航标灯控制课程设计报告书.docx

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航标灯控制课程设计报告书

设计内容与设计要求

设计内容：

利用单片机为核心设计一个航标灯控制系统，要求为在黑夜中航行的船只提供灯光指示。

设计要求：

1）确定系统设计方案；

2）进行系统的硬件设计；

3）完成必要的参数计算与元器件选择；

4）完成应用程序设计；

5）进行部分单元电路及应用程序的调试；

主要设计条件

本系统要求：

1）航标灯在黑夜能定时闪闪发光，亮2s,熄灭2s周期循环。

2）白天应停止航标灯工作。

3）枯水季节应检测水位高度，低于通航水位时要发出警告信号。

4）向控制台发送实际水位数据。

说明书格式

1.课程设计任务书

2.目录

3.系统总体方案选择与说明

4.系统结构框图与工作原理

5.各单元硬件设计说明及计算方法

6.软件设计与说明（包括流程图）

7.调试结果与必要的调试说明

8.使用说明

9.总结

10、参考文献

附录

进度安排

设计时间为两周

第一周

星期一、上午：

布置课题任务，讲课及课题介绍

下午：

借阅有关资料，总体方案讨论

星期二、确定总体设计方案

星期三、硬件模块方案设计

星期四、软件模块方案设计

星期五、各硬件模块设计

第二周

星期一、各硬件模块设计

星期二、各软件模块设计

星期三、各软件模块设计

星期四、写说明书

星期五、上午：

写说明书，整理资料

下午：

交设计资料，答辩

参考文献

1、教材《单片微型计算机技术》刘国荣编机械工业出版社

2、《单片微型计算机原理、应用及接口技术》张迎新编国防工业出版社

3、单片机实用系统设计技术》房小翠编国防工业出版社

4、《单片机应用系统设计》何立民编北航出版社

5、《单片机原理及接口技术曹琳琳编国防科技大学出版社

附录........................................................................................................................................................24

第一章系统总体方案选择与说明

1.1设计方案选择

1.2设计方案说明

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。

单片机是随大超规模集成电路的发展而诞生的，它具有体积小、功能强性价比高的特点。

把单片机应用于航标灯自动控制系统中，采用单片机做主控单元，无触点检测，可完成对高地电平的采集和检测要求。

随着我国人民生活水平的不断提高，人们要求更好，更舒适的工作、生活环境。

特别是现在工业告诉发展的时代人们更需要优越的工作环境。

由于以单片机为核心开发制作的自动控制系统可以更加方便、准确地控制航标灯的闪烁，达到自动化控制的目的，减少了人力资源和时间的投入。

可应变天气原因所造成的人工操作不便和恶劣环境所带来的控制误差，给在内河航行的船舶造成不必要的损失。

采用单片机自动控制系统后可大大改善人工作业的环境，也可提高效率，为船舶提供精确的导航信息。

用单片机来设计，通过以8051单片机为核心，利用开关和模拟电阻分别替代传感器（即为水位测量模块）与光敏二极管（即为光强测量模块）制作开发自动控制航标灯，实现1）航标灯在黑夜能定时闪闪发光，亮5s,熄灭5s周期循环。

2）白天应停止航标灯工作。

3）枯水季节应检测水位高度，低于通航水位时要发出警告信号,定时闪闪发光，亮1s,熄灭1s周期循环。

第2章系统结构框图与工作原理

2.1系统结构框图

2.2系统的工作原理

检测P1.1口的电平（即水位的高度），当P1.1为低电平时（即为枯水期），P2.1输出为高电平，灯亮1s,熄灭1s周期循环。

当P1.1为高电平时（即为安全期），此时P1.0为高电平时（即为白昼），灯不工作；当P1.1为高电平时，此时P1.0为低电平（即为夜晚），灯亮5s,熄灭5s周期循环。

其工作逻辑关系如下表所示：

P1.1状态

P1.0状态

航标灯工作状态

低电平

低电平

灯亮1s,熄灭1s周期循

环

低电平

高电平

高电平

低电平

灯亮5s,熄灭5s周期循环

高电平

高电平

灯不工作

第3章各单元硬件设计说明

3.180C51管脚图及功能介绍

Vss（20脚）:

接地

VCC（40脚）:

主电源+5V

XTAL1（19脚）:

接外部晶体的一端。

在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。

在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

 XTAL2（18脚）:

接外部晶体的另一端。

在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。

若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。

RST（9脚）:

单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）

 PSEN（29脚）:

在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。

CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。

不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。

PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。

我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。

 ALE/PROG（30脚）:

在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。

CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。

不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。

PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。

我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。

 EA/VPP（31脚）:

当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。

当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序。

当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。

在对87C51EPROM编程时，此引脚用于施加编程电压VPP。

输入/输出引脚：

（1）P0.0—P0.7   （39脚—32脚）

（2）P1.0—P1.7  （1脚—8脚）（3）P2.0—P2.7  （26脚—21脚）（4）P3.0—P3.7  （10脚—17脚）

3.2光敏二极管

光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是相似的。

下图是光敏二极管的结构图。

在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过透镜正好照射在管芯上。

发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。

发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。

光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。

另外，与普通半导体二极管一样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。

光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，如图所示。

当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1*10-8--1X10-9A（称为暗电流），此时相当于光敏二极管截止;当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对O这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。

光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。

光敏二极管就是这样完成电功能转换的。

（由于硬件器材的限制，本设计用开关来模拟光敏二极管的状态）

3.3发光二极管的原理

发光二极管内部是具有发光特性的PN结。

当PN结导通时，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。

普通发光二极管的外形、符号及伏安特性如图1所示。

LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前几乎有电流。

当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。

因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位cd/m2，读作坎德拉每平方米）与正向电流IF近似成正双，有公式

　　L=KIFm

　　式中，K为比例系数，在小电流范围内（IF=1～10mA），m=1.3～1.5。

当IF>10mA时，m=1，式（5.10.1）简化成

　　L=KIF

　　即亮度与正向电流成正比。

以磷砷化镓黄色LED为例，相对发光强度与正向电流的关系如图2所示。

LED的正向电压则与正向电流以及管芯的半导体材料有关。

使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF值（一般选10mA左右，对于高亮度LED可选1～2mA），既保证亮度适中，也不会损坏LED。

若电流过大，会烧毁LED的PN结。

此外，LED的使用寿命将缩短。

　　由于发光二极管的功耗低、体积小，色彩鲜艳、响应速度快、寿命长，所以常用作收录机、收音机和电子仪器的电平指示器、调谐指示器、电源指示器等。

发光二极管在正向导通时有一定稳压作用，还可作直流稳压器中的稳压二极管，提供基准电压，兼作电源指示灯。

目前市场上还有一种带反射腔及固定装置的发光二要管（例如BT104-B2、BT102-F），很容易固定在仪器面板上。

　　LED的输出光谱决定其发光颜色及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。

常见管芯材料有磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAsP）、磷砷化镓（GaAlAs）、砷铝化镓（GaN）氮化镓可发蓝光。

第4章软件设计与说明（包括流程图）

4.1软件设计

软件设计为现场对航标灯自动控制检测，所以此软件的设计应分为以下模块：

1）主程序：

完成P1.1,P1.0,P2.1口的置位和电位检测；

2）软件延迟服务子程序：

当查询到P1.0口或P1.1口为0时则调用软件延时子程序；

3）熄灯子程序：

当查询到P1.0口或P1.1口为1时则调用软件延时子程序。

4.2软件设计流程图

主程序

第5章调试结果与必要的调试说明

5.1枯水期

无论白天黑夜（既白天黑夜检测开关无论开断与否），水位检测开关闭合，此时P1.1口为低电平，P2.1口输出，灯亮1秒熄1秒循环。

（由于硬件器材的限制，用开关来替代水位传感器来模拟水位的高地）

5.2正常水位——白昼

当白天黑夜检测开关与水位检测开关均断开时，P1.0口与P1.1口均为高电平，此时灯不工作为熄灭状态。

（由于硬件器材的限制，本设计用开关来模拟光敏二极管的状态）

5.3正常水位——黑夜

当水位检测开关断开，白天黑夜检测开关闭合，此时P1.0口为低电平，P1.1口为高电平，灯亮5秒熄5秒循环。

第6章使用说明

间航标等具有引导航行的作用，还可以反映航道尺度，确定航道方向，标志航界限、引导船舶安全航行，如在浅水道或捷水道处，当其水深接近于标准尺度时，即设置水深信号标，揭示航道水深，在单航道上应设置信号标指挥上下交通。

以单片机为核心开发制作的自动控制系统可以更加方便、准确地控制航标灯的闪烁，达到自动化控制的目的，减少了人力资源和时间的投入。

可应变天气原因所造成的人工操作不便和恶劣环境所带来的控制误差，给在内河航行的船舶造成不必要的损失。

采用单片机自动控制系统后可大大改善人工作业的环境，也可提高效率，为船舶提供精确的导航信息。

此系统是以80C51单片机为核心开发制作的自动控制航标灯导航道系统，采用光敏二极管来完成自动识别白天和黑夜与水位高低的任务。

夜间航标灯是船舶在内河安全航行的辅助设施，其主要功能是标志航道方向、界限与障碍物，揭示关于航道信息，为船舶航行指示安全、经济的航道。

该系统经过改进后可广泛运用于报警系统、交通灯控制等领域，具有实用价值和开发价值。

第7章总结

时光飞逝，白驹过隙，两周的课程设计让我学到了很多，也找到了自己身上的不足。

感受良多，获益匪浅。

我们这个小组分工合作、齐心协力，一起完成了课程设计前的准备工作（阅读课程设计相关文档）、小组讨论分工、完成系统开发的各个文档、课程设计总结报告、个人小结的任务。

在课程设计的第一天我们便对这次任务进行了规划和分工。

在以后的几天中，我们组的成员一起努力，查阅资料、小组讨论、对资料进行分析，并在这段时间里完成了航标灯的设计。

并最后撰写课程设计报告及个人总结。

实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

过而能改，善莫大焉。

在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在大家的交流下，终于游逆而解。

在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！

课程设计实际上是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题能力的过程，锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

随着社会的发展和日益激烈的竞争，作为当代大学生，掌握一门实用的技术是十分重要的，而掌握好单片机的应用与实践就更显重要了。

在课程设计的过程中，我们经历了感动，经历了一起奋斗的酸甜苦辣。

也一起分享了成功的喜悦。

这次的课程设计对我们每个人来说都是一个挑战。

课程设计中文档的撰写我从来就没有担心过，反而是程序的设计使我非常担心，平时对这方面的知识掌握的半生不熟，而且这种仿真软件还是我第一回用。

这时候小组的力量就体现出来了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，而且我们还能够充分利用网络的优势去查阅资料。

在整个设计过程中懂得了许多东西，也培养了独立思考和设计的能力，树立了对知识应用的信心。

同时团队合作让我懂得了在集体工作中，团结是必备因素，要团结就是要让我们在合作的过程中：

真诚，自然，微笑；不斤斤计较；多讨论，少争论，会谅解对方；会征求同学的意见，找出共同点；会接受帮助，信守诺言，尊重别人，保持自己的特色。

总之，课程设计虽然结束了，但是从此次课程设计中我学到了很多，感触也很深。

我感受到了肖锋老师对学生的那种悔人不卷的精神，有问必答，使我们少走了很多弯路，顺利完成设计任务。

我感受到了作为一名学生的幸福感，同时也感受到了我们身负的责任与使命，我相信这会成为我的动力，让我不懈的前进。

通过这次的课程设计让我对单片机的理论有了更加深入的了解。

第8章参考文献

4、教材《单片微型计算机技术》刘国荣编机械工业出版社

5、《单片微型计算机原理、应用及接口技术》张迎新编国防工业出版社

6、《单片机实用系统设计技术》房小翠编国防工业出版社

4、《单片机应用系统设计》何立民编北航出版社

5、《单片机原理及接口技术》曹琳琳编国防科技大学出版社

附录A系统原理图

附录B程序清单

ORG0100H

MAIN:

MOVSP,#60H

CLRP2.1

LOOP:

MOVA,P1

JNBACC.1,ONE

JNBACC.0,TWO

LCALLDELAY1S

LCALLDELAY1S

AJMPLOOP

ONE:

MOVR0,#01H

SETBP2.1

LOOP1:

LCALLDELAY1S

DJNZR0,LOOP1

CLRP2.1

LCALLDELAY1S

LCALLDELAY1S

AJMPLOOP

TWO:

MOVR0,#05H

SETBP2.1

LOOP2:

LCALLDELAY1S

DJNZR0,LOOP2

MOVR1,#05H

CLRP2.1

LOOP3:

LCALLDELAY1S

DJNZR1,LOOP3

AJMPLOOP

DELAY1S:

MOVR6,#4

DL1:

MOVR5,#251

DL2:

MOVR4,#248

DL3:

NOP

NOP

DJNZR4,DL3

DJNZR5,DL2

DJNZR6,DL1

RET

END

附录C评分表

电气与信息工程系课程设计评分表

项目

评价

优

良

中

及格

差

设计方案合理性与创造性（10%）

开发板焊接及其调试完成情况*（10%）

硬件设计或软件编程完成情况（20%）

硬件测试或软件调试结果*（10%）

设计说明书质量（20%）

答辩情况（10%）

完成任务情况（10%）

独立工作能力（10%）

出勤情况（10%）

综合评分

指导教师签名：

________________

日期：

________________

注：

表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：

封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。