汽车信号灯控制系统的设计.docx
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汽车信号灯控制系统的设计
汽车信号灯控制系统的设计
[摘要]本设计是利用AT89C51单片机来实现的汽车信号灯控制系统。
在系统中利用5个开关来模拟汽车操作，然后用6个灯来作为汽车信号灯；当拨动开关改变相应的状态时，单片机就会检测到相关类型的状态后，根据内部程序，来驱动相关的汽车信号灯（发光二极管）闪烁或长亮，以此达到设计的目的和要求。
[关键词]控制系统；信号灯；AT89C51
Thedesignofautomobilesignallampcontrolsystem
Abstract:
ThisdesignistheuseofAT89C51toachievesingle-chipautomotivesignallampcontrolsystem.Inthesystemusing5switchestosimulatethevehicleoperation,then6lampsforautomobilesignallamp.Whenthetoggleswitchtochangethecorrespondingstate,SCMwilldetectthetypeofstate,accordingtointernalprocedurestodrivethecarlights（LEDs）orlongbrightflashes,toachievethedesignpurposeandrequirement.
Keywords:
Controlsystem,Signallamp,AT89C51
目录
引言1
1汽车信号灯控制系统的设计背景1
1.1汽车信号灯控制系统的设计目的和意义1
1.2汽车信号灯控制系统的设计背景2
1.3汽车信号灯的使用2
2总体设计方案2
3系统的概述3
3.1系统的组成3
3.2系统的主要功能3
4详细设计3
4.1硬件设计方案3
4.1.1设计思路3
4.1.2硬件的选择4
4.1.3LED发光二极管4
4.1.4AT89C51单片机4
4.1.5AT89C51管脚6
4.1.6电路说明7
4.1.7电路原理图7
4.1.8设计连线7
4.1.9工作原理说明8
4.2软件设计方案8
4.2.1程序流程图8
4.2.2程序说明8
4.2.3仿真环境8
4.2.4调试及运行结果9
结束语9
致谢10
参考文献11
附录A12
附录B12
附录C17
引言
汽车信号灯控制系统，作为汽车的必备设备之一，广泛应用于现代信号各类型汽车中[1]。
传统的汽车信号灯控制系统有很多特色，但寿命短，采用纯电路设计模式，线路复杂，容易产生故障，可靠性低。
针对汽车信号灯控制系统存在的问题，本文设计了一个以单片机为核心的控制系统。
系统具有通用性好、可靠性高、线路简单、成本低廉、使用方便的优点，通过软件升级很容易实现功能扩展。
汽车信号灯的作用是大家都知道的，汽车通过显示不同的信号灯来告诉前后左右的行车的司机本汽车正在进行的操作。
本次设计主要是介绍汽车信号灯的控制系统的设计，其中本次设计中的汽车信号灯包括了左头灯、右头灯、左尾灯、右尾灯和仪表盘上的左右转弯信号灯。
其主要内容是使汽车在行驶过程中通过信号灯来传达汽车的一些操作比如转弯、刹车、闭合紧急开关、停靠等一系列操作信号。
信号灯控制的实现主要是通过电路与程序的结合来完成，电路部分的设计是通过软件Proteus来完成的，其中灯的模拟采用了LED发光二极管，发光二极管有熄灭、点亮和闪烁三种信号，而汽车的一系列的操作采用了相应的开关来模拟，所有的电路元件都是用软件Proteus软件上的模拟元件来代替，而且大大提高了调试与仿真的效率。
电子技术的发展经历了很长一段路程。
而现在我们使用的微型电子计算机是超大规模集成电路所构成，它属于第四代计算机，而单片机则是微型计算机的一部分。
从1971年微型计算机问世以来，由于实际应用的需要，微型计算机向着两个不同的方向发展：
一个是向高速度、大容量、高性能的高档微机方向发展；另一个则是向稳定可靠、体积小和价格廉的单片机方向发展。
由于科学技术的发展，由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在能够使用单片机通过软件编程方法实现了。
单片机的应用改变着控制系统设计方法。
软件取代硬件可以提高系统性能的控制，“软化”技术即微控制技术，是一个全新的概念。
在生活的环境中，自动控制要求中都会有单片机的控制的一部分；从简单到复杂，凡是能想象到的地方几乎都有使用单片机的需求。
单片机的应用有利于产品的小型化、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，还是生产线上的机器人技术，都有单片机的参与。
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，虽然单片机的应用很普遍了，但仍有许多项目尚未实现，所以单片机的应用有很大的发展空间。
1汽车信号灯控制系统的设计背景
1.1汽车信号灯控制系统的设计目的和意义
随着全球经济社会的快速发展，人们的生活水平得到了很大的提高，越来越多的人拥有了私家车，虽然这便于人们出行，但随之而来的还有严重的交通问题。
随着交通事故发生的频率逐渐升高，一些国家及发明家意识到了这个问题，仅仅依靠交通信号灯不足以维持交通秩序。
于是，科学家针对发生交通事故的一系列原因，认为研究汽车信号灯有很深的意义。
信号灯是在车辆使用时开启以提示前后左右车辆及行人注意的重要指示灯，才研究出了汽车信号灯来解决这一系列问题。
汽车信号灯微机控制系统控制的信号灯有仪表盘左/右转弯灯、左/右头灯和左/右尾灯共六类灯，在不同的驾驶操作控制下可驱动相对应的汽车信号灯闪烁或用氙气灯管，单片机控制电路，左右轮换频闪不间断工作，信号灯是采用闪光器实现灯光闪烁。
随着自动化机械作业的发展，控制系统从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了最初的控制系统。
现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，20世纪后半叶，由于计算机、通信、控制、仪表、软件等技术的飞速发展，不仅产生了多种多样的自控产品，也丰富了人们进行自控设计的思路与方案。
我国在交通信号控制系统开发与应用方面起步较晚，1973年开始进行单点信号机的研制，1985年在北京前三门大街实现城市交通线控系统控制。
作为七五国家重大攻关项目，南京市在同济大学的协助下开发了一套国产智能化交通信号控制系统，由于种种原因，一些重要功能如实时自适应时等没有使用。
汽车信号灯围绕着法规的要求而发展，其主要作用是显示车辆的存在、宽度、状态以及辅助照明等。
随着人们生活水平的提高，后组合尾灯的美观性越来越受重视，新颖、独特的个性化产品得到青睐。
信号灯的发展主要体现在：
新型光源的应用和个性化的设计两个方面。
为人们的日常交通生活提供了便利与安全保障。
信号灯是表示汽车动态信息的最主要装置，安装在车身前后，在汽车转弯时开启，它为行车安全提供了保障，为了您和他人的安全，请按规定使用信号灯，使人们提前知道汽车的动向，做出正确的判断。
1.2汽车信号灯控制系统的设计背景
汽车信号灯的作用是大家所熟知的，汽车通过显示不同的信号灯来告诉前后左右的行车者本汽车正在进行的操作。
信号灯灯具的发展是随着汽车制造技术及电光源技术的发展而逐步完善的。
它经历了机油（或煤油）灯、乙炔气灯到电光源灯的发展历程。
现代汽车信号灯灯具已经开始使用发光二极管（LED）技术以及光导技术，这是信号灯灯具的一次飞跃。
汽车信号灯控制系统，作为汽车的必备设备之一，广泛应用于现代各类型汽车中[2]。
传统的汽车信号灯控制系统有很多特色，但寿命短，采用纯电路设计模式，线路复杂，容易产生故障，可靠性低。
针对汽车信号灯控制系统存在的问题，本文设计了一个以单片机为核心的控制系统。
该系统采用AT89C51为处理核心。
系统具有通用性好、可靠性高、线路简单、成本低廉、使用方便的优点，通过软件升级很容易实现功能扩展。
1.3汽车信号灯的使用
（1）汽车行至一般平面交叉路口，应根据路面宽度、交通流量的大小以及当时的行驶速度，在距路口30—10米的地方，按转弯方向开启信号灯，如向右转弯和向右变更车道须开启右信号灯，如向左转弯或向左变更车道须开启左信号灯。
转入设有导向车道的路口，应在进入导向车道前开启信号灯。
开得过早会给后车“忘关信号灯”的错觉，开得过晚则造成后车或行人因反应不及而发生事故。
（2）汽车驶入或驶出环形交叉路口时，应根据行驶方向，开启相应的信号灯。
（3）在车辆行驶中，当本车道交通不畅，需要变更车道时，应通过后视镜，观察相邻车道是否空闲，在不妨碍其他车道车辆正常行驶的情况下，应事先开启相应的信号灯，然后再变更车道。
（4）汽车掉头时，应开启左信号灯，并注意观察汽车前、后有无来车，然后再行掉头。
（5）在没有标记道路中心实线的路段，需要超车时，应开启左信号灯并鸣喇叭（在禁鸣路段除外）。
如果是被超车，应靠右让行。
（6）当行驶中需要靠边停车时，应事先开启右信号灯，注意观察汽车右后方交通动态，再行靠边。
（7）当驶离停车地点时，应事先开启左信号灯，注意观察汽车左后方的交通动态，再驶向行车道。
2总体设计方案
方案一：
利用FX2N-16PLC作为控制核心，6个发光二极管作为汽车信号灯，当5个开关的状态发生改变后，PLC检测到开关信号后就通过软件输出相关信号，在经过芯片来驱动6个汽车信号灯根据开关的相应状态闪烁或长亮[3]，以达到本次设计的目的和要求。
方案二：
利用AT89C51单片机来实现的汽车信号灯控制系统，在系统中利用5个开关来模拟汽车驾驶操作，然后用6个灯作为汽车信号灯；当拨动开关改变相应的状态时，单片机就会检测到相关类型的状态后，根据内部程序，来驱动相关的汽车信号灯（发光二极管）闪烁或长亮，以达到本次设计的目的和要求。
方案论证：
方案一设计的优点是抗干扰能力强、可靠性高；功能完善、适用性强。
但是价格较贵，设计不够灵活，而且结果也比较复杂，做本次设计性价比不是很突出。
方案二设计的优点是通用性好、可靠性高、线路简单、成本低廉、并且使用方便等。
有利于很更好的学习和掌握，而且显得灵活性强，比较简单。
通过比较，从设计方案的优点及现在所设计的汽车信号灯控制系统系统的实用性，选择第二种设计方案。
本次设计任务为设计并制作出汽车信号灯微机控制系统，控制的信号灯有仪表盘左/右转弯灯、左/右头灯和左/右尾灯共六类灯，在不同的驾驶操作控制下可驱动相对应的汽车信号灯闪烁或长亮。
在本系统中，所需执行的操作由相应的开关状态反映，其驾驶操作与灯光信号对应关系如下：
（1）左/右转弯（合上左/右开关）：
仪表盘左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯闪烁。
（2）紧急开关合上：
所有灯闪烁。
（3）刹车（合上刹车开关）：
左右尾灯亮。
（4）左/右转弯刹车：
仪表盘左/右转弯灯、左/右头灯、左/右尾灯闪烁，右/左尾灯亮。
（5）刹车、合上紧急开关：
尾灯亮、仪表板灯、头灯闪烁。
（6）左/右转弯刹车，并合上紧急开关：
右/左尾灯亮，其余灯闪烁。
（7）停靠（合上停靠开关）：
头灯、尾灯以30Hz的频率闪烁。
3系统的概述
3.1系统的组成
本系统硬件主要由控制开关、AT89C51单片机、信号灯等设备所组成。
其系统硬件框图如图3.1所示：
图3.1系统的组成
3.2系统的主要功能
可以设置6个发光二极管的对应情况为：
L1左头灯；L2右头灯；L3左转向灯；L4右转向灯；L5左尾灯；L6右尾灯。
通过5个开关产生的10种情况作为输入选择，影响6个指示灯的输出。
对应关系如下表3.1：
表3.1开关状态与灯状态对应表
灯状态
开关状态
仪表左灯
仪表右灯
左头灯
右头灯
左尾灯
右尾灯
1左转
亮
灭
亮
灭
亮
灭
2右转
灭
亮
灭
亮
灭
亮
3紧急
闪
闪
闪
闪
闪
闪
4刹车
灭
灭
灭
灭
亮
亮
5左转+刹车
亮
灭
亮
灭
亮
灭
6右转+刹车
灭
亮
灭
亮
灭
亮
7刹车+紧急
亮
亮
亮
亮
亮
亮
8左转+刹车+紧急
亮
亮
亮
亮
亮
亮
9右转+刹车+紧急
亮
亮
亮
亮
亮
亮
10停靠
灭
灭
亮
亮
闪
闪
4详细设计
4.1硬件设计方案
4.1.1设计思路
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、停靠五个操作；所以可以用五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的信号灯闪烁或长亮。
以此来实现对汽车信号灯的控制。
当合上左转弯开关后，仪表盘左转弯灯、左头灯、左尾灯闪烁；当合上右转弯开关后，仪表盘右转弯灯、右头灯、右尾灯闪烁。
运用拨码开关控制5个开关，当刹车开关合上时，左右尾灯长亮；合上停靠开关后，头灯、尾灯以30Hz的频率闪烁；在紧急开关合上后，所有灯都闪烁。
还可以同时合上转弯开关和刹车开关，合上刹车开关和紧急开关，以及合上转弯开关、刹车开关和紧急开关。
都可以驱动对应的汽车信号灯闪烁或长亮。
4.1.2硬件的选择
基于上述的设计思想以及所学的单片机知识，并且熟悉设计环境。
所以在设计时，选择了五个开关、AT89C51单片机以及6只LED发光二极管。
其中AT89C51单片机作为控制核心，当5个开关的状态发生改变后，单片机检测到开关信号后就通过软件输出相关信号，从而达到驱动6个汽车信号灯根据开关的相应状态闪烁或长亮的效果。
拨码开关中，K1左开关（1、10）、K2右开关（2、9）、K3紧急开关（3、8）、K4刹车开关（4、7）、K5停靠开关（5、6），1到5一侧为“开”状态，6到10一侧为“关”状态[4]。
4.1.3LED发光二极管
LED从20世纪60年代问世以来，已有30多年的发展历史。
随着近几年半导体芯片技术的不断改进及封装技术的迅速提高，其光效从最初不到1lm/W，今天已发展至100lm/W红色、100lm/W橙色和绿色50lm/W，大大超过了传统白炽灯[5]。
LED具有体积小、重量轻、耗能少、寿命长、响应时间短及抗振性能好等优点，将来必将成为信号灯的主要光源。
由于LED的反应时间大约比P21W的白炽灯泡快大约50ms，在车速为100kW/h的情况下，大约可以减少1.5m的制动距离，这1.5m对提高行车的安全性很重要。
LED的工作寿命大于1万小时，与整车的寿命相同，在正常使用中不需要更换光源，减少维护费用。
由于LED的发光效率高、能耗低、发热量小、发出的光有很好的方向性，大大减少了灯仓体积，简化结构，降低生产的材料费用和制造成本，降低电能消耗，节约燃油，减少使用费用[6]。
4.1.4AT89C51单片机
AT89C51单片机是ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写和只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、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[7]。
功能强大的AT89C51单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
其引脚图如图4.1所示：
图4.1AT89C51引脚图
内部结构图如图4.2所示：
图4.2AT89C51内部结构图
内部详细框图如题4.3所示：
图4.3AT89C51内部框图
AT89C51单片机提供以下标准功能：
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[8]。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，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中的内容，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[9]。
4.1.5AT89C51管脚
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，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
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。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时要求外接电阻[10]。
P1口:
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平时可作输入口。
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口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平时可作输入口。
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位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容）,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的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，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口一般作为的I/O口线。
4.1.6电路说明
本次设计的电路原理图中主要运用了晶振电路和复位电路。
晶振电路是利用两个30PF的电容和11.0592的晶振进行连接，可以为AT89C51单片机提供很好的工作周期，使单片机平稳快捷的工作，稳定性较好[11]。
这样AT89C51单片机就可以有很稳定的时钟，后续的程序编写就会比较方便和简单。
如图4.4所示：
图4.4晶振电路
复位电路则是采用了上电复位电路，通过该电路达到控制复位单片机的效果，由于AT89C51单片机在有些工作时候会出现工作混乱和不稳定的情况，有这个RC复位电路之后，就可以通电自动进行整个单片机系统的复位，AT89C51单片机就可以恢复正常的工作状态。
在这个复位电路中，AT89C51单片机可以通过电源的闭合来进行复位，降低对整个电路的危害，可以更好的保证电路的稳定的工作。
如图4.5所示：
图4.5复位电路
4.1.7电路原理图
本设计是在仿真软件Proteus上设计的，所以根据设计环境和图4.3的内部框图，可设计出本系统的总体设计电路图如附录A所示。
4.1.8设计连线
由总体设计电路图附录A中可得本设计的连线为：
5个开关分别接到AT89C51单片机的输入端P0.0—P0.4口，然后发光二极管D1—D6分别连接到单片机的输出端P2.0—P2.5口。
其余不再需要任何连线，因为在仿真软件Proteus上已经连接好，可以直接使用。
这样很大程度简化了连线的步骤，使设计方便快捷。
4.1.9工作原理说明
设计在仿真软件Proteus平台上进行，利用Proteus上的资源，其内部很多芯片之间的连接都已经接好，所以很方便的实现设计要求。
由汽车信号灯控制系统总体设计电路图中可以看出，本系统中AT89C51单片机为控制核心，其中P0.0—P0.4作为输入口，P2.0—P2.5作为输出口。
当相应开关合上的时候，开关状态将发生变化，从而产生输入信号；在单片机读入开关状态后，通过软件来判断属于那一类信号，并实现汽车信号灯的控制，然后输出到P2.0—P2.5口，后来驱动汽车信号灯（发光二极管）做出相应的闪烁或长亮[8]。
4.2软件设计方案
4.2.1程序流程图
根据软件的设计思想，可画出本系统程序流程图[9]。
其中图上的K1—K5五个开关依次分别是：
左开关；右开关；紧急开关；刹车开关；停靠开关。
程序流程图如图4.6所示：
4.2.2程序说明
本次设计详细程序见附录C。
说明：
D1左头灯；D2右头灯；D3左转向灯；D4右转向灯；D5左尾灯；D6右尾灯。
4.2.3仿真环境
本次设计是用C语言来编写程序的，用Proteus先将电路图画好，电路图电气规则检查无误后，通过KEIL软件和Proteus软件联调来实现仿真，首先将程序输入KEIL软件中编译，生成HEX文件，然后用Proteus画出所设计的硬件部分，通过将KEIL软件编译生成的HEX文件导入到AT89C51单片机芯片中，从而实现硬件电路的测试[12-15]。
4.2.4调试及运行结果
通过设计和编写程序代码，运行程序后，其结果为当拨动相应的开关后,其对应的汽车信号指示灯状态将发生变化，闪烁或长亮，直到下一个动作为止，刚开始时候，其信号灯的动作与实际的操作不匹配，经过小组成员的协同努力，最终在运行程序后能得到与要求相匹配的结果。
其具体的调试结果如表4.2所示：
表4.2运行结果
驾驶信号操作
调试结果
左转弯灯
右转弯灯
左头灯
右头灯
左尾灯
右尾灯
合上左转开关
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
——
合上右转开关
——
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
合上刹车开关
——
——
——
——
亮
亮
左转弯时刹车
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
亮
右转弯时刹车
——
闪烁
——
闪烁
亮
闪烁
刹车、并合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
亮
左转弯/刹车/合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
右转弯/刹车/合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
闪烁
停靠开关
——
——
30Hz闪烁
30Hz闪烁
30Hz闪烁
30Hz闪烁
结束语
本次毕业设计是要设计一个汽车信号灯控制系统，主要通过Proteus模拟汽车信号灯的亮灭和闪烁情况。
通过设计汽车信号灯控制系统来实现了汽车的左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关、停靠五个操作，并通过学习和掌握AT89C51单片机，在仿真软件Proteus上来实现的汽车信号灯控制系统，并在Proteus软件上画出电路图和仿真，最终不断地调试，取得正确的运行结果。
通过这次毕业设计，在不断地探索和努力下，最终完成汽车信号灯控制系统的设计。
在设计中综合运用所学的知识，理论与实际相结合，提出并论证设计方案，然后进行软、硬件调试，并在老师和同学的协助下解决了一些软件问题，最后获得正确的结果。
以此加深了对所学理论知识的巩固，加强了建立计算机应用系统整体概念，初步掌握了机械设计的基本方法，为以后进行实际的系统应用开发
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