无人职守航标灯的设计.doc

渤海石油职业学院 课课 程程 设设 计计 题题 目目 无人职守航标灯的设计无人职守航标灯的设计 学生姓名学生姓名 年年 级级 2008 专专 业业 电气自动化电气自动化 指导教师指导教师 董瑞情董瑞情 课程设计任务书 一 设计目的 微机测控课程设计是在学完微机测控课程之后的实践教学环节 该实践教学是软件设 计的综合训练 包括问题分析 总体结构设计 程序设计基本技能和技巧 使学生在设计中逐 步提高程序设计能力 能根据实际问题的具体情况选择科学的工作方法 二 设计班级 2008 电气 三 设计题目 无人职守航标灯的设计 四 设计内容及要求 1 设计要求 熄灭 航标灯在黑夜能够定时闪烁发光 设定时间间隔为 2s 即点亮 2s 熄灭 2s 周期循环进 行 当白天到来时 航标灯熄灭 停止工作 2 设计内容 1 总体方案的设计 2 系统硬件电路的设计 3 系统程序的设计 包括流程图和源程序 五 课程设计报告要求 1 封面 写清题目 班级 姓名 指导教师 2 目录 3 正文 要求字迹工整 思路清晰 4 课程设计的体会 5 参考书目 六 考核办法及成绩 总成绩 模拟控制系统效果成绩 课程设计报告成绩 目目 录录 摘要 1 一 总体方案的确定 1 二 系统硬件设计 2 1 课题背景 2 2 单片机的选择 3 3 设计思想 5 三 系统软件 5 1 电路的设计 5 2 元器件列表 6 3 方案二程序流程图 7 4 程序清单 8 四 设计总结 10 1 结论 11 2 单片机的发展趋势 11 五 致谢词 12 六 参考文献 12 无人职守航标灯的设计 摘 要 本设计的目的是利用 AT89C51 单片机的定时和中断功能对航标灯进行自动控制 利用单片机的定时和中断功能使航标灯在黑夜能够定时闪烁发光 即点亮 2S 熄灭 2S 周期 循环进行 而当白天都来时 航标灯熄灭 停止工作 航标灯广泛应用的与江河大海的航行 中 为来往船只在黑夜中航行提供安全保障 现在我们利用 AT89C51 单片机的定时和中断功 能对航标灯进行自动控制 关键词 AT89C51 单片机 航标灯 一 总体设计概述一 总体设计概述 对于此航标灯的设计 可以选择多种方案 方案一 1 控制电路 AT89C51 定时的启动控制信号由 INT0 来控制 夜晚使得 INT0 0 白天 INT0 1 2 实现较长时间的定时 采用 Y0 定时加软件计数的方法实现 2S 3 识别白天与黑夜 采用如图 3 1 所示的光敏三极管来区分白天和黑夜 其工作原理是 当黑夜降 临时 无光照 VT1 VT2 均截至 VT2 输出高电平反向后使 INT0 0 向单片机发出中断请求 CPU 接 受外部中断请求后 进入 INT0 中断处理程序 启动定时器工作 利用定时器中断控制航标灯定时闪烁发 光 在黑夜结束之前 一直在外部终端程序过程中 另外 从硬件上看 加在 INT0 引脚的低电平并为撤 销 因此可以用软件 查询 INT0 引脚 只要 INT0 0 定时器继续工作 当白天到来时 日光照到光敏 三极管 VT1 的基极 是 VT1 导通 VT2 输出低电平反相是 INT0 为高电平 软件查询到 INT0 1 立即关 闭定时器 结束外部中断处理返回到主程序 等待下一次黑夜的到来再次产生中断 在 INT0 请求的外部 中断处理程序中 又用软件查询 INT0 引脚 这种用法很特殊 此外 本例中选用了两种中断 外部中断 和定时中断 定时器中断发生在外部中断正在经行的时候 因此要将定时器中断设为高优先级的中断 根据以上分析 可编写如下控制程序 1 设 T0 定时 50ms 方式 1 计数初值 X CBHX312 1000 50 12216 R7 软件计数 2 1000 50 40 T0 的定时和 R7 软件计数达到延时 2s 方案二 使用门控位 GATE 为 1 的条件 允许外部输入电平控制启动或停止定时器 计数器工作的方法来实现 即 GATE 1 INT0 1 TR0 1 时启动定时器 T0 工作 此时硬件电路如图 3 1 要略做改动 省略输入电路 的反向器 光敏放大电路的输出端接 INT0 保障使得白天 INT0 0 夜晚 INT0 1 对于 T0 控制程序将 设置 GATE 为 1 夜晚 INT0 为 1 TR0 为 1 触发 T0 启动 二 系统硬件设计二 系统硬件设计 1 课题背景 单片机自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS 48 开始 迄今已有二十多年了 由于单片机集成度高 功 能强 可靠性高 体积小 功耗地 使用方便 价格低廉等一系列优点 目前已经渗入到人们工作和生 活的方方面面 几乎 无处不在 无所不为 单片机的应用领域已从面向工业控制 通讯 交通 智能 仪表等迅速发展到家用消费产品 办公自动化 汽车电子 PC 机外围以及网络通讯等广大领域 单片机有两种基本结构形式 一种是在通用微型计算机中广泛采用的 将程序存储器和数据存储器合 用一个存储器空间的结构 称为普林斯顿结构 另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开 分别寻 址的结构 一般需要较大的程序存储器 目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构 为多 本文讨论的单片机多功能定时器和中断系统的核心是目前应用极为广泛的 51 系列单片机 配置了外 围设备 构成了一个可编程的计时定时系统 具有体积小 可靠性高 功能强等特点 不仅能满足所需 要求而且还有很多功能可供开发 有着广泛的应用领域 20 世纪 80 年代中期以后 Intel 公司以专利转让的形式把 8051 内核技术转让给许多半导体芯片生 产厂家 如 ATMEL PHILIPS ANALOG DEVICES DALLAS 等 这些厂家生产的芯片是 MCS 51 系列的兼容 产品 准确地说是与 MCS 51 指令系统兼容的单片机 这些兼容机与 8051 的系统结构 主要是指令系统 相同 采用 CMOS 工艺 因而 常用 80C51 系列来称呼所有具有 8051 指令系统的单片机 它们对 8051 单 片机一般都作了一些扩充 更有特点 其功能和市场竞争力更强 不该把它们直接称呼为 MCS 51 系列单 片机 因为 MCS 只是 Intel 公司专用的单片机系列型号 MCS 51 系列及 80C51 单片机有多种品种 它们 的引脚及指令系统相互兼容 主要在内部结构上有些区别 目前使用的 MCS 51 系列单片机及其兼容产品 通常分成以下几类 标准型 低档型和高档型三种类型 下表列举出 ATMEL 系列单片机的概况 表 1 1 列举出 ATMEL89 系列单片机的概况 表 1 1 ATMEL89 系列单片机的概况 2 单片机的选择 MCS 51 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上 如果按功能划分 它由如下功能部件组成 即微处理器 CPU 数据存储器 RAM 程序存储器 ROM EPROM 并行 I O 口 串行口 定时器 计数器 中断系统及特殊功能寄存器 SFR 它们都是通 过片内单一总线连接而成 其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构模式 但对各种功能部件的 控制是采用特殊功能寄存器 SFR 的集中控制方式 1 控制器 控制器是单片机的指挥控制部件 控制器的主要任务是识别指令 并根据指令的性质控制单片机各 功能部件 从而保证单片机各部分能自动而协调地工作 单片机执行指令是在控制器的控制下进行的 首先从程序存储器中读出指令 送指令寄存器保存 然后送至指令译码器进行译码 译码结果送定时控制逻辑电路 由定时控制逻辑产生各种定时信号和控 制信号 再送到单片机的各个部件去进行相应的操作 这就是执行一条指令的全过程 执行程序就是不 断重复这一过程 控制器主要包括程序计数器 程序地址寄存器 指令寄存器 IR 指令译码器 条件转 移逻辑电路及时序控制逻辑电路 2 存储器的结构 MCS 51 单片机存储器采用的是哈佛结构 即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开 程序存储器 和数据存储器各有自己的寻址方式 寻址空间和控制系统 这种结构对于单片机面向控制的实际应用极为方便 有利 在 8051 8751 弹片击中 不仅在片内集成了 一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器 而且还具有极强的外存储器的扩展能力 型号 AT89C51AT89C52AT89C1051AT89C2051AT89S8252 档次标准型低档型高档型 Flash KB48128 片内 RAM B 12825664128256 I O 条 3232151532 定时器 个 23123 中断源 个 58369 串行接口 个 11111 M 加密 级 33223 片内振荡 器 有有有有有 EEPROM KB 无无无无 2 寻址能力分别可达 64KB 寻址和操作简单方便 MCS 51 的存储器空间可划分为如下几类 程序存储器 单片机系统之所以能够按照一定的次序进行工作 主要是程序存储器中存放了经调试正确的应用程序 和表格之类的固定常数 程序实际上是一串二进制码 程序存储器可以分为片内和片外两部分 8031 由于 无内部存储器 所以只能外扩程序存储器来存放程序 MCS 51 单片机复位后 程序存储器 PC 的内容为 0000H 故系统必须从 0000H 单元开始取指令 执行程 序 程序存储器中的 0000H 地址是系统程序的启动地址 一般在该单元存放一条绝对跳转指令 跳向用户设 计的主程序的起始地址 内部数据存储器 MCS 51 单片机内部有 128 个字节的随机存取存储器 RAM 作为用户的数据寄存器 它能满足大多数控 制型应用场合的需要 用作处理问题的数据缓冲器 MCS 51 单片机的片内存储器的字节地址为 00H 7FH MCS 51 单片机对其内部 RAM 的存储器有很丰富的 操作指令 从而使得用户在设计程序时非常方便 地址为 00H 1FH 的 32 个单元是 4 组通用工作寄存器区 每个区含 8 个 8 位寄存器 编号为 R7 R0 用户可以通过指令改变 PSW 中的 RS1 RS0 这二位来切换当前的 工作寄存器区 这种功能给软件设计带来极大的方便 特别是在中断嵌套时 为实现工作寄存器现场内容保 护提供了极大的方便 特殊功能寄存器 SFR Special Function Register 特殊功能寄存器反映了 MCS 51 单片机的状态 实际上是 MCS 51 单片机各功能部件的状态及控制寄存 器 SFR 综合的 实际的反应了整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式 SFR 实质上是一些具有特 殊功能的片内 RAM 单元 字节地址范围为 80H FFH 特殊功能寄存器的总数为 21 个 离散的分布在该区域中 其 中 有些 SFR 还可以进行位寻址 128 个字节的 SFR 块中仅有 21 个字节是由定义的 对于尚未定义的字节地 址单元 用户不能作寄存器使用 若访问没有定义的单元 则将得到一个不确定的随机数 3 并行 I O 口 MCS 51 单片机共有 4 个双向的 8 位并行 I O 端口 Port 分别记作 P0 P3 共有 32 根口线 各口 的每一位均由锁存器 输出驱动器和输入缓冲器所组成 实际上 P0 P3 已被归入特殊功能寄存器之列 这四个口除了按字节寻址以外 还可以按位寻址 由于它们在结构上有一些差异 故各口的性质和功能 有一些差异 P0 口是双向 8 位三态 I O 口 此口为地址总线 低 8 位 及数据总线分时复用口 可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载 P1 口是 8 位准双向 I O 口 可驱动 4 个 LS 型负载 P2 口是 8 位准双向 I O 口 与地址总 线 高 8 位 复用 可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载 P3 口是 8 位准双向 I O 口 是双功能复用口 可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载 P1 口 P2 口 P3 口各 I O 口线片内均有固定的上拉电阻 当这 3 个准双向 I O 口做 输入口使用时 要向该口先写 1 另外准双向 I O 口无高阻的 浮空 状态 故称为双向三态 I O 口 4 时钟电路与时序 时钟电路用于产生 MCS 51 单片机工作时所必需的时钟信号 MCS 51 单片机本身就是一个复杂的同步 时序电路 为保证同步工作方式的实现 MCS 51 单片机应在唯一的时钟信号控制下 严格地按时序执行 进行工作 而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系 在执行指令时 CPU 首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码 然后译码 并由时序电路产 生一系列控制信号去完成指令所规定的操作 CPU 发出的时序信号有两类 一类用于片内对各个功能部件 的控制 这列信号很多 另一类用于片外存储器或 I O 端口的控制 这部分时序对于分析 设计硬件接 口电路至关重要 这也是单片机应用系统设计者普遍关心的问题 5 单片机的应用领域 单片机应用领域可以归纳为以下几个方面 5 1 智能仪表 用单片机系统取代老式的测量 控制仪表 实现从模拟仪表向数字化 智能化仪表的转化 如各种温度 仪表 压力仪表 流量仪表 电能计量仪表等 5 2 测控系统 用单片机取代原有的复杂的模拟数字电路 完成各种工业控制 数据采集系统等工作 5 3 电能变换 应用单片机设计变频调速控制电路 5 4 通信 用单片机开发通信模块 通信器材等 5 5 机电产品 应用单片机检测 控制传统的机械产品 使传统的机械产品结构简化 控制智能化 提高了机电产 品 的可靠性 增强了产品的功能 5 6 智能接口 在数据传输中 用单片机实现外部设备与微机通信 2 设计思想 电子科技日新月异 人们对现代电子设备的智能化和微型化及其精度提出了更高的要求 而单片机 因其具有稳定可靠 体积小 价格低廉等特点 成为设计智能化仪器仪表的首选微控制器 因此本次 我们没有选用传统的专用的继电器控制 而是采用了 AT89C51 芯片 此款单片机可以使用软件对其进行 在线编程 其灵活性和可靠性都相对提高 使用了 AT89C51 单片机芯片控制电路 单片机控制电路简单且 省去了很多复杂的线路 使得电路简明易懂 三 系统软件设计三 系统软件设计 1 电路的设计 1 航标灯的硬件控制电路原理图如图 3 1 所示 图 3 1 航标灯控制电路 2 AT89C51 芯片的引脚图如图 3 2 所示 图 3 2 AT89C51 的外部引脚图 2 元器件列表如图 3 1 显示灯一个 光敏三极管一个 高电平反向器一个 NPN 三极管三个 电阻四个 表 3 1 元器件列表 3 方案二的程序流程图 1 主程序流程图如图 3 3 所示 初始化 图 3 3 主程序流程图 2 外部中断 0 的服务程序如图 3 4 所示 Y Y N 设 T0 工作状 设 T0 初值 优先级 启动 T0 开中断 INT0 0 开始 关 T0 关灯 等待中断 开始 设堆栈开中断 0 图 3 4 外部中断 0 的服务程序 3 T0 中断服务程序如图 3 5 所示 T0 中断 开始 Y 图 3 5T0 中断服务程序 4 程序清单 方案一 ORC 0000H AJMP MAIN ORC 0003H AJMP WBINT 外部中断 0 入口地址 ORG 000BH T0 中断入口地址 AJMP T01NT ORG 0100H MAIN MOV SP 30H 设置堆栈指针 CLR P1 7 设灯亮的初态为灭 CLR IT0 外部中断 0 为电平触发方式 CLR PX0 SETB EX0 允许外部中断 0 中断 SETB EA 允许 CPU 中断 HERE AJMP HERE 外部中断 0 中断服务程序 由 0003H 转来 WBINT MOV TMOD 01H MOV TL0 0BOH 返回 置计数初值 R7 1 0 重置灯 取反返回 MOV TH0 3CH SETB PT0 SETB TR0 启动 T0 SETB ETI MOV R7 40H 软件计数值 HERE1 JNB P3 2 HERE1 CLR ET0 为高禁止 T0 中断 CLR TR0 关 T0 CPL P1 7 熄灯 RETI 返回主程序 定时器 T0 中断服务程序 由 000BH 转来 TOLNT MOV TL0 0B0H MOV TH0 3CH DJNZ R7 EXIT 软件计数是否为 0 吗 MOV R7 40H 计数已到 重新赋初值 EXIT RETI 中断返回 END 方案二 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP POINT 外部中断 0 入口地址 ORG 0100H MAIN MOV SP 30H GAT0 CLR P1 7 MOV TMOD 09H T0 定时 方式 1 GATE 1 MOV TL0 0BOH T0 计数初值 MOV FH0 3CH MOV R7 40H 软件计数初值 HERE1 JNB P3 2 HERE1 黑夜降临了吗 SETB TR0 是黑夜了 启动 T0 SETB ET0 允许 T0 中断 SETB EA CPU 中断 HERE2 JB P3 2 HERE2 白天了吗 CLR TR0 CLR ET0 CLR EA 关 CPU 中断 AJMP GAT0 定时器 0 中断服务程序 由 000BH 转来 TOINT MOV TL0 0BOH MOV TH0 3CH DJNZ R7 EXIT 软件计数到了吗 MOV R7 40 重新赋值软件计数初值 CPL P1 7 输出控制灯亮与灭 EXIT RETI END 四 设计总结四 设计总结 1 结论 本设计将前面所学到的单片机的基本知识 定时器 键盘接口 子程序编程 中断技术结合起来 使用的关键技术是以单片机定时器的定时 通过设计使我对单片机基础知识 内部结构和原理 指令系 统 汇编语言程序设计 中断概念和应用 定时器应用等有了进一步的认知 2 单片机的发展趋势 自单片机出现至今 单片机技术已走过了几十年的发展路程 纵观几十年来单片机发展历程可以看出 单片机技术的发展以微处理器 MPU 技术及超大规模集成电路技术的发展为先导 拉动广泛的应用领域 表现出比微处理器更具个性的发展趋势 1 采用先进结构以实现高性能 在过去的一段时间内 单片机的指令运行速度一直在 10MIPS 以下 这对于应用在工业控制领域内的 单片机来说是足够了 但当单片机被应用在通讯及 DSP 领域作为高速运算 编码或解码时 就会出现因 指令运行速度不够而限制单片机应用的情形 因此提高单片机指令运行速度已经成为迫切需要解决的问 题 2 进一步降低功耗 基于 80C51 的飞利浦低功率 低系统成本微控制器 51LPC 系列是业界推动单片机向低功耗方向发展 的主导单片机系列之一 51LPC 系列单片机采用以下三种方法降低功耗 1 使系统进入空闲模式 在空闲模式下 只有外围器件在工作 任意的复位及中断均可结束空闲 模式 2 使系统进入低功耗模式 在低功耗模式下 振荡器停止工作 是功耗降到最小 3 使系统进入低电压 EPROM 操作 EPROM 包含了模拟电路 当 Vcc 高于 4V 时 可通过软件使这些 模拟电路掉电以降低功耗 在上电情况下可使系统退出该模式 3 采用 Flash Memory 随着半导体工艺技术的不断进步 MPU 的 Flash 版本逐渐替代了原有的 OTP 版本 Flash MPU 具有以 下优点 与多次可编程的窗口式 EPROM 相比 Flash MPU 的成本要低得多 在系统编程能力以及产品生产 方面提供了灵活性 因为 Flash MPU 可在编程后面再次以新代码重新编程 可减少已编程器件的报废和 库存 有助于生产厂商缩短设计周期 使终端用户产品和 更具有竞争力 4 集成更多功能及兼容性 目前单片机的另一个发展趋势是在芯片上集成更多的功能 如模拟功能 包括模拟比较器 A D 和 D A 转换器等 具体表现在 兼容性作为设计的第一考虑 额外的新的特点是透明的 使用同一种编程器 OTP 使器件