基于单片机汽车信号灯控制系统的设计.doc

摘 要

在生活环境中，自动控制要求中都会有单片机控制一部分；从简单到复杂，凡是能想象到地方几乎都有使用单片机需求。单片机应用有利于产品小型化、多功能化和智能化，能够提高劳动效率、减轻劳动强度，提升产品质量，改善劳动环境。例如，在工业自动化方面：自动化能使工业系统处于最佳状态、提高经济效益和改善产品质量。自动化控制原理有应用于电子、电力、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，无论数据采集和测控技术，还是生产线上机器人技术，都有单片机参及。有时，在仪器仪表、信息和通信等产品方面，它在其中发挥着重大作用。现在，虽然单片机应用很普遍了，但仍有许多项目尚未实现，所以单片机应用有很大发展空间。
本设计是设计一个单片机控制系统。在汽车进行左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关等操作时，实现对各种信号指示灯控制。本设计主要是对单片机并行输入/输出口电路应用，通过I/O口控制发光二极管亮﹑灭﹑闪烁，加上一些复位电路﹑按键电路﹑驱动电路来模拟汽车尾灯功能。
汽车在驾驶时有左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关等操作。在左转弯或右转弯时，通过转弯操作杆应使左转开关或右转开关合上，从而使左头灯、左尾灯或右头灯、右尾灯闪烁；合紧急开关时要求前面所述4个信号灯全部闪烁；汽车刹车时，两个尾灯点亮。

目 录
1.绪论 1
1.1设计意义 1
1.2设计内容 1
1.3设计过程 1
2.设计原理分析及实现 2
2.1系统简介 2
2.2硬件组成 2
2.3设计原理 3
3.应用软件简介 4
3.1单片机简介 4
3.2 AT89C51单片机简介 4
3.3 Proteus软件介绍 8
4.硬件设计 10
4.1 AT89C51芯片图 10
4.2汽车信号灯控制电路 10
4.2.1硬件接线图 10
4.2.2复位电路 11
4.2.3显示电路 11
4.2.4按键电路 12
4.2.5振荡电路 13
4.3 Proteus仿真结果 14
5.软件设计 17
5.1汽车信号灯控制程序 17
5.2汽车信号灯控制程序流程图 19
5.3利用伟福软件编译程序图 20
5.3.1伟福软件简介 20
5.3.2伟福软件编译程序图 21
6.心得体会 22
7.参考文献 23

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1.绪论
1.1设计意义
利用单片机控制汽车信号灯，通过所学知识进行软硬件设计，提高各方面技能，巩固对理论知识掌握，把理论知识应用到实际中。使生活更方便、安全。

1.2设计内容
本系统中要求设计汽车信号灯控制系统，在驾驶汽车时有左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关、四个操作；所以可以用四个开关来模拟这几个操作，当单片机检测到相关操作后，然后判断属于那一类操作，再通过软件来驱动控制相应信号灯闪烁。以此来实现对汽车信号灯控制。当合上左转弯开关后，仪表板左前灯、左尾灯闪烁；当合上右转弯开关后，仪表板右前灯、右尾灯闪烁。当刹车开关合上时，两侧尾灯闪烁；在紧急开关合上后，所有灯都闪烁。

1.3设计过程
1.先编译软件程序；
2.执行软件程序；
3.用Proteus画出硬件图，引入软件程序并运行。

2.设计原理分析及实现
2.1系统简介
该课设是基于单片机利用开关控制二极管亮暗来实现。是一个典型控制系统。

开关
控制
AT89C51
单片机

信号灯
驱动
左转右转信号
紧急或刹车信号

图2-1 系统结构

2.2硬件组成
汽车信号灯控制硬件电路元器件如表2-1。

名称
代号
数量
单片机
U1
1
晶振
B
1
发光二极管
RR、RH、LH、LR
4
按钮
SB0~SB4
5
电阻
R1~R4、R9、R10
6
电阻
R5~R8
4
电容
C3
1
电容
C1、C2
2
单片机电源
VCC
1
表2-1 汽车信号灯控制硬件电路元器件表

2.3设计原理
利用单片机控制汽车信号灯，硬件电路比较简单，并可以通过软件完成所需要控制功能。以下是利用单片机控制四个汽车信号灯，它们分别为左尾灯LR、左前灯LH、右前等RH、右尾灯RR。4个按键SB1、SB2、SB3、SB4，它们分别是左拐弯键、刹车键、紧急信号键、右拐弯键。汽车信号灯控制功能见表2-2。

按 键
键 名
动 作
SB1
左拐弯
左前灯LH、左后灯LR闪烁
SB2
刹车
左前灯LR、右后灯RR闪烁
SB3
紧急信号
4个灯闪烁
SB4
右拐弯
右前灯RH、右后灯RR闪烁
表2-2 汽车信号灯控制功能表

3.应用软件简介
3.1单片机简介
单片机是一种集成在电芯路片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成一个小而完善计算机系统。
诚然，单片机应用意义远不限于它应用范畴或由此带来经济效益，更重要是它已从根本上改变了传统控制方法和设计思想。是控制技术一次革命，是一座重要里程碑
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1. 在智能仪器仪表上应用；
2. 在工业控制中应用；
3. 在家用电器中应用；
4. 在计算机网络和通信领域中应用；
5. 单片机在医用设备领域中应用；
6. 在各种大型电器中模块化应用；
7. 单片机在汽车设备领域中应用。

3.2 AT89C51单片机简介
AT89C51是ATMEL公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes可反复擦写和只读程序存储器（PEROM）和128 bytes随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。其引脚图如图3-1所示。其主要性能参数为：
及MCS-51产品指令系统完全兼容
4k字节可重擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作：0Hz-24MHz
三级加密程序存储器
128 X 8字节内部RAM
32个可编程I/O口线
2个16位定时/计数器
6个中断源
可编程串行UART通道
低功耗空闲和掉电模式

图3-1 AT89C51引脚图
AT89C51提供以下标准功能:4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可隆至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一硬件复位。
引脚功能说明:
Vcc：电源电压
GND：地
P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总路线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
中断控制
片内Flash
存储器
片内
RAM
ETC
定时器1
定时器0
CPU
振荡器
总线控制
I/O接口
串行接口
P0 P2 P1 P3
外部中断
TXD RXD
计数器

输出
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线从那时起转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

图3-2 AT89C51内部结构图

P1口:P1是一个内部带上拉电阻8位双向I/O口，P1输出缓冲级可
驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路.对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，些时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口：P2是一个带有内部上拉电阻8位双向I/O口，P2输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路.对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，些时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR指令)时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址外部数据存储器(如执行MOVX @RI指令)时，P2口线上内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器内容)，在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻8位双向I/O口，P2输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写”1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，些时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
P3口除了作为一般I/O口线外，更重要用途是它第二功能，如下所示：
I/O口线
专用功能
P3.0
RxD(串行数据接收)
P3.1
TxD(串行数据发送)
P3.2
INT0(外部中断0请求输入)
P3.3
INT1(外部中断1请求输入)
P3.4
T0(定时器0外部计数脉冲输入)
P3.5
T1(定时器1外部计数脉冲输入)
P3.6
WR(外部数据存储器写信号)
P3.7
RD(外部数据存储器读信号)
表3-1 P3口功能

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验控制信号。
RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存许器)。输出脉冲用于锁存地址低8位字节.即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率1/6输出固定正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目。要注意是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中8EH单元D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被除数激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
PSEN:程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效PSEN信号不出现。
EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，EA端必须保持低电平(接地)。需注意是:如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端)，CPU则执行内部程序存储器中指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V编程允许电源Vcc，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vcc。

3.3 Proteus软件介绍
本软件是英国Labcenter electronics公司出版EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好仿真单片机及外围器件工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学教师、致力于单片机开发应用科技工作者青睐。Proteus是世界上著名EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机及外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS原理图中看到模拟实物运行状态和过程。PROTEUS 是单片机课堂教学先进助手。
PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验效果，后者则是实物演示实验难以达到效果。它元器件、连接线路等却和传统单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统单片机实验教学功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。 　　
课程设计、毕业设计是学生走向就业重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比大量元器件库，提供了修改电路设计灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神平台 　　随着科技发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程统一特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛应用。

4.硬件设计
4.1 AT89C51芯片图

图4-1 AT89C51芯片图
4.2汽车信号灯控制电路
4.2.1硬件接线图

图4-2 硬件接线图
4.2.2复位电路
电平复位将复位端通过电阻及Vcc相连，按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位。在按键电平复位和按键脉冲复位两种简单复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下，不会造成单片机错误复位，但会引起内部寄存器错误复位，这里可在复位端引脚上接一个去藕电容。
电阻、电容参数适宜于12MHz晶振，能保证复位信号及电平持续时间大于2个机器周期。我们采用按键电平复位方法，电路如图4-3。

图4-3 复位电路
4.2.3显示电路
LED具有二极管特性，但在导通之后会发光，称之为发光二极管。及普通灯泡一样，LED导通后，随着其俩端电压增加，电流急剧增加，所以，必须给LED串联一个限流电阻，否则一旦通电，LED会被烧坏。要用89c51单片机来控制LED，显然这个LED必须要及89c51单片机某个脚相连。这里把LED及89c51单片机P0脚相连。，当AT89c51单片机第1脚是高电平时，LED不亮，当第1脚是低电平时，LED亮。但是在汽车转弯灯里要根据汽车方向来控制信号灯，而实现LED亮及灭。

图4-4 显示电路
4.2.4按键电路
根据设计要求，本设计选用独立式键盘。其工作原理为，单片机引脚作为输入使用，首先置“1”。当键没有被按下时，单片机引脚上为高电平；而当键被按下去后，引脚接地，单片机引脚上为低电平。是否有键按下，以及被按下是哪一个组成键盘按键有触点式和非触点式俩种。如图2.9所示。当开关D断开时，P1.0输入为高电平；D闭合后，P1.0输入为低电平。如图2.10所示是电路板上按键接法，5个按键分别接到P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4。对于这种接法，各程序可以采用不断查询方法，其功能就是：检测是否有键闭合，判断键号并转入相应键处理。

图4-5 按键电路
4.2.5振荡电路
采用单片机内部晶振。如图2.4所示。在MCS-51系列单片机内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片外部XTAL1和 XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定自激振荡器。外接晶体（石英或陶瓷，陶瓷精度不高，但价格便宜）振荡器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器反馈回路中， C1和C2大小会对振荡器频率高低、振荡器稳定性、起振快速性和温度特性有一定影响。因此建议在采用石英晶体振荡器时C=10+/-10pF，陶瓷振荡器时，C=40+/-10pF，典型值为40pF。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量安装得及单片机靠近，以减小寄生电容存在更好保障振荡器稳定、可靠工作。

图4-6 振荡电路
4.3 Proteus仿真结果
按下SB1左拐弯键，左前灯LH、左后灯LR闪烁：

图4-6 仿真结果（1）
按下SB2刹车键，左后灯LR、右后灯RR闪烁：

图4-7 仿真结果（2）
按下SB3紧急信号键，四个灯闪烁

图4-8 仿真结果（3）
按下SB4右拐弯键，右前灯RH、右后灯RR闪烁:

图4-9 仿真结果（4）

5.软件设计
5.1汽车信号灯控制程序
程序开始
ORG 000H
AJMP 主程序
ORG 0050H
主程序：
MOV R1，#00H
SB1键控制程序：
MOV P1，#0FH
JB P3.3，SB2键控制程序
MOV R0，#0CH
ACALL 闪灯程序
SB2键控制程序：
MOV P1，#0F0H
JB P3.2，SB3键控制程序
MOV R0，#09H
ACALL 闪灯程序
SB3键控制程序：
MOV P1，#0F0H
JB P3.1，SB4键控制程序
MOV R0，#0FH
ACALL 闪灯程序
SB4键控制程序：
MOV P1，#0F0H
JB P3.0，查询完毕
MOV R0，#03H
ACALL 闪灯程序
查询完毕：
AJMP 主程序
RET
闪灯程序：
MOV R4，#10H
闪烁循环程序：
MOV P1，R0
ACALL 延时子程序
MOV P1，R1
ACALL 延时子程序
DJNZ R4 闪烁循环程序
RET
延时子程序：
MOV A，#0FFH
延时子程序第一段循环：
DEC A
JNZ 延时子程序第一段循环
DJNZ R3， 延时子程序第一段循环
RET
END
程序结束

5.2汽车信号灯控制程序流程图

主程序开始
灯全灭
SB1键按下
R0 #0CH
左灯亮码传入R0
调闪烁子程序
灯全灭
SB2键按下
R0 #09H
后灯亮码传入R0
调闪烁子程序
灯全灭
SB3键按下
R0 #0FH
4个灯亮码传入R0

调闪烁子程序
灯全灭
SB4键按下
R0 #03H
右灯亮码传入R0

调闪烁子程序

图5-1 汽车信号灯控制程序流程图

5.3利用伟福软件编译程序图
5.3.1伟福软件简介
伟福纯仿真软件是伟福仿真器配套软件，伟福仿真器是国内较好仿真器之一，它能够仿真 CPU 品种多、功能强。通过更换仿真头 POD，可以对不同 CPU 进行仿真。可仿真 51 系列，196 系列，PIC系列，飞利蒲公司 552、LPC764、DALLAS320，华邦 438 等 51 增 强型CPU。
伟福纯软件仿真器具有以下特点：
１.双平台：有 DOS 版本和 Windows 版本。其中 Windows 版本功能强大。中文界面，英 文界面可任选。
２.双工作模式：软件模拟仿真（不要仿真器也能模拟仿真）和硬件仿真。
３.双集成环境：编辑、编译、下载、调试全部集中在一个环境下。多种仿真器，多类 CPU 仿真全部集成在一个环境下。 这里只说明 Windows 版本纯软件模拟仿真使用方法。
5.3.2伟福软件编译程序图

图5-2 伟福软件编译程序图

6.心得体会
经过十天设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富激情到最后汗水背后复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。生活就是这样，汗水预示了结果也见证了收获。劳动是人类生存生活永恒不变话题。通过课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们社会付出。在设计过程中，经常会遇到这样那样情况，就是心里想着这样编程可以行得通，但实际运行后，总是实现不了，因此耗费在这上面时间用去很多。做课程设计同时也是对课本知识巩固和加强，由于课本上知识太多，平时课间学习并不能很好理解，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我从根本上了解了很多很多知识点，并且对于它们在实际中应用有了更多认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。平时看课本，这次看了，下次就忘了，认识来源于实践，实践是认识动力和最终目，实践是检验真理唯一标准。所以这个期末测试之后课程设计对我作用是非常大。
在设计过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样问题，同时在设计过程中发现了自己不足之处，对以前所学过知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过这次课程设计使我懂得了理论及实际相结合是很重要，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识及实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己实际动手能力和独立思考能力。
同时我认为我们工作是一个团队工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作精神。某个人离群都可能导致整项工作失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够，必须让每个人都知道，否则一个人错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功一项非常重要保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵。对我们而言，知识上收获重要，精神上丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好回忆！
7.参考文献
[1] 孙育才《单片微型计算机及其应用》东南大学出版社 2004
[2] 胡汉才《单片机原理及其接口技术》清华大学出版社 2004
[3] 张毅刚《MCS-51单片机原理及应用》哈尔滨工业大学出版社 1990
[4] 李朝青《单片机原理及接口技术》（简明修订版）北京航空航天大学出版社 1998
[5] 余孟尝《数字电子技术基础简明教程》高等教育出版社 2007
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[7] 梁廷贵《现代集成电路实用手册》科学技术文献出版社编著 2006
[8] 晁阳《单片机MCS-51原理及应用开发教程》清华大学出版社 2007
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[10]王勇 叶敦范《基于AT89S51 便携式实时温度检测仪》 2008