【正文】 1 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 題 目： 基于 AT89C51 單片機(jī)的信號燈報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 班 級： 10機(jī)工 A1 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 入學(xué)時(shí)間： 2021級 指導(dǎo)教師： 日 期： 2021 年 3 月 12日 2 基于 AT89C51 單片機(jī)的 信號燈報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 摘要 如今，鐵路已經(jīng)遍及世界各地，貫穿了我們的生活。而信號燈 是用來保障鐵路正常運(yùn)營的必不可少的設(shè)備。因此如果在運(yùn)營中信號燈發(fā)生故障，將可能使鐵路無法正常運(yùn)行甚至發(fā)生事故。本課題的研究目的和意義就是設(shè)計(jì)一套信號燈報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)，用來自動(dòng)化的及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵路中發(fā)生故障的信號燈，使維修人員能第一時(shí)間對發(fā)生故障的信號燈進(jìn)行維修，以保障鐵路的正常運(yùn)營。 本系統(tǒng)將使用單片機(jī)來對其進(jìn)行控制，使用仿真系統(tǒng)來模擬整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 關(guān)鍵詞： 信號燈；監(jiān)控；故障報(bào)警 3 Light alarm monitoring system ABSTRACT Today,the railway has been around the world,throughout our lives. The lights are the essential equipment which are used to guarantee the normal operation of the if the lights are broken down, the railway may not operate properly or even make the railway purpose of the research is to design a light alarm monitoring system which is used to find the broken light timely and this way,the maintainer can repair the broken light in first time and guarantee the normal operation of the railway. The system will use microcontroller to control it,and use the simulation system to simulate the operation of the monitoring system. Key words:light。monitoring。failure warning 4 目錄 1 緒論?????????????????????????? 1 課題背景????????????????????? ????? 1 課題完成的功能 ?????????????????????? 2 課題設(shè)計(jì)的方案???????????????????????? 2 2 單片機(jī)簡介??????????????????????? 5 單片機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用??????????????????????? 5 單片機(jī)的發(fā)展………………………………………………………………… 5 單片機(jī)的應(yīng)用………………………………………………………………… 5 AT89C51 的特性??????????????????? ?????? 6 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ?????????????????????? 9 總硬件電路設(shè)計(jì) ????????????????????????? 9 電流互 感器?? ???? ???? ????? ???? ???? 10 電壓比 較器?? ???? ???? ????? ???? ???? 10 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)???????????????????????? 10 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)???????????????????????? 12 時(shí)鐘芯片電路的設(shè)計(jì)?????????????????????? 13 DS1302 時(shí)鐘芯片的簡介……………………………………………… 13 DS1302 的工作原理…………………………………………………… 13 DS1302 的引腳功能及結(jié)構(gòu)……………………………………………… 14 顯示電路的設(shè)計(jì)???????????????????????? 15 4 軟件程序設(shè)計(jì)????????????????????? 18 程序流程框圖????????????????????????? 18 調(diào)試過程????????????????????? ????? 20 5 總結(jié)?????????????????????? 38 致 謝 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 40 參考文獻(xiàn)?????????????????????? 41 附 錄 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 42 5 1 1 緒論 課題背景 鐵路信號燈對鐵路的正常運(yùn)行至關(guān)重要。在過去鐵路剛開始運(yùn)行的時(shí)候， 是由人騎著馬在前面引導(dǎo)火車運(yùn)行。用手勢信號來指揮列車前進(jìn)或停止。后來人們開始研究固定的信號設(shè)備：用一塊長方形的板子，并在頂端加有一塊圓板。它的橫向線路表示停車信號，順向線路表 示前進(jìn)信號。在晚上運(yùn)行的時(shí)候，紅色燈光表示停車信號，白色燈光表示進(jìn)行信號。后來隨著列車速度的不斷提高，信號燈也不斷改進(jìn)。 1841 年英國開始使用臂板式信號機(jī)。這種臂板式信號機(jī)有兩種顯示：水平位置表示停車信號，向下傾斜 45 度表示進(jìn)行信號。夜間仍用紅色燈光表示停車，但改用綠色燈光表示前進(jìn)。 隨著信號燈不斷的發(fā)展，為了保障信號燈能一直正常工作，使鐵路能正常運(yùn)行，信號燈監(jiān)控系統(tǒng)也在不斷的向自動(dòng)化、智能化發(fā)展和改進(jìn)。如今已經(jīng)有許多利用不同的技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)成功的信號燈監(jiān)控系統(tǒng)。比如 楊景玉在《甘肅科技 縱橫》中發(fā)表的 《鐵路設(shè)備檢修自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，他 利用計(jì)算機(jī)平臺動(dòng)態(tài)顯示各信號設(shè)備的狀態(tài) 或采用報(bào)警繼電器，用計(jì)算機(jī)監(jiān)控各信號。比如張少華發(fā)表的《新型站內(nèi)信號燈斷絲定位報(bào)警系統(tǒng)》。，還有，又比如王國芬發(fā)表的《 TDB型信號燈快速定位報(bào)警系統(tǒng)》，他利用指示燈與繼電器相結(jié)合的方法，由指示燈顯示燈的位置。這些技術(shù)的缺點(diǎn)是，占用空間大但檢測的點(diǎn)數(shù)少，距離短而且造價(jià)貴，難以廣泛應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)就是 可以實(shí)時(shí)檢測多路鐵路信號 燈的工作情況 ， 檢測信號燈是否有斷絲的故障，對于故障的信號燈進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡單， 造價(jià)不貴， 適合批量生 產(chǎn)。 實(shí)物如圖所示： 2 圖 11 課題完成的功能 16 路信號燈循環(huán)進(jìn)行檢測。 ，顯示發(fā)生故障的路數(shù)、小時(shí)和分鐘。 。 。 。 課題設(shè)計(jì)的方案 在信號燈上串接一個(gè)電流互感器， 電流互感器的輸出端上并聯(lián)有一個(gè)電流轉(zhuǎn)電壓電阻 ，構(gòu)成一個(gè)信號采集部件，采集信號燈的正弦信號。正弦信號可能采集到的情況如下： 3 1）燈絲正常工作時(shí)的波形，如圖 12 圖 12 2）燈絲故障時(shí)的波形，如圖 13 圖 13 3） 信號燈未工作時(shí)的波形，如圖 14 圖 14 4 電壓信號進(jìn)入電壓比較器后，產(chǎn)生以下的比較，如圖 15 圖 15 5 16 路正弦信號通過多路模擬開關(guān)分別進(jìn)入已連接可調(diào)電阻的 2 個(gè)電壓比較器，一個(gè)可調(diào)電阻設(shè)置的電阻較高，一個(gè)較低。電壓比較器的輸出信號進(jìn)入單片AT89C51 主芯片，觀察電壓 比較器的輸出情況，若都是高電位 1，則正常，此時(shí)如果原先有故障，則消除故障，如果原先沒有故障，則進(jìn)行下一路的監(jiān)測；若一個(gè)高電位 1，一個(gè)低電位 0，則故障并使用數(shù)碼管顯示發(fā)生故障的信號燈的路數(shù)和時(shí)間，此時(shí)如果原先有故障，則進(jìn)行下一路監(jiān)測，如果原先沒有故障，顯示報(bào)警后開始監(jiān)測下一路；若都為 0，則沒有開機(jī)，重新檢測。 本系統(tǒng)所有的設(shè)計(jì)和調(diào)試都用 PROTEUS 仿真系統(tǒng)完成，然后用單片機(jī)程序進(jìn)行控制。 2 單片機(jī)簡介 單片機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用 單片機(jī)的發(fā)展 單片機(jī) ，全稱 單片微型計(jì)算機(jī)， 又稱 微控制器 。它 由 運(yùn)算器 、 控制器 、 存儲器 、 輸入輸出設(shè)備 構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī) 。 單片機(jī) 誕 生于 1971年，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SoC 三大階段，早期的 SCM 單片機(jī)都是 8位或 4位的。其中最成功的是 INTEL 的 8051，此后在 8051上發(fā)展出了 MCS51系列 MCU 系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的 單片機(jī) 系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16位 單片機(jī) ，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的 應(yīng)用。 90年代后隨著 消費(fèi)電子產(chǎn)品 大發(fā)展， 單片機(jī) 技術(shù)得到了巨大提高。隨著 INTEL i960系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用， 32位 單片機(jī) 迅速取代 16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。 單片機(jī) 滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。 導(dǎo)彈 的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡 ，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)， 錄像機(jī) 、 攝像機(jī) 、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、 6 電子寵物等等，這些都離不開 單片機(jī) 。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。因 此， 單片機(jī) 的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 單片機(jī) 廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分 為這樣 幾個(gè)范疇： 智能儀器、工業(yè)控制、家用電器、網(wǎng)絡(luò)和通信、設(shè)備領(lǐng)域、模塊化系統(tǒng)、汽車電子等。 AT89C51的 特性 AT89C51是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器 的低電壓、高性能 CMOS 8位 微處理器 ，俗稱 單片機(jī) 。 AT89C2051是一種帶 2K字節(jié) 閃存可編程可擦除 只讀存儲器 的 單片機(jī) 。單片機(jī) 的可擦除 只讀存儲器 可以反復(fù)擦除 1000次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失 存儲器 制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃速 存儲器 組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51是一種高效微控制器， AT89C2051是它的一種精簡版本。 AT89C51單片機(jī) 為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及 引腳 排列如圖 21所示。 7 圖 21 AT89C51引腳 電源引腳（ 2根） 1） VCC：電源端，接 5V 電源。 2） GND：接地引腳，有時(shí)標(biāo)記為 Vss。 控制引腳（ 6根） 1） RST/Vpd：復(fù)位信號輸入引腳 /備用電源輸入引腳。 2） XTAL1：晶體振蕩器接入的一個(gè)引腳。 3） XTAL2：晶體振蕩器接入的另一個(gè)引腳。 4） ALE/PROG:地址鎖存允許信號輸出引腳 /編程脈沖輸入引腳。 5） EA/Vpp：片外 ROM訪問允許 /編程電壓輸入引腳。 6） PSEN：片外 ROM 讀選通信號輸出引腳 。 8 輸入 /輸出端口（ 32根，由 4個(gè) 8位端口構(gòu)成） 51系列單片機(jī)有 4個(gè) 8位并行（ 8個(gè)具有相同功能的引腳） I/O端口 P0— P3。所有端口都可以作為通用輸入 /輸出端口，部分端口還具有特定功能。 1） P0口（ ）： P0口是漏極開路的 8位并行端口，作雙向 I/O端口使用或者作為地址總線低 8位數(shù)據(jù)總線使用。 2） P1口（ ）： P1口的第一功能是作為準(zhǔn)雙向 I/O端口使用，其功能完全由用戶程序進(jìn)行定義。這里稱準(zhǔn)雙向口是由于接口內(nèi)部與拉高電路。 P1口的第二功能 引腳 第二功能符號 第 二功能描述 T2 T2的外部計(jì)數(shù)脈沖輸入 T2EX T2的外部觸發(fā)脈沖輸入 MOSI 在系統(tǒng)編程串行數(shù)據(jù)輸入 MISO 在系統(tǒng)編程串行數(shù)據(jù)輸出 SCK 在系統(tǒng)編程串行時(shí)鐘輸入 3） P2口（ ）： P2口作為一般準(zhǔn)雙向 I/O 端口使用或者高 8位地址總線輸出引腳。 4） P3口（ ）： P3口一般作為準(zhǔn)雙向 I/O端口使用或者第二功能引腳。 P3口的第二功能 引腳 第二功能符號 第二功能描述 RXD 串行通信數(shù)據(jù)接收引腳