单片机汽车转弯信号灯模拟设计.docx

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单片机汽车转弯信号灯模拟设计

摘要

传统汽车的车灯控制系统一般采用继电器与独立模式控制，这使汽车内电线较多，造成严重的电磁干扰，使系统可靠性下降。

因此考虑通过运用单片机控制汽车信号灯，简化电路，减少干扰，从而使系统实用可靠，并增加汽车的安全性能。

“汽车转弯信号灯单片机控制系统”主要是对单片机并行输入/输出口电路的应用，即通过I/O口，增加复位电路、驱动电路、按键电路来模拟汽车转弯系统功能。

由于汽车有左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关等操作，而且可能会组合出多种操作情况。

所以在编写程序时要多方面考虑信号灯存在的各种不同情况，希望能尽量包含多种功能，使控制系统能满足现实需要。

本设计主要的工作是绘制电路原理图，分析设计输入与输出控制端的功能模块，通过编写程序代码控制亮灯键值及闪烁的效果，再进行仿真模拟汽车驾驶时信号灯的各种情况。

仿真后对电路系统进行PCB图绘制，经过电路板实物制作及调试验证汽车信号灯单片机控制系统的操作可行性。

观察分析设计的结果，进行反馈，完善该操作系统。

关键词单片机；汽车转弯；信号灯；程序设计；调试

Abstract

Traditionalautolightcontrolsystemgenerallyusestherelaywiththeindependentmodecontrol,thismakesthewireinsidethecarmore,causesseriouselectromagneticinterference,andmakesthesystemreliabilitydescend.SoIconsiderusingsingle-chipmicrocomputercontrolcarlightstosimplifythecircuitandreducetheinterference,sothatthesystemispracticalandreliable,anditcanincreasethesafetyperformanceofcars."Carlightsturnsingle-chipmicrocomputercontrolsystem"ismainlytheapplicationofsinglechipmicrocomputerparallelinput/outputcircuit,namely,throughtheI/Oportresetcircuit,drivecircuit,keycircuittosimulatethevehicleturningsystemfunctions.Becausethecarhasleftturning,rightturning,braking,emergencyswitch,etc,anditcancomposeavarietyofoperatingconditions.Soinmanyrespectswhenyouwriteaprogramsignalsexistvarioussituation,hopetobeabletotrytocontainavarietyoffunctions,canthecontrolsystemmeettheneedsofthereality.Thisdesignistoplotcircuitprinciplediagram,analyzethedesigninputsandoutputstothecontrolfunctionmodule,bywritingtheprogramcodelightscontrolkeysandtheflashingeffect,andcarriesonthesimulationoflightwhenthecardrivingsituations.AftersimulationandPCBcircuitdiagramdrawing,itcantestcircuitboardanddebugtheoperationalfeasibilityofthecontrolsystem.Toobservetheresultoftheanalysisanddesign,feedback,willimprovetheoperatingsystem.

KeywordsSinglechipmicrocomputerCarsturningSignallightProgrammingDebugging

第1章绪论

1.1选题背景

单片机是从早期计算机系统里分化出来的，它体积小、功能强、性能稳定及价格便宜。

由数字电路与模拟电路实现的控制模块功能，可以使用单片机以及通过软件编程方法来实现操控功能，使各独立单位有效结合成一个整体，从而研发出智能型产品。

单片机的应用逐渐改变了控制系统的设计理念和设计方法，而且将会在更多的领域带来巨大的促进。

单片机的应用优势在于使产品向着小型、智能与多功能化方面发展，而且可以提高生产效率、减轻劳动力强度，同时提升产品的质量，改善生产环境。

根据单片机自身特性，可以决定其应用范围。

在工业控制领域：

运用单片机可以构造各种数据库采集系统与控制系统，满足生产工作的需求。

例如工厂生产中制作的智能化管理与安全警告系统。

另外在日常生活的家用电器也都采用单片机控制系统，如音响视频器件、高级智能玩具、电子门锁等。

单片机也可应用于智能仪器仪表上，如精密的测量与分析仪。

单片机的发展拥有很大的潜力，其中将单片机应用于汽车转弯灯系统中，也是我们具有研究意义的项目。

现代汽车采用单片机的智能模块也越来越多，如防抱死刹车系统（ABS）、电子制动力分配（EBD）等。

1.2研究目的与意义

因为传统汽车的信号灯控制系统很多采用独立模式和继电器控制，依靠数字逻辑电路去实现。

这使得车内电线很多而且比较复杂，存在许多带有制约关系的联锁电路，从而造成了严重的电磁干扰，使系统的可靠性降低。

尤其在恶劣天气的环境下，如在夜晚下大雨或出现大雾的时候，人们对汽车安全行驶的要求会变得更高，此时利用单片机作为控制器的汽车信号灯系统为我们带来了极大的方便。

所以本设计研究的目的是采用MCS-51系列单片机作为控制器,代替传统的控制电路系统,不仅可以简化传统模块电路，极大地减少车内线束，降低电磁干扰。

同时研究这个系统可提高其自动化程度,增加系统功能，提高安全性能。

这个设计是使用单片机控制信号灯的系统，即在汽车进行各种操作时，通过编写程序代码实现各种信号指示灯的控制，如左转弯、右转弯、合紧急开关、刹车等。

研究的意义在于这样不仅可以减少成本，而且操控更便捷简单，能够更好地运用到实际情况中，从而抵御周边恶劣天气环境下的影响，增加行车时的安全性。

1.3技术现状分析

汽车转向灯是在机动车辆转向时开启用来提示周边车辆还有行人注意的重要指示灯，它的有效工作，可以为行车提供安全保障。

汽车转弯信号灯是机动车的动态信息装置，主要安装在车身的前后，此设计模拟的信号灯，也是按照机动车各个位置安放LED灯，方便调控模拟现实情况，另外芯片的位置可以安装在汽车驾驶位置的仪表盘里，进行对信号灯的操作。

汽车可以按照模拟中出现的左转、右转、紧急情况与刹车等情况，实现对转向灯的操控，安全驾驶。

现在转弯信号灯的设计正在不断升级与改善，由于当汽车驾驶时可能会出现盲区，驾驶员可能看不到另外一辆汽车的尾部。

那么考虑在后视镜安装转向信号灯，如果这些后视镜里面含有高强度发光二极管，而这些二极管可以排成指向左边或右边的箭头。

对于后面驾驶车辆可以有更好指示效果，从而避免驾驶盲区。

1.4论文的主要内容

全文共分五章。

第1章阐述了课题设计的选题背景及研究目的和意义，及技术现状分析。

第2章主要讲述了汽车转弯信号灯系统设计原理，包括系统控制要求与系统设计方案。

另外详细介绍了单片机AT89C52的工作原理及设计特点。

第3章主要讲述汽车转弯信号灯系统的硬件设计部分，包括对系统每个部分的电路分析与操作功能，以及制作要求和制作实现硬件的过程。

第4章主要介绍了汽车转弯信号灯系统的软件设计，讲述控制端口值及亮灯键值表的设计，及程序主流程图与子流程图的构思过程。

第5章主要讲述了系统的仿真与硬件调试结果，及仿真结果图的展示，还有对软硬件的联调测试，并分析结果，进行修改。

结论主要是对论文内容进行概括归纳与总结分析。

第2章汽车信号灯系统设计原理

2.1汽车信号灯系统控制要求

通过中断系统与定时计数器的联合组成控制系统的工作原理。

考虑情况如汽车上仪表盘附近有一个转弯控制杆，它的三个位置分别为：

向上，汽车左转弯；中间位置，汽车直行；向下，汽车右转弯。

另外转弯的时候，安排左右头灯、左右尾灯、仪表盘上2个指示灯对应地发出闪亮信号。

同时当紧急开关合上时，7个信号灯都闪烁的信号仍应闪亮，它们包括前左转弯灯、前右转弯灯、后左转弯灯、后右转弯灯、仪表盘的左指示灯、右指示灯，以及仪表盘上的紧急信号灯。

其中它们都是频率为1Hz低频闪烁[1]。

控制要求如下表2-1所示。

表2-1汽车驾驶操纵与信号

驾驶操作

输出信号

仪表盘左转弯灯

仪表盘右转弯灯

仪表盘紧急灯

左前灯

右前灯

左后灯

右后灯

左刹车灯

右刹车灯

左转弯

闪亮

灭

闪亮

灭

闪亮

灭

右转弯

灭

闪亮

灭

闪亮

灭

闪亮

灭

合上紧急开关

闪亮

灭

刹车

灭

亮

左转弯时刹车

闪亮

灭

闪亮

灭

闪亮

灭

亮

右转弯时刹车

灭

闪亮

灭

闪亮

灭

闪亮

亮

刹车，并合紧急开关

闪亮

亮

左转弯时刹车，并合紧急开关

闪亮

亮

右转弯时刹车，并合紧急开关

闪亮

亮

2.2汽车信号灯系统设计方案

汽车转向灯系统主要有单片机AT89C52、复位、按键、LED显示电路、+5V电源组成最基本的控制系统。

由于单片机有着强大的功能，而汽车转向灯的驱动将使用单片机本身的驱动进行驱动，这样使得单片机的功能可以得到充分的运用[2]。

如下图2-1：

图2-1汽车转弯信号灯系统总框图

2.3单片机AT89C52简介

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS的8位单片机，片内含有8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）。

2.3.1单片机AT89C52内部主要功能特性

单片机AT89C52如图2-2，其内部主要功能特性：

●兼容MCS51指令系统；

●8k可反复擦写FlashROM；

●32个双向I/O口；

●256x8bit内部RAM（可扩充64kB外部存储器）；

●16位可编程定时器/计数器中断有3个；

●时钟频率0-24MHz；

●2个串行中断，与可编程UART串行通道；

●共8个中断源，其中2个为外部中断源；

●有2个读写中断口线，3级加密位；

●低功耗掉电和空闲模式，兼软件设置睡眠与唤醒功能；

●有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC几种封装形式，来适应不同产品的需求[3]。

图2-2单片机AT89C52

2.3.2单片机AT89C52主要引脚功能

（1）Vcc：

AT89C52电源正端输入，接+5V。

（2）Vss：

接地引脚。

（3）XTAL1：

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

（4）XTAL2：

系统时钟的反相放大器输出端。

一般设计上需要在XTAL1和XTAL2上接上一个石英振荡晶体系统就可以动作，另外可以在两引脚与地之间加入一个20pF的小电容，这样既可以使系统更加稳定，又可以避免噪声干扰而导致的死机。

（5）RESET：

AT89C52的重置引脚，高电平动作。

（6）PORT0（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）不包含这个电路组态，而是内部有提升电路，P0当作I/O使用时，可推动8个LS的TTL负载。

（7）PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1是具有内部提升电路的双向I/O端口，它的输出缓冲器可以推动四个LS的TTL负载，同时若将端口1的输出设置为高电平，则会由这个端口来输入数据。

（8）PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可推动四个LS的TTL负载，若将端口2的输出设置为高电平时，这个端口可以当作输入端口使用。

（9）PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动四个TTL负载，而且还具有其他额外的特殊功能，其中包括外部中断控制、串行通信、计时计数控制以及外部数据存储器内容的读取与写入控制等功能[4]。

引脚分配如下表2-2：

表2-2P3引脚功能分配表

引脚

名称

功能定义

P3.0

RXD

串行通信数据接收端

P3.1

TXD

串行通信数据发送端

P3.2

外部中断0请求端口

P3.3

外部中断1请求端口

P3.4

定时/计数器0外部数据输入端口

P3.5

定时/计数器1外部数据输入端口

P3.6

片外数据存储器的写选通

P3.7

片外数据存储器的读选通

2.4单片机AT89C52的工作原理及设计

2.4.1开关状态检测

关于开关状态检测，对AT89C52为输入关系，可以一次性检测全部开关的状态，让它指示，则可以使用MOV　A，P1指令一次把P1端口产生的状态全部读入，再取低4位来进行与程序的值相比较，或者可以采用单键检测来实现，即可以用JB/JNB来对输入键进行测试，然后对端口进行控制，而且控制输出端口也可以直接对位进行控制，用SETBPX.X。

又因为刹车键与刹车灯是一个组合，只有当刹车键按下去后，刹车灯就会亮，所以这里可以采用对刹车键直接进行位检测。

2.4.2输出控制

以发光二级管D1-D9来指示，设计时可以用指令MOVPX，#XXXXXXXX方法来实现。

其中D1-D7表示的是2个车前转弯灯，2个车后转弯灯，仪表盘的2个转弯指示灯和1个双闪灯。

而D8和D9是刹车灯。

2.4.3定时器和计数器

根据任务设计要求，需要使用到定时器，信号的控制是中断系统与定时器的联合运用得到实现的。

在单片机控制系统应用时，需要使用到定时器，而在汽车转弯信号灯的控制中都是不可缺少的。

其中有三种选择定时的方法。

（1）软件的定时

软件定时是指扫行循环程序从而进行时间延迟。

它的优点：

时间精确，而且不需要增加硬件电路。

但是它需要增加CPU的开销，所以软件定时的时间不能够过长。

（2）硬件的定时

硬件定时的优点：

定时功能全部由硬件电路来完成，不会占CPU时间。

（3）可编程定时器的定时

它是指由系统时钟脉冲的计数去实现的。

通过程序设定计数值，同时可以改变定时的时间，这样使用起来灵活方便[5]。

2.4.4定时器初始化

编程主要是对工作方式控制寄存器，定时器控制寄存器和中断允许控制寄存器进行操作。

（1）定时器控制寄存器（TCON）

TCON不仅参与中断控制同时参与定时控制，有关定时的控制位有4位：

TF0和TF1——记数溢出标志位

TR0和TR1——定时器运行控制位

TR0（TR1）=0——停止定时器/计数器工作

TR0（TR1）=1——启动定时器/计数器工作

（2）中断允许控制寄存器

EA——中断允许总控制位

ET0和ET1——定时/计数中断允许控制位

ET0（ET1）=0——禁止定时/计数中断

ET0（ET1）=1——允许定时/计数中断

根据上面的功能特性，可以针对任务要求，利用单片机的可编程定时/计数器与中断系统来实现信号灯闪烁的延时及故障检测[6]。

（3）工作方式控制寄存器（TMOD）

TMOD寄存器，它的低半字节定义定时器/计数器0，高半字节定义定时器/计数器1[7]。

各位定义如表2-3所示：

表2-3TMOD各位定义

位序

位符号

GATE

其中：

（a）GATE——门控位

GATE=0——以控制位TR启动定时器

GATE=1——以外中断请求信号（INT0I或NT1）启动定时器。

（b）C/

——计数方式或定时方式选择位

=0——定时工作方式

=1——计数工作方式

（c）M1、M0——工作方式选择位

M1、M0=00——工作方式0

M1、M0=01——工作方式1

M1、M0=10——工作方式2

M1、M0=11——工作方式3

2.4.5中断系统

应用“中断”，可以有效提高单片机系统的实时性，几乎所有良好的实时系统都会用到中断。

在单片机上有两个引脚，即INT0与INT，外部中断信号通过这两个引脚输入到单片机，另外可以通过编写程序来实现对中断系统的处理，即使用AT89C52的可编程中断系统去实现信号灯闪亮的延时，还有故障检测。

中断系统的主要作用有下面四点：

第一，实现高速CPU和低速外设之间在速度上的同步与匹配。

利用中断方式进行I/O口操作，可以看成外设和CPU的并行工作。

第二，实现故障紧急处理。

即当外设发生故障时，可利用中断系统请求CPU立刻处理出现的故障。

第三，满足实时控制要求。

第四，人机联系方便灵活。

操作人员可以使用键盘等操作实现中断，完成人工介入[8]。

2.5本章小结

本章主要介绍了汽车转弯信号灯系统的设计原理，包括设计方案、设计思路及对芯片AT89C52的简单说明，分析控制要求，结合AT89C52的定时器/计数器与中断系统的性能特点初步设计信号灯系统的结构组成。

第3章汽车转弯信号灯系统硬件设计

3.1汽车转弯信号灯系统电路

3.1.1汽车转弯信号灯系统控制功能

汽车信号灯由单片机控制会使电路简化，而且此系统可以通过软件编程完成所需的控制功能，实用方便。

下面是使用单片机控制的汽车信号灯，它们依次为左前灯、左后灯、右前灯和右后灯。

4个按键SB1、SB2、SB3、SB4，它们分别是左转弯键、右转弯键、紧急信号键、刹车键。

而输出电路则由9个LED指示灯组成。

汽车信号灯控制功能见表3-1，及9个LED指示灯的分配见表3-2。

表3-1汽车信号灯控制功能表

按键

键名

动作

SB1

左转

前左转灯、后左转灯、仪表盘左转指示灯闪亮

SB2

右转

前右转灯、后右转灯、仪表盘右转指示灯闪亮

SB3

紧急

前左转灯、后左转灯、仪表盘左转指示灯闪亮

前右转灯、后右转灯、仪表盘右转指示灯闪亮

仪表盘双闪灯闪亮

SB4

刹车

左刹车灯亮、右刹车灯亮

表3-2LED指示灯分配表

代号

灯名分配

前左转灯

前右转灯

仪表盘左转指示灯

仪表盘右转指示灯

后左转灯

后右转灯

仪表盘双闪灯

左刹车灯

右刹车灯

3.1.2汽车转弯信号灯系统电路元件表

表3-3汽车转弯信号灯系统电路元件表

名称

代号

规格或型号

数量

单片机

AT89C52

晶振

12MHz

发光二极管

D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9

5mm

按钮

SB1~SB4

自锁型

电阻

10k

R3~R6

51k

R7~R15

100

电容

C1、C2

33pF

排阻

RP1

RESPACK-8

单片机电源

+5V

3.1.3汽车转弯信号灯系统总电路图

基于单片机的汽车信号灯控制系统总电路图如图3-1。

总电路图由4个部分组成，分别是时钟电路、复位电路、输入电路与输出电路。

图3-1汽车信号灯控制总电路图

3.2汽车转弯信号灯系统局部电路分析

3.2.1时钟电路分析

内部时钟工作方式是利用单片机内的振荡电路实现的，需通过单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接定时元件。

定时元件通常用晶体振荡器与电容构成并联谐振回路，如下图3-2所示。

其中电容C1和C2一般取30pF左右，主要作用是帮助其起振，晶体的振荡频率范围在1.2～13MHz。

一般时钟振荡频率为6～12MHz。

图3-2时钟电路图

3.2.2复位电路分析

能够产生单片机复位的条件：

在RST引脚端出现满足复位时间要求的高电平状态，这个时间相当于系统时钟振荡周期建立的时间上再加两个机器周期（通常≥10ms）。

单片机的复位可通过两种方式产生，即上电复位和按键复位方式。

上电复位是利用阻容充电电路实现（见下图3-3（a）），当给单片机上电时，RST端的电位与Vcc相同。

当充电电流逐渐减小，RST端的电位将不断下降。

则选择适合的电阻和电容，使RC时间常数大于复位时间就可保证上电复位的发生。

（a）上电复位（b）按键复位（c）复合复位

图3-3复位电路图

按键复位方式是使用电阻分压电路实现的（见上图3-3（b）），当按键压下时，串联电阻R2的分压可以使RST端产生高电平，则按键恢复时产生低电平。

当按键操作产生的复位脉冲宽度大于复位时间就可保证按键复位的发生。

实际应用中，常采用将上电复位和按键复位整合在一起的复合复位方法（如上图3-3（c））。

3.2.3输入控制端电路分析

按照任务要求，系统的工作原理为：

将单片机的引脚作为输入来使用，应首先置“1”。

在按键没被按下时，单片机的引脚上为高电平；如果按键被按下后，引脚接地，单片机引脚上就为低电平。

同时因为输入端只用了前5个接线端（分别是P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4），可将后3个接线端（P1.5、P1.6、P1.7）直接接地，就可以确定后面那个接线端的输入状态为低电平，从而方便于编程。

电路图如下图3-4所示。

图3-4输入控制端电路图

3.2.4输出控制端电路分析

输出端电路是由6个LED灯，6个电阻以用一个排阻所组成（如下图3-5所示）。

当P0口作为通用I/O口使用，CPU使“控制”端持续低电平→封锁与门A（恒定输出0）→上拉场效应管V2处于截止状态→漏极开路；“控制”端为0也使多路开关MUX与接通。

这时P0口与P1口一样，有输出、读引脚和读锁存器三种工作方式，但由于V2漏极开路，要使“1”信号正常输出，必需外接一个上拉电阻，则上拉电阻的阻值为4.7～10k

。

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