野外交通指示灯电量感测系统设计
野外交通指示灯电量感测系统设计[20191213111551]
摘 要
交通指示灯的正常工作可很好的保证过往车辆的行驶安全，但是在一些偏远地段，无法经常检修的野外，如何监测指示灯的电量，保证指示灯的安全工作已成为亟待解决的问题。
本课题旨在研究和设计野外交通指示灯电量感测系统， 设计具有信息采集、存贮、传输等功能的监测系统。系统以单片机为核心设计，硬件体系分为五个模块：控制模块、量程自动转换模块、A/D转换模块、显示模块、远程报送模块。其中控制模块为核心，采用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机，实现对下位机的控制，将电量数据进行计算分析；量程自动转换模块采用纯硬件搭建技术，不需要复杂的软件编程及调试，主要功能是判断出输入量的测量范围，从而选择合适的测量档位，提高测量的精准度；A/D转换模块采用逐次逼近型A/D转换器（ADC0809），可以将模拟量转换为数字量；显示模块采用LCD—1602字符型点阵式液晶显示器，可以将电量数据以字符、数字、符号的形式呈现出来；远程传输模块，考虑到传输距离比较远，采用NRF903通信模块，用SPI串行通信协议实现数据的收发。软件体系分上位机和下位机。下位机包含控制显示、数据收发和A/D数模转换的主程序以及各个小模块的子程序；上位机包含数据收发等程序。该系统最终实现电量的采集，电量大小的判断及模数转换，实地显示和远距离的信息传输。
本次毕业设计最终达到模拟野外交通指示灯电量感测系统的目的，从而对解决偏远地区的交通指示灯能否正常工作具有启发意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:单片机、电量感测、电路,野外交通指示灯
目 录
第1章 绪 论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2关于本课题国内外研究现状及运用实例 1
1.2.1信号灯的研究现状 1
1.2.2电量测量技术发展现状 2
1.2.3电量感测技术的应用实例 2
1.3本课题的任务及实现的功能 2
1.4本课题所需技术基础 2
1.4.1单片机的概述 3
1.4.2模数转换技术 3
1.4.3数字图像显示技术 3
1.4.4射频技术 4
第2章 系统方案的选择与论证 5
2.1功能要求 5
2.2 系统的总体方案规划 5
2.3各模块方案选择与论证 6
2.3.1控制模块 6
2.3.2量程自动转换模块 6
2.3.3 A/D模数转换模块 7
2.3.4 电量显示模块（报警模块） 7
2.3.5远程报送模块 7
2.3.6系统各模块的最终方案 8
第3章 系统硬件电路设计与实现 9
3.1控制器模块 9
3.1.1 AT89S52单片机概述 9
3.1.2 AT89S52 功能特性 9
3.1.3 基于AT89S52单片机模块的设计 12
3.2量程自动转换模块 13
3.2.1 电路设计的总体要求 13
3.2.2 量程判断单元硬件电路设计 14
3.3 档位选择单元硬件电路设计 17
3.3 A/D转换模块 19
3.3.1 A/DC0809的逻辑结构 19
3.3.2 A/D转换模块原理图 20
3.4 电量显示模块 21
3.4.1 液晶显示器LCD概述 21
3.4.2液晶显示器LCD与单片机硬件连接图 21
3.5 远程通信模块 22
3.5.1 NRF903原理特征 23
3.5.2远程通信原理图 23
第4章 系统的软件设 24
4.1 系统的软件设计总体框架 24
4.1.1下位机框架图 24
4.1.2上位机框架图 25
4.2 主要程序介绍 25
4.2.1 ADC0809与单片机的接口机应用程序 25
4.2.2 LCD子程序 26
第5章 系统调试及性能分析 28
5.1 系统硬件部分的调试 28
5.1.1?器件焊接顺序? 28
5.1.2 贴片器件（电阻、电容、三极管等）焊接方法 28
5.1.3 系统硬件的调试心得 29
5.2 系统软件部分的调试 29
5.2.1 发送部分的调试 29
5.2.2 接收部分的调试 29
设计总结 31
参考文献 32
致 谢 33
外文资料 1
中文译文 6
附 图 1
源程序 1
第1章 绪 论
1.1课题研究背景及意义
随着社会经济的发展，交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已经成为交通管理部门需要解决的重要问题。交通指示灯的出现大大降低了交通安全事故发生率，减少了交通管理部门的工作量，然而信号灯故障引发交通事故责任认定存在空白；由交通指示灯故障问题而引发的重大交通事故在所难免地引起极大关注。那么如何保障交通指示灯的正常运转，特别是保障一些偏远地区交通指示灯的正常工作，成为了当今交通领域需要解决的课题之一。
目前传感器元件种类丰富，单片机最小系统应用广泛，功能强大；远程通信技术也得到了长足的发展 。这些技术的运用使得对“野外交通指示灯电量感测”系统设计成为可能。
本课题旨在研究和设计野外交通指示灯电量感测系统， 设计出具有信息采集、存贮、传输等功能的监测系统。从而对远距离监测电量等问题具有借鉴意义。
1.2关于本课题国内外研究现状及运用实例
1.2.1信号灯的研究现状
城市路口交通控制系统大体上分为三类：定周期信号机，多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。具体的选用应根据应用场合以及其特点加以确定。其中，第一种类型成本低，设计简单，安装和维护方便得到了很大的应用。比较先进的有一种使用“模糊控制”技术控制交通灯的方法。能根据十字路口两个方向上车辆动态状况，自动判断红绿灯时间间隔，用来保证最大车流量。减少道口的堵塞。
1.2.2电量测量技术发展现状
国外许多电力公司从上个世纪70年代就开始研究并推广应用变电设备在线监测技术，主要目的就是减少停电预防性试验的时间和次数，提高供电可靠性。但当时的设备简陋，测试手段简单，水平较低。随着计算机技术的飞速发展，在线监测设备产品不断更新完善，在线监测技术水平不断提高。到目前为止，许多国家已广泛使用线监测技术手段。在近几年来召开的历届国际高电压技术学会（ISH）及亚洲绝缘诊断会（ACEID）上，有关电气设备绝缘在线监测与状态检修方面的论文占有相当大比例。
1.2.3电量感测技术的应用实例
电动摩托车电池电量测量
奥地利微电子发表的全新电动摩托车电量指示表参考设计成功地满足了製造商对成本的严格要求，同时提供完整充电/放电週期和电池工作温度範围内準确的电压及电流读数。这是因为电路使用了AS8510感测器介面，这颗单晶片整合了资料撷取和资料转换功能，且能在广泛的动态範围内达到几乎无偏差的电流和电压测量。
1.3本课题的任务及实现的功能
本课题旨在研究和设计野外交通指示灯电量感测系统，设计出具有信息采集、存贮、传输等功能的监测系统，从而实现对野外交通指示灯运行的远距离监视。
1.4本课题所需技术基础
1.4.1单片机的概述
单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM、EPROM）和各种输入、输出接口，这样一块集成电路芯片上具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机[1]。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机 ，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash 只读程序存储器 和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM ），器件采用ATMEL公司 的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统 ，片内置通用8位中央处理器 和Flash存储单元 ，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
1.4.2模数转换技术
模数转换(ADC)亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量[2]。例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。在遥感中常用于图象的传输，存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理。例如：图像的数字化等。
信号数字化是对原始信号进行数字近似，它需要用一个时钟和一个模数转换器来实现。所谓数字近似是指以N-bit的数字信号代码来量化表示原始信号，这种量化以bit位单位，可以精细到1/2^N。时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的变换速率。转换精度可以做到24bit，而采样频率也有可能高达1GHZ，但两者不可能同时做到。通常数字位数越多，装置的速度就越慢。
1.4.3数字图像显示技术
LCD（工业字符型液晶），能够同时显示16x02即32个字符。 字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶[3]。
1.4.4射频技术
NRF903是有挪威一家公司生产的单频发射器芯片，该芯片工作频率为国际通用的ISM（工业、科学和医院）频段433/868/915MHz,外围器件少，数据传输频率高，系统配置灵活，使用方便。通过单片机的控制，可以很好的完成无限线号数据的收发。NRF903一共有两种工作模式：FIFO mode/DIRECT mode，通过MODE CONTRL 寄存器的FMS位可以设置：0为DIRECT MODE，1为FIFO MODE。在FIFO模式下，RF903自动处理字头和CRC检验码；在接受数据时，自动把字头和CRC检验码移去；在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码。当发送过程完成后，IRQ引脚通知微处理器数据发射完毕[4]。
第2章 系统方案的选择与论证
2.1功能要求
设计具有信息采集、存贮、传输等功能的监测系统。系统以单片机为核心设计，包括传感器、数据采集电路、控制电路、显示电路、报警电路及远程报送电路等硬件设计及相关软件功能模块的设计。
2.2 系统的总体方案规划
本设计主要由五大模块组成：量程自动转换模块、A/D模数转换模块、单片机控制模块、显示模块和数据收发通信模块。按系统功能实现要求，控制模块采用AT89C52单片机，通过程序来进行电压的计算等数据处理，及其功能控制；量程自动转换模块包括电压衰减和8个档位自动换档，采用纯硬件搭建；A/D转换模块采用ADC0809芯片；显示模块采用液晶屏显示电压值。通信模块采用NRF903射频通信模块将通信数据发给PC机[5]。如图2.1所示：
图2.1 系统总体框图
2.3各模块方案选择与论证
2.3.1控制模块
中央控制器为整个系统的核心，通过接受外部信息，按照控制算法驱动执行机构。对中央处理器的选择多种多样，本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机作为主控制器。它支持ISP在线可编程写入技术！串行写入、其频率高达33MHz,故其速度更快、内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。稳定性更好。AT89S52 高性能8位单片机是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案[6]。
AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
摘 要
交通指示灯的正常工作可很好的保证过往车辆的行驶安全，但是在一些偏远地段，无法经常检修的野外，如何监测指示灯的电量，保证指示灯的安全工作已成为亟待解决的问题。
本课题旨在研究和设计野外交通指示灯电量感测系统， 设计具有信息采集、存贮、传输等功能的监测系统。系统以单片机为核心设计，硬件体系分为五个模块：控制模块、量程自动转换模块、A/D转换模块、显示模块、远程报送模块。其中控制模块为核心，采用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机，实现对下位机的控制，将电量数据进行计算分析；量程自动转换模块采用纯硬件搭建技术，不需要复杂的软件编程及调试，主要功能是判断出输入量的测量范围，从而选择合适的测量档位，提高测量的精准度；A/D转换模块采用逐次逼近型A/D转换器（ADC0809），可以将模拟量转换为数字量；显示模块采用LCD—1602字符型点阵式液晶显示器，可以将电量数据以字符、数字、符号的形式呈现出来；远程传输模块，考虑到传输距离比较远，采用NRF903通信模块，用SPI串行通信协议实现数据的收发。软件体系分上位机和下位机。下位机包含控制显示、数据收发和A/D数模转换的主程序以及各个小模块的子程序；上位机包含数据收发等程序。该系统最终实现电量的采集，电量大小的判断及模数转换，实地显示和远距离的信息传输。
本次毕业设计最终达到模拟野外交通指示灯电量感测系统的目的，从而对解决偏远地区的交通指示灯能否正常工作具有启发意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:单片机、电量感测、电路,野外交通指示灯
目 录
第1章 绪 论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2关于本课题国内外研究现状及运用实例 1
1.2.1信号灯的研究现状 1
1.2.2电量测量技术发展现状 2
1.2.3电量感测技术的应用实例 2
1.3本课题的任务及实现的功能 2
1.4本课题所需技术基础 2
1.4.1单片机的概述 3
1.4.2模数转换技术 3
1.4.3数字图像显示技术 3
1.4.4射频技术 4
第2章 系统方案的选择与论证 5
2.1功能要求 5
2.2 系统的总体方案规划 5
2.3各模块方案选择与论证 6
2.3.1控制模块 6
2.3.2量程自动转换模块 6
2.3.3 A/D模数转换模块 7
2.3.4 电量显示模块（报警模块） 7
2.3.5远程报送模块 7
2.3.6系统各模块的最终方案 8
第3章 系统硬件电路设计与实现 9
3.1控制器模块 9
3.1.1 AT89S52单片机概述 9
3.1.2 AT89S52 功能特性 9
3.1.3 基于AT89S52单片机模块的设计 12
3.2量程自动转换模块 13
3.2.1 电路设计的总体要求 13
3.2.2 量程判断单元硬件电路设计 14
3.3 档位选择单元硬件电路设计 17
3.3 A/D转换模块 19
3.3.1 A/DC0809的逻辑结构 19
3.3.2 A/D转换模块原理图 20
3.4 电量显示模块 21
3.4.1 液晶显示器LCD概述 21
3.4.2液晶显示器LCD与单片机硬件连接图 21
3.5 远程通信模块 22
3.5.1 NRF903原理特征 23
3.5.2远程通信原理图 23
第4章 系统的软件设 24
4.1 系统的软件设计总体框架 24
4.1.1下位机框架图 24
4.1.2上位机框架图 25
4.2 主要程序介绍 25
4.2.1 ADC0809与单片机的接口机应用程序 25
4.2.2 LCD子程序 26
第5章 系统调试及性能分析 28
5.1 系统硬件部分的调试 28
5.1.1?器件焊接顺序? 28
5.1.2 贴片器件（电阻、电容、三极管等）焊接方法 28
5.1.3 系统硬件的调试心得 29
5.2 系统软件部分的调试 29
5.2.1 发送部分的调试 29
5.2.2 接收部分的调试 29
设计总结 31
参考文献 32
致 谢 33
外文资料 1
中文译文 6
附 图 1
源程序 1
第1章 绪 论
1.1课题研究背景及意义
随着社会经济的发展，交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已经成为交通管理部门需要解决的重要问题。交通指示灯的出现大大降低了交通安全事故发生率，减少了交通管理部门的工作量，然而信号灯故障引发交通事故责任认定存在空白；由交通指示灯故障问题而引发的重大交通事故在所难免地引起极大关注。那么如何保障交通指示灯的正常运转，特别是保障一些偏远地区交通指示灯的正常工作，成为了当今交通领域需要解决的课题之一。
目前传感器元件种类丰富，单片机最小系统应用广泛，功能强大；远程通信技术也得到了长足的发展 。这些技术的运用使得对“野外交通指示灯电量感测”系统设计成为可能。
本课题旨在研究和设计野外交通指示灯电量感测系统， 设计出具有信息采集、存贮、传输等功能的监测系统。从而对远距离监测电量等问题具有借鉴意义。
1.2关于本课题国内外研究现状及运用实例
1.2.1信号灯的研究现状
城市路口交通控制系统大体上分为三类：定周期信号机，多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。具体的选用应根据应用场合以及其特点加以确定。其中，第一种类型成本低，设计简单，安装和维护方便得到了很大的应用。比较先进的有一种使用“模糊控制”技术控制交通灯的方法。能根据十字路口两个方向上车辆动态状况，自动判断红绿灯时间间隔，用来保证最大车流量。减少道口的堵塞。
1.2.2电量测量技术发展现状
国外许多电力公司从上个世纪70年代就开始研究并推广应用变电设备在线监测技术，主要目的就是减少停电预防性试验的时间和次数，提高供电可靠性。但当时的设备简陋，测试手段简单，水平较低。随着计算机技术的飞速发展，在线监测设备产品不断更新完善，在线监测技术水平不断提高。到目前为止，许多国家已广泛使用线监测技术手段。在近几年来召开的历届国际高电压技术学会（ISH）及亚洲绝缘诊断会（ACEID）上，有关电气设备绝缘在线监测与状态检修方面的论文占有相当大比例。
1.2.3电量感测技术的应用实例
电动摩托车电池电量测量
奥地利微电子发表的全新电动摩托车电量指示表参考设计成功地满足了製造商对成本的严格要求，同时提供完整充电/放电週期和电池工作温度範围内準确的电压及电流读数。这是因为电路使用了AS8510感测器介面，这颗单晶片整合了资料撷取和资料转换功能，且能在广泛的动态範围内达到几乎无偏差的电流和电压测量。
1.3本课题的任务及实现的功能
本课题旨在研究和设计野外交通指示灯电量感测系统，设计出具有信息采集、存贮、传输等功能的监测系统，从而实现对野外交通指示灯运行的远距离监视。
1.4本课题所需技术基础
1.4.1单片机的概述
单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM、EPROM）和各种输入、输出接口，这样一块集成电路芯片上具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机[1]。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS
1.4.2模数转换技术
模数转换(ADC)亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量[2]。例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。在遥感中常用于图象的传输，存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理。例如：图像的数字化等。
信号数字化是对原始信号进行数字近似，它需要用一个时钟和一个模数转换器来实现。所谓数字近似是指以N-bit的数字信号代码来量化表示原始信号，这种量化以bit位单位，可以精细到1/2^N。时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的变换速率。转换精度可以做到24bit，而采样频率也有可能高达1GHZ，但两者不可能同时做到。通常数字位数越多，装置的速度就越慢。
1.4.3数字图像显示技术
LCD（工业字符型液晶），能够同时显示16x02即32个字符。 字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶[3]。
1.4.4射频技术
NRF903是有挪威一家公司生产的单频发射器芯片，该芯片工作频率为国际通用的ISM（工业、科学和医院）频段433/868/915MHz,外围器件少，数据传输频率高，系统配置灵活，使用方便。通过单片机的控制，可以很好的完成无限线号数据的收发。NRF903一共有两种工作模式：FIFO mode/DIRECT mode，通过MODE CONTRL 寄存器的FMS位可以设置：0为DIRECT MODE，1为FIFO MODE。在FIFO模式下，RF903自动处理字头和CRC检验码；在接受数据时，自动把字头和CRC检验码移去；在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码。当发送过程完成后，IRQ引脚通知微处理器数据发射完毕[4]。
第2章 系统方案的选择与论证
2.1功能要求
设计具有信息采集、存贮、传输等功能的监测系统。系统以单片机为核心设计，包括传感器、数据采集电路、控制电路、显示电路、报警电路及远程报送电路等硬件设计及相关软件功能模块的设计。
2.2 系统的总体方案规划
本设计主要由五大模块组成：量程自动转换模块、A/D模数转换模块、单片机控制模块、显示模块和数据收发通信模块。按系统功能实现要求，控制模块采用AT89C52单片机，通过程序来进行电压的计算等数据处理，及其功能控制；量程自动转换模块包括电压衰减和8个档位自动换档，采用纯硬件搭建；A/D转换模块采用ADC0809芯片；显示模块采用液晶屏显示电压值。通信模块采用NRF903射频通信模块将通信数据发给PC机[5]。如图2.1所示：
图2.1 系统总体框图
2.3各模块方案选择与论证
2.3.1控制模块
中央控制器为整个系统的核心，通过接受外部信息，按照控制算法驱动执行机构。对中央处理器的选择多种多样，本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机作为主控制器。它支持ISP在线可编程写入技术！串行写入、其频率高达33MHz,故其速度更快、内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。稳定性更好。AT89S52 高性能8位单片机是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案[6]。
AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
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