汽车车灯智能控制系统设计

摘要

进入90年代，电子技术取得了巨大的进步，电子元器件的体积变得很小，重量减轻，电能的消耗进一步降低。由于微处理器功能的增强，计算速度提高了几倍，价格也变得非常便宜，特别是可靠性得到了极大的提高，为用电子技术改造传统的汽车创造了条件。汽车在驾驶时有左转弯、右转弯刹车合紧开关停靠等基本操作。传统的手动控制系统存在一个致命漏洞：车灯完成上述动作后司机还需要进行复位操作才能使其恢复到初始状态。通常情况下，司机很容易忘记关闭转向灯,这就成为发生交通事故的一大隐患。为解决此问题，运用车灯智能控制系统对汽车转向灯进行控制，取到很好的效果。

完成此功能可以有三种设计方案：第一种是利用数字逻辑电路来实现，但这种方案所需硬件设备较多、造价高、电路复杂、难以维护；第二种方案是利用模拟电路来实现，此种方案虽然电路不是很复杂，硬件要求也不是很高，但它利用的是开关的机械传动理论，很容易引起机械误差，也很难维护；第三种是利用单片微机，通过软件控制来完成的装置，利用单片微型计算机来控制汽车前灯和尾灯的点亮和闪烁，能让汽车的前灯和尾灯根据需要自动点亮和熄灭。实践表明，该系统不仅从根本上解决了传统的手动控制汽车尾灯的诟病，完成了汽车转向灯的自动化控制，而且电路简单，对硬件设备的要求不是很高，且造价低，便于维护。

关键词:单片机,转向灯,程序,自动控制

Abstract

Entering the 1990s, having made enormous progress in electronic technology, the volume of the electronic devices and components became very small, weight lightens, the consumption of the electric energy is reduced further. Because of the enhancement of the function of the microprocessor, the computational speed has raised several times, the price becomes very cheap too, especially dependability has got great improvement, for transforming the traditional automobile and creating the condition with electronic technology. The automobile has left that turns , turns and brakes to shut the tight switch to stop etc. and operate basically in right while driving. The traditional manual control system has a deadly loophole: The driver needs to be restored to the throne and operated enabling it’s resuming the initial state after the car light finishes above-mentioned movements. Generally, the driver is very apt to forget to close the steering light, this becomes a great hidden danger of the traffic accident. In order to solve this problem , use the intelligent control system of the car light to control the steering light of the automobile, fetch to very good result.

There can be three kinds of design plans in this function to finish: The first kind makes use of digital logical circuit to realize, but this kind of scheme necessary hardware equipment is more, the fabrication cost is high, the circuit is complicated , difficult to maintain; The second kind of scheme is to make use of simulation circuit to be realized, though the circuit is not very complicated for this kind of scheme, the hardware requires it is not very high, but what it utilized is the mechanical drive theory of the switch, it is very apt to cause the mechanical error, very difficult to safeguard; The third kind utilizes the single slice of computers, control the device finished through the software, make use of single slice of microcomputers to control the lighting and glimmering of automobile headlight and taillight , make the headlight and taillight of the automobile light and go out automatically according to the need. Practice indicates , should not merely solve traditional controlling the condemning of the automobile taillight systematically manually fundamentally , the automation of finishing the steering light of the automobile is controlled, and the circuit is simple, the requisition for hardware equipment is not very high, and the fabrication cost is low , easy to safeguard.

Keyword: MCU, Steering light, program , automaticallies control

目录

摘要................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... I I 1绪言

1.1选题背景 (1)

1.2课题研究的目的 (1)

1.3国内外概况 (1)

1.4课题研究的主要工作 (8)

2系统设计方案的研究

2.1设计任务 (9)

2.2系统实现方案分析 (9)

3总体设计

3.1具体电路设计 (12)

3.1.1 芯片简介 (12)

3.1.2 MCS-51系列单片机的指令系统 (15)

3.1.3汇编语言简介 (16)

3.1.4 单元电路设计 (17)

3.2应用软件设计 (18)

3.3系统试运行 (18)

4数据计算及仿真

4.1闪烁信号的产生 (20)

4.2仿真及结果分析 (20)

总结与展望 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

附录 (26)

1 绪言

1.1选题背景

进入90年代，电子技术取得了巨大的进步，电子元器件的体积变得很小，重量减轻，电能的消耗进一步降低。由于微处理器功能的增强，计算速度提高了几倍，价格也变得非常便宜，特别是可靠性得到了极大的提高，为用电子技术改造传统的汽车创造了条件[1]。汽车在驾驶时有左转弯、右转弯、刹车、停靠等基本操作。传统的手动控制系统存在一个致命漏洞：车灯完成上述动作后司机还需要进行复位操作才能使其恢复到初始状态。通常情况下，司机很容易忘记关闭转向灯,这就成为发生交通事故的一大隐患。为解决此问题，运用车灯自动控制系统对汽车转向灯进行控制，取到很好的效果。

1.2课题研究的目的

通过设计基于MCS-51单片机控制的汽车转向灯，加深对单片机技术和电子技术的理论学习，并通过实物设计掌握单片机和电子技术的应用。

1.3国内外概况

(1)汽车灯产生的背景

据说第一个汽车前大灯是家用手提灯。1887年, 一个驾驶员在黑暗的旷野上迷路时，一位农民用手提灯把他引回家。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。1906年，世界上第一次用一个蓄电池供电的电灯照明，汽车转向灯得以快速发展并普及。1909年，首次把乙炔灯作为变光装置。转向信号灯的使用非常有趣，1916年，美国一个名叫C·H·托马斯的人把一带电池的灯泡装在手套上，这样夜间行车时，对方驾驶员就能看到他打的手势；同年，美国使用了行车灯。1920年，当选用倒档装置时，开始使用倒车灯。1920年，美国通用汽车公司首先装了内灯。1925年，导航公司推广了双丝灯泡，远光和近光的调节通过装在转向柱上的开关来控制。1926年，通用汽车公司把大灯变光开关从方向盘移到地板。1938年，第一次采用封闭的内灯；同年，别克汽车制造商提供了转向灯作为选用的附件，但当时只在汽车尾部安装。到1940年以后，汽车前面也装有转向信号灯了，而且信号开关具有随时调节的功能。1998年，美国电气公司将电灯抛物面反射镜推广于大灯，侧灯和尾灯[2]。

(2)单片机的发展历程

微型计算机的出现是电子数字计算机广泛应用到人们日常工作、生活领域中去的一个重大转折点。它已深入应用到非微型计算机所无法应用的领域,对社会产生了极大的影响。单片微型计算机是微型计算机发展中的一个重要分支,它以其独特的结构和性能,越来越普及地应用到国民经济的各个领域[3]。

单片微型计算机简称为单片机，它在一块芯片上集成了中央处理部件(CPU)、存储器(RAM、ROM)、定时器/计数器和各种输入/输出接口，可见单片机就是一台计算机。由于单片机原来就是为了实时控制应用而设计制造的,因此,又称微控制器[4]。

1974 年,美国仙童(Fairchild)公司研制的世界第一台单片微型机F8，该机由两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此,单片机开始迅速发展,应用领域也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支[5]。单片机的发展经历了以下几个发展过程：

①第一代单片机(1974-1976):这是单片机发展的起步阶段，在这个时期生产的单片机特点是：制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形式。典型的代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。

②第二代单片机(1976-1978):这是单片机的第二发展阶段，这个时代生产的单片机随之已能在单块芯片内集成CPU、并行口、定时器、RAM和ROM等功能部件,但性能低、品种少、应用范围也不是很广,典型的产品有Intel公司的MCS-48系列机。1976年9月Intel公司推出MCS-48单片机后，单片机就受到了大用户的欢迎。由于其应用广泛，因此使各有关公司都争相推出各自的单片机。如GI 公司推出PIC1650系列单片机，ROCKWELL公司也推出了与6502微处理器兼容的R6500系列单片机，他们都是8位单片机，片内有8位中央处理器(CPU)、并行I/O口、8位定时器/计数器和容量有限的存储器(RAM，ROM)以及简单的中断功能。

1978年下半年MOTOTOLA公司也推出M6800系列单片机，ZILOG公司相继推出Z8单片机系列。1980年INTEL公司在MCS-48系列基础上又推出了高性能的MCS-51系列单片机。这类单片机均带有串行I/O口，定时器/计数器为16位，片内存储容量(RAM、ROM)都相应增大，并有多优先级中断处理功能。

③第三代单片机(1979-1982):这是八位单片机成熟的阶段，这一代单片机和前两代相比,不仅存储容量和寻址范围大,而且中断源、并行I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全双工穿行通信接口电路。在指令系统方面,普遍增设了乘除法和比较指令。这一时期生产的单片机品种齐全,可以满足各种不同领域的需要。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机,Motorola公司的MC6801系列机,TI公司的TMS7000系列机，此外,Rockwell、NS、GI和日本松下等公司也先后生产了自己的单片机系列。

1982年MOSTEK公司和Intel公司先后推出了性能更高的16位单片机

MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分别在原来的8位单片机的基础上推出了16位单片机HPC16040和μPD783××系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196，1988年推出带EPROM的87C196单片机。由于16位单片机的推出时间较迟，价格昂贵，开发设备有限等多种原因，至今还未得到广泛的应用。而8位单片机已能满足大部分应用的需要，因此，在推出16位单片机的同时，高性能的新型8位单片机也不断问世。如MOTOROLA公司推出了带A/D转换和多功能I/O的68MC11系列，ZILOG公司推出了带有DMA功能的SUPER8，Intel公司在1987年也推出了带DMA和FIFO的UPI-452等。

④第四代单片机(1983年以后):这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代,十六位机的特点是,工艺先进,集成度高和内部功能强,加法运算速

度可达到1us以上,而且允许用户采用面向工业控制的专用语言,如PL/MPLUS C 和Forth语言等.代表产品有Intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900,NEC 公司的783××系列和NS公司的HPC16040等。

目前国际市场上8位，16位单片机系列已有很多，但是，在国内使用较多的系列是Intel公司的产品，其中又以MCS-51系列单片机应用尤为广泛。

然而,由于十六位单片机价格比较贵, 销售量不大,大量应用领域需要的是

高性能,大容量和多功能新型八位单片机.这些单片机有Intel公司的88044(双CPU工作),Zilog公司的Super8(含DMA通道),Motorola公司的MC68CH11(内含E2prom及A/D电路)和WDC公司的65C124(内含网络接口电路)等等[6]。

目前,八位高性能单片机已成为主流,单片机发展具体体现在以下几个方

面:CPU功能增强；内部资源增多；引脚的多功能化；低电压低功耗化。

现在单片机可以说是百花齐放、百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地[7]。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

①CPU的发展

增加CPU的字长或提高时钟频率均可提高CPU的数据处理能力和运算速度。CPU的字长已有8位，16位和32位。时钟频率高达20MHZ的单片机也已出现。还有的8位单片机其算术逻辑运算部件(ALU)却是16位内部采用16位数据总线。如NEC公司的μPD7800系列的8位单片机，MITSUBISI公司的M37700系列单片机。他们的数据处理能力和速度比一般8位单片机强，如μPD7800系列单片机作一次16位乘以16位的乘法用3.2μS。16位除以8位的除法用3.0μS。32位除以16位的除法用8.3μS。另外，单片机内部采用双CPU结构也能大大提高处理

能力，如ROCKWELL公司的R6500/21和R65C29单片机。由于片内有两个CPU能同时工作，可以更好地处理外围设备的中断请求，克服了单CPU在多重高速中断响应时的实效问题。如INTEL公司的8044，它的内部实际上是由8051和SIU通信处理鸡组成，由SIU来管理SDLC的通信。这样既加快了通信处理的速度，同时，还减轻了8051的处理负担。

②片内存储器的发展

ⅰ>早期单片机的片内存储器，一般RAM为64—128字节，ROM为1K-2K字节，寻址范围为4K字节。新型单片机片内RAM为256字节，ROM多达16K字节。

如INTEL公司的8052，片内ROM为8K字节。通用仪器公司的70120片内ROM 容量为12K字节。片内ROM容量最大的是日立公司的MC6301Y为16K字节。新型单片机的寻址范围可扩大到64K字节，甚至128K字节(其中随机存储器RAM容量为64K字节，只读存储器ROM容量64K字节)。这类单片机有INTEL公司的MCS-51系列和ZILOG公司的Z8601，Z8603，Z8611，Z8681等。

ⅱ>片内EPROM开始E2PROM化

早期单片机内ROM有的采用可擦式的只读存储器EPROM，然而EPROM必须要高压编程，紫外线擦除，给使用带来不便。近年来，推出的电擦除可编程只读存储器E2PROM。可在正常工作电压下进行改写，并能在断电的情况下，保持信息不丢失。因此，有些厂家开始用EEPROM替代原来的片内EPROM。如TI公司和SEEQ 公司的72710(1K字节E2PROM)，72720(2K字节E2PROM)，MOTOROLA公司的

68HC11A2(2K字节E2PROM)，68HC805C4(2K字节E2PROM)，TEXAS仪器公司的

77C82(8K字节E2PROM)。由于写入E2PROM的数据能永久保存，因此，有些厂家已开始将E2PROM用作片内RAM，甚至用作片内通用存储器。这样就可省去备用电池了。

ⅲ>片内程序的保密措施

为了使片内EPROM(或EP2ROM)内容不被复制，因此，一些厂家对片内EPROM(或E2PROM)采用加锁技术，如INTEL公司8×252,加锁后的EPROM(或

E2PROM)的程序只能供片内CPU读取，不能从片外读取。否则必须先开锁，开锁时，CPU先自动擦除EPROM(或E2PROM)中的信息，达到了程序保密的目的。

③加强片内输入输出接口的功能

最初的单片机，片内只有并行输入/输出接口，定时器/计数器，他们的功能也较差，在实际应用中往往还要通过特殊的接口扩展功能，增加应用系统结构的复杂性。

近几年来，新型单片机内的接口，无论从类型和数量上都很大的发展。这不仅大大提高了单片机的功能，并使系统的总体结构也大大简化了，例如，有些单片机的平行I/O口，能直接输出大电流和高电压，可直接用以驱动荧光显示管

(VFD)，液晶显示管(LCD)和七段数码显示管(LED)等。这样就减少了应用系统中的驱动器。再如有些单片机，片内含有A/D转换器则在实时控制系统中可省掉外部A/D转换器。

目前，在单片机中已出现的各类新颖接口有数十种：如A/D转换器。LED驱动器，VFD驱动器，正弦波发生器，声音发生器，字符发生器，波特率发生器，锁相环，频率合成器，脉宽调制器等，虽然一个单片机内只含有若干接口，但其功能却比初期的单片机强得多。如INTEL公司的UPI-452，它含有两个DMA控制器和128字节的FIFO缓冲器。因此，用它可作高速主机(80286/80386)的通用外设接口。例如以UPI-452中的128字节的FIFO作为高速主机与慢速传送数据的缓冲器，然后通过UPI-452中的DMA控制器进行快速数据传送。

④单片机在工艺上的提高

单片机的制造工艺直接影响其性能。早期的单片机采用PMOS工艺。目前8位单片机中有二分之一产品已CMOS化，16位单片机也已开始推出CMOS产品。如68HC200，80C196等。为了进一步降低功耗，日立公司的HD63705和RCA公司的CDP6805E2还设有等待和停止两种工作方式。等待方式时，震荡器工作，CPU 停止，存储器和寄存器的内容不变。停止方式时，震荡器和CPU都停止工作，存储器和寄存器内容也不变。等待方式时，由于CPU停止工作，使单片机的总功耗大为下降。停止方式时，则单片机的功耗最小，例如RCA公司的CDP8605E2，在5V工作电压下，正常功耗为35MW，等待方式和停止方式时的功耗分别仅为5MW 和5μW。

此外，采用CMOS工艺的单片机，其工作电源范围较宽。如用NMOS工业的单片机，工作电源一般为4.5-5.5V。采用COMS工艺的单片机，如RCA公司的CDP1804AC为4-6.5V。功耗大小与电源电压成正比，所以降低电源电压即可降低功耗，但是降低电压会降低指令执行速度，也即降低单片机的运算速度。故一般希望在一定速度的前提下，尽量降低工作电压以减小功耗。

随着新型单片机片内接口电路的增多，外引脚也增多。为减少外引脚线，目前主要采用两种方法，其一是采用新颖的通信总线以减少外引线。另外是改进外封装。如采用扁平引脚封装，方形引脚封装和叠背式封装，它们的引脚都比双列直插式封装要多得多。

⑤片内ROM中固化应用软件和系统软件

将一些应用软件和系统软件固化于片内ROM中，以便简化用户编制用户程序，为用户开发和应用提供方便。如RUPI-44系列单片机，把通信控制软件固化在片内，使用户的通信程序大大简化。又如INTEL公司在有的MCS-51单片机内固化PL/M51语言，在8052BH中固化了BASIC解释程序，用户不仅可以用汇编语言编程，还可以BASIC语言编程等。而且还允许BASIC语言和汇编语言相互调用。

需要快速控制时，可以用汇编语言，如采样，A/D转换等。在做复杂的数据运算时，则又可以用汇编语言来调用BASIC中现成的运算子程序。可见它既能满足速度方面的要求，又能简化用户编程。再如RCA公司的68HCO5D2在片内固化了键盘管理程序，甚至在CDP1804P内固化了PASCAL语言等[8]。

单片机的技术还在不断发展，新型单片机还将不断涌现。当前单片机的产量占整个微机产量的80%以上。在我国低档8位单片机于80年代初就开始应用，目前已转向高档8位单片机的应用，也有不少单位已转向16位弹片机的开发和应用。

①MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

②微型单片化。现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

③主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路[9]。

当今,计算机技术带来了科研和生产的许多重大飞跃,微型计算机的应用已

经渗透到生产,生活的各个方面。其中单片机虽然问世不久,然而体积小、廉价、

功能强,其销售额以每年近80%的速率增长。它的性能不断提高,适用范围越来越宽,在计算机应用领域已经占有日益重要的地位[10]。

单片微型计算机简称单片微机或单片机,又称微控制器。它是在一块半导体芯片上,集成了CPU、ROM、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件,构成了一台完整的数字电子计算机。由于集成电路技术的进步,片内甚至还可包含HSO、HIS、A/D转换器、PWM等称为“片内外设”的特殊功能部件。随着单片机功能的增强,由单片机构成的计算机应用系统的功能也日益增强。它一样可以配用打印机、绘图仪、CRT等外围设备,一样可以联网。特别是1987年Intel公司在MCS-96的基础上继续推出了MCS-196,又陆续出现了许多新趋向,例如HSO、HIS 发展为EPA；数据传送有了PTS；配合大功率晶体管的应用,有了波形发生器,拓展了在电气传动领域的突出地位,并使它不断拓宽应用范围,增添了新的活力。

单片机的应用结束了计算机专业人员“垄断”计算机系统开发与应用时代,它既给各种专业人员,特别是许多工程技术人员带来了学习和掌握计算机技术(不单操作使用)的紧迫性,同时也带来了可能性,因为组成计算机应用系统变得容易,平凡,增强了人们进入这一领域的自信心。

单片机的特点：

单片机芯片集成度很高,它将微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上,具有下列特点：

①体积小,重量轻,价格便宜,耗电少；

②根据工控环境要求设计,且许多功能部件集成在芯片内部,其信号通道受外界影响小,故可靠性高,抗干扰性能优于采用一般的CPU；

③控制功能强,运行速度快.其结构组成与指令系统都着重满足工控要求.有极其丰富的条件分支转移指令,有很强的位处理功能和I/O口逻辑操作功能；

④片内存储器的容量不可能很大,引脚常不够用,且兼第二功能以至第三功能.但存储器和I/O接口都易于扩展。

单片机是在一块芯片上集成了一台计算机所需的CPU、存储器、输入/输出部件和时钟电路等。因此它具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的环境下，可靠的工作等特点。所以说单片机是近来计算机领域内崛起的一棵新苗。特别是它的强大的面向控制的能力,使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛的应用。1983年9月在巴黎召开的第九届世界计算机会议上,对单片机的发展和应用给予了充分肯定,认为8位单片机向多功能,低功耗,低价格的方向发展将逐步取代模拟控制的趋势,整个工业设备和工艺将进行一次以普及应用微机为特征的技术改造[11]。

单片机主要可用于以下几个方面