车灯智能控制系统

摘要

进入90年代，电子技术取得了巨大的进步，电子元器件的体积变得很小，重量减轻，电能的消耗进一步降低。由于微处理器功能的增强，计算速度提高了几倍，价格也变得非常便宜，特别是可靠性得到了极大的提高，为用电子技术改造传统的汽车创造了条件。汽车在驾驶时有左转弯、右转弯刹车合紧开关停靠等基本操作。传统的手动控制系统存在一个致命漏洞：车灯完成上述动作后司机还需要进行复位操作才能使其恢复到初始状态。通常情况下，司机很容易忘记关闭转向灯,这就成为发生交通事故的一大隐患。为解决此问题，运用车灯智能控制系统对汽车转向灯进行控制，取到很好的效果。

完成此功能可以有三种设计方案：第一种是利用数字逻辑电路来实现，但这种方案所需硬件设备较多、造价高、电路复杂、难以维护；第二种方案是利用模拟电路来实现，此种方案虽然电路不是很复杂，硬件要求也不是很高，但它利用的是开关的机械传动理论，很容易引起机械误差，也很难维护；第三种是利用单片微机，通过软件控制来完成的装置，利用单片微型计算机来控制汽车前灯和尾灯的点亮和闪烁，能让汽车的前灯和尾灯根据需要自动点亮和熄灭。实践表明，该系统不仅从根本上解决了传统的手动控制汽车尾灯的诟病，完成了汽车转向灯的自动化控制，而且电路简单，对硬件设备的要求不是很高，且造价低，便于维护。

关键词:单片机,转向灯,程序,自动控制

Abstract

Entering the 1990s, having made enormous progress in electronic technology, the volume of the electronic devices and components became very small, weight lightens, the consumption of the electric energy is reduced further. Because of the enhancement of the function of the microprocessor, the computational speed has raised several times, the price becomes very cheap too, especially dependability has got great improvement, for transforming the traditional automobile and creating the condition with electronic technology. The automobile has left that turns , turns and brakes to shut the tight switch to stop etc. and operate basically in right while driving. The traditional manual control system has a deadly loophole: The driver needs to be restored to the throne and operated enabling it’s resuming the initial state after the car light finishes above-mentioned movements. Generally, the driver is very apt to forget to close the steering light, this becomes a great hidden danger of the traffic accident. In order to solve this problem , use the intelligent control system of the car light to control the steering light of the automobile, fetch to very good result.

There can be three kinds of design plans in this function to finish: The first kind makes use of digital logical circuit to realize, but this kind of scheme necessary hardware equipment is more, the fabrication cost is high, the circuit is complicated , difficult to maintain; The second kind of scheme is to make use of simulation circuit to be realized, though the circuit is not very complicated for this kind of scheme, the hardware requires it is not very high, but what it utilized is the mechanical drive theory of the switch, it is very apt to cause the mechanical error, very difficult to safeguard; The third kind utilizes the single slice of computers, control the device finished through the software, make use of single slice of microcomputers to control the lighting and glimmering of automobile headlight and taillight , make the headlight and taillight of the automobile light and go out automatically according to the need. Practice indicates , should not merely solve traditional controlling the condemning of the automobile taillight systematically manually fundamentally , the automation of finishing the steering light of the automobile is controlled, and the circuit is simple, the requisition for hardware equipment is not very high, and the fabrication cost is low , easy to safeguard.

Keyword: MCU, Steering light, program , automaticallies control

目录

摘要................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... I I 1绪言

1.1选题背景 (1)

1.2课题研究的目的 (1)

1.3国内外概况 (1)

1.4课题研究的主要工作 (8)

2系统设计方案的研究

2.1设计任务 (9)

2.2系统实现方案分析 (9)

3总体设计

3.1具体电路设计 (12)

3.1.1 芯片简介 (12)

3.1.2 MCS-51系列单片机的指令系统 (15)

3.1.3汇编语言简介 (16)

3.1.4 单元电路设计 (17)

3.2应用软件设计 (18)

3.3系统试运行 (18)

4数据计算及仿真

4.1闪烁信号的产生 (20)

4.2仿真及结果分析 (20)

总结与展望 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

附录 (26)

1 绪言

1.1选题背景

进入90年代，电子技术取得了巨大的进步，电子元器件的体积变得很小，重量减轻，电能的消耗进一步降低。由于微处理器功能的增强，计算速度提高了几倍，价格也变得非常便宜，特别是可靠性得到了极大的提高，为用电子技术改造传统的汽车创造了条件[1]。汽车在驾驶时有左转弯、右转弯、刹车、停靠等基本操作。传统的手动控制系统存在一个致命漏洞：车灯完成上述动作后司机还需要进行复位操作才能使其恢复到初始状态。通常情况下，司机很容易忘记关闭转向灯,这就成为发生交通事故的一大隐患。为解决此问题，运用车灯自动控制系统对汽车转向灯进行控制，取到很好的效果。

1.2课题研究的目的

通过设计基于MCS-51单片机控制的汽车转向灯，加深对单片机技术和电子技术的理论学习，并通过实物设计掌握单片机和电子技术的应用。

1.3国内外概况

(1)汽车灯产生的背景

据说第一个汽车前大灯是家用手提灯。1887年, 一个驾驶员在黑暗的旷野上迷路时，一位农民用手提灯把他引回家。1898年，哥伦比亚号电动汽车把电用于前灯和尾灯，这样车灯就诞生了。最初的前大灯不能调光，所以在会车时有些晃眼，为了克服这个缺点，后来采用了附加光度调节器。这种前大灯可以在垂直方向移动，但驾驶员必须下车搬动夹具装置。1906年，世界上第一次用一个蓄电池供电的电灯照明，汽车转向灯得以快速发展并普及。1909年，首次把乙炔灯作为变光装置。转向信号灯的使用非常有趣，1916年，美国一个名叫C·H·托马斯的人把一带电池的灯泡装在手套上，这样夜间行车时，对方驾驶员就能看到他打的手势；同年，美国使用了行车灯。1920年，当选用倒档装置时，开始使用倒车灯。1920年，美国通用汽车公司首先装了内灯。1925年，导航公司推广了双丝灯泡，远光和近光的调节通过装在转向柱上的开关来控制。1926年，通用汽车公司把大灯变光开关从方向盘移到地板。1938年，第一次采用封闭的内灯；同年，别克汽车制造商提供了转向灯作为选用的附件，但当时只在汽车尾部安装。到1940年以后，汽车前面也装有转向信号灯了，而且信号开关具有随时调节的功能。1998年，美国电气公司将电灯抛物面反射镜推广于大灯，侧灯和尾灯[2]。

(2)单片机的发展历程

微型计算机的出现是电子数字计算机广泛应用到人们日常工作、生活领域中去的一个重大转折点。它已深入应用到非微型计算机所无法应用的领域,对社会产生了极大的影响。单片微型计算机是微型计算机发展中的一个重要分支,它以其独特的结构和性能,越来越普及地应用到国民经济的各个领域[3]。

单片微型计算机简称为单片机，它在一块芯片上集成了中央处理部件(CPU)、存储器(RAM、ROM)、定时器/计数器和各种输入/输出接口，可见单片机就是一台计算机。由于单片机原来就是为了实时控制应用而设计制造的,因此,又称微控制器[4]。

1974 年,美国仙童(Fairchild)公司研制的世界第一台单片微型机F8，该机由两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此,单片机开始迅速发展,应用领域也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支[5]。单片机的发展经历了以下几个发展过程：

①第一代单片机(1974-1976):这是单片机发展的起步阶段，在这个时期生产的单片机特点是：制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形式。典型的代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。

②第二代单片机(1976-1978):这是单片机的第二发展阶段，这个时代生产的单片机随之已能在单块芯片内集成CPU、并行口、定时器、RAM和ROM等功能部件,但性能低、品种少、应用范围也不是很广,典型的产品有Intel公司的MCS-48系列机。1976年9月Intel公司推出MCS-48单片机后，单片机就受到了大用户的欢迎。由于其应用广泛，因此使各有关公司都争相推出各自的单片机。如GI 公司推出PIC1650系列单片机，ROCKWELL公司也推出了与6502微处理器兼容的R6500系列单片机，他们都是8位单片机，片内有8位中央处理器(CPU)、并行I/O口、8位定时器/计数器和容量有限的存储器(RAM，ROM)以及简单的中断功能。

1978年下半年MOTOTOLA公司也推出M6800系列单片机，ZILOG公司相继推出Z8单片机系列。1980年INTEL公司在MCS-48系列基础上又推出了高性能的MCS-51系列单片机。这类单片机均带有串行I/O口，定时器/计数器为16位，片内存储容量(RAM、ROM)都相应增大，并有多优先级中断处理功能。

③第三代单片机(1979-1982):这是八位单片机成熟的阶段，这一代单片机和前两代相比,不仅存储容量和寻址范围大,而且中断源、并行I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全双工穿行通信接口电路。在指令系统方面,普遍增设了乘除法和比较指令。这一时期生产的单片机品种齐全,可以满足各种不同领域的需要。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机,Motorola公司的MC6801系列机,TI公司的TMS7000系列机，此外,Rockwell、NS、GI和日本松下等公司也先后生产了自己的单片机系列。

1982年MOSTEK公司和Intel公司先后推出了性能更高的16位单片机

MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分别在原来的8位单片机的基础上推出了16位单片机HPC16040和μPD783××系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196，1988年推出带EPROM的87C196单片机。由于16位单片机的推出时间较迟，价格昂贵，开发设备有限等多种原因，至今还未得到广泛的应用。而8位单片机已能满足大部分应用的需要，因此，在推出16位单片机的同时，高性能的新型8位单片机也不断问世。如MOTOROLA公司推出了带A/D转换和多功能I/O的68MC11系列，ZILOG公司推出了带有DMA功能的SUPER8，Intel公司在1987年也推出了带DMA和FIFO的UPI-452等。

④第四代单片机(1983年以后):这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代,十六位机的特点是,工艺先进,集成度高和内部功能强,加法运算速

度可达到1us以上,而且允许用户采用面向工业控制的专用语言,如PL/MPLUS C 和Forth语言等.代表产品有Intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900,NEC 公司的783××系列和NS公司的HPC16040等。

目前国际市场上8位，16位单片机系列已有很多，但是，在国内使用较多的系列是Intel公司的产品，其中又以MCS-51系列单片机应用尤为广泛。

然而,由于十六位单片机价格比较贵, 销售量不大,大量应用领域需要的是

高性能,大容量和多功能新型八位单片机.这些单片机有Intel公司的88044(双CPU工作),Zilog公司的Super8(含DMA通道),Motorola公司的MC68CH11(内含E2prom及A/D电路)和WDC公司的65C124(内含网络接口电路)等等[6]。

目前,八位高性能单片机已成为主流,单片机发展具体体现在以下几个方

面:CPU功能增强；内部资源增多；引脚的多功能化；低电压低功耗化。

现在单片机可以说是百花齐放、百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地[7]。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

①CPU的发展

增加CPU的字长或提高时钟频率均可提高CPU的数据处理能力和运算速度。CPU的字长已有8位，16位和32位。时钟频率高达20MHZ的单片机也已出现。还有的8位单片机其算术逻辑运算部件(ALU)却是16位内部采用16位数据总线。如NEC公司的μPD7800系列的8位单片机，MITSUBISI公司的M37700系列单片机。他们的数据处理能力和速度比一般8位单片机强，如μPD7800系列单片机作一次16位乘以16位的乘法用3.2μS。16位除以8位的除法用3.0μS。32位除以16位的除法用8.3μS。另外，单片机内部采用双CPU结构也能大大提高处理

能力，如ROCKWELL公司的R6500/21和R65C29单片机。由于片内有两个CPU能同时工作，可以更好地处理外围设备的中断请求，克服了单CPU在多重高速中断响应时的实效问题。如INTEL公司的8044，它的内部实际上是由8051和SIU通信处理鸡组成，由SIU来管理SDLC的通信。这样既加快了通信处理的速度，同时，还减轻了8051的处理负担。

②片内存储器的发展

ⅰ>早期单片机的片内存储器，一般RAM为64—128字节，ROM为1K-2K字节，寻址范围为4K字节。新型单片机片内RAM为256字节，ROM多达16K字节。

如INTEL公司的8052，片内ROM为8K字节。通用仪器公司的70120片内ROM 容量为12K字节。片内ROM容量最大的是日立公司的MC6301Y为16K字节。新型单片机的寻址范围可扩大到64K字节，甚至128K字节(其中随机存储器RAM容量为64K字节，只读存储器ROM容量64K字节)。这类单片机有INTEL公司的MCS-51系列和ZILOG公司的Z8601，Z8603，Z8611，Z8681等。

ⅱ>片内EPROM开始E2PROM化

早期单片机内ROM有的采用可擦式的只读存储器EPROM，然而EPROM必须要高压编程，紫外线擦除，给使用带来不便。近年来，推出的电擦除可编程只读存储器E2PROM。可在正常工作电压下进行改写，并能在断电的情况下，保持信息不丢失。因此，有些厂家开始用EEPROM替代原来的片内EPROM。如TI公司和SEEQ 公司的72710(1K字节E2PROM)，72720(2K字节E2PROM)，MOTOROLA公司的

68HC11A2(2K字节E2PROM)，68HC805C4(2K字节E2PROM)，TEXAS仪器公司的

77C82(8K字节E2PROM)。由于写入E2PROM的数据能永久保存，因此，有些厂家已开始将E2PROM用作片内RAM，甚至用作片内通用存储器。这样就可省去备用电池了。

ⅲ>片内程序的保密措施

为了使片内EPROM(或EP2ROM)内容不被复制，因此，一些厂家对片内EPROM(或E2PROM)采用加锁技术，如INTEL公司8×252,加锁后的EPROM(或

E2PROM)的程序只能供片内CPU读取，不能从片外读取。否则必须先开锁，开锁时，CPU先自动擦除EPROM(或E2PROM)中的信息，达到了程序保密的目的。

③加强片内输入输出接口的功能

最初的单片机，片内只有并行输入/输出接口，定时器/计数器，他们的功能也较差，在实际应用中往往还要通过特殊的接口扩展功能，增加应用系统结构的复杂性。

近几年来，新型单片机内的接口，无论从类型和数量上都很大的发展。这不仅大大提高了单片机的功能，并使系统的总体结构也大大简化了，例如，有些单片机的平行I/O口，能直接输出大电流和高电压，可直接用以驱动荧光显示管

(VFD)，液晶显示管(LCD)和七段数码显示管(LED)等。这样就减少了应用系统中的驱动器。再如有些单片机，片内含有A/D转换器则在实时控制系统中可省掉外部A/D转换器。

目前，在单片机中已出现的各类新颖接口有数十种：如A/D转换器。LED驱动器，VFD驱动器，正弦波发生器，声音发生器，字符发生器，波特率发生器，锁相环，频率合成器，脉宽调制器等，虽然一个单片机内只含有若干接口，但其功能却比初期的单片机强得多。如INTEL公司的UPI-452，它含有两个DMA控制器和128字节的FIFO缓冲器。因此，用它可作高速主机(80286/80386)的通用外设接口。例如以UPI-452中的128字节的FIFO作为高速主机与慢速传送数据的缓冲器，然后通过UPI-452中的DMA控制器进行快速数据传送。

④单片机在工艺上的提高

单片机的制造工艺直接影响其性能。早期的单片机采用PMOS工艺。目前8位单片机中有二分之一产品已CMOS化，16位单片机也已开始推出CMOS产品。如68HC200，80C196等。为了进一步降低功耗，日立公司的HD63705和RCA公司的CDP6805E2还设有等待和停止两种工作方式。等待方式时，震荡器工作，CPU 停止，存储器和寄存器的内容不变。停止方式时，震荡器和CPU都停止工作，存储器和寄存器内容也不变。等待方式时，由于CPU停止工作，使单片机的总功耗大为下降。停止方式时，则单片机的功耗最小，例如RCA公司的CDP8605E2，在5V工作电压下，正常功耗为35MW，等待方式和停止方式时的功耗分别仅为5MW 和5μW。

此外，采用CMOS工艺的单片机，其工作电源范围较宽。如用NMOS工业的单片机，工作电源一般为4.5-5.5V。采用COMS工艺的单片机，如RCA公司的CDP1804AC为4-6.5V。功耗大小与电源电压成正比，所以降低电源电压即可降低功耗，但是降低电压会降低指令执行速度，也即降低单片机的运算速度。故一般希望在一定速度的前提下，尽量降低工作电压以减小功耗。

随着新型单片机片内接口电路的增多，外引脚也增多。为减少外引脚线，目前主要采用两种方法，其一是采用新颖的通信总线以减少外引线。另外是改进外封装。如采用扁平引脚封装，方形引脚封装和叠背式封装，它们的引脚都比双列直插式封装要多得多。

⑤片内ROM中固化应用软件和系统软件

将一些应用软件和系统软件固化于片内ROM中，以便简化用户编制用户程序，为用户开发和应用提供方便。如RUPI-44系列单片机，把通信控制软件固化在片内，使用户的通信程序大大简化。又如INTEL公司在有的MCS-51单片机内固化PL/M51语言，在8052BH中固化了BASIC解释程序，用户不仅可以用汇编语言编程，还可以BASIC语言编程等。而且还允许BASIC语言和汇编语言相互调用。

需要快速控制时，可以用汇编语言，如采样，A/D转换等。在做复杂的数据运算时，则又可以用汇编语言来调用BASIC中现成的运算子程序。可见它既能满足速度方面的要求，又能简化用户编程。再如RCA公司的68HCO5D2在片内固化了键盘管理程序，甚至在CDP1804P内固化了PASCAL语言等[8]。

单片机的技术还在不断发展，新型单片机还将不断涌现。当前单片机的产量占整个微机产量的80%以上。在我国低档8位单片机于80年代初就开始应用，目前已转向高档8位单片机的应用，也有不少单位已转向16位弹片机的开发和应用。

①MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

②微型单片化。现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

③主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路[9]。

当今,计算机技术带来了科研和生产的许多重大飞跃,微型计算机的应用已

经渗透到生产,生活的各个方面。其中单片机虽然问世不久,然而体积小、廉价、

功能强,其销售额以每年近80%的速率增长。它的性能不断提高,适用范围越来越宽,在计算机应用领域已经占有日益重要的地位[10]。

单片微型计算机简称单片微机或单片机,又称微控制器。它是在一块半导体芯片上,集成了CPU、ROM、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件,构成了一台完整的数字电子计算机。由于集成电路技术的进步,片内甚至还可包含HSO、HIS、A/D转换器、PWM等称为“片内外设”的特殊功能部件。随着单片机功能的增强,由单片机构成的计算机应用系统的功能也日益增强。它一样可以配用打印机、绘图仪、CRT等外围设备,一样可以联网。特别是1987年Intel公司在MCS-96的基础上继续推出了MCS-196,又陆续出现了许多新趋向,例如HSO、HIS 发展为EPA；数据传送有了PTS；配合大功率晶体管的应用,有了波形发生器,拓展了在电气传动领域的突出地位,并使它不断拓宽应用范围,增添了新的活力。

单片机的应用结束了计算机专业人员“垄断”计算机系统开发与应用时代,它既给各种专业人员,特别是许多工程技术人员带来了学习和掌握计算机技术(不单操作使用)的紧迫性,同时也带来了可能性,因为组成计算机应用系统变得容易,平凡,增强了人们进入这一领域的自信心。

单片机的特点：

单片机芯片集成度很高,它将微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上,具有下列特点：

①体积小,重量轻,价格便宜,耗电少；

②根据工控环境要求设计,且许多功能部件集成在芯片内部,其信号通道受外界影响小,故可靠性高,抗干扰性能优于采用一般的CPU；

③控制功能强,运行速度快.其结构组成与指令系统都着重满足工控要求.有极其丰富的条件分支转移指令,有很强的位处理功能和I/O口逻辑操作功能；

④片内存储器的容量不可能很大,引脚常不够用,且兼第二功能以至第三功能.但存储器和I/O接口都易于扩展。

单片机是在一块芯片上集成了一台计算机所需的CPU、存储器、输入/输出部件和时钟电路等。因此它具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的环境下，可靠的工作等特点。所以说单片机是近来计算机领域内崛起的一棵新苗。特别是它的强大的面向控制的能力,使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛的应用。1983年9月在巴黎召开的第九届世界计算机会议上,对单片机的发展和应用给予了充分肯定,认为8位单片机向多功能,低功耗,低价格的方向发展将逐步取代模拟控制的趋势,整个工业设备和工艺将进行一次以普及应用微机为特征的技术改造[11]。

单片机主要可用于以下几个方面

ⅰ>因为它具有“小,轻,兼,省”的特点,尤其耗电少,又可使供电电源的体积小,重量轻,所以特别适用于“电脑型产品”,在家用电器,玩具,游戏机,声像设备,电子称,收银机,办公设备,厨房设备等许多产品上得到应用；

ⅱ>适用于仪器,仪表,不仅能完成测量,还具有处理(运算,误差修正,线性化,零漂处理),监控等功能,易于实现数字化和智能化；

ⅲ>有利于“机电一体化”技术的发展,多用于数控机械,缝纫机械,医疗设备,汽车等；

ⅳ>广泛应用于打印机,绘图仪等许多计算机外围设备,特别是用于只能终端,可大大减轻主机负担；

ⅴ>用于各种工业控制,如温度控制,液面控制,生产线顺序控制等；

ⅵ>宜于多机应用.例如机床加工中心,其各种功能可分散由各个单片机子系统分别完成,上级主机则负责统一管理,协调.又如要求较高的数据检测采集系统,每一采集通道如是一个单片机子系统,可实现多点同时快速采集和预处理,然后

再由主机进行集中处理和控制,以构成大型的实时测控系统[12]。

上面的归纳还不算完整,但已可知单片机的应用已渗透到国民经济的各个领域,极大地推动了计算机技术的普及,而且可以预期,随着单片机性能的进一步提高,它的应用将更趋广泛.它对我国许多产品的升级换代,工厂企业设备更新将起着十分巨大的作用。

1.4课题研究的主要工作

（1）系统硬件电路设计、组装、调试；

（2）系统应用软件的编制、调试；

（3）系统应用软件的链接调试、固化、脱机(脱离开发装置)运行。

2 系统设计方案的研究

2.1 设计任务

（1）设计内容

在各种操作时信号灯应输出的信号见表2.1。

（2）设计要求

①根据技术指标要求及实验条件自选方案设计出原理电路图，分析工作原理。

②安装调试所设计的电路，使之达到设计要求。

③记录实验结果

④撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。

2.2 系统实现方案分析

实现上述功能，可以有三种设计方案。各个方案具体分析如下：

方案一：用数字逻辑电路来完成

使用数字逻辑电路完成设计所需要器件如下：本设计可采用、74LS32四2输入端或门一片、75451 两路二输入与门、74LS05反向器一片、导线若干。

图2.1为此方案实现上述功能最简单的接法。由图可见用数字逻辑电路设计，所用硬件少、造价低，但电路复杂，难以维护。特别是转向时难以确定、准确度低，基本无法达到系统设计要求。

方案二：用模拟电路来实现。

设计图如图2.2所示：

原理：

图2.1 用数字逻辑电路完成的汽车转向灯控制系统

图2.2用模拟电路完成的汽车转向灯控制系统

按本方案设计的汽车转向灯电路,能在20s左右自动关闭转向灯电源,从而

避免因忘记关闭转向灯使导致交通事故。利用电容器的充放电原理,如按一下按纽开关AN1,电源E对C1充电,BG1导通J1吸合,左转向灯亮；当C1两端电压通过R1、R2放电至小于BG1导通电压时,BG1截止,J1释放使转向灯自动关闭.灯亮时间取决于R3、R2、C1。同理，AN2控制右转弯的灯。为了防止刚左转弯后又向右转弯,此时左灯还亮,AN2和AN3连动,向右转时短路C1,反之依然。注意不能同时按下AN1、AN2,以免电源短路。

方案三：用单片机系统实现。

使用单片机系统完成设计所需器件如下: 8051一片,发光二级管七个,

74LS32 2输入端或门一片、75451 两路二输入与门、74LS05反向器一片、7427 三3输入或非门一片、七个三极管,五个电阻,一个5V的直流电源，五个单刀单执开关，导线若干。

开始时，先初始化P1口，使它的发光二极管处于全熄灭的状态。然后从P1.0、

P1.1口输入两个开关量来控制左右灯的亮和不亮。那么，计算机只需对此开关量进行识别、判断，它判断的逻辑过程如下：如果发现P1.0不为高电平，则再判断P1.1是否为高电平，若P1.1也不为高电平，则说明左右灯都不亮。若P1.1为高电平，则说明左转灯亮。延时置标志位。然后返回程序，进入下一次结果的判断。如果发现P1.0为高电平，而且P1.1不为高电平，则又灯亮。延时，置标志位返回主程序；若P1.1为高电平，则灯都不亮。延时清标志位，返回主程序，进行下一次的结果的识别和判断。

方案比较：

第一种方案电路简单，但无法达到设计要求；第二种方案在一定条件下可满足实际要求，但在道路复杂需频繁转向时，无法准确显示汽车当前行驶状况，故也不满足设计要求；第三种方案相对完善，可准确的反映汽车当前行驶状况。所以这里采用第三种设计方案。

3 总体设计

3.1 具体电路设计

3.1.1 芯片简介

80C51

8051单片机是美Intel公司在1980年推出MCS-51单片机,的第一个成

员,MCS是Intel公司的注册商标。凡Intel公司生产的以8051为核心单元的其他派生单片机却不能称为8051系列。也就是说,MCS-51系列是专指Intel公司生产的以8051为核心单元的单片机,而8051系列泛指所有公司的所有单片机。

80C51系列单片机包括Intel公司的MCS-51单片机,又包括了以8051为核心单元的世界许多公司生产的单片机,比如PHILIPS的83C552及51LPC系列等、SIEMENS的SAB80512等、AMD的8053等、OKI的MSM80C154等、ATMEL公司的FLASH单片机89C51等、DALLAS公司的DS5001等、华邦公司的W78C51及W77C51等[13]。

从MCS-48单片机发展到今天的新一代单片机,大致经历了三代.如以Intel8位单片机为例,这三代的划分大致如下:

第一代:以MCS-48系列单片机为代表,属于低性能单片机阶段；

第二代:以MCS-51系列的8051、8052单片机为代表。

扩大了片内存储容量和外部寻址空间；

增强了并行口,增设了全双工串行口1/O；

增加了定时器/计数器的个数并扩张了长度；

增强了中断系统；

具备较强的指令寻址和运算等功能；

增设了很有特色的布尔处理机。

可以看出,这一代单片机主要的技术特征是为单片机设置了完善的外部并行总线和具有多机识别功能的串行通信接口。规范了功能单元的特殊功能寄存器控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统,为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。

第三代:以80C51系列单片机为代表。

80C51系列单片机保留了MCS-51单片机的所有特性,内部组成基本相同。80C51系列单片机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式:空闲方式和掉电方式。

内部带有程序存储器的为80C51，不带的为80C31。本设计采用80C51单片机完成所需功能[14]。

80C51的基本结构包括:中央处理器,数据存储器,并行I/O口,串行I/O口,

定时器/计数器,中断系统,定时电路及元件。

(1)中央处理器

单片机的中央处理器和通用微处理器基本相同,是单片机的核心,主要完成运算和控制功能,又增设了“面向控制”的处理功能,增强了实时性。

(2)数据存储器

在单片机中,用随机存取存储器来存储程序在运行期间的工作变量和数据,所以称为数据存储器。一般在单片机内部设置一定容量的RAM，这样小容量的数据存储器以高速RAM的形式集成在单片机内,以加快单片机运行的速度，而且这种结构的RAM还可以使存储器的功耗下降很多。

(3)并行I/O口

单片机往往提供了许多功能强,使用灵活的并行输入/输出引脚,用于检测与控制,有些I/O引脚还有多种功能,比如可以数据总线的数据线,地址总线的地址线,控制总线的控制线等。单片机I/O引脚的驱动能力也逐渐增大,甚至可以直接驱动外扩的LED显示器。

(4)串行I/O口

目前高档8为单片机均设置了全双工串行I/O口,用来实现与某些终端设备进行串行通信,或者和一些特殊功能的器件相连的能力,甚至用多个单片机相连构成多机系统.随着应用的拓展,有些型号的单片机内部还包含有两个串行I/O 口。

(5) 定时器/计数器

在单片机的实际应用中,往往需要精确的定时,或者需对外部时间进行记数。为了减少软件开销和提高单片机的实时控制能力,因而在单片机的内部设置定时器/记数器电路，80C51共有两个16位定时器/记数器, 80C52共有三个16位定时器/记数器。

(6)中断系统

80C51的中断功能较强,具有内、外共五个中断源,两个中断优先级。

(7)定时电路及元件

计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下,按照严格的时序有规律的一个节拍一个节拍的执行各种操作.单片机内部设有定时电路,只需外接震荡元件即可工作.外接震荡元件一般采用晶体震荡器,或选用廉价的RC震荡器,也可用外部时钟源,作为震荡元件.近来有的单片机将震荡元件也集成在芯片内,这样不仅大大缩小了单片机的体积,同时也方便了使用。

由上可见,单片机在机构上突破了常规的按逻辑功能划分的芯片,由多片构成微型计算机的设计构想,将构成计算机的许多功能集成在一块晶体芯片上,在众多的单片机中,又以80C51的结构具有显著特点,形成了主流机型,被多家单片

机厂家选作内核[15]。

80C51的引脚及其功能：

80C51有40引脚双列直插,44引脚(PQFP/TQFP)和44引脚(PLCC)封装形式.

按引脚的功能可分为三类

(1)电源和晶震

VCC-----运行和程序效验时接电源正端

VSS-----接地

XTAL1-----输入到单片机内部振荡器的反向放大器.当采用外部振荡器时,对HMOS单片机,此引脚接地;对CHMOS单片机,此引脚做驱动端

XTAL2-----反向放大器的输出,输入到内部时钟发生器.当采用外部振荡器时,XTAL2接收振荡器信号

(2)I/O(输入/输出)

共4个口,32根I/O线

P0----8位,漏极开路的双向I/O口

当使用片外存储器时,作低8位地址和数据分时复用.在程序效验期间，输出指令字节,验证对需加外部上拉电阻。

P0口能驱动8个LSTTL负载；

P1-----8位准双向I/O口

在编程/效验期间,用做输入低位字节地址。

P1口可驱动4个LSTTL负载；

P2-----8位,准双向I/O口

当使用片外存储器时输出高8位地址。在编程/效验期间,接受高位字节地址。

P2口可以驱动4个LSTTL负载；

P3-----8位准双向I/O口,具有内部上拉电路

P3提供各种替代功能.在提供这些功能时,其输出锁存器应由程序置1。

P3口可以输出/输入4个LSTTL负载。

串行口:

P3.0------RXD串行输入口；

P3.1------TXD串行输入口。

中断:

P3.2-----INTO 外部中断0输入；

P3.5-----INT1 外部中断1输入。

定时器/记数器 :

P3.4-----T0定时器/记数器0外部输入；

P3.5-----T1定时器/记数器1外部输入。

数据存储器选通:

P3.6-----WR 低电平有效,输出,片外存储器写选通；

P3.7-----RD低电平有效,输出,片外存储器读选通。

(3)4根控制线

RST----复位输入信号,高电平有效.在震荡器工作时,在RST上作用两个机器周期以上的高电平,将器件复位。

EA/VPP----片外程序存储器访问允许信号,低电平有效。

ALE/PROG-----地址锁存允许信号,输出。

在访问片外存储器或I/O时,用于锁存低8位地址,以实现低8位地址与数据的隔离。

由于ALE以1/6的振荡频率固定速率输出,可作对外输出时钟或用作外定时脉冲。

在EPROM编程期间,作输入、输入编程脉冲。

ALE可驱动8个LSTTL负载。

PSEN-----片外程序存储器读选通信号,低电平有效。

在从片外程序存储器取指期间,在每个机器周期中，当PSEN有效时,程序存储器的内容被送上P0口.PSEN可以驱动8个LSTTL负载。

由于工艺和标准化,测试仪器等原因,芯片的引脚数目是有限的,但单片机为实现功能所需要的信号数目却与实际引脚数目相差很多,这时往往定义一些引脚为多功能,使单片机应用系统的构造更显灵活[16]。

3.1.2 MCS-51系列单片机的指令系统

一台计算机在设计时已决定了共有多少条指令以及每条指令所能执行的操作功能，根据设计使某型计算机具有的指令的集合便构成这一计算机的指令系统。MCS-51系列单片机的指令系统共有111条指令,按照他们的操作性质可划分成数据传送、算术操作、逻辑操作、程序转移、位操作等5个大类。

MCS-51系列单片机的指令长度较短:单机器周期指令64条，双机器周期指令45条，只有乘除两条指令需要4个机器周期。这些指令在12MHZ晶震的情形下,执行时间分别为1微秒、2微秒、4微秒。可见,MCS-51指令系统在存储空间和执行期间方面具有较高的效率,编成的程序占用内存单元少,执行也很快捷,与其应用范围的要求相适应。

MCS-51指令系统还具有简明,整齐,易于掌握的特点,很适合初学者学习。

在MCS-51指令系统中,有丰富的位操作指令,形成一个相当完整的位操作指令子集,成为该指令系统的重大特色。这对于需要进行大量位处理的程序将带来明显的简洁和方便。

每一条指令通常由操作码和操作数组成,前者表示计算机执行该条指令将进行何种操作,后者表示参加操作的数的本身或操作数所在的地址。一台计算机在设计时也已决定了每条指令的操作码的表示形式,这就是指令的助记符。一般都将指令功能的英文缩写字用作助记符,以便记忆[17]。

3.1.3汇编语言简介

完成某项特定任务的指令的集合称为程序。计算机是按照程序一条条依次执行指令而工作的，用户要计算机完成各种任务,就要设计各种应用程序，设计程序就要用到程序设计语言。

程序设计语言有三种:机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能“懂”的语言,用汇编语言或高级语言编写的程序(称为源程序)最终都必须翻译成机器语言的程序(称为目标程序),计算机才能“看懂”,然后逐一执行。但是,机器语言只是一种用二进制数0、1组成的代码,人们不易辨识、记忆,因此使用不方便,易错,很难用它来进行程序设计。

高级语言是面向问题和计算过程的语言,它可通过用于各种不同的计算机,用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统,而且语句的功能强,常常一个语句已相当于很多条计算机指令,于是用高级语言编制程序的速度比较快,也便于学习和交流,所以使用很多。但是编制程序工作量不大,规模较小的计算机系统,使用汇编语言编程也还方便,而且高级语言源程序要通过预存储于计算机存储器内的编译程序或解释程序才能翻译成机器语言,而存储量较小的计算机系统容纳不下,因此也无法配用这些工具程序,便必须应用汇编语言编程了。

用汇编语言编制程序时,程序的每一个语句都于计算机的某一条具体指令相对应,因此必须熟悉机器的指令系统。有经验的程序员用汇编语言编出的程序其质量优于用高级语言编出的程序。根据统计,译成机器语言后,后者一般长度增加15%-200%，占用的内存空间相随扩大,执行时间也相应增长50%-300%。可见,对于要求反应灵敏和与控制及时的工控,检测等实时控制系统以及要求体积小,系统小的许多“电脑化”产品,采用汇编语言编程,其优越性比较明显。也就是说,汇编语言程序设计有其特定的应用范围,用得也相当广泛。

学习微机原理课程时通常都伴随着学习汇编语言程序,因为阐述微机原理只有结合具体机型才能比较深入:一方面掌握这一机型的结构、性能；另一方面掌握它的指令系统以及与指令系统紧密结合的汇编语言程序。同时学习两者可以达到融会贯通和相互促进的作用。

汇编语言源程序也要通过汇编程序这一工具程序才能机译成机器语言。汇编程序的容量并不很大(约占2-4KB内存单元),不过容量很小的系统往往已无法配

用。好在汇编语言还有便于手译(人工翻译)的优点，我们学习指令系统的同时,应该熟练掌握将源程序准确的手译成机器码的技能[18]。

3.1.4 单元电路设计

(1)元器件

本设计可采用80C51一片、74LS32 四2输入端或门一片、74LS02四2输入端或非门一片、74LS05反向器一片、5V直流电源两个、单刀单抛开关五个、发光二级管七个、三极管七个、电阻五个、导线若干。

(2)实现所需设备

PC机,单片机实验箱。

(3)具体电路见图3.1所示。

图3.1 单片机控制汽车转向灯电路

由图3.1可知,各种驾驶操作的信号自P3口送入单片机,而使信号灯点亮输出信号自P1口输出。图中的晶体管为输出驱动级，图的下部是故障监控电路。在P1.0～P1.5共6路输出中,如轮流使1路的晶体管断开,这1路的信号灯将熄灭,而其他5路的晶体管接通,相应的信号灯点亮,则在正常情况下,信号灯熄灭的那路将使P1.7呈现低电平，要是P1.7出现高电平,可说明当前这1路有了故障。另外,如果使6路的晶体管全部接通,在正常情况下,P1.7应呈高电平；要是P1.7出现低电平,也说明信号线路存在故障。有故障时,通过软件使P1.6输出高电平,以点亮故障信号灯报警。

除硬件安排以外,单片机控制系统要实现1、2、3三项功能还必须通过软件编程的配合。

(4)实现方法

①按照设计图在单片机实验平台上接线,确认接线无误后接通电源；

②在PC机上编程并调试；

③当通过编译无误后接通PC机和单片机实验箱；

④用六个开关模拟汽车操作杆,观察六个信号灯的闪烁及点亮和熄灭情况。