无人职守航标灯的设计.docx
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无人职守航标灯的设计
渤海石油职业学院
课程设计
题目无人职守航标灯的设计
学生姓名
年级2008
专业电气自动化
指导教师董瑞情
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
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：
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
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1-1ATMEL89系列单片机的概况
型号
AT89C51
AT89C52
AT89C1051
AT89C2051
AT89S8252
档次
标准型
低档型
高档型
Flash/KB
4
8
1
2
8
片内RAM/B
128
256
64
128
256
I/O/条
32
32
15
15
32
定时器/个
2
3
1
2
3
中断源/个
5
8
3
6
9
串行接口/个
1
1
1
1
1
M加密/级
3
3
2
2
3
片内振荡器
有
有
有
有
有
EEPROM/KB
无
无
无
无
2
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,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-SpecialFunctionRegister）
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
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3-2AT89C51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
关T0，关灯
返回
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
置计数初值
R7-1=0
Y
重置灯
返回
取反
图3-5T0中断服务程序
4．程序清单
方案一：
ORC0000H
AJMPMAIN
ORC0003H
AJMPWBINT；外部中断0入口地址
ORG000BH；T0中断入口地址
AJMPT01NT
ORG0100H
MAIN:
MOVSP,#30H；设置堆栈指针
CLRP1.7；设灯亮的初态为灭
CLRIT0；外部中断0为电平触发方式
CLRPX0
SETBEX0；允许外部中断0中断
SETBEA；允许CPU中断
HERE:
AJMPHERE
外部中断0中断服务程序（由0003H转来）
WBINTMOVTMOD,#01H
MOVTL0,#0BOH
MOVTH0,#3CH
SETBPT0
SETBTR0;启动T0
SETBETI
MOVR7,#40H;软件计数值
HERE1:
JNBP3.2,HERE1
CLRET0；为高禁止T0中断
CLRTR0；关T0
CPLP1.7；熄灯
RETI；返回主程序
定时器T0中断服务程序（由000BH转来）
TOLNT：
MOVTL0,#0B0H
MOVTH0,#3CH
DJNZR7,EXIT；软件计数是否为0吗
MOVR7,#40H；计数已到，重新赋初值
EXIT:
RETI；中断返回
END
方案二：
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG000BH
AJMPPOINT；外部中断0入口地址
ORG0100H
MAIN:
MOVSP,#30H
GAT0:
CLRP1.7
MOVTMOD,#09H；T0定时，方式1，GATE=1
MOVTL0,0BOH；T0计数初值
MOVFH0,#3CH
MOVR7,#40H；软件计数初值
HERE1:
JNBP3.2,HERE1；黑夜降临了吗？
SETBTR0；是黑夜了，启动T0
SETBET0；允许T0中断
SETBEA；CPU中断
HERE2:
JBP3.2,HERE2；白天了吗？
CLRTR0
CLRET0
CLREA；关CPU中断
AJMPGAT0
定时器0中断服务程序（由000BH转来）
TOINT:
MOVTL0,#0BOH
MOVTH0,#3CH
DJNZR7,EXIT；软件计数到了吗
MOVR7,#40；重新赋值软件计数初值
CPLP1.7；输出控制灯亮与灭
EXIT:
RETI
END
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FlashMemory
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。
FlashMPU具有以下优点：
与多次可编程的窗口式EPROM相比，FlashMPU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FlashMPU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使器件快速提升及标准化成为可能。
5）.强抗干扰能力
不断加强抗干扰能力是单片机进一步发展的必然趋势。
STMicroelectronics公司推出的ST62系列单片机在这方面是佼佼者，其优良的抗干扰能力使得许多大公司将其应用在系统中的关键部件上。
许多单片机开发商也正朝着这个方向努力。
6）.朝系列化、全面化方向发展
各大单片机开发商在增加产品功能的同时效力于形成产品的系列化=全面化，以满足各种控制领域的要求，这也是单片机发展的趋势之一。
日本TOSHBA公司开发了从4位到64位的多系列单片机，日立公司也有从4.位到32位的单片机，目前还没有哪个厂家生产的单片机比东芝公司的种类多。
随着单片机性能的不断提高，不断的克服和弥补自身的不足。
在各种控制领域，单片机将拥有更加广阔的使用天地。
在很长的一段时间内，它将一直是工程设计人员的首选控制芯片之一。
五、致谢
本课题在选题及进行过程中得到了董瑞情老师的悉心指导。
在硬件电路设计当中董老师帮助分析思路，开拓视角;在软件设计中董老师帮助调试及修改程序。
董老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神将使我们终身受益。
再多华丽的言语也显得苍白。
在此，谨向董瑞情老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！
六、参考文献
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北京航空航天大学出版社，2002
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北京航空航天大学出版社，2002
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机械工业出版社，2001
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