单片机设计论文
汽车LED尾灯控制器的设计
姓 名:
学 号:
年 级:三
班 级: 1
专 业:通信工程
指导老师:夏景明陈鑫 [1**********]
基于51单片机对汽车LED尾灯控制器的设计
摘要
本次论文主要利用AT89S52单片机模拟汽车尾灯进行智能控制的控制器,用8个LED灯模拟汽车尾灯,6个独立按键分别对应了右转、左转、危险警示、夜间模式切换、检查信号、刹车不同的状态,在实际设计模拟电路中,我加入了74HC595芯片,减少了使用51单片机的I/0口的使用,在复杂的电路中,这是一种很好的方式实现一种芯片控制多个不同电路的优点。在实际设计模拟汽车尾灯控制电路中,了解了LED驱动电路特性,提出相应解决方案,进行可靠性的设计。在这次设计模拟汽车尾灯控制电路,能很好的综合运用我们在课程中学习到的51单片机的功能与运用,还有C语言编程,模拟电子电路基础,以及数字电路基础,在实际应用中,有许多种方法设计汽车尾灯的控制,在本次设计模拟电路中,我用的是AT89S52单片机作为整个电路的设计核心来控制整个电路的模拟功能,整个电路变的简单、直观,制作方便,而且容易操作,51单片机可反复擦写,性能可靠等优点。
关键词:AT89S52、74HC595、 LED灯、汽车尾灯
abstract
In this paper,Simulation this paper mainly use AT89S52 car taillight controller of intelligent control, with eight car tail lights, LED lights simulation six independent keys corresponding to turn right, turn left, risk warning, night mode, check the switch signal, brake different state, in the actual design analog circuits, I joined the 74 hc595 are needed chip, reduce the use of 51 single-chip microcomputer I / 0 interface to use, in a complex circuit, it is a good way to realize the advantages of a different circuit chip control. In the actual design automobile tail light control circuit simulation, know the LED driver circuit characteristics, put forward the corresponding solution, the reliability design. Simulation in the design automobile tail light control circuit, can be a very good combination of we learned in the course of function and use of 51 single-chip microcomputer and the C language programming, analog electronic circuit, and digital circuit basis, in practice, there are many ways of design automobile tail light control, in the analog circuit design, I am using AT89S52 as the core to control circuit design of the circuit simulation function,
the whole circuit is simple and intuitive, and convenient, and easy to operate, 51 single-chip microcomputer can wipe again and again, the advantages of reliable performance.
Keywords: AT89S52, 74 hc595 are needed, LED lights, car tail lights
课题的研究背景与意义
汽车灯光简介
汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短,需要经常更换。1987年,我国开始在汽车上安装高位刹车灯。由于LED响应速度快, 可以及早提醒司机刹车,减少汽车追尾事故,在发达国家,使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件,美国HP公司在1996年 半导体照明推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。此外,在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源,都可用超高亮度发光灯来担当,所以均在逐步采用LED 显示。我国汽车工业正处于大发展时期,是推广超高亮度LED 的极好时机。近几年内会形成年产10亿元的产值,5 年内会形成每年30 亿元的产值。 课题研究的热点及发展概况
作为第四代汽车光源的半导体发光二极管(LED),是一种新型环保光源,具有发光效率高、色纯度高、响应速度快、体积小便于设计等特点,其使用寿命长、能经受较强的机械冲击和振动、可靠性高、工作电流小、可与数字电路兼容等许多优点。
国外研究现状及成果:
目前,国外的汽车LED灯使用率达30%,国外共有近200家公司参与GaN器件、材料和设备的开发,近300所大学和研究所参与GaN的研发。目前,功率型白光LED光视效能已经达到100lm/W,研究水平达到160lm/W。经过技术发展和市场竞争,世界主要LED厂商已经形成各自的技术特色。日本日亚化学处于全球技术领先水平,垄断高端白色、蓝色、绿色LED的市场,丰田合成在白光LED及车队照明技术开发据国际前端;美国Cree的碳化硅衬底生长GaN外延片国际领先,传统照明巨头Philips绝对控股的美国Lumileds功率型白光LED国际领先;传统照明巨头Osram欧司朗控股的德国欧司朗光电半导体功率型LED封装和车用LED灯具开发国际领先。
国内研究现状及成果:
目前,LED车灯在国内汽车的使用率不足1%,LED灯具在中国市场发展目前主要阻力是成本问题。LED芯片生产技术难度大,门槛高,养晶过程的温度,湿度,供电,除尘要求十分严格,初期需要投入巨资建工厂。目前LED芯片的主要产地为我国台湾。芯片需要大量进口,是成本高的一个主要原因;其二是国内汽车行业的制造商及消费者对LED车灯的认识不够,习惯于用LED车灯与传统车灯进行成本比较,影响了LED车灯产业快速发展的步伐。
而且,关于国内LED电路的发展,国内近几年陆续引进了50多台MOCVD装备,均处理大生产工艺摸索阶段,一旦工艺成熟,则会大规模的生产。国家“863”计划和信息产业发展基金及时支持了国产外延设备如液相外延炉和MOCVD设备的研发,通过整机消化吸收,关键技术再创新等措施,填补了国内空白,使长期制约我国LED产业发展的装备瓶颈得以突破。
LED组合尾灯的控制器设计方面,我国已有比较成熟的技术,使用安森美半导体开发的NCV7680满足组合尾灯工程师以任何拓扑结构例行应用各种LED阵列所需的要求。在本文,本人尝试基于51单片机来进行研究开发,在该芯片下完成该课题研究,因此,部分方法不能简单操作。
意义:主要体现在汽车的安全性、环保节约能源、款式灵活多样等几个方面。
1)LED具有激励响应时间短这一优势,在应用于刹车灯方面,能够让后面的车辆使用者更快作出反应,减少交通事故隐患,提高车辆行驶的安全性。
2)使用LED的尾灯具,其使用寿命可达10万小时,在汽车寿命期间无须更换,并提高车辆尾灯电路的使用寿命。
3)通过组合式尾灯,能够减少在汽车中的电路,节约成本,遇到故障时方便检测。
4)LED体积小,开发出一套LED组合式尾灯,其装嵌的深度浅,能大大缩小尾灯占用汽车后车厢的体积,同时大幅度降低了车辆的制作成本,同时符合现代人在汽车外形设计上低侧面流线形的美观需求。
本次设计的主要任务以及要求
设计目的及任务
a.通过网上查阅相关资料,充分了解汽车尾灯的工作原理,设计模拟汽车尾灯的电路。 b.复习与巩固“AT89S52单片机原理以及C语言编程设计”,掌握51单片机的I/O口使用以及扩展,能用I/O口控制LED的亮灭,模拟汽车尾灯的控制。
c.了解并运用74HC595的结构功能以及应用。
d.利用Autilum designer软件设计模拟汽车尾灯控制的原理图,做出PCB板,以及后期的焊接与调试。
e.使用Keil4软件编写 C语言程序,在做好的模拟的电路板中下载调试。
f.利用proteus软件画出原理图进行程序仿真。
g.写出此次设计的报告和制作出答辩时的PPT。
1.3.2技术要求
a.采用AT89S52单片机作为整个电路的控制核心,控制8个LED灯的亮灭,以实现模拟汽车尾灯的控制。
b.使用74HC595芯片作为驱动LED灯的驱动电路,可以减少对单片机I/O口的使用。 c.利用6个独立按键模拟汽车尾灯控制器,分别代表着“右转”、“左转”、“危险警示”、“夜间模式切换”、“检查信号”、“刹车”。
工作要求
a.构建基于AT89S52单片机的控制系统的总体结构框图;
b.根据开题报告要求,选择购买主要元器件,通过查阅网上资料,并且计算所需的电路参数;设计出模拟汽车尾灯的电路,在学校开放性实验室中做出进行实物的焊接以及调试;
c.根据题目的要求,以及操作功能的需要,确定6个独立按键功能;
d.采用C语言编写电路的程序,进行后期的调试,直到能够完全实现功能。
e.进行电路仿真,调试程序。
F. 写出此次设计的步骤,在实际操作时遇到的困难,以及软件调试直至通过,记录在对模拟电路进行调试分析的结果。
汽车LED尾灯控制器硬件设计
硬件设计系统框架
本模拟汽车尾灯控制系统主要以AT89S52单片机为核心,制作出的一款新型LED组合式汽车尾灯控制的电路,并且利用6个独立按键实现左转、右转、刹车、行车、危险警示、检查信号等信号灯的功能并且利用74HC595芯片实现只利用单片机3个I/O口实现多个状态控制。该系统由电源电路、电源指示灯、下载接口、复位电路、74HC595串行输入并行输出控制8个LED灯、振荡电路。
系统的框架结构图
系统功能
本系统主要实现模拟汽车行驶状态中尾灯控制的状态并用8个LED灯的组合式亮灭来代表了汽车右转、左转、危险警示、夜间模式切换、检查信号、刹车同时,本系统还实现了
白天和夜间两种模式。用户可根据需要按对应的“夜间模式切换”按键切换,观察汽车在白天与夜间的状态以及对应的变化。我们总共设计了6个独立按键S1-S6,下图所示为按键功能介绍:
硬件设计
单片机技术简介
单片机又称为单片微型计算机(single chip microcomputer)又称为微控制处理器或嵌入式微控制处理器。它是将计算机的部分基本组成部件做到微型化,使之集成在一块芯片上的微型计算机。其上集成了包括中央处理器CPU、片内含有随机存储器RAM、程序存储器ROM或者EOROM、并行的8位I/0口,定时器与计数器,中断控制处理器及支持总线模式等。它是工业设备控制、工业流程检测控制和智能化电器设备控制系统中应用程度最广泛的一种处理器。这种处理器的最大特点是设计开发人员可以根据自己的想法和实际需要进行开发研究,设计一个基于单片机电子设备系统,因此更加的方便,更加的灵活,成本所需更低。设计基于单片机电路系统的基本方法是在单片机的基础上扩展一些I/O接口,如用于模/数转换的A/D芯片,D/A芯片,用于人机对话的键盘处理信息接口,LED灯和LCD接口,数码管显示接口等电子器件,可用于对输出控制的按键接口等。然后在此硬件基础上在开发一些应用软件就可以组成完整的单片机控制系统,经过软件调试就可以应用在实际生活中。单片机有着体积小,功耗低,运算速度快,功能多,性价比高,容易推广应用等显著性特点,在自动化控制装置,智能化显示仪器仪表,对于过程控制和在家用电器等众多领域中获得了广泛的应用。针对于国内开发应用单片机的发展情况来看,自从80年代初起步以来,以Intel公司的MCS-48系列的单片机为主导机种以来,单片机已有70多个系列,近500多个机种,
许多电子公司率先渗入到微机控制的各个领域,并且取得了一定的应用成果。现在国际知名的公司有Intel公司、Atemel公司、Philips公司、Winbond公司、LG公司、Cygnal公司、Motorola公司、Zilog公司、Microchip公司、。80年代中期以来,随着单片机的性能更强,运算速度更快的MCS-51系列的单片机加入,单片机在应用中得到了更为迅速的推广和更为广泛的应用。
系统主要芯片和元器件的介绍及应用
a.AT89S52单片机芯片
AT89S52单片机是ATLEM公司推出的一种高速、低功耗、超强抗外界干扰微型单片机处理器,其编译的指令代码和C语言源程序完全兼容传统8051单片机,其为40引脚的双列直插封装形式的8位通用微型计算机处理器,采用工业上规定的标准的C51内核处理器,在其内部的功能及其引脚排布上与现在市场上或者工业上通用的8xc51是相同,其主要功能包括对会聚主IC内部的寄存器、数据的RAM及外部接口等功能部件的初始化,支持会聚调整控制,支持会聚测试图的有效控制,可以进行红外遥控信号IR的接收解码及与计算机主板CPU的通信等。
主要特性如下:
工作额定电压:5.5V~3.3V(5V单片机)/3.8V~2.0V(3V单片机)
工作的频率范围:0~40MHz,其相当于普通8051单片机的2倍,在实际测试中,其的最高工作频率可达48MHz。
32个双向I/O口,256x8bit内部RAM,复位后为:P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉,P0口内部是漏极开路形式输出,当其作为总线形式扩展I/O口用时,不用加上拉电阻,但是作为普通I/O口使用时,需加上拉电阻,否则无法使用P0口作为数据传输。ISP模式(在系统中可编程使用)/IAP模式(在应用可编程使用),无需专用程序编程器,无需专用程序仿真器,就可通过串口通信(RxD/P3.0口,TxD/P3.1口)直接下载用户所编写的程序,只需花费很少的时间便可以下载完程序,速度十分快、效率十分高。
AT89S52具有EEPROM功能,可进行掉电保护,电源有复位端口接入,具有看门狗功能,一共2个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1和外部中断4路,下降沿中断或低电平触发电路,掉电模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒,通用型的异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个UART。
以下是AT89S52的引脚参数及其封装说明
AT89S52引脚功能说明:
VCC(40引脚):电源电压(+5V)
RST(9引脚):复位输入端口。
ALE/(30引脚):地址锁存控制信号(ALE)。
PSEN(29引脚):外部程序存储器选通信号
/VPP(31引脚):访问外部程序存储器控制信号。
XTAL1(19引脚):振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端口。
XTAL2(18引脚):振荡器反相放大器的输入端口。
下面是AT89S52的样本图片
P0 口是一组8位漏极开路型双向I/O 口, 即可以作为地址或者数据总线的两用I/O口。作为输出口使用时,每一位能吸收电流的方式用以驱动8个TTL逻辑门电路,让其进行输入口使用时必须对其写“1”,在对端口P0 写“1”时,可作为高阻抗状态的输入端口使用。在其访问外部芯片的数据存储器或程序存储器时,这组I/O口线可以分时进行转换地址(低8 位)和数据总线的复用,在访问外部数据期间必须激活内部的上拉电阻才可以。在Flash编程时,P0 口接收指令代码字节,而在程序进行校验时候,输出指令代码字节,在进行校验时,要求在P0口外接上拉电阻。
P1口是一个其内部自带上拉电阻的8位双向I/O 口,即具有通用的输入/ 输出功能,每一位都能独立地设定为输入口或输出口使用,P1口的输出缓冲级可用来驱动(吸收或者输出电流)4个TTL电平的逻辑门电路。在对其端口写“1”时,即对其内部的锁存器写“1”,通过其内部自带的上拉电阻可以把其端口拉到高电平,此时可以用作输入口。在作数据输入口使用时,因为其内部存在的上拉电阻,它的某个引脚会被外部信号拉低时会输出一个电流
(IIL)。与8xC51 不同之处是,P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T1EX),在进行Flash的编程和程序校验期间,P1口用以接收数据的低8 位地址。
P2口是一个内部自带有上拉电阻的8位双向I/O 口,即可用作输入/ 输出口的使用,也可作为扩展系统的地址总线,输出高8位地址,与P0口一起组成16位地址总线。P2口的输出缓冲级可用以驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。这里和P1口是一样,可以对其端口P2 写“1”,通过内部自带的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口进行输入数据或者信号使用时,因为其内部存在上拉电阻,在其某个引脚被外部输入的信号拉低时会对外输出一个电流(IIL)。
因P3口的功能繁多,可用作双向数据传输和串口输入输出(RxD/P3.口,TxD/P3.1口)故在这里把P3口的引脚复用功能以表格形式展示出来,
如下表:
P3口引脚复用功能
b.74HC595芯片
74HC595是硅结构的CMOS器件, 兼容低电压TTL电路,遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器,三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SHcp的上升沿输入到移位寄存器中,在STcp的上升沿输入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起,则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入(Ds),和一个串行输出(Q7’),和一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并行8位的,具备三态的总线输出,当使能OE时(为低电平),存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器,具有高阻、关断、状态三态。将串行输入的8位数字,转变为并行输出的8位数字,例如控制一个8位数码管,将不会有闪烁。
输出能力
并行输出,总线驱动; 串行输出;标准中等规模集成电路。595移位寄存器有一个串行移位输入(Ds),和一个串行输出(Q7’),和一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并
行8位的,具备三态的总线输出,当使能OE时(为低电平),存储寄存器的数据输出到总线。
参考数据
Cpd决定动态的能耗,Pd=Cpd×VCC×f1+∑(CL×VCC^2×f0),F1=输入频率,CL=输出电容 f0=输出频率(MHz)Vcc=电源电压
符合 引脚 描述
Q0…Q7 8位并行数据输出,其中Q0为第15脚,GND 第8脚 地,Q7’ 第9脚 串行数据输出,MR 第10脚 主复位(低电平),SHCP 第11脚 移位寄存器时钟输入,STCP 第12脚 存储寄存器时钟输入,OE 第13脚 输出有效(低电平)
DS 第14脚 串行数据输入,VCC 第16脚 电源
LED驱动电路的设计
方案一:使用MAX7219做为驱动芯片驱动8位LED,单片机控制MAX7219的时钟输入和串行数据输入,装再数据输入等三个输入端来实现对8为LED的控制。
方案二:电路设计上通过单片机的3个IO口分别控制控制74HC595芯片的SHCP第11脚移位寄存器时钟输入、STCP 第12脚存储寄存器时钟输入、DS 第14脚 串行数据输入这三个IO口来实现74HC595对8位led灯的控制。
方案分析:方案一是我最初选择驱动LED灯的芯片,实现对LED灯的恒流作用,但是经过我在做出实物调试时,我会发现在多次修改程序后,下载程序到实物中时,无法达到预期的实验效果,比如在按右转按键时或者左转按键时,我设定的程序是,3个灯分别以跑马灯的形式亮灭,而实际效果确实,3个灯的亮灭时间有差异,所以无法看出是有跑马灯的效果。于是我查询了大量的关于MAX7219的芯片资料,终于找到了原因:MAX7219是8位8段共阴数码管专用驱动器,是由MAXIM公司生产的一种集成化的串行输入/输出共阴显示驱动器,在我们操作数码管操作时,一般都是先送位码数据,接着在送段码数据,所以中间会有延时过程,而MAX7219也会有如此的操作过程,所以使用MAX7219时,会发现跑马灯的效果是亮灭时间是完全不定的,杂乱无章,所以综合分析各类因素,我决定不用MAX7219芯片。改用74HC595芯片,我选择该芯片的理由是,该芯片市场价格比MAX7219芯片价格低很多,而且它也具备了MAX7219串行输入并行输出的优点,不会占用过多的I/O口,同时它是8位并行输出,也就解决了上述说的MAX7219的时间上无法准确控制的问题,74HC595的运算处理速度是很快的,在我实际操作中,发现它能很好的实现预期的实验效果。所以,这是我选择改用74HC595的原因,也就是选择方案二作为我的设计电路的选择。
控制模块电路图
控制电路主要有复位电路、晶振电路、程序下载接口电路、74HC595主控电路构成。电路设计上通过单片机的P2.5-P2.7口分别控制控制74HC595芯片的SHCP第11脚移位寄存器时钟输入、STCP 第12脚存储寄存器时钟输入、DS 第14脚 串行数据输入这三个IO口来实现74HC595对8位led灯的控制。这样的设计不仅节约了单片机IO口,更方便了对LED亮度的控制。
电源电路图
电源电路通过一个7805稳压芯片将输入的非5V稳定电压转换成稳定的5V电压,为整个尾灯系统供电。
8位LED显示电路
显示电路由8位高亮发光二级管和限流排阻组成。排阻的使用,大大减少了绘制PCB 板和焊接时的工作量。在限流电阻的阻值得时候可以通过LED限流电阻计算公式来计算:R=(5V-1.2V)/10mA。排阻的公共端接上电源的正极,当控制电路中74HC595输出低电平时LED发光,从而实验堆LED的控制。
按键控制电路
设计6个按键分别实现刹车,左转,右转,模式调整,应急警告,检查led等功能。
硬件电路总原理图
程序设计
LED状态图
程序实现的功能: 最少用8盏灯,分别为D0~D7
a.D0、D1、D2表示右转,由D2-D1-D0以流水灯循环形式显示。 b.D3、D4、D5表示左转,由D3-D4-D5以流水灯循环形式显示。
c.夜间行车,D6、D7表示左右示宽灯,可以同时点亮,且不影响其他功能。 d.刹车时,D6、D7亮。这里用PWM调光,示宽时亮50%,刹车时亮100%。 e.危险警告信号,D0-D5同时同时连续闪烁 f.检查信号,D0-D7同时亮一次熄灭
g.刹车时可以左右转
组装与调试
元器件的选择
a.电阻的选择
在单板电路设计中,电阻是最普通也是最常用的元器件。但电阻的种类十分繁多,各个类型都有自己的优缺点和合适的使用场合,因此在合适的电路中选择适合的电阻显得尤为重要,
从封装形式上来看,插装电阻跟经济适用。 b.电容的选择
我们最常用的电容有:铝电解电容、钽电容、陶瓷电容。在硬件设计中,我们只用到了去耦电容一种功能的电容,去耦电容的作用是局部稳定有源器件的直流电源,减少通过板子传播的开关噪音,所以我们采用去耦作用明显的铝电解电容。
c.led的选择,为了让灯亮度达到最大,且效果最明显,我们选用3mm的红光LED。 软件调试时遇到的问题及解决方法
a.问题情况:灯不断闪烁。
问题分析:程序下载不完整,出现乱码。 解决办法:重新下载程序。
b..问题情况:按下刹车键,只有一个刹车灯亮。 问题分析:在刹车函数中对595芯片输入的数据不正确。
解决办法:重新对刹车时8位的亮灭情况进行取值并重新送入595芯片。 c.问题情况:在同时按下刹车和左转的时候。不能实现左转刹车的功能。 问题分析:刹车按键和左转按键没有被同时扫描到
解决办法:将刹车按键、左转按键的同时扫描更改为两个按键先后扫描,并精确延时。 d.问题情况:在夜间模式启动后,按下刹车键,刹车灯的亮度没有发生变化。 问题分析:启动夜间模式后,刹车灯并没能够实现半两状态.PWM的取值不正确。 解决办法:调整PWM的值。 实
物
图
5.总结
随着毕业的临近,短短半学期的毕业设计也即将结束,回首整个设计过程,可以说我是伴随着苦与乐不断地进步着。因为所做课题相关的技术以前没有接触过,所以一开始就在图书馆借了很多相关方面的书籍,同时也在网上下载了很多教学视频,以了解相关技术和知识。大部分都是因为对单片机的不熟悉而导致的,但通过认真的钻研,这些问题都一一得到了解决,最重要的有以下三方面的问题:
首先在电路的焊接过程中,由于焊接的不谨慎等众多原因会导致电路板的一些端口虚焊,从而出现一些问题,此次焊接过程中,我避免了很多,随后又用万用表进行了测量,最终没有出现端口的虚焊。
最后对于按键电路,总会存在一个消抖,此次程序调试时,对于这个消抖变量我进行了很多次的试验,此变量如果设置过大系统反应迟钝,如果过小,会造成第一次的结束顺带到第二次的开始,所以经过反复测试之后,选择了一个恰当的值,达到了实验预期的结果。
经过整整一月的努力,终于完成了课题,不仅实现任务书中所要求的功能,并对其进行了扩展,使其功能更加全面和实用。
参考文献
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