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文檔簡介
1、 河 南 理 工 大 學 20132014學年第二學期計算機科學與技術學院課程設計報告 課程名稱 微型計算機原理與接口技術 設計題目 航標燈的設計 學生姓名 學 號 專業(yè)班級 指導教師 概述水路航運系統(tǒng)是運輸系統(tǒng)中極為重要的一部分,為確保水上船只安全運輸和行駛,航道的正確標識已成為非常重要的常用有效手段。在長達數(shù)千公里的河道和海岸沿線,每隔一定距離就必須有一個航標燈,用來指示航道的安全水位區(qū)域。如今水上航標燈的功能已日趨完善,它能實現(xiàn)的不只是判別白天或者黑夜的情況,而且還能判別大霧天和晴天的區(qū)別,從而控制航標燈上的發(fā)光二極管進行亮暗的操作。不但如此,航標燈的設計也更具實用性;在海上,綿延數(shù)千里
2、的海岸線,航標燈的電力更換始終是一件比較麻煩的事情,所以為了節(jié)省電量,一般都采用間歇性的亮暗來實現(xiàn)對水上航標燈的節(jié)能控制,讓水上航標燈在有限的電量下,能夠工作更持久的時間。除此之外,如今的水上航標燈還設置了遙控報警裝置,因為在廣袤的大海中,航標燈的出錯無疑會導致災難性的事件發(fā)生,對水上航運而言,經(jīng)濟上會蒙受巨大的損失,確保水上航標燈的正常工作,出現(xiàn)錯誤的情況下能夠及時快速的發(fā)現(xiàn)以及修改也成為了水上航標燈的重要要求。第一章 水上航標燈控制器的總體設計設計方案說明本次課程設計要求使用8086/8088CPU微處理器作為主控芯片,并結合其他典型接口芯片來實現(xiàn)航標燈控制器的設計。水上航標燈的基本功能是
3、判別白天和黑夜,并且在晴天和霧天進行區(qū)分,即能在夜間或者能見度較低的霧天實現(xiàn)閃爍發(fā)光,一亮一閃周期性得閃爍,從而實現(xiàn)夜間或者霧天對船只的導航功能,而在白天或者晴天這種能見度高的天氣則不發(fā)光。經(jīng)分析可知,該設計要使用控制芯片直接或間接為航標燈的燈提供控制信號,以便控制航標燈是否發(fā)光以及如何發(fā)光以滿足導航要求。根據(jù)設計要求,需用微處理器CPU8086/8088作為主控制器,但是僅有微處理器CPU8086/8088是不能很好的實現(xiàn)設計要求的。能實現(xiàn)定時計數(shù)的芯片有不少,我們可以采用專用定時/計數(shù)器8253芯片,其功能較為強大,可以實現(xiàn)設計要求。其次,8253芯片的正常工作正常工作要有時鐘信號作為其定
4、時信息和用于芯片內(nèi)部和芯片之間的同步時鐘信號。定時脈沖實質上就是具有一定頻率方波脈沖,可以用各種振蕩源來實現(xiàn)。而所有這些芯片以及外圍電路要正常工作還需要直流電源提供能量。根據(jù)以上分析,該設計所采用方案是以8086微處理器為控制核心,以定時/計數(shù)器8253作為航標燈的直接控制器且為其提供工作所需直流電源,直流電源的由再有振蕩電路為微處理器和定時計數(shù)器提供定時計數(shù)信息,直流電源為以上所用芯片及電路供電,最終完成本次設計任務。 硬件設計根據(jù)本次設計題目的要求,以8086/8088CPU微處理器作為主控芯片,并且使用8253定時/計數(shù)器,8255A并行輸入/輸出接口芯片,以及時鐘發(fā)生器,直流電壓源。在
5、選擇確定芯片及電器元件之前,還是先來簡要介紹一下所有可能用到的芯片以及必須的元器件,并有選擇的分析他們的結構和相關功能。這些分析不僅是必要的也是很有助于我們對設計方案的探索和優(yōu)化選擇。相關硬件介紹8086 CPU介紹在本系統(tǒng)中,8086工作在最小模式下。負責對8255芯片等進行工作方式控制和數(shù)據(jù)處理(1) AD7AD0(雙向。三態(tài))為低8位地址數(shù)據(jù)的復用引腳線。采用分時的多路轉換方法來實現(xiàn)對地址線和數(shù)據(jù)線的復用。在總線坐騎的T1狀態(tài)。這些銀線表示為這些銀線用作株距總線??梢妼陀眯盘柺褂脮r間來加以劃分的。它要求在T1狀態(tài)線出現(xiàn)低8位地址時,用地址鎖存器加 圖2.1 8086以鎖存。這樣在隨后的
6、T狀態(tài),即使這些線用作數(shù)據(jù)線,而第8位地址線的地址在個體卻被記錄保存下來,并送到地址總線上。在DMA方式時,這些銀線被浮狀。 (2)A15A8(輸出,三態(tài))為8位地址線。在讀寫存儲器或外設端口色中個總線周期內(nèi),都作為地址線輸出高8位地址。在DMA方式時,這些引線被浮置為。(3)A19/S6A16/S3(輸出。三態(tài))為地址狀態(tài)服用引腳線,在總線周期的T1狀態(tài),這些線表示為最高4位的地址線,在總線周期的其他T狀態(tài),這些線用作提供狀態(tài)信息,同樣需要地址鎖存器對T1狀態(tài)出現(xiàn)的最高4位地址加以鎖存。狀態(tài)信息S6總是為低電平,S5反映當前允許中斷標志的狀態(tài)。S4與S3一起指示當前那一個段寄存器被使用。 在
7、DMA方式時,這些引線被浮置為高阻。(4)RD(輸出,三態(tài))讀信號,當其有效時表示正在對存儲器或IO端口進行讀操作。若IOM為低電平,表示讀取存儲器的數(shù)據(jù),若IOM為高電平,表示讀取IO端口的數(shù)據(jù)。在DMA方式時,這些引線被浮置為高阻。(5)READY(輸入)為準備就緒信號。低電平有效。本信號由等待指令WAIT來檢查。我們知道當CPU執(zhí)行WAIT指令時,CPU處于等待狀態(tài),一旦檢測到TEST號為低,則結束等待狀態(tài),繼續(xù)執(zhí)行WAIT指令下面的指令。(6)TEST(輸入)為檢測信號,低電平有效。本信號由低呢古代指令WAIT來檢查。我們知道當CPU執(zhí)行WAIT指令時,CPU處于等待狀態(tài),一旦檢測到T
8、EST號為低,則結束等待狀態(tài),繼續(xù)執(zhí)行WAIT指令下面的指令。(7)INTR(輸入)可屏蔽中斷請求信號,高電平有效。CPU在執(zhí)行每條指令的最后一個T狀態(tài)時,去采樣INTR信號,若發(fā)現(xiàn)有效,而中斷允許標志IF有為1,則CPU在結束當前指令周期后相應中斷請求,賺取執(zhí)行中斷處理程序。(8)NMI(輸入)非屏幕中斷請求信號,為一個邊緣觸發(fā)信號,不能有軟件加以屏蔽。只要在NMI線上出現(xiàn)由低到高的變化信號,則CPU就會在當前指令中,賺取之行給屏蔽中斷處理程序。(9)RESET(輸入)復位信號,高電平有效,復位時該信號要求維持高電平值到4個時鐘周期,若使初次加電,則高電平信號至少要保持50us,復位信號的到
9、來,將立即結束CPU的當前操作,內(nèi)部寄存器恢復到初始狀態(tài)。當RESET信號從高電平回到低電平時,及復位后進入重新啟動時,變質型從內(nèi)存FFFF0H處帶式的指令,通常在FFFF0H存放一條無條件轉移指令,轉移到系統(tǒng)程序的實際入口處。這樣只要系統(tǒng)被復位啟動,就自動進入系統(tǒng)程序。(10)CLK (輸入) 時鐘信號,它為CPU和總線控制電路提供基準時鐘,對時鐘信號要求:13周期為高電平,23周期為低電平。8088的標準時鐘頻率為5MZ。(11) 電源和地, VCC為電源引線,單一的為+5V電源。引腳為1和20為兩條GND線,要求均要接地。(12)IOM, 訪問存儲器或IO端口的控制信號。若IOM為高電平
10、,則訪問的是IO端口;若IOM為低電平,則訪問的是存儲器 (13)WR,寫信號。當其有效時表示CPU正在對存儲器或IO端口進行寫操作,具體對水進行寫操作,有IOM信號決定。本信號在總線周期的T2,T3。TW狀態(tài)有效。在DMA方式時,此線被浮置為高阻。2.1.2 8253芯片介紹8253是一種NMOS工藝制成的可編程計數(shù)器/定時器,其計數(shù)頻率范圍為02MHZ,用+5V單電源供電。內(nèi)部共有三個16位計數(shù)器,分別為計數(shù)器0、計數(shù)器1和計數(shù)器2,它們的機構完全相同。每個計數(shù)器的輸入和輸出都決定于設置在控制寄存器中的控制字,互相之間工作完全獨立。每個計數(shù)器通過三個引腳和外部聯(lián)系,一個為時鐘輸入端CLK,
11、一個為門控信號輸入 圖2.2 8253 端GATE,另一個為輸出端OUT。每個計數(shù) 器內(nèi)部有一個8位的控制寄存器,還有一個16位的計數(shù)初值寄存器CR、一個計數(shù)執(zhí)行部件CE和一個輸出鎖存器OL。8253的功能強大,共有6種不同的工作方式:方式0:計數(shù)結束中斷;方式1:可編程單拍脈沖發(fā)生;方式2:脈沖發(fā)生器;方式3:方波發(fā)生器;方式4:軟件觸發(fā)選通;方式5:硬件觸發(fā)選通2.1.3 8255芯片介紹 Intel 8255A是專為Intel公司的微處理器配套的接口芯片,8255A為可編程芯片,可用程序設定或改變其工作狀態(tài),CPU通過它可直接與外設相連接。它有3個8位并行I/O口,具有3個通道3種工作方
12、式,其各口功能可由軟件選擇,使用靈活,通用性強。引腳信號如圖 圖2.3 8255A2.1.6 發(fā)光二極管介紹光電二極管(PD)把光信號轉換為電信號的功能, 是由半導體PN結的光電效應實現(xiàn)的。在耗盡層兩側是沒有電場的中性區(qū),由于熱運動,部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層,然后在電場作用下, 形成和漂移電流相同方向的擴散電流。漂移電流分量和擴散電流分量的總和即為光生電流。當與P層和N層連接的電路開路時,便在兩端產(chǎn)生電動勢,這種效應稱為光電效應。當連接的電路閉合時,N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣,P區(qū)的空穴流向N區(qū), 便形成了光生電流。當入射光變化時,光生電流隨之作線性變化,從而
13、把光信號轉換成電信號。這種由PN結構成,在入射光作用下,由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子 - 空穴對的運動,在閉合電路中形成光生電流的器件,就是簡單的光電二極管(PD)。 如圖3.19(b)所示,光電二極管通常要施加適當?shù)姆聪蚱珘?,目的是增加耗盡層的寬度,縮小耗盡層兩側中性區(qū)的寬度,從而減小光生電流中的擴散分量。由于載流子擴散運動比漂移運動慢得多,所以減小擴散分量的比例便可顯著提高響應速度。但是提高反向偏壓,加寬耗盡層,又會增加載流子漂移的渡越時間, 使響應速度減慢。為了解決這一矛盾, 就需要改進PN結光電二極管的結構。2.2 硬件設計原理圖 圖2.7 原理圖在本設計中,8086工作在最小模式下。負
14、責對8253芯片進行工作方式控制和數(shù)據(jù)處理;8253定時/計數(shù)器用來輸出一定頻率的脈沖信號來控制航標燈閃爍;以硫化鎘光敏電阻為核心的光敏傳感器構成的光控開關,識別白天和黑夜,使繼電器處于不同的狀態(tài),從而通過8255A對開關實現(xiàn)邏輯或來控制5V直流穩(wěn)壓電流是否流過8235芯片的GATE來控制8253工作,即可實現(xiàn)白天不工作,晚上工作;同時8253芯片的正常工作要有時鐘信號作為其定時信息和用于芯片內(nèi)部和芯片之間的同步時鐘信號,由時鐘發(fā)生器提供。而所有這些芯片以及外圍電路要正常工作還需要直流電源提供能量。2.3 硬件設計電路圖根據(jù)以上分析,該設計所采用方案是以8086微處理器為控制核心,以定時/計數(shù)
15、器8253作為航標燈的直接控制器且為其提供工作所需直流電源,直流電源的由再有振蕩電路為微處理器和定時計數(shù)器提供定時計數(shù)信息,直流電源為以上所用芯片及電路供電,最終完成本次設計任務。2.3.1 光敏傳感器的設計光敏傳感器如圖所示的是簡單的光敏傳感器。Cods的電阻Rids隨光線明暗而變化,在電路中a點處檢測出電阻變化引起相應的電壓變化。如果超過設定電平,其輸出信號經(jīng)運放A和T1放大,供給晶體管T2從而控制繼電器J的開關。電路中運放加有正反饋,具有一定滯后特性。這樣可以改善電路的開關特性。電路中的二極管作為運放A與T1的接口使T1平滑開關工作。2.3.2 時鐘電路的設計2.3.4 總電路設計圖2.11航標燈設計系統(tǒng)總連接圖第三章 軟件設計3.1 軟件流程圖 圖3.1 軟件流程圖3.2 源程序CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE ORG 3490H MOV DX,0FFDBH MOV AL,81H OUT DX,AL MOV DX,0FFDAH IN AL,DX TEST AL,80H JNZ ONE JMP NEXTNEXT: TEST AL,40H JNZ ONE JMP ZEROONE: MOV AL,80H OUT DX,AL JMP H9ZERO: MOV AL,00H OUT D
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