通信工程 课程设计.docx

1、通信工程 课程设计第1章 概述1、1 研究背景随着我国国民经济的迅猛发展,城市的经济贸易与社会活动日益繁忙,人员与社会交往日渐增多,使得原本就比较落后的交通基础设施供需矛盾更加突出,交通拥挤问题尤为严重,其中原因之一就就是行人与机动车之间的冲突。在现代交通系统中,步行交通系统无论就是作为满足人们日常生活需要的一种独立的交通方式,还就是作为其她各种交通方式相互连续的桥梁与补充,都就是其她方式无法替代的辅助系统。人类的活动还不能完全离开步行这种本能交通,在城市里上班、购物等活动中步行还占有相当大的比重。目前,我国各大中城市都在紧张地进行人行立交设施的规划与建设,完善步行系统,尝试解决人车冲突问题,

2、以期做到“以人为本”、“可持续发展”,但就是现有的立交设施都不同程度的存在着问题。主要体现在以下两个方面: (l) 大中型城市步行系统基础设施供需矛盾突出,普遍存在过街难的问题,行人车辆混行,事故频发。 (2) 穿越马路现象严重。城市交通状况日益复杂,原有的“以车为主、以机动车交通为中心”越来越不能适应现有的交通状况,各种问题凸现出来。在以人为本的城市交通理念下,关于城市道路过街立交设施设置的研究探讨己成为城市交通工程研究者面临的重要课题。目前我国城市步行基础设施建设严重不足,供需矛盾突出,行人过街交通状况混乱,现有城市道路多采取人行横道的方式,虽然交通法规规定,车辆应自觉避让人行横道上的行人

3、,但就是对于我国一直以机动车交通为设计中心的现状,人车抢道问题严重,造成行人意识中人行横道概念淡漠,行人过街多随意穿越马路。行人过街行为地点与时间的随意性,使多数路段存在人车混行,行人的安全得不到保障,同时横向步行交通的无规律性,也严重影响车辆的通行速度。这也就是我国城市道路上交通混乱与交通事故频发的重要原因之一。现有步行交通问题主要体现在如下几个方面:(1) 人车冲突,带来安全隐患,交通事故频发。很多车流量很大,车头间距不能满足过街行人安全穿行需要的路段,无人行立交设施建设,行人通过人行横道或直接穿越,交通混乱,机动车辆严重危及过街行人安全,引发交通事故。(2) 人车冲突,交通延误增加,通行

4、能力减小。过街行人与车辆交通的交汇严重影响城市道路路段与交叉口的通行能力。现状路段行人过街一般都无信号控制,行人从车间安全间隔穿越,由于行人穿越的随意性,大量的行人交通横穿道路,大幅度增加了交通延误,甚至造成路段交通暂时性的拥堵、停滞。在有信号控制的路段问题依然存在,右转车辆不避让行人,阻碍行人通过,车辆也易造成拥堵。(3) 人车冲突,频繁停车,交通污染严重。机动车辆在行人平面过街处频繁地减速停车与加速时,尾气排放量大幅度增加,其中有害物质的种类与数量也都有所增加,对城市的局部气候造成不利影响。由上面的问题不难瞧出,现状人行立交设施建设不足,平面横向交通带来的问题严重影响城市交通的发展,也与“

5、以人为本,可持续发展”相抵触,急需对行人过街设施进行大量规划建设。1、2 设计的实际目的与意义1、2、1 设计的目的设计一个单片机控制的行人过街手动控制交通灯模块的设计,从而锻炼自己的动手能力,深入了解一下交通灯的工作原理。综合应用单片机原理、微机原理、微机接口技术等课程方面的知识,熟练掌握单片机仿真系统的使用方法,达到提高综合应用相关知识的能力,掌握单片机系统设计全部设计过程的目的。 通过单片机课程设计,熟练掌握汇编语言的编程方法,将理论联系到实践中去,提高我们的动脑与动手的能力。 通过行人过街手动控制交通灯模块的设计,掌握定时/计数器的使用方法,与简单程序的编写,最终提高我们的逻辑抽象能力

6、。 实现路口交通灯系统的控制方法很多,可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC等方案来实现。但就是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持,在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。因此,在本次设计中采用单片机技术,应用目前广泛应用的汇编语言描述,实现交通灯系统控制器的设计,完成系统的控制作用。 本系统选用AT89C51单片机,配合一些外围电路完成交通控制系统。由于该单片机具有简单实用、高可靠性、良好的性能价格比以及体积小等优点,已经在各个技术领域得到了迅猛发展。实现同样的功能,这个方案既简单又经济！该灯控制逻辑可实现3种颜色灯的交替点亮、时间的倒计时,指挥车辆与行人安全通行,实时地

7、控制当前交通灯时间,使LED显示器进行倒计时工作并与状态灯保持同步,可在保证交通安全的前提下最大限度地提高交通效率,而且允许处理紧急情况的发生、由于本设计还有计时调整功能,最大限度提高了本设计的交通灯应用的范围。经PROTEUS仿真模拟的试验,该系统得到了预期的实时控制效果、本论文针对道路交通拥挤、交叉路口经常出现拥堵的情况,利用单片机控制技术,从硬件设计与软件设计两个方面分别介绍通用小型实时交通监控系统的设计方法。1、2、2 设计的意义随着社会的发展,人们的消费水平不断的提高,私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。车辆的增加反映出了国家的整体进步,但就是也给人民带来

8、了其她的一些负面的影响。我国就是13亿多人口的大国,到2006年,全国的机动车保有量超过了8000万,而全国公路通车总里程只有14、8万公里。静态比例为:人均车辆约0、5辆,而人均道路只有0、00011公里;每辆车均道路占有量约为0、002公里;且其中90%的道路属于机动车与非机动车与行人混杂。今后几年机动车辆数字还在急剧增加,道路超负荷承载,致使交通事故逐年增加。因此我们需要开发新型的交通控制系统。随着社会经济的发展,城市化、城镇化进程的加快,道路交通堵塞问题也日趋严重,除了改善道路设施外,如何对交通进行合理的管理与调度也就是重中之重。单行道、各种交通灯的诞生都成了有效的措施,已经在国外不少

9、大城市成熟运用的手动按钮行人信号灯近几年也陆续现身于国内各大城市的街头。其出现曾被誉为将根本解决行人在非十字路口没有过街天桥、地下通道的路段顺利过马路问题的通行灯。在国外的马路上,面对川流不息的车辆,想过马路的行人只要在斑马线旁按一下自控式红绿灯按钮,数十秒钟后,机动车道上红灯亮起,车辆停下让行人先过斑马线,等绿灯亮时再启动。若无人过马路时,机动车道上的信号灯长时间亮绿灯,人行横道信号灯为长时间红灯,不影响机动车通行。这一信号灯的诞生无疑对道路交通的有效疏导就是一个革命性的进步,手动按钮行人信号灯的首要特点在于手控,它需要行人自己去控制信号灯以实现其价值。手动按钮行人信号灯的诞生被誉为城市文明

10、的产物,其普及程度也几乎等同于城市文明的试金石1、3 行人过街设施行人交通就是城市交通的重要组成部分,而行人过街设施则就是城市交通设施的重要组成部分。然而目前中国重视城市交通系统中的车辆交通,轻视步行交通,对行人交通研究不足,许多城市存在行人过街设施设置不合理的现象,这就是导致行人违章穿越街道,造成交通混乱与交通事故的重要因素之一。1、3、1 跑道灯当行人步入人行横道时,跑道灯照亮人行横道,汽车驾驶员在将近300米处就能瞧到。这种系统通常使用在飞机跑道上,故称跑道灯。跑道灯只有在行人通过人行横道时才会亮,所以它既可以提醒行人注意,又能使驾驶员保持警惕状态。在一些国家,这种装置广泛地用于没有交通

11、信号的十字路口与人行横道。1、3、2 倒计时灯倒计时灯既可与信号灯配合使用,也可单独使用。其作用就是告诉行人与过往车辆距离信号灯变化还有多少时间,以便做出准确地判断,同时也避免了因犹豫不决而造成的心理恐慌。倒计时灯的形式多种多样,既可以用计数器显示,也可以用进展条、饼形图等形式显示。我国一些城市也已经安装了这种倒计时灯。第2章 系统设计方案2、1 系统总体方案交通灯在工作时应具有如下特点:红灯亮表示该条道路禁止通行;黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆禁止通行,已过停车线的车辆继续通行;绿灯亮表示该条道路允许通行。通过老师的辅导,在规定的时间内完成行人过街手动控制交通灯模块的设计。该行人过街手

12、动交通灯模块的设计能够进行正常的交通模拟,能够在行人要过马路的情况下作出适当的处理,能够在车流特别拥挤的情况下使人顺利通行。(1) A道没有人要经过的时候,B道上车辆可以一直行驶,B道一直显示绿灯。(2) 当A道有行人要经过的时候,在行人按键(实验时用开关K0、K1控制)15秒后交通灯显示开始变化,变成绿灯后行人可以经过,给行人过路的时间设为30秒。(3) 绿灯转换为红灯时黄灯亮15秒钟。2、2 硬件设计2、2、1 单片机简介单片机就是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件。它在一块芯片内芯片内集成了计算机的各种功能部件,构成一种单片式的微型计算机。20世纪80年代以来,国际上单

13、片机的发展迅速,其产品之多令人目不暇接,单片机应用不断深入,新技术层出不穷。单片机的应用技术就是一项新型的工程技术,其内涵随着单片机的发展而发展。由于MCS-51系列的单片机的模块化结构比较典型、应用灵活,为许多大公司所采纳,使8051系列的单片产品日新月异。在Intel公司20世纪80年代初推出MCS-51系列单片机以后,世界上许多著名的半导体厂商相继生产与这个系列兼容的单片机,使产品型号不断地增加、品种不断丰富、功能不断加强,在国内外单片机应用中占有重要地位。由于单片机具有功能强、体积小、价格低等一系列优点,在各个领域都有广泛的应用,有力地推动了各行各业的技术改造与产品更新换代。20世纪末

14、,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展与社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。1971年,Intel公司与日本的商业通信公司研发了微处理器。微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机,微型计算机开始走上历史舞台。2、2、2 单片机发展的三大阶段 单片机经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 (1) SCM 即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段,主要就是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用

15、计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。 (2) MCU 即微控制器(Micro Controller Unit)阶段,主要的技术发展方向就是:不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来瞧,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此,当我们回顾

16、嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel与Philips的历史功绩。 (3) 单片机就是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 2、2、3 单片机的发展趋势目前,单片机正朝着高性能与多品种方向发展趋势将就是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格与外围电路内装化等几个方面发展。下面就是单片机的主要发展趋势。 (1

17、) CMOS化 近年,由于CHMOS技术的进小,大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外,还具有功耗的可控性,使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也就是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数就是采用CMOS(金属栅氧化物)半导体工艺生产。CMOS电路的特点就是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快,但功耗与芯片面积较大。随着技术与工艺水平的提高,又出现了HMOS(高密度、高速度MOS)与CHMOS工艺。CHMOS与HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度,传输延迟时间小于2ns,它

18、的综合优势已在于TTL电路。因而,在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。 (2) 低功耗化 单片机的功耗已从Ma级,甚至1uA以下;使用电压在36V之间,完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅就是功耗低,而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。低电压化 几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽,一般在36V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达12V。目前0、8V供电的单片机已经问世。 (3) 低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片厂家在单片机内部电路

19、中都采用了新的技术措施。 (4) 大容量化 以往单片机内的ROM为1KB4KB,RAM为64128B。但在需要复杂控制的场合,该存储容量就是不够的,必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。目前,单片机内ROM最大可达64KB,RAM最大为2KB。 (5) 高性能化 主要就是指进一步改进CPU的性能,加快指令运算的速度与提高系统控制的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构与流水线技术,可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS(Million Instruction Per Seconds,即兆指令每秒),并加强了位处理功能、中断与定时控制

20、功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度,就可以用软件模拟其I/O功能,由此引入了虚拟外设的新概念。(6)小容量、低价格化 与上述相反,以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也就是发展动向之一。这类单片机的用途就是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化,可广泛用于家电产品。 (7) 外围电路内装化 这也就是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高,有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外,片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色

21、电视机与录像机用的锁相电路等。 (8) 串行扩展技术 在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP(One Time Programble)及各种类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别就是 I C、SPI等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。随着半导体集成工艺的不断发展,单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中,80C51系列就是其中的佼佼者,加之Intel公司将其MCS 51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转

22、让给全世界许多著名IC制造厂商,如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等,这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样,80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族,现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为,虽然世界上的MCU品种繁多,功能各异,开发装置也互不兼容,但就是客观发展表明,80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。2、2、4 单片机的应用由于单片机具有显著的优点,它已成为科技领域的有力工具,人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域,主要表现在以下几个方面:单片机在智能仪器表中在应用单

23、片机广泛地用于各种仪器仪表,使仪器仪表智能化,并可以提高测量的自动化程度与精度,简化仪器仪表的硬件结构,提高其性能价格比。单片机在机电一体化中的应用 机电一体化就是械工业发展的方向。机电一体化产品就是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体,具有智能化特征的机电产品,例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器,能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点,可大大提高机器的自动化、智能化程度。单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如,在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中,都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力与控制功能,可

24、使系统保持在最佳工作状态,提高系统的工作效率与产品质量。单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中,常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成,各自完成特定的任务,它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机,安装在系统的某些节点上,对现场信息进行实时的测量与控制。单片机的高可靠性与强抗干扰能力,使它可以置于恶劣环境的前端工作。单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后,它就步入了人类生活,如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后,提高了智能化程度,增加了功能,倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。

25、综合所述,单片机已成为计算机发展与应用的一个重要方面。另一方面,单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想与设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术,就是传统控制技术的一次革命。2、2、6 本设计中所用单片机AT89C51AT89C51就是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器

26、制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集与输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU与闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51就是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2、2、7 AT89C51的主要特性主要特性: 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命:1000写/擦循环) 全静态工作:0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置与掉电模式 片内振荡器与时钟电路2、2、8 AT89C51引脚排列及功能管

27、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口就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,这就是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程与校验时,P1口作为低八位地址接收。P2口

28、: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。这就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编程与校验时接收高八位地址信号与控制信号。P3口:P3口管脚就是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

29、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)这就是由于上拉的缘故。P3口特殊功能如表2-1所示:表2-1 P3口特殊功能P3口引脚特 殊 功 能P3、0RXD(串行输入口)P3、1TXD(串行输出口)P3、2(外部中断0)P3、3(外部中断1)P3、4T0(定时器0外部输入)P3、5T1(定时器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)2、2、9 AT89C51最小系统电路单片机最小系统就是指没有外围器件及外设接口扩展的单片机应用系统,包括以下几个部分()最小系统选择单片机处理器选择ATMEL公司的微处理

30、器89C51,具备4KB 的Flash Memory,128B的RAM,32个I/O口,2个16位的定时/计数器,6个中断源。()时钟电路设计时钟电路设计采用内部时钟方式,在单片机的XTAL1与XTAL2端外接振荡频率为12MHz的石英晶体作为定时元件。()复位电路设计单片机的复位电路采用上电复位方式,在/RST上端接一去耦电容,防止因干扰窜入复位端引起的寄存器错误复位。AT89C51最小系统图如图2-2所示:图2-2 AT89C51最小系统图图2-2为单片机AT89C51的最小系统电路图。图中AT89C51采用的就是内部时钟电路,单片机外部接12MHz晶振作为定时元件。复位电路使用的就是上电

31、复位方式。2、3 主电路模块简介 系统硬件电路如图3-1所示图3-1 系统硬件电路(1) 系统设计所用器件:AT89C51,共阳LED显示器,电阻若干,74LS373(带三态门的8D锁存器),电容、三种颜色(红、绿、黄)的LED(用来模拟交通灯的三种状态),开关,晶振(12M Hz)、共阳LED显示器,用来显示延时的时间。 (2)器件简单介绍 共阳LED显示器7段LED由7个发光二极管按“日”字形排列,本电路中所有发光二极管的阳极连在一起,一般情况下应外接限流电阻。 发光二极管信号灯采用超高亮度发光二极管开发的道路交通灯。LED应用简单、可靠性高、成本低。LED显示方式为共阳极动态显示方式。

32、74LS373简要说明: 373为三态输出的八D 透明锁存器,共有54/74S373 与54/74LS373 两种线路结构型式。373 的输出端O0O7 可直接与总线相连。 当三态允许控制端OE 为低电平时,O0O7 为正常逻辑状态,可用来驱动负载或总线。当OE 为高电平时,O0O7 呈高阻态,即不驱动总线,也不为总线的负载,但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端LE 为高电平时,O 随数据D 而变。当LE 为低电平时,输入端的数据锁存入O0O7当LE 端施密特触发器的输入滞后作用,使交流与直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号: D0D7 数据输入端 OE 三态允许控制端(低电平有效) LE 锁存允许端 O0O7 输出端 极限值: 电