基于单片机的航标灯控系统设计.docx

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基于单片机的航标灯控系统设计

本科毕业设计论文

题目基于单片机的航标灯控系统设计

专业名称

学生姓名

指导教师

毕业时间

毕业设计论文任务书

一、题目：

基于单片机的航标灯控系统设计

二、指导思想和目的要求：

通过毕业设计，使学生对所学电子工艺、电路基础知识、模电、数电、等电子基础课程的基本知识加深理解，掌握单片机的基本指令及基本结构，并将其与实际工程应用紧密结合起来，培养创新意识，增强分析问题解决问题能力，为尽快进入社会角色，熟悉相关开发工作流程、项目小组组成、分工、合作方式方法等。

增强团队合作意识，提高基本工作技能，为即将踏入社会奠定理论和实践基础。

内容：

航标灯在夜间具有引导船舶航行的作用，是船舶在夜间安全航行有力保障。

它通过灯塔在海上夜间发出规定的灯光颜色和闪光频率的可识信号，达到规定的照射角度和能见距离，以供船舶测定位置和向船舶提供危险警告。

要求：

以单片机为主控单元，通过传感器自动识别白天和黑夜，设计一种简单、可靠、节能的航标灯控制器，以达到控制航标灯夜间导航船舶的目的。

三、主要技术指标：

用闪烁频率可调LED发光管作为信号指示灯，可根据感光亮度调节信号灯的闪烁频率按键可调。

（1）设计思路：

运用所学单片机知识，运用其I/O口设计基本控制电路，并以发光管、按键等外部设备做为相应的模拟部件。

（2）步骤：

l、了解航标灯控系统的工作原理及要求。

2、设计单片机工作的基本电路，如：

晶振电路、复位电路。

3、根据系统设计要求选择发光二极管、按键等模拟部件。

4、设计系统基本电路。

5、绘制PRTUSE电原理图并编写系统控制程序。

6、联机进行系统仿真调试。

四、进度与要求：

1．第一周～第一周收集航标灯控系统相关资料。

2．第二周～第三周用PROTUSE设计硬件原理图并进行器件选型。

3．第四周～第六周编写系统各功能模块控制程序。

4．第七周～第十周联机进行系统调试。

5.第十一周～第十二周整理并组织论文。

6．第十三周～第十四周完成修改稿，定稿，打印，交评阅。

7．第十五周～第十六周评阅与答辩

五、主要参考书及参考资料

[1]吕凤.C++语言基础教程[M].北京:

清华大学出版社,2007.

[2]黄智伟，邓月明，王彦.ARM9嵌入式系统设计基础教程[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2013.

[3]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2008.

[4]徐士良，葛兵.计算机软件技术基础[M].北京:

清华大学出版社,2007.

[5]谢剑英，贾青.微型计算机控制技术[M].北京:

国防工业出版社,2010.

[6]蔡美琴，张为民，毛敏，等.MCS—51系列单片机系统及其应用[M].北京:

高等教育出版社,2004.

[7]陈隆昌，阎治安，刘新正.控制电机[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2000.

[8]徐兵.过程控制[M].北京:

机械工业出版社,2004.

[9]王海英，袁丽英，吴勃.控制系统的MATLAB仿真与设计[M].北京:

高等教育出版社,2009.

学生赵琳指导老师李雪霞系主任

摘要

航标灯的出现和发展对船舶在夜间航行的安全具有重大意义。

航标灯是为保证船搜索舶在夜间安全航行而安装在某些航标上的一类交通灯。

它在夜间发出规定的灯光颜色和闪光频率，达到规定的照射角度和能见距离。

航标灯有固定灯标、灯浮标、灯船和灯塔4种。

固定灯标、灯浮标和灯船是作导航和警告用的信标。

灯塔在海上昼夜发出可识信号，供船舶测定位置和向船舶提供危险警告。

航标灯多使用蓄电池作电源。

小型灯塔已采用太阳能电池，大型灯塔则采用柴油发电机组作为主电源。

本次毕业设计的航标灯能随着光线的强弱变化自动进行航标灯闪烁频率变化的调节控制，来达到对海上的船舶进行清晰明确的导航。

还设计了三个按键可人为控制航标灯的闪烁频率变化，在特殊应急情况下，可以更灵活的控制航标灯的闪烁，来达到现实的需求。

在毕业设计中以单片机为基础，利用光敏电阻自身的阻值随着光线强度的改变也随之改变的特性，把模拟量经A/D转换器转换为数字量，再传给单片机进行处理。

本次设计是用三极管，二极管，继电器来达到对航标灯的控制。

关键词:

航标灯，单片机，A/D转换器

ABSTRACT

Theemergenceanddevelopmentofpharosisofmajorsignificancetothesafetyofshipssailingthroughthenight.Beaconwasinstalledforshipsearchshipssailsafelyatnightinsomekindoftrafficlightsonthebeacon.Colorandflashingfrequencyunderlightemittedduringthenight,toreachtherequiredangleandvisibilitydistance.Pharoshasafixedbeacon,alightbeaconbuoys,lightvesselsand4species.Fixedbeacon,lightbuoysandlightvesselsareusedfornavigationandwarningsofbeacons.Lighthouseontheseadayandnightsendidentificationsignals,hazardwarningforpositiondeterminationofshipandtoships.Beaconlightsoperatingonbatterypower.Smalllighthousetousesolarcells,largeLighthousedieselgeneratorisusedastheprimarypowersource.

ThisgraduationprojectcouldPharoschangeasthelightintensitycontrolnavigationlightflashingfrequencychangesautomatically,toachieveaclearnavigationforshipsatsea.AlsodesignedthreekeysthatcanartificiallycontroltheFlashfrequencychangesofPharos,inspecialemergencysituations,canFlashmoreflexiblecontrolofPharostomeetpracticaldemand.Graduationdesignbasedonthemicrocontroller,usingchangeresistanceasthelightintensityofthephotosensitiveresistanceitselfalsochangedcharacteristic,a/dconvertersanalogtodigital,thenpasssingle-chipforprocessing.Thisdesignismadefromtransistors,diodes,relaystoachievecontrolofthePharos.

KEYWORDS：

pharos,single-chip，a/dconverters

3.3各模块流程图29

3.3.1光线检测模块29

3.3.2航标灯模块31

4.2仿真调试中的问题及解决38

4.3系统仿真截图39

第一章绪论

1.1单片机技术概述

1.1.1单片机的概念

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

它是一种存线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

单片机是靠程序的，并且可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很多人力气才能做到的，有些则是花人力气也很难做到的。

一个不是很复杂的功能要是用美同50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！

但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！

只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高科能，高效率，以及高可靠性！

1.1.2单片机的发展

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

1.1.3单片机的应用

单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

事实上单片机是世界上数量最多的计算机。

现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。

而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。

汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。

可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。

不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。

它白主机、键盘、显示器等组成。

还有一类计算机，人多数人却不怎么熟悉。

这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。

顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。

因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。

它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。

现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如科能仪表、实时T控、通讯设备、导航系统、家用电器等。

各种产品。

一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词一一“智能型”，如智能型洗衣机等。

现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。

究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。

1.2选题的目的与意义

改革开放30多年来，中国综合国力和人民生活水平显著提高，经济总量和国际贸易均居世界前三位。

海运作为国民经济基础性和服务性产业，为中国经济社会和对外贸易的发展发挥了重要的支撑和保障作用。

但是与此同时，船舶水上交通事故迅速增多，海运安全问题引起了更多的关注。

航标灯是保证船舶在安全航行的重要设施之一。

人们在很早以前就已经开始在近海岸使用航标灯了，在夜间起到为船舶引导航行的作用。

航标灯到目前为止仍然是船舶在夜间安全航行的有力保障。

目前人类使用的航标种类包括陆上航标、水上航标和无线电航标3种，其中水上航标包括灯标和浮标。

它通过灯塔在海上夜间发出规定的灯光颜色和闪光频率的可识信号，达到规定的照射角度和能见距离，以供船舶测定位置和向船舶提供危险警告。

1.3本设计的主要内容

本次设计的航标灯是以8051单片机为控制单元，结合光敏电阻为核心的光敏传感器构成的光控开关来自动识别白天和黑夜，设计了一种简单、可靠、节能的航标灯控制器，以达到控制航标灯夜间导航船舶的目的。

用频率可调LED发光管作为信号指示灯，可根据感光亮度调节信号灯的亮度，闪烁频率按键可调。

运用所学单片机知识，运用其I/O口设计基本控制电路，并以发光管、蜂鸣器、按键等外部设备做为相应的模拟部件。

第二章航标灯系统硬件设计

2.1系统总体方案选择

方案一：

本系统要求区分白天与黑夜、检测水位信息、控制航标灯闪烁和蜂鸣器的鸣叫，同时需要显示并发送水位信息；综合要求，选择51单片机作为控制器，用光敏电阻检测白天与黑夜，因为只有一路水位信息，所以选择ADC0804作为模数转换器，并用LED作为航标灯指示器，LCD1602作为水位显示器件。

图2.1设计方案框图

图2.2系统结构框图

本系统通过51单片机作为控制核心，并选择12MHz晶体，以达到控制航标灯的闪烁，蜂鸣器的报警指示；同时显示并往控制总台发送水位信息；在本系统中通过ADC0804将模拟变化的水位信号转换成单片机可以识别的数字信号，同时通过LCD1602液晶显示器显示实时水位信息并将水位信息通过串口传送到控制台；系统中通过光敏电阻检测白天与黑夜，当水位正常时，如果是晚上，通过单片机的控制蜂鸣器发声，航标灯定时闪烁（亮2s，熄灭2s）；如果是白天，则航标灯关闭，蜂鸣器继续工作。

当水位超过警戒水位（水位过低，不适合航行）时，如果是晚上，则通过单片机控制蜂鸣器的加速鸣叫，并且航标灯闪烁加快；如果是白天则航标灯关闭，蜂鸣器继续工作。

方案二：

本系统要求区分白天与黑夜、控制航标灯闪烁；综合要求，选择51单片机作为控制器，用光敏电阻检测白天与黑夜，选择ADC0804作为模数转换器，并用LED作为航标灯指示器。

系统的工作原理：

本系统通过8051单片机作为控制核心，并选择12MHz晶体，以达到控制航标灯的闪烁。

本系统没有蜂鸣器的报警指示模块，也没有监测水位并往控制总台发送水位信息的模块。

但是增加了按键模块，通过按键K1，K2，K3来达到对航标灯不同闪烁频率的控制。

通过系统中通过光敏电阻检测白天与黑夜，如果是白天，则航标灯关闭。

如果是晚上，则航标灯开启，通过光敏电阻对光线的检测来控制航标灯的闪烁频率快慢，天色越暗或云雾越多则航标灯的闪烁频率越快，使船舶能更清楚的看到航标灯的位置。

在特殊情况下，也可人为的通过按键来控制航标灯的开启和闪烁频率。

通过对方案一和方案二的对比，考虑到方案的难度以及现实中时间等多方面的考虑，最终选择方案二为本次设计的最终方案。

2.2总体设计方案框图

图2.3总体设计方案框图

光线检测模块：

光敏电阻通过对光线强度的检测，来控制灯的闪烁频率。

光线越暗，则灯的闪烁越快。

航标灯模块：

通过二极管，场效应管和继电器来控制指示灯从而达到需要的效果。

闪烁控制按键模块：

设置三个按键，每个按键控制灯不同的闪烁频率，这样可以人为的主动控制航标灯的闪烁频率。

闪烁频率指示灯模块：

通过红黄绿三色指示灯，可以更直观的看到正在执行的是几号按键。

复位电路模块：

可以实现上电复位和手动复位。

晶振电路模块：

晶振是给单片机提供工作信号脉冲的。

这个脉冲就是单片机的工作速度。

2.3各功能模块设计原理及功能

2.3.1光线检测模块

图2.4光线检测模块截图

该模块利用光敏电阻自身的阻值随着光线强度的改变也随之改变的特性，把模拟量经A/D转换器转换为数字量，再传给单片机进行处理。

本设计中用滑动变阻器代替光敏电阻进行仿真。

光敏电阻是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。

随着光照强度的改变从而光敏电阻的阻值也跟着改变，阻值改变后将模拟量信号传给A/D转换器，A/D转换器再把检测到的电阻信号（模拟量）转换成单片机能够识别的等效数字量，这些数字量就可以在单片机中被处理了。

本设计中A/D转换器使用的是ADC0804型号。

图中电路为ADC0804经典接法，空出的第5号脚为转换结束信号引脚；此次设计并没有用到该引脚；当然也可以接到单片机引脚，通过该引脚检测转换是否结束。

ADC0804是逐次比较型类的单片集成A/D转换器。

ADC0804是一款8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：

模数转换时间大约100us；方便TTL或CMOS标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压输入端；内含时钟发生器；单电源工作时（0～5）V输入电压范围是0～5V；不需要调零等等。

ADC0804是一款早期的AD转换器，因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛应用。

ADC0804是属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

2.3.2航标灯模块

图2.5航标灯模块截图

高电位信号由单片机P1.0引脚传给场效应管，场效应管导通，右边继电器电路经过场效应管导通后，磁铁将开关闭合，航标灯亮。

用这个原理来控制航标灯的亮灭。

航标灯使用的是强电，但是单片机所使用的是弱电，所以该处的继电器也可以起到隔离强电和弱电的效果。

本设计选择的是IRF120型号的场效应管。

MOS场效应管也被称为MOSFET，它一般有耗尽型和增强型两种。

本次设计使用的为增强型MOS场效应管。

它可分为NPN型和PNP型。

NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。

当输入端为低电平时，P沟道MOS场效应管导通，输出端与电源正极接通。

当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。

一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。

但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。

本设计中继电器使用的是W107DIP-3型号。

W107DIP-3继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。

它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。

通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁搜索就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。

2.3.3闪烁控制按键模块

图2.6按键模块截图

按键模块设置了K1，K2，K3三个按键。

在特殊情况下，通过这按键模块的这三个按键可以控制航标灯的闪烁频率。

如按下K1键，表示航标灯的闪烁频率为150Hz；

按下K2键，表示航标灯的闪烁频率为100Hz；

按下K3键，表示航标灯的闪烁频率是50Hz。

通过按键模块的设立，在特殊情况下，可以人为的去控制和改变航标灯的闪烁频率，用来应对突发情况。

2.3.4闪烁频率指示灯模块

图2.7指示灯模块截图

指示灯模块是为了让人更直观的看到当前被按下的是几号按键。

按下K1键，红色指示灯亮，其他灯灭。

按下K2键，黄色指示灯亮，其他灯灭。

按下K3键，绿色指示灯亮，其他等灭。

K1键闪烁频率最高，意味着光线最暗，对船舶来说也最危险，因此K1键对应的是红色指示灯；

K2键闪烁频率降低，意味着光线变亮，船舶没有那么危险了，因此K2键对应的是黄色指示灯；

K3键闪烁频率最慢，意味着天气相比前面较好，光线也比较充足，因此K3键对应的是绿色指示灯。

2.3.5晶振电路模块

图2.8晶振电路模块截图

图中选用12MHz晶振，电容选择22pF。

晶振电路的原理：

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振电路的作用：

电容大小没有固定值。

一般20pF至30pF。

晶振是给单片机提供工作信号脉冲的。

这个脉冲就是单片机的工作速度。

比如12M晶振。

单片机工作速度就是每秒12M。

和电脑的CPU概念一样。

当然。

单片机的工作频率是有范围的。

不能太大。

一般24M就不上去了。

不然不稳定。

接地的话数字电路弄的来乱一点也无所谓。

看板子上有没有模拟电路。

接地方式也是不固定的。

一般串联式接地。

从小信号到大信号依次接。

然后小信号连到接地来削减偕波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的，没有什么计算公式。

但是主流是接入两个33pf的瓷片电容，所以还是随主流。

2.3.6复位电路模块

图2.9复位电路模块截图

图中电阻选用1KΩ电阻，可以实现上电复位和手动复位。

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合