基于单片机及无线通信技术的盲人交通提示系统设计.docx
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基于单片机及无线通信技术的盲人交通提示系统设计
潍坊学院
专业课综合课程设计说明书
——基于单片机及无线通信技术的盲人交通提示系统设计
系部：
信息与控制工程学院
专业：
电子信息工程
班级：
2008级
（1）班
学生姓名:
崔昭学号:
08031340137
指导教师：
崔连森
2011年11月30日
目录
摘 要1
引 言1
1单片机概述2
1.1MSC-51芯片简介2
1.28255芯片简介6
1.374LS373简介7
2系统硬件设计9
2.1交通管理的方案论证9
2.2系统硬件设计9
2.2.1系统总框图如下：
10
2.2.2交通灯硬件线路部分图10
3语音电路12
3.1语音电路的设计12
3.2NRF401电路设计14
4．控制器的软件设计18
4.1每秒钟的设定18
4.2计数器硬件延时18
4.2.1计数器初值计算18
4.2.2计算公式18
4.2.3１秒的方法18
4.2.4相应程序代码19
4.3软件延时19
4.4时间及信号灯的显示20
4.4.18051并行口的扩展20
4.4.2显示原理：
20
4.4.38255PA口输出信号接信号灯：
21
4.4.48255输出信号与数码管的连接：
21
4.4.58255与8051的连接：
22
4.5程序设计22
5结论24
参考文献25
摘 要
系统以单片机89C51为核心,结合ISD1420芯片、NRF401芯片实现盲人交通灯系统设计.本系统利用单片机中断实现对紧急情况的控制,整个系统结构简单,功能全面,达到了人机交互控制交通灯的指标.
关键词:
单片机;82C51芯片;人机交互;交通灯
引 言
随着经济的发展,日常交通越来越繁忙,在交通控制中,交通灯扮演着不可缺少的角色,在十字路口中,交通灯就更加重要了.本文着重介绍盲人十字路口（东西南北方向）交通灯的设计和实现.
1单片机概述
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。
芯片简介
1.1MSC-51芯片简介
MCS-51单片机内部结构
8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：
·中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
·数据存储器（RAM）
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，
而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
程序存储器（ROM）：
8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
·定时/计数器（ROM）：
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
·并行输入输出（I/O）口：
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
·全双工串行口：
8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
·中断系统
8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
·时钟电路
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2。
图2
MCS-51的引脚说明：
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
MCS-51的引脚说明：
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
如图3
图3
Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。
8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图4。
此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
图4
Pin30:
ALE/
当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间，
将用于输入编程脉冲。
·Pin29:
当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
·Pin31:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。
显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。
在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。
1.28255芯片简介
8255可编程并行接口芯片简介:
8255可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即A口、B口和C口，对应于引脚PA7～PA0、PB7～PB0和PC7～PC0。
其内部还有一个控制寄存器，即控制口。
通常A口、B口作为输入输出的数据端口。
C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每个端口包含一个4位锁存器。
它们分别与端口A／Ｂ配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。
8255可编程并行接口芯片方式控制字格式说明:
8255有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是C口按位置位／复位控制字。
其中C口按位置位／复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故在此不作叙述。
方式控制字格式说明如表1：
表1
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
D7：
设定工作方式标志，1有效。
D6、D5：
A口方式选择
00—方式0
01—方式1
1×—方式2
D4：
A口功能（1=输入，0=输出）
D3：
C口高4位功能（1=输入，0=输出）
D2：
B口方式选择（0=方式0，1=方式1）
D1：
B口功能（1=输入，0=输出）
D0：
C口低4位功能（1=输入，0=输出）
8255可编程并行接口芯片工作方式说明:
方式0：
基本输入／输出方式。
适用于三个端口中的任何一个。
每一个端口都可以用作输入或输出。
输出可被锁存，输入不能锁存。
方式1：
选通输入／输出方式。
这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出，C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。
方式2：
双向总线方式。
只有A口具备双向总线方式，8位外设线用作输入或输出，此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。
1.374LS373简介
74LS373是一种带三态门的8D锁存器，其管脚示意图如下示：
其中：
1D-8D为8个输入端。
1Q-8Q为8个输出端。
LE为数据打入端：
当LE为“1”时，锁存器输出
状态同输入状态；当LE由“1”变“0”时，数据
打入锁存器
OE为输出允许端：
当OE=0时，三态门打开；
当OE=1时，三态门关闭，输出高阻。
2系统硬件设计
2.1交通管理的方案论证
东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。
红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。
黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。
设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案如表2。
东西道
红灯亮
黄灯亮
绿灯亮
黄灯亮
……
南北道
绿灯亮
黄灯亮
红灯亮
黄灯亮
……
60S
5S
80S
5S
……
表2
表2说明：
（1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。
时间为60秒。
（2）黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。
（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行。
时间为80秒。
东西方向车流大通行时间长。
（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。
2.2系统硬件设计
选用设备8031（AT89S52）单片机一片选用设备：
8031单片机一片，8255并行通用接口芯片一片，74LS07两片，MAX692‘看门狗’一片，共阴极的七段数码管两个双向晶闸管若干，7805三端稳压电源一个，红、黄、绿交通灯各两个，开关键盘、连线若干。
2.2.1系统总框图如下：
图6
2.2.2交通灯硬件线路部分图
3语音电路
3.1语音电路的设计
ISD1420芯片介绍
ISD1400系列语音芯片是ISD（InformationStorageDevice）公司生产的。
它包括时钟振荡器、128K可编程电擦除只读存储（EEPROM）、低噪前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、差分功率放大器等电路。
ISD1400系列语音芯片采用直接存储模拟信号，自动待机省电，可编程电擦除只读存储和总线技术，高保真、录音数据永久保存、省电、适用于同单片机接口。
ISD1420是ISD1400系列中语音时长为20S的语音芯片。
ISD1400系列语音芯片具有下列特点：
（1）.采用直接模拟量存储技术（DAST），重显优质原音。
（2）零功率信息存储，无需备用电池，存储的信息可保留10年以上。
（3）易于使用，无需编程，可随意改变录音内容，录放次数达10万次以上。
（4）具有自动省电功能，录音和回放后即刻进入等待模式，仅需0.5μA维持电流。
（5）可分段存储多段信息。
（6）自带时钟源。
（7）高抗干扰性能。
（8）单+5V标准电源供电。
（9）可直接驱动8～16Ω喇叭工作，输出不失真功率大于50Mw.也可作激励信号单端输出，外接功率放大器，输出功率为额定输出功率的1/4，约为12mW左右。
（10）采用总线技术，适于同单片机接口。
ISD1420录音时间为20S，它最多可录音160个语音段，语音段最短时间可达到0.125S［12］。
其管脚排列如图7所示：
图7ISD1420管脚图
主要管脚介绍如下：
A0～A7——地址或操作模式控制端，当A6和A7不全为高电平时，A0～A7为分段录音信息地址线，不同的地址对应不同的录音片段，A6和A7全为高电平时，A0～A5用于选择操作模式。
MIC——话筒输入端，话筒输入信号通过电容交流耦合至此引脚并传给片上预放大器，片上自动增益控制（AGC）电路控制预放大器的增益在15～24dB之间。
耦合电容值和该端内阻（10kΩ）决定语音信号通频带下限频率。
ANAIN——模拟信号输入端，对于话筒输入，ANAIN引脚应通过外部电容与ANAOUT引脚连接，若为外部输入信号，则要直接通过电容耦合到此端。
耦合电容决定片上控制预放大器通频带的下限频率。
SP+、SP－——喇叭输出端，该端可直接驱动16Ω喇叭。
可采用双端输出驱动喇叭，也可采用单端输出驱动喇叭，不过双端输出信号的功率是单端的四倍，单端输出需要该脚与喇叭之间串接100μF的交流耦合电容，录音期间该输出端保持高阻状态。
RECLED——工作状态指示端，在录音或放音时该端输出低电平，可驱动一个LED来指示状态。
PLAYL——电平触发放音控制端，该端电平变为低电平并保持，芯片进入放音状态。
REC——录音触发端，REC一旦变为低电平，芯片就进入录音状态。
语音电路设计部分电路中包含了为语音系统供电的电源部分电路设计。
电源部分采用二极管整流电路，接在电源变压器的次级输出端，用四个二极管组成桥式整流电路。
它们的后级为滤波电容，交流电整流后，要求将交流成分滤的越干净越好，所以滤波电容选用大容量的电解电容［13］。
电路如图8所示
图8ISD1420与单片机接口电路
并且设有两种语音工作模式：
自动和人工两种播报方式。
在通常情况下，语音处于自动播报状态，只要来车系统自动产生语音通知道口值守人员和来往行人；遇有特出情况，值守人员可以自行将开启人工播报方式，用与语音板相连接的麦克风对发布通知。
实验过程中发现的ISD1420芯片使用应该注意的几个问题：
（1）该芯片所有控制端、地址端必须可靠的接地或接高电平，不能悬空，否则会出现停播的现象。
（2）为了充分发挥其优质高保真的特点，应注意：
AGC阻容尽量靠近芯片，且连线要尽量的短;电源地线宽度应在0.88mm以上。
（3）芯片的SP+,SP-端一定不能直接接地，只能接喇叭或是悬空。
3.2NRF401电路设计
NRF401无线收发芯片采用FSK调制解调技术,最高工作速率可以达到20KbitPs;发射功率可以调整,最大发射功率是+10dBm。
NRF401的天线接口设计为差分天线,以便于使用低成本的PCB天线。
它要求非常少的外围元件,无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件,只需要便宜且易于获得的4MHz晶体,收发天线合一。
无需进行初始化和配置,不需要对数据进行曼彻斯特编码,有2个工作频宽（433.92P434.33MHz）,工作电压为2.7～5V,还具有待机模式,可以更省电和高效。
NRF401无线收发芯片的结构框图如图9所示。
图9NRF401结构框图
NRF401有3种工作模式:
收模式（RX）、发模式（TX）和等待模式（Std1by）。
工作模式可由3个引脚设定,分别是TXEN、CS和PWR-UP。
因此通过单片机控制NRF401的工作模式,使其处于接收、发射、等待任一种状态,实现半双工通信。
若PWR=0,TXEN和CS任意,系统为待机状态。
若TXEN=1,为发送状态;TXEN=0,为接收状态。
CS为信道的选通端,CS=0选通信道为433.92MHz;CS=l选通信道为434.33MHz。
其主要特性如下:
1）工作频率为国际通用的数传频段;
2）工作速率最高可达20KbitPs;
3）FSK调制,抗干扰能力强;
4）采用PLL频率合成技术,频率稳定性极好;
5）灵敏度高达-105dBm;
6）功耗小,接收状态250μA,待机状态仅为8μA;
7）最大发射功率达+10dBm;
8）低工作电压（217V）,可满足低功耗设备的要求;
9）具有多个频道,可方便地切换工作频率;
10）因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,开阔地的使用距离最远可达1000m;
NRF401接收机使用频移键控（FSK）调制方式,改善了噪声环境下的系统性能。
NRF401另一个非常重要的特性是接收机的频带外阻抗很高（out-of-bandblocking）,这意味着它不需要外部声表面波（SAW）滤波器。
此外NRF401的解调器是DC平衡的,因此可以使用任何一种协议,也可以使用各种‘0’、‘1’序列,因而无需浪费单片机宝贵的处理资源来进行曼彻斯特编码。
Nrf401的具体电路图如图7所示，1脚和20脚之间连接的是振荡电路，采用4MHz的高稳定性晶振;9脚是数据的输入引脚，10脚是数据的输出引脚，与主控板ARM的UARI输入输出接口相连;连接在奸-PWR端和vss之间的电阻R4可设置输出功率，可以通过选择不同的R4值来调整发射功率，发射功率越大，传输距离越远，但芯片消耗电流也越大，所以在满足距离要求的前提下，通过设置R4来选择合适的发射功率，本文系统使用的R4=22ko，最大发射功率为+1odBm（具体内容参考3.2.3.2节）。
PLL回路滤波器是外接的单端2阶滤波器，由CS，CS和R3构成。
VCOI引脚端和VCOZ引脚端之间外接高质量片式电感，提高频率的稳定性。
18脚和19脚用于控制发射和接收模式，均与主控板的GPIO相连。
巧脚和16脚是环形天线的连接引脚;天线以差分方式连接到丘RF401，单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。
本文设计的电路采用PCB环形天线（如图12所示），整个环形天线做在PCB上，对于便携设备接近效应小，比传统的鞭状天线或单端天线节省了空间和生产成本，机构上也更稳
固可靠。
图12NRF401射频模块电路原理图
4．控制器的软件设计
4.1每秒钟的设定
延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。
4.2计数器硬件延时
4.2.1计数器初值计算
定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。
他是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。
因此，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式：
TC=M-C
式中，M为计数器摸值，该值和计数器工作方式有关。
在方式0时M为213；在方式1时M的值为216；在方式2和3为28
4.2.2计算公式
T=（M－TC）T计数
或TC＝M-T／T计数
T计数是单片机时钟周期ＴＣＬＫ的12倍；TC为定时初值
如单片机的主脉冲频率为ＴＣＬＫ12MHZ ，经过12分频
方式0 TMAX＝213 ＊１微秒＝8.192毫秒
方式１ TMAX＝216 ＊１微秒＝65.536毫秒
显然１秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题．
4.2.3１秒的方法
我们采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使T0定时50毫秒．这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。
在中断服务子程序中，CPU先使软件计数器减１，然后判断它是否为零。
为零表示１秒已到可以返回到输出时间显示程序。
4.2.4相应程序代码
（１）主程序
定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式１。
初值：
TC＝M-T／T计数 ＝2１６ －50ms/1us=15536=3CBOH
ORG1000H
START:
MOVTMOD,#01H;令T0为定时器方式１
MOVTH0,#3CH;装入定时器初值
MOVTL0,#BOH ;
MOVIE, #82H;开T0中断
SEBT TR0 ；启动T0计数器
MOV RO, #14H ;软件计数器赋初值
LOOP:
SJMP$ ；等待中断
（２）中断服务子程序
ORG000BH
AJMPBRTO
ORG 00BH
BRTO:
DJNZR0，NEXT
AJMPTIME;跳转到时间及信号灯显示子程序
DJNZ：
MOV R0，＃14H ；恢复R0值
MOVTH0,#3CH;重装入定时器初值
MOVTL0,#BOH ;
MOVIE, #82H
RET1
END
4.3软件延时
MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8031单片机的工作频率为6MHZ。
机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/6M）=2us。
我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。
具体的延时程序分析：
DELAY:
MOVR4,#08H延时1秒子程序
DE2:
LCALLDELAY1
DJNZR4,DE2
RET
DELAY1:
MOVR6,#0延时125ms子程序
MOVR5,#0
DE1:
DJNZR5,$
DJNZR6,DE1
RET
MOVRN，#DATA字节数数为2机器周期数为1
所以此指令的执行时间为2ms
DELAY1为一个双重循坏循环次数为256*256=65536所以延时时间=65536*2=131072us约为125us
DELAYR4设置的初值为8主延时程序循环8次，所以125us*8=1秒
由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。
4.4时间及信号灯的显示
4.4.18051并行口的扩展
8051虽然有4个8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因为P2和P0口通常用于传送外部传送地址和数据,P3口也有它的第二功能。
因此，8031通常需要扩展。
由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个I/O端口，显然8031的端口是不够，需要扩展。
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