智能航标灯设计

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y课 程 设 计 论 文微机系统与接口技术 Microcomputer System And Interface Technology 设计课题： 航标灯控制器的设计 学院名称： 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2011年 07 月目录摘要4前言4第一章 航标灯控制器的总体设计41.1设计方案的确定42.2设计方案说明5第二章 航标灯控制器的硬件设计62.1相关硬件介绍72.1.1 8086CPU介绍72.1.2 8253芯片介绍92.1.3光电元件介绍92.2硬件设计原理图122.3硬件设计电

2、路图12第三章 软件设计154.1程序流程图154.2源程序15第四章 航标灯控制器的模拟调试164.1 硬件调试164.1.1调试环境164.1.2 断电调试164.1.3 通电调试164.2软件调试164.3 模拟调试过程17总结与体会18参考文献19所用元件和设备清单19微机系统与接口技术课程设计任务书一设计目的 1建立微机系统概念，加深对微机系统的理解和认识，提高微机系统的应用能力。 2进一步学习和掌握微机程序设计方法，通过应用程序的编写和调试，学习程序的调试方法。 3进一步熟悉微机典型接口芯片的使用，接口及外部设备与系统的连接方法。二设计题目航标灯控制器的设计三设计要求1以8086/

3、8088CPU为主控单元，构建微机应用系统。2 应用系统的硬件设计，画出电路原理图和线路连接图。3 应用系统的软件设计，画出软件流程图，写出主要的控制程序。4 根据实验条件，进行微机系统部分模拟调试工作，写出调试说明。5 整理设计说明书，列出参考文献清单。四列出使用元器件和设备清单五完成定时/计数器8253、中断控制8259实验，写出实验报告航标灯控制器的设计摘要航标灯在夜间具有引导船舶航行的作用，是船舶在夜间安全航行有力保障。它通过灯塔在海上夜间发出规定的灯光颜色和闪光频率的可识信号，达到规定的照射角度和能见距离，以供船舶测定位置和向船舶提供危险警告。本次设计是以8086CPU为主控单元，结

4、合定时/计数器8253芯片，并采用以光敏电阻为核心的光敏传感器构成的光控开关来自动识别白天和黑夜，设计了一种简单、可靠、节能的航标灯控制器，以达到控制航标灯夜间导航船舶的目的。关键词：航标灯 8086cpu 定时/计数器8253 自动控制前言水路航运系统是运输系统中很重要的一部分，而航道的正确标识是船舶航运安全的重要保障。在我们长达数千公里的河道和海岸沿线，每隔一定距离就必须有一个航标等，用来指示航道的安全水位区域。航标灯在夜间用所显示的特定光色，灯光节奏和周期作为标志的识别特性，以便航海人员容易区别。此次设计由8086CPU为核心，结合8253定时/计数器以及由光敏电阻构成的光控开关，从而组

5、成了航标灯控制器。以8086CPU为主控单元设计的航标灯控制器可以更加方便、准确地控制航标灯自动闪烁(即白天航标灯熄灭，晚上间歇发光，亮2s,灭2s,周而复始），以达到自动化控制的目的，减少了人力资源和时间的投入，大大改善了人工作业的环境，也可提高效率，为船舶提供精确的导航信息。第一章 航标灯控制器的总体设计1.1设计方案的确定 2.2设计方案说明本次课程设计要求用8086/8088CPU微处理器作为主控芯片，并结合其他典型接口芯片来实现航标灯控制器的设计。航标灯的基本功能是能在夜晚提供导航信号，即是要能在夜晚时闪烁发光，一亮一灭周期性地发光提供导航，而在白天则不发光。经分析可知，该设计要使用

6、控制芯片直接或间接为航标灯的灯提供控制信号，以便控制航标灯是否发光以及如何发光以满足导航要求。根据设计要求，需用微处理器CPU8086/8088作为主控制器，但是仅有微处理器CPU8086/8088是不能很好的实现设计要求的。能实现定时计数的芯片有不少，我们可以采用专用定时/计数器8253芯片，其功能较为强大，可以实现设计要求。其次，8253芯片的正常工作正常工作要有时钟信号作为其定时信息和用于芯片内部和芯片之间的同步时钟信号。定时脉冲实质上就是具有一定频率方波脉冲，可以用各种振荡源来实现。而所有这些芯片以及外围电路要正常工作还需要直流电源提供能量。根据以上分析，该设计所采用方案是以8086微

7、处理器为控制核心，以定时/计数器8253作为航标灯的直接控制器且为其提供工作所需直流电源，直流电源的由再有振荡电路为微处理器和定时计数器提供定时计数信息，直流电源为以上所用芯片及电路供电，最终完成本次设计任务。第二章 航标灯控制器的硬件设计根据本次课程设计要求，为实现设计目标，需要用到8086CPU、8253定时/计数器，以及时钟发生器，直流电压源。在选择确定芯片及电器元件之前，还是先来简要介绍一下所有可能用到的芯片以及必须的元器件，并有选择的分析他们的结构和相关功能。这些分析不仅是必要的也是很有助于我们对设计方案的探索和优化选择。2.1相关硬件介绍2.1.1 8086CPU介绍在本系统中，8

8、086工作在最小模式下。负责对8253芯片等进行工作方式控制和数据处理 （1）AD7AD0（双向。三态）为低8位地址数据的复用引脚线。采用分时的多路转换方法来实现对地址线和数据线的复用。在总线坐骑的T1状态。这些银线表示为这些银线用作株距总线。可见对复用信号使用时间来加以划分的。它要求在T1状态线出现低8位地址时，用地址锁存器加以锁存。这样在随后的T状态，即使这些线用作数据线，而第8位地址线的地址在个体却被记录保存下来，并送到地址总线上。在DMA方式时，这些银线被浮置为高阻状态。 （2）A15A8（输出，三态）为8位地址线。在读写存储器或外设端口色中个总线周期内，都作为地址线输出高8位地址。在

9、DMA方式时，这些引线被浮置为高阻。(3)A19/S6A16/S3（输出。三态）为地址状态服用引脚线，在总线周期的T1状态，这些线表示为最高4位的地址线，在总线周期的其他T状态，这些线用作提供状态信息，同样需要地址锁存器对T1状态出现的最高4位地址加以锁存。状态信息S6总是为低电平，S5反映当前允许中断标志的状态。S4与S3一起指示当前那一个段寄存器被使用。 在DMA方式时，这些引线被浮置为高阻。(4)RD（输出，三态）读信号，当其有效时表示正在对存储器或IO端口进行读操作。若IOM为低电平，表示读取存储器的数据，若IOM为高电平，表示读取IO端口的数据。在DMA方式时，这些引线被浮置为高阻。

10、(5)READY（输入）为准备就绪信号。低电平有效。本信号由等待指令WAIT来检查。我们知道当CPU执行WAIT指令时，CPU处于等待状态，一旦检测到TEST号为低，则结束等待状态，继续执行WAIT指令下面的指令。(6)TEST（输入）为检测信号，低电平有效。本信号由低呢古代指令WAIT来检查。我们知道当CPU执行WAIT指令时，CPU处于等待状态，一旦检测到TEST号为低，则结束等待状态，继续执行WAIT指令下面的指令。(7)INTR（输入）可屏蔽中断请求信号，高电平有效。CPU在执行每条指令的最后一个T状态时，去采样INTR信号，若发现有效，而中断允许标志IF有为1，则CPU在结束当前指令

11、周期后相应中断请求，赚取执行中断处理程序。(8)NMI（输入）非屏幕中断请求信号，为一个边缘触发信号，不能有软件加以屏蔽。只要在NMI线上出现由低到高的变化信号，则CPU就会在当前指令中，赚取之行给屏蔽中断处理程序。(9)RESET（输入）复位信号，高电平有效，复位时该信号要求维持高电平值到4个时钟周期，若使初次加电，则高电平信号至少要保持50us，复位信号的到来，将立即结束CPU的当前操作，内部寄存器恢复到初始状态。当RESET信号从高电平回到低电平时，及复位后进入重新启动时，变质型从内存FFFF0H处带式的指令，通常在FFFF0H存放一条无条件转移指令，转移到系统程序的实际入口处。这样只要

12、系统被复位启动，就自动进入系统程序。(10)CLK(输入)时钟信号，它为CPU和总线控制电路提供基准时钟，对时钟信号要求：13周期为高电平，23周期为低电平。8088的标准时钟频率为5MZ。(11)电源和地,VCC为电源引线，单一的为+5V电源。引脚为1和20为两条GND线，要求均要接地。(12)IOM,访问存储器或IO端口的控制信号。若IOM为高电平，则访问的是IO端口；若IOM为低电平，则访问的是存储器。(13)WR,写信号。当其有效时表示CPU正在对存储器或IO端口进行写操作，具体对水进行写操作，有IOM信号决定。本信号在总线周期的T2，T3。TW状态有效。在DMA方式时，此线被浮置为高

13、阻。2.1.2 8253芯片介绍 8253是一种NMOS工艺制成的可编程计数器/定时器，其计数频率范围为02MHZ，用+5V单电源供电。内部共有三个16位计数器，分别为计数器0、计数器1和计数器2，它们的机构完全相同。每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，互相之间工作完全独立。每个计数器通过三个引脚和外部联系，一个为时钟输入端CLK，一个为门控信号输入端GATE，另一个为输出端OUT。每个计数 器内部有一个8位的控制寄存器，还有一个16位的计数初值寄存器CR、一个计数执行部件CE和一个输出锁存器OL。8253的功能强大，共有6种不同的工作方式:方式0：计数结束中断；方式1：

14、可编程单拍脉冲发生；方式2：脉冲发生器；方式3：方波发生器；方式4：软件触发选通；方式5：硬件触发选通2.1.3光电元件介绍光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛。 光电器件工作的物理基础是光电效应。 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效

15、应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光敏晶体管等就属于这类光电器件。本次设计所选的光电元件为硫化镉光敏电阻，以光敏电阻为核心构成一光控开关电路。1光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越

16、大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。如右图所示为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。 为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下

17、。 如右图所示为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。 为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。光敏电阻的主要参数(1)暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。 (2)亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流。 (3)光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。 光敏电阻的基本特性 (1)伏安特性在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光

18、敏电阻的伏安特性。图8 - 2 为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 由图可见, 光敏硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。说明电阻在一定的电压范围内, 其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关, 而与电压、电流无关。（2）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性, 亦称为光谱响应。 如下图所示为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域, 常被用作光量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头。2.2硬件设计原理图 在本设计中，8086工作在最小模式

19、下。负责对8253芯片进行工作方式控制和数据处理；8253定时/计数器用来输出一定频率的脉冲信号来控制航标灯闪烁；以硫化镉光敏电阻为核心的光敏传感器构成的光控开关，识别白天和黑夜，使继电器处于不同的状态，从而通过5V稳压源是否接到8235芯片的GATE来控制8253工作，即可实现白天不工作，晚上工作；同时8253芯片的正常工作正常工作要有时钟信号作为其定时信息和用于芯片内部和芯片之间的同步时钟信号，由时钟发生器提供。而所有这些芯片以及外围电路要正常工作还需要直流电源提供能量。2.3硬件设计电路图根据以上分析，该设计所采用方案是以8086微处理器为控制核心，以定时/计数器8253作为航标灯的直接

20、控制器且为其提供工作所需直流电源，直流电源的由再有振荡电路为微处理器和定时计数器提供定时计数信息，直流电源为以上所用芯片及电路供电，最终完成本次设计任务。如图是一种简单的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，VT2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。 石英晶体振荡电路时钟电路如图所示，4MHZ的晶体振荡器通过两个触发器的分频，输出频率为2MHZ的连续脉冲，可供8253定时器/计数器使用。航标灯设计系统总连接图第三章 软件设计4.1程序流程图 结束 置计数初值启动8253 置8253工作方式控制字 开始4.

21、2源程序CODE SEGMENT ASSUME CS:CODEMAIN : MOV DX,0FFE3H ；控制字寄存器端口地址送入DX MOV AL,25H OUT DX,AL ;设置计数器0方式控制字 MOV DX,0FFE0H ；计数器0端口地址送入DX MOV AL,20H OUT DX,AL ；计数值高8位送入计数器0 MOV DX,0FFE3H MOV AL,0A5H OUT DX,AL ; 设置计数器1方式控制字 MOV DX,0FFE2H MOV AL,20H ；计数值高位送入计数器2 OUT DX,ALCODE ENDS END MAIN 第四章 航标灯控制器的模拟调

22、试4.1 硬件调试4.1.1调试环境达爱思仪器简介：Dais型仿真实验系统,它是及微机原理8086/8088、单片机原MCS-51、MCS-96为一体的三合一仿真系统,系统提供丰富的软硬件资源。集成8088处理器，8259中断器，8253计数器/定时器，8255并行口，LED显示器，小键盘等等。 4.1.2 断电调试为了安全，首先进行断电调试，用万用表检测系统是否有短路现象，再检查原理是否正确。经检测，原理正确也没有短路现象。 4.1.3 通电调试 打开电源，下载程序，看是否正常。 4.2软件调试 将写好的源程序在软件上编译连接，直接下载到实验箱。观察现象。经过多次调试后达到了设计要求。 4.

23、3 模拟调试过程1.按模拟电路图连接138译码输入端A,B,C,，其中A连A2,B连A3，C连A4，138使能控制输入端G与位于地址线A0引出孔所在位置下方的使能控制输出端G作对应连接，该端的寻址范围为0FF0H0FFFFH。其余按硬件电路原理图接线。(1)8253的GATE0和GATE2接开关K1 (2)8253的CLK0插孔接分频器74LS393的T2插孔，分频器的频率源为4.9152MHz（已接好）。T2插孔的频率为614.4KHz。OUT0插孔接CLK2插孔，OUT2接灯L1。(3)把8253的CS孔与138译码器的Y0孔相连。(4)用8芯排线或8芯排线把D0D7总线接口与数据总线单元D0D7总线接口相连。2.调试并运行程序。3.观察灯L1的亮灭闪烁情况。总结与体会 微机接口技术是一门应用性、综合性、实践性都较强的课程，通过本次课程设计过程，我基木熟悉和掌握了微机系统的软件、硬件设计的方法、设计步骤，是一次微机开发应用方面的初步训练;通过本次课程设计使我熟练掌握了微机系统与接口扩展电路的设计方法，并熟练应用8086汇编语言编写应用程序和实际设计中的硬软件调试方法和步骤，熟悉微机系统的硬软件开发工具的使用方法. 这次的课程设计对我来说，是一次非常重要的锻炼，通过这次设计，我对所学的知识有了更深刻的了解和掌握，使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是