基于MCS—51單片機的小型地鐵報站系統設計與實現

陳琨韶 何遠英

摘 要：通過MCS-51單片機模擬實現一個小型地鐵報站系統的運行過程，其中用于搭建硬件電路的是常見的電子元器件，用于編程的軟件也是常用的單片機匯編語言，簡單明了，對于單片機的教學和學習有一定的輔助及促進作用。

關鍵詞：MCS-51單片機 地鐵 報站系統 仿真軟件

地鐵行業日新月異，人們對它的關注也越來越多，筆者在平時和學生聊天的過程中發現，大家對其先進的報站系統頗有興趣，剛好筆者在從事單片機這門課的教學，如何用我們常用的MCS-51單片機模擬實現一個小型的地鐵報站系統呢？筆者從硬件和軟件兩個方面來談談報站系統的設計與實現，希望對正在學習或者希望學習單片機的電子愛好者有一定的幫助。

一、基本思想

乘坐過廣州地鐵的人都知道，地鐵報站指示鑲嵌在每一節車廂的大門上方位置，通過小燈的顏色、閃爍、聲音及必要的標識指引行駛的方向和目的地。本系統通過LED燈模擬指示牌上的小燈，通過兩塊MCS-51單片機控制小燈的亮、滅及閃爍，驅動蜂鳴器發出“嘀、嘀”的響聲模擬地鐵車廂門關閉前的提醒音，并驅動點陣流動顯示各站點信息，具體工作過程如下。

步驟一：按下進站按鈕啟動地鐵，站點1（首發站）的指示燈亮，顯示屏顯示首發站信息（本系統模擬廣州地鐵一號線，顯示“始發站：廣州東站”），與此同時數碼管顯示60秒關門倒計時，倒計時最后10秒驅動蜂鳴器發出“嘀、嘀”的關門警報聲。

步驟二：在60秒首發站倒計時后，站點2指示燈閃爍（此時地鐵已關門向站點2駛去，下一站點的指示燈閃爍），顯示屏顯示下一站信息（如“下一站：體育西”）；按下進站按鈕（表示地鐵到達站點2），閃爍的小燈變成常亮，顯示屏信息更新為第二站信息（如“體育西站到了”），與此同時數碼管顯示30秒關門倒計時，倒計時最后10秒驅動蜂鳴器發出“嘀、嘀”的關門警報聲。

步驟三：在30秒倒計時后，站點3指示燈閃爍，顯示屏顯示下一站信息（如“下一站：楊箕”）；按下進站按鈕，閃爍的小燈變成常亮，顯示屏信息更新為第三站信息（如“楊箕站到了”），與此同時數碼管顯示30秒關門倒計時，倒計時最后10秒驅動蜂鳴器發出“嘀、嘀”的關門警報聲。

重復步驟三，站點指示小燈將被依次點亮表示已經經過的站點，直到最后一站。這里小燈“亮”表示已經經過或者正在停靠的站點，小燈“滅”表示還未到達的站點。如遇站點是中轉站，倒計時60秒，即首發站和中轉站倒計時60秒，其余站點倒計時30秒。

到達終點站后，所有站點小燈亮，顯示屏顯示終點站信息（如“終點站：西朗站到了”），當再一次按下進站按鈕時，表示列車折返，反方向行駛。此時，原來的終點站變成了起點站，原來的起點站變成了終點站，相應站點的指示燈亮，顯示屏顯示始發站信息（如“始發站：西朗站”），倒計時60秒關門。重復之前正向行駛的步驟，直到到達終點站（原來的首發站）。具體流程圖如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖（模擬廣州地鐵一號線部分站點）

二、硬件設計

結合設計思想，通過單片機仿真軟件“Proteus 7 Professional”繪制硬件電路圖如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

本系統采用兩片80C51單片機，一片控制小燈和數碼管，另一片控制點陣顯示屏的顯示，由于篇幅所限，圖2所給的只是仿真圖，單片機的時鐘、復位、供電等部分電路未畫出（具體可參考電路實現的元件清單）。

此外，圖2所示的界面是啟動之后按下進站按鈕，地鐵處于首發站的倒計時狀態，其中第一盞小燈亮，數碼管倒計時60秒，顯示屏滾動顯示“始發站：廣州東站”。在接下來的動作中，操作者只需要在每次倒計時完后按下“進站按鈕”模擬地鐵到站，小燈、數碼管、顯示屏即可隨著到站的不同變換顯示信息。

為了更好地說明電路，下面對電路總圖進行分解說明。

第一部分是80C51控制小燈、數碼管、蜂鳴器等器件。注意仿真圖和實物圖的區別，在實際接線時要根據實物的管腳進行連接。本系統采用共陽極數碼管，其中80C51的P0.0～P0.7腳分別接數碼管一的a～dp腳，80C51的P2.0～P2.7分別接數碼管二的a～dp腳。

第二部分為80C51控制點陣顯示屏。其中為了實現第一、二兩部分的同步操作，使兩塊單片機P3.5口和P3.6口相互連接，通過第一塊單片機的端口控制第二塊單片機，實現兩部分功能的同步。顯示屏是循環滾動顯示地鐵報站信息，選用四個共陽極8×8LED點陣，當按下第一部分的進站按鈕時，通過P3.5和P3.6控制顯示屏顯示信息的變化。

三、軟件設計

本程序使用匯編語言編制，單片機仿真軟件“Proteus 7 Professional”實現仿真調試，通過仿真之后再分別燒錄到兩塊80C51單片機芯片中，實現對小燈、蜂鳴器、顯示屏等的控制，具體源代碼可以分為兩部分。

第一部分為80C51控制小燈、數碼管、蜂鳴器源代碼，主要由下列幾段程序組成：程序初始化；列車上行控制程序段；列出下行控制程序段；顯示及語音播報控制程序段。

第二部分為80C51控制點陣顯示屏源代碼，主要由下列幾段程序組成字符掃描程序段；字碼表；字符顯示控制程序段。

附：部分程序代碼

；------------------------列車上行時，各車站指示燈狀態變化的控制程序段

UPLINE：CLR p3.6

CLR C

LOOP1： RLC A

MOV P1，A

JBC F0，LOOP

ACALL DELAY

RRC A

MOV P1，A

JBC F0，LOOP

ACALL DELAY

AJMP LOOP1

；-------------------------列車下行時，各車站指示燈狀態變化的控制程序段

DOWNLINE：CLR p3.6

CLR C

LOOP2： RRC A

MOV P1，A

JBC F0，LOOP

ACALL DELAY

RLC A

MOV P1，A

JBC F0，LOOP

ACALL DELAY

AJMP LOOP2

四、電路實現

結合硬件及軟件設計，具體電路實現分兩部分說明如下。

第一部分的具體實物電路實現如圖3所示。

其中在圖3所示的電路圖中，還有部分元器件因為走線和美觀問題放在了單片機下面。為了增加趣味和可讀性，在元器件表面做了地鐵模擬站點等必要的標識。

圖3 第一部分電路實現圖

本系統只模擬了廣州地鐵一號線的8個站點，其中“廣州東站”為始發站，“公園前”為中轉站，均設計了60秒的關門倒計時，其余站點為30秒的倒計時。每個站點由一盞LED小燈指示，進站按鈕由一個不帶自鎖的點動開關實現。

第二部分的具體實物電路實現如圖4所示。

圖4 第二部分電路實現圖

這里LED點陣驅動電路的掃描信號行列各有16條，其中行掃描信號直接使用單片機的兩個P口（本設計為P0口和P2口）共16路驅動，列掃描則使用一個4對16譯碼器（74LS154）驅動，這個譯碼器是將輸入的16進位碼，解碼輸出低態掃描信號。輸出低態掃描信號經過限流電阻，連接到PNP晶體管的基極，再經晶體管放大后即可推動LED工作。

此外，電路的實現均采用手工布線及焊接，其中第二部分在焊接時因走線較多，對元件的放置、走線及焊接技術均有一定的要求，如對于初學者可使用印制電路板。

其主要元件清單見下表。

表

序號 符號 名稱 規格型號 數量（只）

1 D1-D9 發光二極管 9

2 R1-R8 電阻 220Ω 8

3 U1-U2 七段LED數碼管 BS242 2

4 R9-R25 電阻 1kΩ 17

5 R26 電阻 470Ω 1

6 R27 電阻 10kΩ 1

7 Q1-Q17 三極管 9012 17

8 LS 蜂鳴器 1

9 D9 續流二極管 IN4001 1

10 C1-C4 電容 30pF 4

11 C5-C6 電容 10μF 2

12 晶振 12MHz 2

13 U3-U4 單片機 AT80C52 2

14 SW1-SW2 按鈕 2

15 U5 譯碼器 74HC154 1

16 LED點陣 8×8 4

17 R28 排阻 10kΩ 1

18 VCC 直流電源 5V 1

五、小結

1.結論

本設計通過對日常生活的所見進行模擬及實現，能有效激發學生對單片機的學習興趣，也可作為教師新課導入示教使用，促進單片機的教學。此外，本設計還可作為學生技能社團的活動項目之一，既加深學生對單片機應用的認識，又在一定程度上鞏固單片機相關編程語言的學習。

2.不足及改進

雖然本系統已較完整地實現了基本設計思想提出的要求，但還存在以下幾點不足：一是本系統只能較好地顯示倒計時時間及發出關門警報聲，在站點顯示的硬件設計方面還未能簡化，成本也相對較高；二是程序設計稍顯復雜，可再完善簡化，可讀性方面也需加強；三是版面設計不夠美觀，如果作為示教用，則需要對焊接技術和布線方面再進行改進；四是因不良移動或保存，容易出現焊點松動造成虛焊、脫焊，可結合PROTEL等制板軟件及PCB制板技術進行改良。

參考文獻：

[1]周興華.手把手教你學單片機[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[2]高平.單片機技術與應用實驗與實訓[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3]周向紅.51系列單片機應用與實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]張義和.例說8051[M].北京：人民郵電出版社，2006.

（作者單位：廣州市輕工高級技工學校）