车灯智能控制系统

I 摘要摘要 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 关键词关键词 单片机 转向灯 程序 自动控制 II AbstractAbstract 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 目录目录 摘要 I Abstract II 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 1 1 绪言绪言 1 11 1 选题背景选题背景 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 21 2 课题研究的目的课题研究的目的 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 31 3 国内外概况国内外概况 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 2 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 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 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 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 3 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 PD783 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 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 CPU 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 PD7800 系列的 8 位单片机 MITSUBISI 公司的 M37700 系列单 4 片机 他们的数据处理能力和速度比一般 8 位单片机强 如 PD7800 系列单片 机作一次 16 位乘以 16 位的乘法用 3 2 S 16 位除以 8 位的除法用 3 0 S 32 位除以 16 位的除法用 8 3 S 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 片内存储器的发展 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 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 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 加强片内输入输出接口的功能 5 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 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 5 W 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 6 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 MCS 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 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 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 7 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 体积小 重量轻 价格便宜 耗电少 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 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 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 8 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 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 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 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 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 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 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 41 4 课题研究的主要工作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 9 2 2 系统设计方案的研究系统设计方案的研究 2 12 1 设计任务设计任务 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 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 安装调试所设计的电路 使之达到设计要求 记录实验结果 撰写设计报告 调试总结报告及使用说明书 2 22 2 系统实现方案分析系统实现方案分析 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 10 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 11 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 12 3 3 总体设计总体设计 3 13 1 具体电路设计具体电路设计 3 1 13 1 1 芯片简介芯片简介 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 13 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 14 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 15 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 23 1 2 MCS 51MCS 51 系列单片机的指令系统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 16 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 33 1 3 汇编语言简介汇编语言简介 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