航标灯控制器设计

河南理工大学20132014学年第二学期计算机科学与技术学院课程设计报告课程名称微型计算机原理与接口技术设计题目航标灯的设计学生姓名学 号专业班级指导教师概述水路航运系统是运输系统中极为重要的一部分， 为确保水上船只安全运输和 行驶，航道的正确标识已成为非常重要的常用有效手段。 在长达数千公里的河道 和海岸沿线，每隔一定距离就必须有一个航标灯， 用来指示航道的安全水位区域。 如今水上航标灯的功能已日趋完善，它能实现的不只是判别白天或者黑夜的情 况，而且还能判别大雾天和晴天的区别， 从而控制航标灯上的发光二极管进行亮 暗的操作。不但如此，航标灯的设计也更具实用性；在海上，绵延数千里的海岸 线，航标灯的电力更换始终是一件比较麻烦的事情， 所以为了节省电量， 一般都 采用间歇性的亮暗来实现对水上航标灯的节能控制， 让水上航标灯在有限的电量 下，能够工作更持久的时间。 除此之外， 如今的水上航标灯还设置了遥控报警装 置，因为在广袤的大海中， 航标灯的出错无疑会导致灾难性的事件发生， 对水上 航运而言， 经济上会蒙受巨大的损失， 确保水上航标灯的正常工作， 出现错误的 情况下能够及时快速的发现以及修改也成为了水上航标灯的重要要求。第一章 水上航标灯控制器的总体设计设计方案说明本次课程设计要求使用8086/8088CPU微处理器作为主控芯片，并结合其他 典型接口芯片来实现航标灯控制器的设计。 水上航标灯的基本功能是判别白天和 黑夜，并且在晴天和雾天进行区分， 即能在夜间或者能见度较低的雾天实现闪烁 发光，一亮一闪周期性得闪烁， 从而实现夜间或者雾天对船只的导航功能， 而在 白天或者晴天这种能见度高的天气则不发光。经分析可知，该设计要使用控制芯片直接或间接为航标灯的灯提供控制信 号，以便控制航标灯是否发光以及如何发光以满足导航要求。 根据设计要求， 需 用微处理器CPU8086/8088作为主控制器，但是仅有微处理器CPU8086/8088是不 能很好的实现设计要求的。 能实现定时计数的芯片有不少， 我们可以采用专用定 时/计数器 8253 芯片，其功能较为强大，可以实现设计要求。其次，8253芯片的正常工作正常工作要有时钟信号作为其定时信息和用于芯片内部和芯片之间 的同步时钟信号。 定时脉冲实质上就是具有一定频率方波脉冲， 可以用各种振荡 源来实现。而所有这些芯片以及外围电路要正常工作还需要直流电源提供能量。根据以上分析，该设计所采用方案是以 8086微处理器为控制核心，以定 时/计数器8253作为航标灯的直接控制器且为其提供工作所需直流电源，直流电源的由再有振荡电路为微处理器和定时计数器提供定时计数信息，直流电源为以上所用芯片及电路供电，最终完成本次设计任务。硬件设计根据本次设计题目的要求，以 8086/8088CPU微处理器作为主控芯片，并且使用 8253定时/计数器，8255A并行输入/输出接口芯片，以及时钟发生器，直流电压 源。在选择确定芯片及电器元件之前，还是先来简要介绍一下所有可能用到的芯 片以及必须的元器件，并有选择的分析他们的结构和相关功能。 这些分析不仅是 必要的也是很有助于我们对设计方案的探索和优化选择。相关硬件介绍8086 CPU 介绍在本系统中，8086工作在最小模式 下。负责对8255芯片等进行工作方 式控制和数据处理（1）AD7ADQ双向。三态）为低 8 位地址/数据的复用引脚线。采用分 时的多路转换方法来实现对地址线 和数据线的复用。在总线坐骑的T1状态。这些银线表示为这些银线用作 株距总线。可见对复用信号使用时间 来加以划分的。它要求在 T1状态线 出现低8位地址时，用地址锁存器加23 j4567891011121314151617IS19201地rCC(5V)AD14AJ5213A16;S3AD12A17/S4AD11AL8/S5AD10A19/S6AD09ss(khigh)AD0&80S6AD07OVSROAD06HO1.J(RQ/GTQ)AD加HLDA(RQ/GT1)AD04网 LOCK)AD02DTzR(Sl)APO1ADQ0ALE(QSO)NNOINTA(QS 1)INIRTESTCLKREADY地RESET39383736353433323130292827262524232221A0图 2.1 8086以锁存。这样在随后的T状态，即使这些线用作数据线，而第8位地址线的地址 在个体却被记录保存下来，并送到地址总线上。在DMA方式时，这些银线被浮状。（2）A15A8（输出，三态）为8位地址线。在读写存储器或外设端口色中个 总线周期内，都作为地址线输出高8位地址。在DMA方式时，这些引线被浮置为。A19/S6A16/S3 （输出。三态）为地址/状态服用引脚线，在总线周期的 T1 状态，这些线表示为最高 4 位的地址线，在总线周期的其他 T 状态，这些线 用作提供状态信息，同样需要地址锁存器对 T1 状态出现的最高 4 位地址加以锁 存。状态信息S6总是为低电平，S5反映当前允许中断标志的状态。S4与S3一 起指示当前那一个段寄存器被使用。在DMA方式时，这些引线被浮置为高阻。（4）RD （输出，三态）读信号，当其有效时表示正在对存储器或 I /0端口进 行读操作。若I0/M为低电平，表示读取存储器的数据，若I0/M为高电平，表 示读取I / 0端口的数据。在DMA方式时，这些引线被浮置为高阻。READY （输入）为准备就绪信号。低电平有效。本信号由等待指令 WAIT 来检查。我们知道当CPL执行WAIT指令时，CPI#于等待状态，一旦检测到TEST 号为 低， 则结 束等 待 状 态， 继续执 行 WAIT 指 令下面的 指 令。（6）TEST （输入）为检测信号，低电平有效。本信号由低呢古代指令WAIT来检查。我们知道当CPL执行WAIT指令时，CPU#于等待状态，一旦检测到TEST 号为 低， 则结 束等 待 状 态， 继续执 行 WAIT 指 令下面的 指 令。（7）INTR （输入）可屏蔽中断请求信号，高电平有效。 CPU在执行每条指令 的最后一个T状态时，去采样INTR信号，若发现有效，而中断允许标志IF有为 1,则CPU在结束当前指令周期后相应中断请求，赚取执行中断处理程序。（8）NMI （输入）非屏幕中断请求信号，为一个边缘触发信号，不能有软件加 以屏蔽。只要在NMI线上出现由低到高的变化信号，贝U CPU就会在当前指令中， 赚 取 之 行 给 屏 蔽 中 断 处 理 程 序 。（9）RESET（输入）复位信号，高电平有效，复位时该信号要求维持高电平值到4个时钟周期，若使初次加电，则高电平信号至少要保持50us，复位信号的到来，将立即结束CPU勺当前操作，内部寄存器恢复到初始状态。当RESET言号 从高电平回到低电平时，及复位后进入重新启动时，变质型从内存FFFFOH处带式的指令，通常在FFFF0H存放一条无条件转移指令，转移到系统程序的实际入 口 处 。 这 样 只 要 系 统 被 复 位 启 动 ， 就 自 动 进 入 系 统 程 序 。(10) CLK (输入)时钟信号，它为CPU和总线控制电路提供基准时钟，对时钟 信号要求：1/3周期为高电平，2/3周期为低电平。8088的标准时钟频率为5MZ(11) 电源和地,VCC为电源引线，单一的为+5V电源。引脚为1和20为两条GND 线，要 求 均 要 接 地。(12) 10 /M,访问存储器或I /O端口的控制信号。若10/M为高电平，则访问 的是I / O端口；若IO / M为低电平，则访问的是存储器(13) WR写信号。当其有效时表示 CPU正在对存储器或I /O端口进行写操作， 具体对水进行写操作，有IO/ M信号决定。本信号在总线周期的 T2, T3。TW犬 态有效。在DMA方式时，此线被浮置为高阻。2.1.2 8253芯片介绍8253是一种NMO工艺制成的可编程计数 器/定时器，其计数频率范围为 02MHZ 用+5V单电源供电。内部共有三个16位计 数器，分别为计数器0、计数器1和计数 器2，它们的机构完全相同。每个计数器 的输入和输出都决定于设置在控制寄存器 中的控制字，互相之间工作完全独立。每 个计数器通过三个引脚和外部联系，一个 为时钟输入端CLK 一个为门控信号输入8卫ToTTT?D7D6D5D1D3 D2D1 0 CLKO OUTO GAIEO <tND8253+5VWR匹CSAlAOCLK2GATF2OUT?CLK1GATE1OLTll20E7717167?T413图 2.2 8253端GATE另一个为输出端OUT每个计数器内部有一个8位的控制寄存器,有一个16位的计数初值寄存器CR 一个计数执行部件CE和一个输出锁存器OL。8253的功能强大，共有6种不同的工作方式方式0:计数结束中断；方式1:可编程单拍脉冲发生；方式2:脉冲发生器；方式3:方波发生器；方式4:软件触发选通;方式5:硬件触发选通2.1.3 8255芯片介绍In tel 8255A是专为Intel公司的微处理器配套的接口芯片，8255A为可编程芯片，可用程序设定 或改变其工作状态，CPU通过它可直接与外设相连 接。它有3个8位并行I/O 口，具有3个通道3种 工作方式，其各口功能可由软件选择，使用灵活， 通用性强。引脚信号如图 图 2.3 8255A2.1.6发光二极管介绍光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导体PN结的光电效 应实现的。在耗尽层两侧是没有电场的中性区， 由于热运动，部分光生电子和空 穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方 向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向 P区。同样，P区 的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的 运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗 尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多， 所以减小扩散分量的比例便可显著提高 响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间， 使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构2.2 硬件设计原理图图 2.7 原理图在本设计中， 8086 工作在最小模式下。负责对 8253芯片进行工作方式控制 和数据处理； 8253 定时/ 计数器用来输出一定频率的脉冲信号来控制航标灯闪 烁；以硫化镉光敏电阻为核心的光敏传感器构成的光控开关，识别白天和黑夜， 使继电器处于不同的状态，从而通过 8255A对开关实