单片机航标灯控制课程设计.docx
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单片机航标灯控制课程设计
一.系统总体方案选择与说明
1.1设计方案选择
以89C51单片机为核心，逻辑电路为辅助的制作开发自动控制航标灯，以实现设计要求。
1.2设计方案说明
以89C51单片机为核心制作开发的自动控制航标灯系统，实现1）航标灯在黑夜能定时闪闪发光，亮3s,熄灭3s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。
二.系统结构框图与工作原理
2.1系统结构框图
图2.1
2.2系统的工作原理
本电路选用了MCS87C51单片微处理器作为航标控制电路的核心，时钟选频为12MHZ。
87C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本型产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，电改写光擦除的片内4kBEPROM。
87C51内置8位中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。
快速脉冲编程，如编写4kB片内ROM仅需12秒。
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0.5s,熄灭0.5s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3s,熄灭3s周期循环。
P1.1
P1.0
航标灯工作状态
0
0
灯亮1s,熄灭1s周期循环
0
1
1
0
灯亮3s,熄灭3s周期循环
1
1
灯不工作
三.各单元硬件设计说明及计算方法
3.1单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中。
3.1.1．主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
3.1.2．管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
高低电平要求的宽度。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.280C51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）
3.3光敏二极管
光敏二极管也叫光电二极管。
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
上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）（常见的有2CU、2DU等系列。
）
四.软件设计及说明（含流程图）
五.调试结果与必要的调试说明
5．1水位安全时间——黑夜
如下图所示，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（‘0’状态），P1.1口为高电平（‘1’状态），灯进入亮3秒熄3秒的循环。
图5.3
5.2水位安全时间——白昼
如下图所示，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（状态为‘1’），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）
图5.2
5.3枯水季节
只要水位检测开关闭合，‘天黑夜检测’开关无论开断与否（即无论白天黑夜），此时P1.1口为低电平（状态‘0’），P2.1口做为输出，灯进入亮1秒熄1秒循环。
图5.1
六.使用说明
水路航运系统是运输系统的重要一部分，而航道的正确标识斯船舶航运安全的重要保障。
航标灯（navigationmarklight），是为保证船舶在夜间安全航行而安装在某些航标上的一类交通灯。
它可以在夜间发出规定的灯光颜色和闪光频率，达到规定的照射角度和能见距离。
航标灯有固定灯标、灯浮标、灯船和灯塔4种。
固定灯标、灯浮标和灯船是作导航和警告用的信标。
灯塔在海上昼夜发出可识信号，供船舶测定位置和向船舶提供危险警告。
航标灯多使用蓄电池作电源。
小型灯塔已采用太阳能电池，大型灯塔则采用柴油发电机组作为主电源。
七.总结与体会
转眼为期2周的单片机课程设计就结束了，两周的课程设计两周的辛勤付出，终于结出了一定的果实！
本次课程设计就是要求我们做一个航标灯。
思路是比较简单的，用单片机来设计，通过以89C51单片机为核心，逻辑电路为辅助的制作开发自动控制航标灯，以实现设计要求。
关于这次的课程设计，基本的内容和我们上课所学的差不多！
就是把课本的知识综合了一下，并灵活的运用！
无论是整个程序的哪一个环节，单独拿出来让我们设计都不难，但是一综合起来，对于我们这些初学者来说难度就大了。
因为程序要综合起来考虑很多要点，如果只单单完成一种功能我们还可以慢慢弄清思路，一旦综合性加强，马上就会漏洞百出，失误连连。
我们在平时学习的时候是清楚这一点的，但是遇到综合课题的时候，竟然完全忘记了，这说明有思路和能完成是两个完全不同的水平层次，更说明我们仍需要进一步的学习，不断的努力进取，否则以现在处理问题的能力来应对将来的工作是绝对不行滴。
其次，我们平时学习的都是书本上的理论知识，所做实验的综合性灵活性也没有课程设计这么强，所以我初次动手实际去操作时发现，关于这种应用型的学科必须勤动手勤思考努力去实践。
实践能帮助我们积累经验，这次课程设计让我认识到了自己的经验十分欠缺，不能条件反射的想起一些常识性的问题就是我们动手不够的表现。
另外，通过这次课程设计，让我更加领会到了团队精神的重要性和必要性。
~~~~~路漫漫其修远兮~~~~。
我们仍然得努力的提高自己的动手能力设计能力，把书本知识应用到实际当中，不能够只停留在知识的表面，应该深入探索研究，这样才能让我们更好的适应以后的工作和生活。
八.参考文献
1．何立民主编.MCS-51系列单片机应用系统设计配置与接口技术.北京：
北京航空航天大学出版社，1999
2.高锋主编.单片微机应用系统设计及使用技术.北京：
机械工业出版社,1996
3．苏凯,刘庆国,陈国平编著.MCS-51系列单片机系统原理与设计.北京：
冶金工业出版社，2003
4.周向红主编.51系列单片机应用与实践教程.北京：
北京航空航天大学出版社，2008
5.王迎旭编.《单片机原理与应用》[M].机械工业出版社,2004.
6.楼然苗编.《51系列单片机设计实例》[M].北京航空航天大学出版社.
参考文献
九．附录
附录A（系统原理图）
附录B（源程序清单）
ORG0100H
MAIN:
MOVSP,#60H
CLRP1.7
LOOP:
MOVA,P1
JNBACC.1,ONE
JNBACC.0,TWO
LCALLDELAY1S
LCALLDELAY1S
AJMPLOOP
ONE:
MOVR0,#02H
SETBP1.7
LOOP1:
LCALLDELAY1S
DJNZR0,LOOP1
CLRP1.7
LCALLDELAY1S
LCALLDELAY1S
AJMPLOOP
TWO:
MOVR0,#0AH
SETBP1.7
LOOP2:
LCALLDELAY1S
DJNZR0,LOOP2
MOVR1,#0AH
CLRP1.7
LOOP3:
LCALLDELAY1S
DJNZR1,LOOP3
AJMPLOOP
DELAY0.5S:
MOVR6,#4
DL1:
MOVR5,#251
DL2:
MOVR4,#24
DL3:
NOP
NOP
DJNZR4,DL3
DJNZR5,DL2
DJNZR6,DL1
RET
END
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