按鍵處理程序for(nn=0;nn1000;nn+);if(P3_3=0)n3=1;kk=3;/P3_3連接的按鍵處理程序elsen3=0;while(!P3_3);if(P3_4=0)for(nn=0;nn1000;nn+);if(P3_4=0)n4=1;kk=4;/P3_4連接的按鍵處理程序elsen4=0;while(!P3_4);單片機技術基礎教程與實踐整理pptif(P3_5=0)/P3_5連接的按鍵處理程序for(nn=0;nn1000;nn+);if(P3_5=0)n5=1;kk=5;els

27、en5=0;while(!P3_5);if(P3_6=0)/P3_6連接的按鍵處理程序for(nn=0;nn1000;nn+);if(P3_6=0)n6=1;kk=6;elsen6=0;while(!P3_6);if(P3_7=0)/P3_7連接的按鍵處理程序for(nn=0;nn1000;nn+);if(P3_7=0)n7=1;kk=7;elsen7=0;while(!P3_7);P0=tablekk;/P0口連接的數碼管顯示按鍵值單片機技術基礎教程與實踐整理ppt9.4 燈開關類例題燈開關類例題例題例題9-3 設計一個開關燈裝置，該開關燈裝置在按鍵k（P3_0引腳）第一次按下時，三盞燈a、b和c同時點亮，當k再次按下時，a燈立刻熄滅；b燈15s后熄滅，在b燈熄滅18s后，c燈熄滅變量說明變量說明nn主函數內延時時間循環(huán)變量kk按鍵