基于单片机的汽车信号灯控制系统的设计.doc
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1、 四川理工学院毕业设计(论文) 基于单片机汽车信号灯控制系统的设计 学 生:代超 学 号: 08021040404 专 业:电气工程及其自动化 班 级:2008级4班 指导老师:詹旭 谭飞 四川理工学院自动化与电子信息系二O一二年六月代超:基于单片机汽车信号灯控制系统的设计摘 要 汽车信号灯,作为汽车的必备装置之一,各式各样的汽车都离不开它。传统的汽车信号灯控制系统有很多类型,但使用寿命短,采用纯电路设计模式,线路复杂,容易产生故障,可靠性低。针对汽车信号灯控制系统存在的问题,本文设计了一个以单片机为核心的控制系统,该系统采用C51单片机为控制核心,具有手动和自动两种模式可供驾驶员选择,设计相
2、对人性化。设计具有界面友好,可靠性高,线路简单,成本低廉,使用方便的优点,通过软件升级很容易实现功能扩展。关键词:汽车信号灯;单片机;手动控制;自动控制ABSTRACT Automobile signal lamp, as a necessary device of automobile, every kind of car can not be separated from it. The traditional automobile signal lamp control system has many types, but the service life is short, using
3、 pure circuit design mode, complex lines, and prone to failure, low reliability. Aiming at the automobile signal lamp control system, this paper describes the design of a single chip microcomputer as the core of the control system, the system uses the C51MCU as the control core, with two types of ma
4、nual and automatic mode for the driver to select, design relative humanity. The design has a friendly specific, high reliability, simple circuit, low cost, convenient to use, through software upgrades are easy to achieve functional expansion. Key words: Automotive signal lamp;Single chip microcomput
5、er; Manual control;Auto control;I目录摘 要IABSTRACTII第1章 引言11.1 绪论11.2汽车信号灯简介21.2.1 汽车信号灯的作用21.2.2 汽车信号灯发展历史21.3 8051单片机简介41.3.1 中断系统71.3.2 时钟系统71.4 章节规划10第2章 设计方案讨论112.1设计的要求112.2方案讨论112.2.1继电器作为控制器112.2.2 PLC作为控制器122.2.3利用单片机作为控制核心12第3章 硬件设计方案133.1工作原理图133.2硬件连接图143.2.1手动原理硬件连接图143.2.2自动报警原理硬件连接图153.3
6、各电气原件选择思路163.3.1ULN2003A电路介绍163.3.2 各个开关功能介绍163.3.3 LED信号灯173.3.4 数码显示器183.3.5 自动报警系统193.4 芯片及其他硬件介绍203.4.1ULN2003A203.4.2光敏电阻简介213.4.3 LED灯简介及其优点233.4.4 74LS164简介24第4章 软件设计方案274.1程序设计思想274.2程序流程图274.2.1 手动模式274.2.2 自动模式294.3调试与仿真29第5章 结束语31参考文献32附件1 PCB33附件2 原理图34附件3程序清单35第1章 引言1.1 绪论 随着改革开放的深入发展,国
7、民综合收入不断提高,越来越多的家庭选择了汽车作为交通工具。大量的汽车行驶在道路上,照成了交通拥挤,所以一套操作方便,性能可靠,界面友好,容易升级的信号灯控制系统是现代汽车必不可少配件之一。 以往的汽车信号灯控制系统都是纯电路设计的,不仅设计麻烦,而且故障率高,已经不能适应现代汽车所要发出的信号的任务。而基于单片机的电路设计模式则能很好的胜任这一任务,这是以后所有汽车信号灯控制系统的一个发展趋势。单片微型计算机简称为单片机,又称为微型控制器,是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片,是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以
8、来,单片机发展迅速,各类新产品不断涌现,出现了许多高性能新型机种。目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。 Altium designer软件是澳大利亚的公司制作并发行的,支持多种语言格式,是绘制各种电路图的不二选择。Altium Designer 7.0
9、不断通过为高速设计提供各种功能来提高用户生产力,这些功能包括交互式长度调整和 PCB 层片增强等功能。新增的库工具和各种新功能将 Altium Designer 提升成为统一的电子产品开发解决方案 ,完全替代了Protel 99。本次设计以8051单片机核心,通过Altium Designer设计出一套电路原理图并仿真,模拟汽车驾驶时的九种操作方式包括左转弯,右转弯,紧急,刹车,左转弯时刹车,右转弯是刹车,停靠。通过开关输入信号,利用软件来驱动信号灯完成亮,灭和闪烁。本设计操作简单,成本低廉,适用性强,可以通过软件升级的方式来扩展功能,以达到真正实用的目的。1.2汽车信号灯简介1.2.1 汽车
10、信号灯的作用汽车信号灯对汽车有着十分重要的作用,第一是为汽车行驶起照明的作用;第二是表明汽车正在或者即将要做出的动作,如刹车灯和转弯的;第三是在汽车处于紧急状态时提醒、警示过往车辆的目的;第四是汽车司机与司机之间交流的作用。还有一些其他方面的作用,如装饰、阅读。1.2.2 汽车信号灯发展历史 1898年,哥伦比亚号电动汽车把电用于前灯和尾灯,这样车灯就诞生了。最初的前大灯不能调光,所以在会车时有些晃眼,为了克服这个缺点,后来采用了附加光度调节器。这种前大灯可以在垂直方向移动,但驾驶员必须下车搬动夹具装置。从早期乙炔气前照灯发展到当今的自由面反射镜气体放电前照灯,差不多经历了120年,其演变过程
11、如下:第一代乙炔气前照灯前照灯具有高的轮廓亮度,乙炔气火焰的亮度比当时的电光源所能达到的亮度高出一倍,因而,在1925 年以前使用的汽TodayHot车前照灯几乎全是乙炔前照灯。第二代电光源前照灯1913年带螺旋灯丝的充气白炽灯泡问世,因其具有较高亮度,给电光源前照灯开辟了广阔的前景。然而由于当时汽车电气设备系统的制约,直到1925年,电气照明才得到广泛的应用。第三代双光灯芯前照灯具备有高轮廓亮度充气灯泡的电前照灯一装在汽车上,就出现了在交会车时因前照灯的强光造成驾驶员炫目而导致发生交通事故和撞车的严重问题。因而,对前照灯的设计提出了两个互不相容的要求:一个是如何在不小于100m的距离内使道路
12、和高度至少2-2.5m的障碍物得到良好的照明;另一个是如何使迎面车辆驾驶员不炫目。汽车会车时的这种炫目问题,仍是汽车照明技术中最难以解决的问题。为解决会车炫目的问题,1924年,欧洲发明了双光灯芯前照灯之后,美国也出现了带双丝灯泡的前照灯。然而,欧洲和美国具备不炫目近光的前照灯的光学系统结构原理不尽相同。其灯泡的差异在于灯丝的形状和位置不同:配光镜的差异在于折光单元的图案和计算不同,因而,近光的配光也有所不同。近光系统分为欧洲系统和美国系统两种,两大系统的协调问题是当今世界汽车灯光发展的重大课题之一。第四代不对称近光前照灯 双光灯芯前照灯系统属于对称近光系统,近光光型的左右两侧完全相同,因而左
13、、右两侧行驶皆适用。但由于行车光 ( 远光 ) 变到会车光 ( 近光 ) 时,视见距离缩短,迫使车速降低。为解决在会车过程中,前照灯既不产生炫目,又能保证对道路具有良好的照明,1932年美国发明了不对称前照灯,它是以基准轴为中心,将光束一分为二,靠近来车一侧的落地距离短 ( 即光束压低,从而防炫 ) ,而另一侧光束的落地距离长 ( 即光束抬高,从而增加视见 ) 。 第五代h4卤钨前照灯第一批装有卤钨灯泡的汽车前照灯是由法国 “ 斯贝 ” 公司在1964年生产的,其灯丝允许工作温度较普通白炽灯泡高,光效增加约 50% ,寿命也增加一倍。第六代hid前照灯以hid前照灯为代表的现代汽车前照灯在发光
14、原理、结构形式以及制造材料等方面又发生了一系列的重大变化。hid氙气头灯是以高压击穿惰性气体电离而发光,其产生的光照度强,色温高,穿透力强,而且节约电能,是理想的汽车前照灯光源。第七代led前照灯美国最新的研究结果表明,未来五年内,白光大功率led技术将大幅度代替目前的各种照明产品,而且将适用于汽车的各种照明,包括:前照灯、刹车灯、雾灯、应急灯、车内照明等。led具有高安全性、运行平稳、节约电力、寿命长等多种优点,是未来车辆照明的一个发展趋势。 1.3 8051单片机简介单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM
15、、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机具有体积小,集成度高,性能稳定,可靠性高等特点,而且具有较高的性价比。单片机的种类繁多,一般按单片机数据总线的位数进行分类,主要分为4位、8位、16位和32位单片机。根据应用领域、总线类型来分:(1)工控型家电型。工控型的单片机主要是面向测控,要求寻址范围大,运算能力强。家电型的单片机要求体积小、价格低,外围器件少,使用方便。(2)总线型非总线型。总线型单片机是指单片机设有并行总线,用以扩展并行外围器件。非总线型单片机是
16、指单片机通过串行口与外围器件连接,或直接把外围器件、外设接口集成在片内。(3)通用型专用型。通用型单片机,它的应用范围宽,如Intel公司的MCS5l系列产品8031、80C51等通过不同的外围扩展就可以用在不同的设备中。专用型单片机是专门为某一产品设计生产的如电子体温计、计费电度表等。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:在智能仪器仪表上的应用;在工业控制中的应用;在家用电器中的应用;在计算机网络和通信领域中的应用;单片机在医用设备领域中的应用;在各种大型电器中的模块化应用;单片机在汽车设备领域中的应用。8051单
17、片机是ATMEL公司生产的低电压,高性能的CMOS 8位单片机,片内含4K bytes的可反复擦写和只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存取数据存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。 其主要性能参数为:l 与MCS-51产品指令系统完全兼容l 4k字节可重擦写Flash闪速存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作:0Hz-24MHzl 三级加密程序存储器l 128 X 8字节内部RAMl 32个可编程I/O口线l 2个16位定时/计数器l 6个中断源l 可编程串行UART通道l
18、低功耗空闲和掉电模式 其内部结构图如下:39图1-1 51单片机内部结构图 单片机的硬件主要包括中央处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、并行输入输出(I/O)口、中断系统和时钟系统。1. 中央处理器 中央处理器是单片机的核心,主要功能是产生各种控制信号,根据程序中每一条指令的具体功能,控制寄存器和输入/输出端口的数据传送,进行数据的算术运算、逻辑运算以及位操作等处理。MCS-51系列单片机的CPU字长是8位,能处理8位二进制数或代码,也可处理一位二进制数据。单片机的CPU从功能上一般可以分为运算器和控制器两部分。2.储存器单片机内部包含随机存取存储器RAM和程序存储器
19、ROM,RAM用于保存单片机运行的中间数据; 单片机的ROM不只是用来装载程序,增强51系列也可以在单片机运行过程中利用程序把数据存贮在ROM的部分空间内。51系列单片机在系统结构上采用哈佛结构(Harvard architecture),即程序存储器和数据存储器的寻址空间是分开管理的。它共有4个物理上独立的存储器空间,即内部和外部程序存储器及内部和外部数据存储器。从用户的角度看,单片机的存储器逻辑上分为三个存储空间,即统一编址的64KB的程序存储器地址空间(包括片内ROM和外部扩展ROM),地址从0000HFFFFH;256B的片内数据存储地址空间(包括128B的片内RAM和特殊功能寄存器的
20、地址空间);64KB的外部扩展的数据存储器地址空间。1.3.1 中断系统51单片机的中断功能较强。51单片机共有5个中断源,即外部中断两个,定时/计数中断两个,串行口中断一个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。1.3.2 时钟系统时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。51单片机芯片的内部有时钟电路,但石英晶体和微调电容需外接,系统常用的晶振频率一般为6 MHz或12 MHz。由此可见,单片机虽然只是一个芯片,但是它集成了一台计算机应该有的重要硬件,所以它是一个微型的计算机系统。8051单片机外部结果如下图所示 图1-2 51单片机外部结构图它的引脚功能如下: VCC:供电电压。 GND:接地。
21、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P0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,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O
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