单片机课程设计汽车转向灯.docx
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单片机课程设计汽车转向灯
1绪论……………………………………………………………………………………
1.1选题背景………………………………………………………………………
1.2研究意义………………………………………………………………………
1.3研究方法………………………………………………………………………
2汽车转弯灯单片机控制系统原理……………………………………………………
2.1汽车转弯灯工作原理…………………………………………………………
2.2单片机系统的工作原理及设计………………………………………………
3方案选择……………………………………………………………………………
3.1方案论证1……………………………………………………………………
3.2方案论证2……………………………………………………………………
3.3方案选择………………………………………………………………………
4主要芯片介绍…………………………………………………………………………
4.189S51芯片介绍………………………………………………………………
4.1.1引脚介绍………………………………………………………………
4.1.2功能介绍………………………………………………………………
4.2MAX232芯片介绍………………………………………………………………
4.2.1引脚介绍……………………………………………………………4.2.2功能介绍……………………………………………………………
4.3ULN2083芯片介绍……………………………………………………………
4.3.1引脚介绍……………………………………………………………
4.3.2功能介绍……………………………………………………………
5控制系统的硬件设计…………………………………………………………………
5.1单片机控制系统电路图………………………………………………………
5.2单片机控制系统功能各模块的设计…………………………………………
5.3元器件清单……………………………………………………………………
6控制系统的软件设计……………………………………………………………
6.1汽车转弯灯控制系统流程图………………………………………………
6.2软件和程序设计……………………………………………………………
7电路功能实现
7.1软件调试
7.2单片机硬件功能实现
7.3仿真操作说明及现象…………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………………………
致谢………………………………………………………………………………………
附录………………………………………………………………………………………
摘要
随着单片机的日益发展，其应用也越来越广泛，通过对“汽车转弯灯单片机控制系统”设计，可以对单片机的知识得到巩固和扩张。
本设计是设计一个单片机控制系统。
在汽车进行左转弯、右转弯、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。
本设计主要是对单片机的并行输入/输出口电路的应用，通过I/O口控制发光二极管的亮﹑灭﹑闪烁，加上一些串口电路﹑按键电路﹑驱动电路来模拟汽车尾灯的功能并在PC机上显示此时的汽车行进状态。
汽车在驾驶时有左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关、停靠等操作。
在左转弯或右转弯时，通过转弯操作杆应使左转开关或右转开关合上，从而使左头灯、仪表板左转弯灯、左尾灯或右头灯、仪表板右转弯灯、右尾灯闪烁；合紧急开关时要求前面所述的6个信号灯全部闪烁；汽车刹车时，两个尾灯点亮；如正当转弯时刹车，则转弯时原应闪烁的信号灯仍应闪烁。
以上闪烁，都是频率为1Hz的低频闪烁；在汽车停靠而停靠开关合上时，左头灯、右头灯、左尾灯、右尾灯按频率为30Hz的高频闪烁。
通过做实物，编写程序，完成了设计的要求。
通过该设计，对单片机的认识有了更进一步的了解，对单片机的各个口的功能作用了解加深，对Protel，Proteus的应用更加熟练，对设计系统有了了解，掌握了一些设计方法，受益不少。
关键词单片机；汽车信号转弯灯；电路基础；数字电子
1绪论
1.1选题背景
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技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——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，凡是能想像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。
1.2研究意义
单片机在电子科技中发展前景很好，成为电子发展重要组成部分，学习单片机时要理论与实践同步进行，以理论指导实践，实践验证理论，才更有效率。
理论部分我们花了大量的时间，只有少量的时间进行制做实物，编程方面，调试在软件上进行的，软件上能编译成功的程序，下载硬件上可能不会成功的。
我们在网站上大量收集与课题相关的资料，了解目前与课题相关的科技发展趋势，确定自己的研究方案。
还要自己动手制作实物、编写程序并对实物下载程序进行硬件的调试，达到预期所需的控制要求和目的，使理论和实践完满的统一。
因此还锻炼了我们的制作能力，提升了综合素质。
1.3研究方法
本次单片机的控制系统以AT89S51为控制器；键盘为输入信号，由于AT89S51本身的功能强大，汽车转弯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，经达林顿管放大信号，由限流电阻和发光二极管组成，低电平使发光二极管导通，显示出相应的转弯信号；为提升了系统的可靠性。
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弯的指示信号。
本次设计对汽车转弯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，达到了课程设计预期目的。
2汽车转弯灯单片机控制系统工作原理
2.1汽车转弯灯工作原理
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。
如汽车上有一个转弯控制杆，其中有三个位置：
中间位置，汽车不转弯；向上，汽车左转；向下汽车右转。
转弯时，规定左右尾灯、左右头灯仪表板上2个指示灯相应地发出闪烁信号。
应急开关合上时，6个信号灯都应闪烁。
汽车刹车时，2个尾灯发出不闪烁信号。
如正当转弯时刹车，转弯时原应闪烁的信号仍应闪烁。
它们都是频率为1Hz低频闪烁，在汽车停靠而停靠开关合上时，左头灯、右头灯、左尾灯、右尾灯按频率为30Hz的高频闪烁。
由上所述，各种情况作操作时，信号灯应输出信号列于表2.1。
表2.1汽车驾驶操纵与信号
驾驶操作
输出信号
仪表板左转弯灯
仪表板右转弯灯
左头灯
右头灯
左尾灯
右尾灯
左转弯（合上左转开关）
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
——
右转弯（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
刹车（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
左转弯时刹车，并合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
右转弯时刹车，并合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
闪烁
停靠（合停靠开关）
——
——
30Hz
闪烁
30Hz
闪烁
30Hz
闪烁
30Hz
闪烁
2.2单片机系统的工作原理及设计
2.2.1开关状态检测
开关状态检测，对AT89S51来说是输入关系，可轮流检测每个开关状态，以每个开关的状态让相应的发光二极管指示，采用JNBP1.X，REL指令来完成；也可以一次性检测五路开关状态，让它指示，可以用MOVA，P2指令一次把P2端口的状态全部读入，取低6位的状态来指示。
2.2.2输出控制
以发光二极管D1—D8来指示，此设计用SETBP1.X和CLRP1.X指令来完成，也可以用指令MOVP1，＃111XXXXXB方法来实现。
2.2.3定时器和计数器
根据任务设计要求：
会用到定时器。
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，在汽车转弯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。
但它要增加CPU开销，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AT89S51内部除了有并行和串行I/O接口外，在单片机内部共有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，这两个计数器由TH0，TL0，TH1，TL1两个8位的RAM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。
定时器/计数器计数功能和定时功能：
（1）计数器功能
记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。
AT89S51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）。
AT89S51在每个机器周期的S5P2拍节对外部计数脉冲进行采样。
前一个机器周期采用为高电平，后一个机器周期采样为低电平，是一个有效的计数脉冲。
在下一机器周期的S3P1进行计数。
采样计数脉冲是在2个机器周期进行的。
计数脉冲频率不能高于振荡脉冲频率的1/24。
（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，也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。
每微妙计数器加1。
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。
它是一个二进制的加1计数器。
在计数器计满回零时能自动产生溢出中断请求。
则已经完成。
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。
具体结构如图2.1所示：
图2.1定时器/记数器的结构
2.2.4定时初始化
定时主要与编程有关。
编程对定时器控制寄存器（TCON）、工作方式控制寄存器（TMOD）和中断允许控制寄存器（IE）进行操作。
（1）定时器控制寄存器（TCON）
TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。
其中有关定时的控制位共有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
该位根据需要以软件方法使其置“1”或清“0”。
（2）中断允许控制寄存器
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
ET0和ET1----定时/计数中断允许控制位
ET0（ET1）=0禁止定时/记数中断
ET0（ET1）=1允许定时/记数中断
利用MCS-51系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现灯闪烁的延时和故障检测。
（3）工作方式控制寄存器（TMOD）
TMOD寄存器专用寄存器，设定两个定时器/计数器的工作方式。
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。
各位定义如表2.2所示：
表2.2TMOD各位定义
位序
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
位符号
GATE
C/
M1
M0
GATE
C/
M1
M0
其中：
GATE----门控位
GATE=0以运行控制位TR启动定时器
GATE=1以外中断请求信号（INT1或INT0）启动定时器
C/
----定时方式或计数方式选择位
C/
=0定时工作方式
C/
=1计数工作方式
M1M0----工作方式选择位
M1M0=00方式0
M1M0=01方式1
M1M0=10方式2
M1M0=11方式3
初值计算：
（1）设为工作方式0，定时时间为30ms，使灯延时闪烁。
若使用定时器T0，方式1，30ms定时，fosc=12MHz。
则初值X满足（216-X）×1=30000
X=35536→10000→8AD0H
（2设计中利用定时器/计数器0,一个软件计数器产生低频（1HZ）闪烁功能。
（3）利用定时器/计数器0来产生为时30ms的定时信号，以实现高频（30HZ）闪烁功能。
（4）注意在用工作方式1时，我们必须要重新装载初值。
2.2.5汽车转弯灯显示
在汽车转弯或应急状态下，外部信号灯和仪表板它们指示灯的闪烁频率为1HZ，称低频信号。
当停靠开关合上时，外部信号灯以30HZ频率闪烁此时为高频信号。
（本课程设计采用的同行频率的闪烁信号）
2.2.6汽车转弯灯控制
汽车转弯灯设计5个按键控制信号灯的转向、停靠、应急等。
按键安排见下：
S1键为刹车开关；
S2键为紧急开关；
S3键为停靠开关；
S4键为左转弯开关；
S5键为右转弯开关；
S6键为倒车开关；
2.2.7中断系统
单片机中断技术主要用于实时控制，在单片机上有两个引脚，即INT0、INT1。
外部的中断信号通过这两个引脚输入到单片机，和单片机的定时器一样，对中断系统的处理需要通过C51的软件编程实现。
利用MCS-51系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现灯闪烁的延时和故障检测。
它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。
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。
第三，可以实现实时控制。
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。
3方案选择
3.1
AT89S51
复位电路
按键电路
时钟电路
LED显示电路
MAX232串行接口
PC机
驱动芯片
方案论证一
图3.1汽车转弯灯控制系统硬件构成
如图3.1所示，汽车转弯灯主要有单片机、按键、复位、时钟、LED显示电路组成最基本的单片机系统。
单片机本身的功能强大，汽车转弯灯的驱动用单片机本身的驱动来驱动。
使得单片机的功能得到充分的运用。
扩展有上位机的人机界面信息交流口，便于人们直观了解此时整个电路的工作状态。
3.2方案论证二
汽车转弯灯主要由单片机（AT89S51）、按键、复位、电源、时钟路、驱动、LED显示电路等组成的最基本的单片机控制系统。
所有软件、参数均存在AT89S51的ROM和RAM中，因此能够减少了芯片的数量和整机的电流。
单片机的内部ROM有4K，RAM有128个字节，软件编时有足够的空间来存储其程序。
复位设置由F键完成；A键至E键来调理信号灯。
电源在5V以下可正常工作。
LED是由NPN三极管驱动，键盘采用消抖扫描方式。
如图3.2所示
图3.2汽车转弯灯控制系统硬件构成
AT89S51
复位电路
按键电路
时钟电路
LED显示电路
驱动芯片
电源电路
该方案应用单片机自身的并行口来实现其功能，由于单片机的种类很多，在选择单片机时要依据实际设计要求选择合适的单片机。
我们接触的单片机有8031、8051。
因8031无内部RAM，只要编程就必须扩展程序存储器，无疑会增加设计的难度和复杂，虽然8051有内部RAM，但从性能及设计成本考虑，我们选择AT89S51芯片。
由于AT89S51的广泛使用，使单片机的价格大大下降。
目前，AT89S51的市场零售价已经低于8255、8279、8253、8250等专用接口芯片中的任何一种；而89S52的功能实际上远远超过以上芯片。
因此，如把89S52作为接口芯片使用，在经济上是比较合算。
时钟电路由晶振及电容组成，复位电路由按键复位结构组成。
对于键盘电路我们采用独立式键盘，可以具体实现可分为以下几种情况：
①直接由并行I/O口来实现。
②使用达林顿管驱动LED来实现。
3.3方案选择
两种方案的比较和指导老师的扩展要求，我选择第一种方案作为此次课程设计的指导方案。
4主要芯片介绍
4.189S51芯片介绍
4.1.1引脚介绍
主要性能参数
AT89S51单片机特点如表4.1所示。
表4.1AT89S51单片机特点
1．兼容MCS-51产品指令系统
2.8k可反复擦写Flash闪速ROM
3．32个可编程I/O口线
4．256x8bit内部RAM
5．2个16位定时/计数器
6．全静态工作模式：
0Hz-33MHz
7．看门狗（WDT）及双数据指针
8．全双工串行UART通道
9．6个中断源
10．1000次擦写周期
11．中断可从空闲模唤醒系统
12．3级程序加密锁
13．低功耗空闲和掉电模式
14．掉电标识和快速编程特性
15.灵活的在系统编程（ISP-字节）
16.4.0-5.0V的工作电压范围
AT89S51有40引脚双列直插式填和44引脚封装方式。
方型封装有4个引脚（标有NC）是不连线的，故在连接时应注意。
它在一块小芯片上，有CPU、存储器、I/O口、定时器/计数器、中断系统等。
（1）VCC：
电源。
（2）GND：
接地。
（3）P0口：
是一个8位漏极开路的双向I/O口。
（4）P1口：
是一个具有内部上拉电路的8位双向I/O口。
（5）P2口：
是一个具有内部上拉电路的8位双向I/O口，P2口输出缓冲器能吸入/放出4个TTL输入。
访问外部程序存储器及使用16位地址的是数据存储器（MOVX@DPTR）时，P2口输出高8位地址。
这种情况下，当不置“1”时，P2口使用强大的内部上拉电路。
访问使用8位地址的外部存储器（MOVX@RI）时，P2口输出P2口锁存器的内容。
（6）P3口：
是一个具有内部上拉电路的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能吸入/放出4个TTL输入。
Flash编程及检验时，P3口也接收一些控制信号。
表5.2AT89S51的P3口各种专用功能表
引脚
替代的专用功能
P3.0
（串行输入口）
P3.1
（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
（定时器0的外部输入）
P3.5
（定时器1的外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
（7）RST：
复位端。
当振荡器工作时，此时高电平将系统复位。
（8）ALE/PROG：
当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）是一个用于锁存地址的低8位字节的输出脉冲。
（9）PSEN：
外部程序存储器读选取通信号。
（10）EA/Vpp：
访问外部程序存储器允许端。
（11）XTAL1：
振荡器反向放大器输入端和内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器输出端。
4.1.2功能介绍
AT89S51与89C51相比新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变化，甚至比89C51更低。
新功能主要有：
（1）ISP在线编程功能，是一个强大易用的功能。
（2）最高工作频率为33MHz，从而具有了更快的计算速度。
（3）有双工UART串行通道。
（4）内部集成看门狗计时器。
（5）双数据指示器。
（6）电源关闭标识。
（7）全新的加密算法，这就可以有效的保护不被侵犯。
兼容性方面，AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。
比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。
网络教程上的程序在89S521上一样可以照常运行，是所谓的向下兼容。
AT89S51与89C51相比，具体优势如下：
（1）序存储器写入方式
写入程序方式不同，89C51只支持并行写入。
需要VPP烧写高压。
AT89S51则支持ISP在线可编程写入技术！
串行写入、速度相当快、稳定性好，烧写电压也仅仅需要4～5V即可。
（2）范围
AT89S51电源范围宽达4.0～5.0V。
（3）性能
AT89S51的性能远高于89C5*,89S5*系列支持最高高达33MHz的工作率。
而89C51工作频率范围最高只支持到24MHz。
（4）功能
89S5*系列的加密算法，使对于89S51的解密变的不可能。
程序不易外漏，这样就可以有效的保护知识产权。
（5）兼容性
用89S5*可以代89C5*使用，相同的程序，运行结果一样。
89S5*兼容性很好。
（6）干扰性
由于S5*内部集成看门狗计时器，比89C51那样外接看门狗单元电路要好。
4.2MAX232芯片介绍
4.2.1引脚介绍
主要性能特点：
91、单5V电源工作
2、LinBiCMOSTM工艺技术
3、两个驱动器及两个接收器
4、±30V输入电平
5、低电源电流：
典型值是8mA
6、符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28
7、ESD保护大于MIL-STD-883标准的2000V
4.2.2功能介绍
MAX232是电荷泵芯片，可以完成两路TTL/RS-232电平的转换，它的的9、10、11、12引脚是TTL电平端，用来连接单片机的。
从MAX232芯片中的两路发送接收中任选一路作为接口，要注意其发送与接收引脚对应，否则可能对器件或计算机串口造成永久性损坏。
如选他T1IN接单片机的发
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