单片机课程设计汽车转向灯03.docx
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单片机课程设计汽车转向灯03
基于单片机的汽车转向灯（LED灯）控制器的设计
摘要
随着社会的不断发展，汽车正在成为现代社会的一种重要交通工具。
车灯是行车安全的必备件，除了具有照明的作用，还具有转向、刹车等警示作用。
汽车转向和报警信号灯是汽车运动方向和车身状态的表示信号，关系着汽车的安全问题，因此基于单片机的汽车信号灯控制器的设计一直以来都是汽车电子设计中的一个十分重要的领域。
然而求低功耗，相对于传统的卤素低压照明模式，带来诸多好处。
高亮度LED汽车灯能以相对较小的功率消耗来提供更高的亮度，并能通过简单的电流控制来获得很宽的调光范围，而其低成本、低功耗、快速接通时间、长寿命、结构坚固、外围电路简单、受振动影响小等特点更可带来绝对的经济优势。
高亮度LED照明也给汽车电子产品师和制造商带来了全新的机遇和挑战。
本设计是基于AT89C51单片机芯片的汽车转向灯的控制系统，通过I/O口控制发光二极管的亮﹑灭及闪烁，加上一些复位电路﹑按键电路﹑驱动电路等来模拟汽车尾灯的功能。
该系统在汽车进行左转向、右转向、刹车、合紧急开关、停靠等操作时，实现对各种信号指示灯的控制。
利用Proteus和Keil联调，对此控制系统进行仿真，可实现上述功能。
关键词：
转向灯；单片机；Proteus；Keil
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofsociety,carisbecomingamodernsocietyandimportantvehicle.Lampisthenecessaryparts,trafficsafetyinadditiontoitslightingeffect,stillhavetoetc,brakewarningrole.Automotivesteeringandwarninglightsarecarmovementdirectionandbodystate,relatetothesignalofcarbasedonsinglechipandsecurityproblems,sothecarlightcontrollerdesignhasalwaysbeenoneofautomobileelectronicdesignisveryimportantfields.However,comparedwithtraditionalforlowpowerconsumptionoflow-pressurehalidelightingmode,tobringalotofbenefits.HighbrightnessLEDwithrelativelysmallcarlampcanthepowerconsumptiontoprovidehigherbrightness,andthroughsimplecurrentcontrolforawiderangeoflight,andthelowcost,lowpowerconsumption,fastontime,longlife,firmstructure,peripheralcircuitissimple,smallvibrationinfluencecharacteristicssuchasbymorecanbringabsoluteeconomicadvantages.HighbrightnessLEDlightingalsogiveautomobileelectronicproductsdivisionandthemanufacturerbringacompletelynewopportunitiesandchallenges.
ThisdesignisbasedonAT89C51chipslights,controlsystem,carthroughtheI/Oportcontrolledslight,destroyandflashing,plussomeresetcircuit,buttonscircuit,drivecircuittosimulatethefunctionofautomobiletaillight.Inthissystem,thecarlefttorightturn,brakes,andfitstheemergencyswitch,callswhenoperating,realizethecontrolofthevarioussignallights.UsethisKeilalignment,Proteusandcontrolsystem,andsimulationcanrealizethefunction.
KeyWords：
directionindicatorlamp；SingleChipMicrocomputer；Proteus；Keil
第1章绪论
1.1选题背景
最近几年，燃料费的提高让汽车都力求低功耗，这使得汽车上的LED应用越来越多，并有取代汽车密封式前大灯和其他汽车用白炽灯的趋势。
又由于为了让车行驶更加安全，欧盟率先于2008年9月24日公告，要求自2011年2月开始，所有小轿车、小货车的新车型均须配备昼行灯；而其他货车、巴士则是自2012年8月7日起须配备昼行灯。
除了欧盟之外，其它各国也陆续着手规范全部车种的新车须安装昼行灯，目前仅有加拿大法规容许以近光灯代替昼行灯。
专家指出，由于昼行灯必须在车辆行驶中保持亮度，传统昼行灯的耗电量为头灯的25～30%，于是具备低耗电量与长使用寿命优势的LED光源成为厂商研发新潮流，若使用LED昼行灯仅须消耗头灯10%的电力。
考虑行车的安全性及节能需求趋势下，开发LED昼行灯将势在必行。
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，能够使用单片机通过软件编程方法实现。
单片机的应用改变着控制系统设计方法。
单片机对LED汽车灯进行控制，可靠性高，定时时间精确，还可以承受一定的温度变化，基本不受周围环境的影响，不仅可以达到精确控制的目的，而且使用寿命也大大延长。
1.2发展及前景
由于LED的输入电能约有90%的转换热能必须排出，这远比传统灯源要来的高上许多；另外，LED晶粒归类于半导体材料，不能耐高温（＜120°C），由晶粒至大气的排热只容许约50°C温差，更是远低于传统灯泡，因此，散热设计是LED汽车灯的普及的一大难题，再加上灯具不能使用风扇散热，而且灯具产品要能推广到汽车市场普及，还得要进一步考虑到外观造型与灯具的光学设计原理。
严格来说，传统所使用的灯具所产生的热源其实远高于LED；不过，传统灯具不会因为高温而降低其光源输出能力，但LED的光输出却会因为本身接口问题，使LED的发光效率受到影响。
而其产生的热如何散除到外界环境与其封装结构材料息息相关，牵涉到使用的散热材料与相关外型。
以现有的封装技术最高可允许LED操作在185℃（LumiledK2），但一般因为封装胶材的关系，可允许的操作温度约在125℃，除了考虑光源输出效率之外，还必须要考虑封装胶材的变质。
目前有厂商发展出以“热力均温超导技术”，可将LED所产生的热源进行聚热分散的效果；也就是说，当LED灯具的温差在正负1度的范围之间，再采用强制散热技术，利用灯具所设计的防尘遮蔽的半开放式空间进行空气换气的动作，也就是可以让空气产生对流，而达到传散热能的效果。
1.3本设计的主要内容
本次单片机的控制系统以AT89C51为控制器；键盘为输入信号，由于AT89C51本身的功能强大，汽车转向灯的驱动用单片机的驱动功能来完成。
使得单片机的功能得到了充分的运用；并且显示电路从并行I/O口输出，由限流电阻和发光二极管组成，低电平使发光二极管导通，显示出相应的转向信号；为提升了系统的可靠性，设计看门狗电路，防止PC受到干扰而失控，引起程序跑飞，可能会造成的程序死循环。
掉电保护电路防止在单片机工作时突然掉电而失去方向指示功能。
进行仿真后，能清晰的看到在控制输入信号的状态下，相应的信号灯发出转向的指示信号。
本次设计对汽车转向灯单片机控制系统地分析与设计，对单片机控制系统进行了仿真调试，达到了毕业设计预期目的。
第2章相关芯片及元器件介绍
CD4060介绍
CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，RESET为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。
所有的计数器位均为主从触发器。
在CP1（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数。
在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。
CD4060的引脚功能图如图所示：
CD4060引脚功能图
LED的结构
LED是一种固态的半导体器件，它直接可以把电能转化为光能。
半导体芯片的核心是“PN结”，也就是在一块本征半导体的两端掺入不同的杂质，分别形成P型半导体和N型半导体。
在PN结上增加相应的导线、壳体、支架等零件形成LED。
LED的内部结构如图所示。
图1.1LED的内部结构
（1）芯片。
LED芯片的实质就是一个PN结，其内电子与空穴复合发出光。
芯片是LED最重要的发光部件。
其材料主要由砷、铝、镓、铟、磷、氮、锶元素组成。
具体选择何种元素则是由所需LED的发光颜色决定。
（2）封装。
封装就是将LED芯片及其它一些器件包裹起来，起到一定的防腐、抗震、导热的作用，从而保证芯片正常工作。
车灯LED常用的封装材料是有机硅。
封装除了保护作用以外，对LED的光线出射影响重大，这主要是由于封装材料与空气的折射率不同。
LED芯片的光线输出通常被理解为电光源，但光线经过两种折射率不同的材料，会发生折射现象。
当入射角度超过某个限度时，光线发生全反射。
即LED只能在特定角度内存在光线输出。
因此出现“光线出射角”，它对LED车灯系统配光影响重大。
封装的材料与形状对LED的光线输出起到至关重要的作用。
有的LED为了增大光线出射角，以及更好地控制光线输出，内部增加了发射碗。
（3）散热元件。
由LED本身的发光原理决定，LED在整个发光过程中没有从发热到发光的热量转换。
但LED的芯片以及PCB在工作时，会有大量的热量产生，需要配置相应的散热元件。
虽然目前采用LED技术的成本仍然远远高于采用普通灯泡，但LED汽车信号灯系统具有明显的优势，从而能够得到长远的研究及开发空间。
其优势有：
布置紧凑。
LED体积小，可以实现更为紧凑的光学设计。
节省了车灯系统的后部空间，为整车布置及相关车身结构设计提供了便利。
使用寿命长。
LED的使用寿命长，基本可以使车灯系统达到整车寿命，无需更换。
环保。
LED不含有害物质汞，减少对环境的污染。
节能。
LED的实际光效可以达到80%以上。
第3章汽车转向灯单片机控制系统工作原理
3.1汽车转向灯工作原理
由定时器/计数器与中断系统的联合组成控制系统的工作原理。
假定汽车上有5个控制按键，其中有汽车左转控制键，汽车右转控制键，紧急开关，刹车按键，倒车按键。
当按下相应的按键时，汽车左右尾灯、左右头灯以及仪表板上2个指示灯相应地发出信号，同时蜂鸣器以相应的频率发出提示音。
具体情况作操作，信号灯及蜂鸣器应输出的信号列于表2.1。
表2.1汽车驾驶操纵与信号
驾驶操作
输出信号
仪表板左转向灯
仪表板右转向灯
左头灯
右头灯
左尾灯
右尾灯
蜂鸣器
左转向（合上左转开关）
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
——
0.5HZ
右转向（合上右转开关）
——
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
0.5HZ
合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
2HZ
刹车（合上刹车开关）
——
——
——
——
亮
亮
——
左转向时刹车
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
亮
0.5HZ
右转向时刹车
——
闪烁
——
闪烁
亮
闪烁
0.5HZ
刹车，并合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
亮
2HZ
左转向时刹车，并合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
2HZ
右转向时刹车，并合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
闪烁
2HZ
倒车（合倒车开关）
——
——
——
——
2HZ
闪烁
2HZ
闪烁
0.5HZ
2.2单片机系统的工作原理
中断系统
中断技术是为使单片机具有对外部或内部随机发生的事件实时处理而设置的，中断功能的存在，很大程度上提高了单片机处理外部或内部事件的能力。
中断是指CPU在处理某一事件A时，发生了另一事件B，请求CPU迅速去处理（中断发生）；CPU暂时停止当前的工作（中断响应），转去处理事件B（中断服务）；待CPU将事件B处理完毕后，再回到原来事件A被中断的地方继续处理事件A（中断返回），单片机在执行程序时，中断随时可能发生，但无论何时发生，只要一旦发生，单片机将立即暂时当前程序，去处理中断程序。
单片机在执行程序时其流程图如图2.1所示。
图2.1单片机中断过程
中断的开启与关闭、设置启动哪一个中断等都是由单片机内部的一些特殊功能寄存器来决定的。
80C51的中断系统有5个中断源（8052有6个），2个优先级，可实现二级中断服务嵌套。
每个中断源的中断优先级都是由中断优先级寄存器IP中的相应位的状态来规定的。
同一优先级中的中断申请不止一个时，则有中断优先权排队问题。
同一优先级的中断优先权排队，由中断系统硬件确定的自然优先级形成，其排列如表2.2所示。
表2.2各中断源响应优先级及中断服务程序入口表
中断源
中断标志
中断服务程序入口
优先级顺序
外部中断0（
）
IE0
0003H
高
定时器/计数器0（T0）
TF0
000BH
↓
外部中断1（
）
IE1
0013H
↓
定时器/计数器1（T1）
TF1
001BH
↓
串行口
RI或TI
0023H
低
单片机使用中断功能时，通常需要设置两个与中断有关的寄存器：
中断允许寄存器IE和中断优先级寄存器IP。
（1）中断允许控制寄存器（IE）。
中断允许寄存器用来设定各个中断源的打开和关闭，IE在特殊功能寄存器中，字节地址为A8H，位地址（由低位到高位）分别是A8H～AFH，该寄存器可进行位寻址，即可对该寄存器的每一位进行单独操作。
单片机复位时IE全部被清零。
各位定义如表2.3所示。
表2.3IE各位定义
位序
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
位符号
EA
—
—
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
位地址
AFH
—
—
ACH
ABH
AAH
A9H
A8H
IE寄存器中与定时器/计数器有关的位置介绍：
EA----中断允许总控制位
EA=1，打开全局中断控制，在此条件下，由各个中断控制位确定相应中断的打开或关闭。
EA=0，关闭全部中断。
ES----串行口中断允许控制位
ES=0关闭外部中断
ES=1打开外部中断
ET0和ET1----定时器/计数器中断允许控制位
ET0（ET1）=0关闭定时器/计数器中断
ET0（ET1）=1打开定时器/计数器中断
EX0和EX1----外部中断允许控制位
EX0（EX1）=0关闭外部中断
EX0（EX1）=1打开外部中断
“—”表示无效位。
（2）中断优先级寄存器IP。
中断优先级寄存器在特殊功能寄存器中，字节地址为B8H，位地址（由低位到高位）分别是B8H～BFH，该寄存器可进行位寻址。
IP用来设定各个中断源属于两级中断中的哪一级。
单片机复位时IE全部被清0。
各位定义如表2.4所示。
表2.3IP各位定义
位序
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
位符号
—
—
—
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
位地址
—
—
—
BCH
BBH
BAH
B9H
B8H
IP中相应位被置1时，相应的中断定义为高优先级中断；相应位被清0时，相应的中断定义为低优先级中断。
在51单片机系列中，高优先级中断能够打断低优先级中断形成中断嵌套，同优先级中断之间，或低级对高级中断则不能形成中断嵌套。
中断技术的重要作用有如下四点：
第一，高速CPU和低速外设之间的配合。
利用中断方式进行的I/O口操作，在宏观上可以看成CPU和外设的并行工作，提高了单片机的利用率；。
第二，实现故障的紧急处理。
当外设发生故障时，可以利用中断系统请求CPU及时处理这些故障，从而使系统可靠性提高。
第三，可以实现实时控制，CPU能够及时处理应用系统的随机事件，系统的实时性大大增强。
第四，便于人机联系。
操作人员可以利用键盘等实现中断，完成人工介入。
定时器和计数器
信号的控制是定时器与中断系统的联合使用得以实现。
单片机的控制系统应用中，定时器是必需的，在汽车转向灯的控制中也是必不可少。
定时有三种选择方法。
（1）软件的定时
它是靠执行一个循环程序以进行时间的延迟。
软件定时的优点是时间精确，且不需外加硬件电路。
但它要占用CPU的时间，降低利用率，因此软件定时的时间不能太长。
此外，软件定时方法有时候无法使用。
（2）硬件的定时
时间较长的定时，常使用硬件电路完成。
硬件定时方法的优点是定时功能全部由硬件电路完成，不需要占CPU的时间。
用元件参数来调节定时时间，这方面使用上不够灵活方便。
（3）可编程定时器的定时
它是通过对系统时钟脉冲的计数来实现的。
计数值由程序设定，改变计数值，同时也改变了定时时间，用起来既灵活且方便。
此外，采用计数方法实现定时，可编程定时器都兼有计数功能，能对外来脉冲进行计数。
在AT89C51单片机内部共有2个可编程的定时器和计数器，称定时器/计数器0和定时器/计数器1，其实质就是加1计数器，这两个计数器分别由TH0，TL0和TH1，TL1四个8位的寄存器单元组成，即每个计数器都是16位的计数器，最大的计数量时65536。
TMOD是定时器/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。
其具体结构如图2.1所示。
图2.1定时器/记数器的结构
定时器/计数器计数功能和定时功能：
（1）计数器功能
计数是指对外部事件进行计数。
它的发生以输入脉冲表示，计数功能的实质就是对外来的脉冲进行计数。
AT89C51芯片有T0（P3.4）和T1（P3.5）两个信号引脚，是这两个计数器的计数输入端。
外部输入的脉冲在负跳变时有效，进行计数器加1（加法计数）。
当加到计数器全为1时，再输入一个脉冲就使计数器清零，同时计数器的溢出使TCON寄存器中TF0或TF1置1，向CPU发出中断请求（定时器/计数器中断允许时），表示计数值已满。
AT89C51在每个机器周期的S5P2拍节对外部计数脉冲进行采样。
当某一个机器周期采样为高电平，而下一个机器周期采样为低电平，这样就是一个有效的计数脉冲,则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。
由于检测一个从1～0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。
计数脉冲频率不能高于振荡脉冲频率的1/24。
当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2us。
（2）定时器功能
实际也是通过计数器来实现的，但此时的计数脉冲来自单片机的内部，由系统的时钟振荡器输出脉冲经12分频后送来，也即每个机器周期计数器加1。
一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。
单片机采用12MHz晶体，计数频率为1MHz。
每us计数器加1。
由此可见，由溢出时计数器的值减去计数初值才是加1计数器的计数值。
根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的预置值。
在计数器计数满回零时能自动产生溢出中断请求，一次计数完成。
T1、T2的最大计数值65536-1，需65535个脉冲才能把它们从全“0”状态变为全“1”状态。
输一个脉冲，计数器加1，当加到计数器各位全为1时，再去输一个脉冲，计数器各位就变为全0，发出溢出信号，使标志置1，此时向CPU申请中断，执行相应的中断程序。
2.2.4定时初始化
单片机在使用时，通常要对定时器/计数器控制寄存器（TCON）、工作方式控制寄存器（TMOD）和中断允许控制寄存器（IE）进行设置。
（1）定时器/计数器控制寄存器（TCON）。
定时器/计数器控制寄存器在特殊功能寄存器中，字节地址为88H，位地址（由低位到高位）分别是88H～8FH，该寄存器可进行位寻址。
TCON寄存器用来控制定时器的启动与停止，标志定时器溢出和中断情况。
单片机复位时TCON全部被清零，各位定义如表2.1所示。
其中，TF1、TR1、TF0和TR0位用于定时器/计数器；IE1、IT1、IE0和IT0位用于外部中断。
表2.1TCON各位定义
位序
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
位符号
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
位地址
8FH
8EH
8DH
8CH
8BH
8AH
89H
88H
TF1（TCON.7）：
定时器1溢出中断请求标志位。
当定时器1计数满溢出时，由硬件自动置TF1为1，并且申请中断。
CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。
T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。
所以，TF1可用作查询测试的标志。
TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。
TR1（TCON.6）：
定时器1运行控制位。
TR1由软件置1或清0控制定时/计数器的启动与停止。
由软件清0关闭定时器1。
当GATE=1，且INT1为高电平时，TR1置1定时器开始工作；当GATE=0时，TR1置1启动定时器1。
TF0（TCON.5）：
T0溢出中断请求标志位，其功能及操作方法与TF1类同。
TR0（TCON.4）：
T0运行控制位，其功能及操作方法与TR1类同。
IE1（TCON.3）：
外部中断1请求标志位。
当IT1=0时，为电平触发方式，每个机器周期的S5P2采样INT1引脚，若INT1脚为低电平，则置1，否则IE1清0.
当
=1时，
为跳变沿触发方式，当第一个机器周期采样到
为低电平时，则IE1置1。
IE1=1，表示外部中断1正向CPU申请中断。
当CPU响应中断，转向中断服务程序时，该位由硬件清0。
IT1（TCON.2）：
外部中断1触发方式选择位。
IT1=0时，为电平触发方式，引脚
上低电平有效。
IT1=1时，为跳变沿触发方式，引脚
上的电平从高到低的负跳变有效。
IE0（TCON.1）：
外部中断0请求标志，其功能及操作方法与IE1类同。
IT0（TCON.0）：
外部中断0触发方式选择位，其功能及操作方法与IT1类同。
（2）工作方式控制寄存器（TMOD）
定时器/计数器工作方式寄存器在特殊功能寄存器中，字节地址为89H，不可进行
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