基于MCS—51单片机的小型地铁报站系统设计与实现

陈琨韶 何远英

摘 要：通过MCS-51单片机模拟实现一个小型地铁报站系统的运行过程，其中用于搭建硬件电路的是常见的电子元器件，用于编程的软件也是常用的单片机汇编语言，简单明了，对于单片机的教学和学习有一定的辅助及促进作用。

关键词：MCS-51单片机 地铁 报站系统 仿真软件

地铁行业日新月异，人们对它的关注也越来越多，笔者在平时和学生聊天的过程中发现，大家对其先进的报站系统颇有兴趣，刚好笔者在从事单片机这门课的教学，如何用我们常用的MCS-51单片机模拟实现一个小型的地铁报站系统呢？笔者从硬件和软件两个方面来谈谈报站系统的设计与实现，希望对正在学习或者希望学习单片机的电子爱好者有一定的帮助。

一、基本思想

乘坐过广州地铁的人都知道，地铁报站指示镶嵌在每一节车厢的大门上方位置，通过小灯的颜色、闪烁、声音及必要的标识指引行驶的方向和目的地。本系统通过LED灯模拟指示牌上的小灯，通过两块MCS-51单片机控制小灯的亮、灭及闪烁，驱动蜂鸣器发出“嘀、嘀”的响声模拟地铁车厢门关闭前的提醒音，并驱动点阵流动显示各站点信息，具体工作过程如下。

步骤一：按下进站按钮启动地铁，站点1（首发站）的指示灯亮，显示屏显示首发站信息（本系统模拟广州地铁一号线，显示“始发站：广州东站”），与此同时数码管显示60秒关门倒计时，倒计时最后10秒驱动蜂鸣器发出“嘀、嘀”的关门警报声。

步骤二：在60秒首发站倒计时后，站点2指示灯闪烁（此时地铁已关门向站点2驶去，下一站点的指示灯闪烁），显示屏显示下一站信息（如“下一站：体育西”）；按下进站按钮（表示地铁到达站点2），闪烁的小灯变成常亮，显示屏信息更新为第二站信息（如“体育西站到了”），与此同时数码管显示30秒关门倒计时，倒计时最后10秒驱动蜂鸣器发出“嘀、嘀”的关门警报声。

步骤三：在30秒倒计时后，站点3指示灯闪烁，显示屏显示下一站信息（如“下一站：杨箕”）；按下进站按钮，闪烁的小灯变成常亮，显示屏信息更新为第三站信息（如“杨箕站到了”），与此同时数码管显示30秒关门倒计时，倒计时最后10秒驱动蜂鸣器发出“嘀、嘀”的关门警报声。

重复步骤三，站点指示小灯将被依次点亮表示已经经过的站点，直到最后一站。这里小灯“亮”表示已经经过或者正在停靠的站点，小灯“灭”表示还未到达的站点。如遇站点是中转站，倒计时60秒，即首发站和中转站倒计时60秒，其余站点倒计时30秒。

到达终点站后，所有站点小灯亮，显示屏显示终点站信息（如“终点站：西朗站到了”），当再一次按下进站按钮时，表示列车折返，反方向行驶。此时，原来的终点站变成了起点站，原来的起点站变成了终点站，相应站点的指示灯亮，显示屏显示始发站信息（如“始发站：西朗站”），倒计时60秒关门。重复之前正向行驶的步骤，直到到达终点站（原来的首发站）。具体流程图如图1所示。

图1 系统工作流程图（模拟广州地铁一号线部分站点）

二、硬件设计

结合设计思想，通过单片机仿真软件“Proteus 7 Professional”绘制硬件电路图如图2所示。

图2 硬件电路图

本系统采用两片80C51单片机，一片控制小灯和数码管，另一片控制点阵显示屏的显示，由于篇幅所限，图2所给的只是仿真图，单片机的时钟、复位、供电等部分电路未画出（具体可参考电路实现的元件清单）。

此外，图2所示的界面是启动之后按下进站按钮，地铁处于首发站的倒计时状态，其中第一盏小灯亮，数码管倒计时60秒，显示屏滚动显示“始发站：广州东站”。在接下来的动作中，操作者只需要在每次倒计时完后按下“进站按钮”模拟地铁到站，小灯、数码管、显示屏即可随着到站的不同变换显示信息。

为了更好地说明电路，下面对电路总图进行分解说明。

第一部分是80C51控制小灯、数码管、蜂鸣器等器件。注意仿真图和实物图的区别，在实际接线时要根据实物的管脚进行连接。本系统采用共阳极数码管，其中80C51的P0.0～P0.7脚分别接数码管一的a～dp脚，80C51的P2.0～P2.7分别接数码管二的a～dp脚。

第二部分为80C51控制点阵显示屏。其中为了实现第一、二两部分的同步操作，使两块单片机P3.5口和P3.6口相互连接，通过第一块单片机的端口控制第二块单片机，实现两部分功能的同步。显示屏是循环滚动显示地铁报站信息，选用四个共阳极8×8LED点阵，当按下第一部分的进站按钮时，通过P3.5和P3.6控制显示屏显示信息的变化。

三、软件设计

本程序使用汇编语言编制，单片机仿真软件“Proteus 7 Professional”实现仿真调试，通过仿真之后再分别烧录到两块80C51单片机芯片中，实现对小灯、蜂鸣器、显示屏等的控制，具体源代码可以分为两部分。

第一部分为80C51控制小灯、数码管、蜂鸣器源代码，主要由下列几段程序组成：程序初始化；列车上行控制程序段；列出下行控制程序段；显示及语音播报控制程序段。

第二部分为80C51控制点阵显示屏源代码，主要由下列几段程序组成字符扫描程序段；字码表；字符显示控制程序段。

附：部分程序代码

；------------------------列车上行时，各车站指示灯状态变化的控制程序段

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

；-------------------------列车下行时，各车站指示灯状态变化的控制程序段

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、电路实现

结合硬件及软件设计，具体电路实现分两部分说明如下。

第一部分的具体实物电路实现如图3所示。

其中在图3所示的电路图中，还有部分元器件因为走线和美观问题放在了单片机下面。为了增加趣味和可读性，在元器件表面做了地铁模拟站点等必要的标识。

图3 第一部分电路实现图

本系统只模拟了广州地铁一号线的8个站点，其中“广州东站”为始发站，“公园前”为中转站，均设计了60秒的关门倒计时，其余站点为30秒的倒计时。每个站点由一盏LED小灯指示，进站按钮由一个不带自锁的点动开关实现。

第二部分的具体实物电路实现如图4所示。

图4 第二部分电路实现图

这里LED点阵驱动电路的扫描信号行列各有16条，其中行扫描信号直接使用单片机的两个P口（本设计为P0口和P2口）共16路驱动，列扫描则使用一个4对16译码器（74LS154）驱动，这个译码器是将输入的16进位码，解码输出低态扫描信号。输出低态扫描信号经过限流电阻，连接到PNP晶体管的基极，再经晶体管放大后即可推动LED工作。

此外，电路的实现均采用手工布线及焊接，其中第二部分在焊接时因走线较多，对元件的放置、走线及焊接技术均有一定的要求，如对于初学者可使用印制电路板。

其主要元件清单见下表。

表

序号 符号 名称 规格型号 数量（只）

1 D1-D9 发光二极管 9

2 R1-R8 电阻 220Ω 8

3 U1-U2 七段LED数码管 BS242 2

4 R9-R25 电阻 1kΩ 17

5 R26 电阻 470Ω 1

6 R27 电阻 10kΩ 1

7 Q1-Q17 三极管 9012 17

8 LS 蜂鸣器 1

9 D9 续流二极管 IN4001 1

10 C1-C4 电容 30pF 4

11 C5-C6 电容 10μF 2

12 晶振 12MHz 2

13 U3-U4 单片机 AT80C52 2

14 SW1-SW2 按钮 2

15 U5 译码器 74HC154 1

16 LED点阵 8×8 4

17 R28 排阻 10kΩ 1

18 VCC 直流电源 5V 1

五、小结

1.结论

本设计通过对日常生活的所见进行模拟及实现，能有效激发学生对单片机的学习兴趣，也可作为教师新课导入示教使用，促进单片机的教学。此外，本设计还可作为学生技能社团的活动项目之一，既加深学生对单片机应用的认识，又在一定程度上巩固单片机相关编程语言的学习。

2.不足及改进

虽然本系统已较完整地实现了基本设计思想提出的要求，但还存在以下几点不足：一是本系统只能较好地显示倒计时时间及发出关门警报声，在站点显示的硬件设计方面还未能简化，成本也相对较高；二是程序设计稍显复杂，可再完善简化，可读性方面也需加强；三是版面设计不够美观，如果作为示教用，则需要对焊接技术和布线方面再进行改进；四是因不良移动或保存，容易出现焊点松动造成虚焊、脱焊，可结合PROTEL等制板软件及PCB制板技术进行改良。

参考文献：

[1]周兴华.手把手教你学单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2]高平.单片机技术与应用实验与实训[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]周向红.51系列单片机应用与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]张义和.例说8051[M].北京：人民邮电出版社，2006.

（作者单位：广州市轻工高级技工学校）