彩色循环灯控制电路设计

毕 业 设 计题 目 彩色循环灯控制电路设计 学生姓名 李增辉 学号 1210064033 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 电子信息科学与技术1202班 指导教师 宋卫星 完成地点 实验楼 1006 2016年06月07日陕西理工学院本科毕业设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 电子信息科学与技术(电信1202) 学生姓名 李增辉 一、毕业设计题目 彩色循环灯控制电路设计 二、毕业设计工作自 2015 年 12 月 20 日 起至 2016 年 6 月 13 日止三、毕业设计进行地点: 实验楼1006 四、毕业设计应完成内容及相关要求：指导教师签名 宋卫星 专业负责人签名 学院领导签名 熊晓军 批 准 日 期 2016-01-11 随着电子科学技术的发展，在城市夜景中五光十色灯光，已由原来的照明功能转变到吸引公众注意力的广告作用，许多商铺门店柜台都利用迷你彩灯吸引或招揽顾客。现要求彩灯用10个发光二极管模拟彩灯，10个发光二极管应具有右移、左移、全亮功能；一亮一灭移动方式；间隔时间约为一秒，设计一电路能够完成上述全部任务，详细描述其工作原理。1)任务设计一彩色循环灯控制电路。要求：彩灯用10个发光二极管模拟彩灯，10个发光二极管应具有右移、左移、全亮功能；一亮一灭移动方式；间隔时间约为一秒，设计一电路能够完成上述全部任务，详细描述其工作原理及设计过程。2)设计与测试按任务要求，设计电路，计算参数，选择元器件。根据所设计的电路和所选择的元器件安装电路，设计合理的调试步骤并进行调试，最终达到设计要求。3)成果(1)设计报告一份。要求：内容完整，图表完备，条理清晰，分析有据，排版符合规范。(2)图纸（原理图）布局合理，清晰完整，图形大小合适，图形和符号要规范。(3)所用元器件清单(4)电路实体套。陕西理工学院毕业设计彩色循环灯控制电路设计李增辉（陕理工物理与电信工程学院电子信息科学与技术专业1202班，陕西汉中 723000）指导教师：宋卫星摘要设计了一种基于51系列单片机的彩色循环灯的控制电路控制系统，并完成系统的软硬件设计。系统的硬件部分由AT89C51单片机最小系统、按键电路、LED显示电路组成，系统有4种运行模式可以选择，通过按键S0、S1、S2、S3切换。软件部分采用 Keil uVision4进行编程，能够达到其设计要求。实际应用表明，该系统具有功耗小、操作简便的特点。关键词 LED; AT89C51单片机; ProteusColor cycle lamp control circuit designLi Zenghui(Grade12,Class2,Major Electronic Information Science and Technology,Physics Dept.,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shanxi)Tutor:Song WeixingAbstract: The design of a control circuit of the color circulation lamp based on 51 Series MCU is designed, and the hardware and software design of the system is completed. The hardware of the system is composed of AT89C51 MCU minimum system, button circuit, LED display circuit, the system has 4 operating modes can be selected, through the button S0, S1, S2, S3 switch. Software part of the use of uVision4 Keil programming, to achieve its design requirements. The practical application shows that the system has the characteristics of low power consumption and simple operation.Key words: LED, AT89C51, Proteus陕西理工学院毕业设计目 录引言 .11 彩色循环灯控制系统的原理 .12 主要器件简介 .12.1 AT89C51单片机 .12.2 AT89C51单片机管脚说明 .23 硬件电路设计 .33.1主控电路 .33.1.1直流供电 .33.1.2时钟电路 .43.1.3复位 .43.2电源电路 .43.3显示电路 .53.4按键电路 .54 硬件开发环境 .54.1自行搭建单片机硬件系统 .54.2单片机开发板 .54.3硬件总电路图 .65 软件设计 .6陕西理工学院毕业设计5.1软件开发环境 .65.2 Proteus软件 .75.2.1 Proteus的工作过程 .75.2.2 Proteus软件所提供的元件资源 .85.2.3 Proteus软件所提供的仪表资源 .85.2.4 Proteus软件所提供的调试手段 .85.3 程序流程图 .96 系统安装调试及使用方法 .97 结束语和展望 .10致谢 .10参考文献 .11附录1 .12附录2 .13陕西理工学院毕业设计第1 页 共 15 页引言目前，国内的一些主要城市都是采用传统的单一循环式的彩灯控制器，因为其功能单一，浪费高，又不方便实用渐趋淘汰，取而代之的新一代的单片机功能实现的控制器，其选择功能相当多，基于单片机、芯片处理技术方面的平面循环彩灯控制器已在研究之中，并且已有一些线路已投入运行，到目前为止反映良好，更能适合于中小城市的普遍推广使用，而我们也是利用单片机通过编程实现对平面彩灯实现各种控制，开发出的产品也是适合市场发展的潮流的。而且，随着行业的继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，LED的光效也在不断提高，价格不断走低。新的组合式管芯的出现，也让单个LED管的功率不断提高。这些逐步的改变，都体现出了LED的广泛应用前景 1。LED的优点是光电转化效率高、绿色环保、寿命长、工作电压低、反复开关无损寿命、体积小、发热少、亮度高、坚固耐用、易于调光、色彩多样、光束集中稳定、启动无延时；当然，有优点自然就有缺点，LED的起始成本高、显色性差、大功率LED效率低、需要专用驱动电路。随着发光二极管高亮度化和多色化的进展，应用领域也是不断扩展、从较低光通量的指示灯到显示屏，再从室外显示屏到中等光通量功率信号灯和特殊的照明的白光光源，最后发展到高光通量通用照明光源。2000年是时间的分界线，在2000年已解决所有颜色的信号显示问题和灯饰问题，并已经开始低、中光通量的特殊照明应用，而作为通用照明的高光通量白光照明应用，似乎还有待时日，需将光通量进一步大幅度提高方能实现。当然这也是一个过程，会随着亮度提高和价格下降而逐步实现。当前的LED应用于LED显示屏、交通信号灯、汽车用灯、液晶屏背光源、照明光源、灯饰等等 2。1 彩色循环灯控制系统的原理本文设计一种由AT89C51单片机的彩灯控制电路，实现对LED彩灯的控制 10。电路以AT89C51单片机为主控核心，由外接USB 端口提供+5V电源，以LED彩灯的闪烁模式作为显示线路，采用独立式按键来切换闪烁模式达到用户控制电路的作用。电路控制10个发光二极管具有右移、左移、全亮功能；一亮一灭移动方式；间隔时间约为一秒。彩色循环灯控制系统的构成如图1.1所示。按 键 电 路电 源 电 路主控电路显示电路图1.1 系统原理框图主控电路：采用AT89C51单片机设计主控电路，包含单片机，晶振电路，复位电路等。电源电路：采用外接USB端口提供+5V直流电源。显示电路：采用LED彩灯的闪烁模式。按键电路：采用独立式按键切换闪烁模式。2 主要器件简介2.1 AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。陕西理工学院毕业设计第2 页 共 15 页单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51单片机的引脚排列如图2.1所示。图2.1 AT89C51的引脚排列2.2 AT89C51单片机管脚说明P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1 ”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表2.1所示。表2.1 P3 口备用功能管脚 备选功能P3.0 RXD 串行输入口P3.1 TXD 串行输出口P3.2 /INT0 外部中断0P3.3 /INT1 外部中断1P3.4 T0 计时器0外部输入P3.5 T1 计时器1外部输入陕西理工学院毕业设计第3 页 共 15 页P3.6 /WR 外部数据存储器写选通P3.7 /RD 外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。VCC：电源。GND：接地。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH 地址上置0。此时， ALE只有在执行 MOVX，MOVC 指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/EA将内部锁定为RESET ；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3 硬件电路设计3.1主控电路单片机的最小系统包括直流供电、时钟电路、复位电路。这些电路处于正常状态是单片机正常工作的必须条件。如图3.1所示为本设计的主控电路。图3.1 主控电路3.1.1直流供电陕西理工学院毕业设计第4 页 共 15 页直流供电不正常，单片机肯定不能正常工作。AT89C51单片机的工作电压为4-5.5V，推荐电压为5V，额定电流为0.5A或1A 。5V的直流电压可有专用的5V直流电源提供。也可以将220V 交流电降压、整流，再用三端稳压器7805稳压后得到5V 直流电压。由于一般的应用中，单片机使用内部程序，所以EA（即单片机的引脚）要接电源（高电平），若接地，则单片机访问外部程序（使用外部程序存储器）。本设计采用外接USB接口提供+5V直流电源。3.1.2时钟电路时钟电路的作用是产生时钟信号（为脉冲信号）。时钟信号的作用是使单片机按一定的时间规律来工作（执行指令）。时钟电路有单片机18、19、20引脚外接的两个瓷片或贴片电容（C 1、C 3）和一个晶振和单片机的部分内部电路组成。常用晶振的频率有6MHz、11.0592MHz 、12MHz.24MHz。晶振的频率越高，时钟信号的周期就越小，单片机运行也就越快。瓷片电容的值为10-30pF，电容对时钟信号的频率有一定的影响，做高精度电子钟时需注意。本次设计晶振选用11.0592MHz的频率，瓷片电容选用30pF，接在18、19引脚之间，如图3.2所示。图3.2 时钟电路3.1.3复位复位是单片机的初始化操作。单片机启动运行时，都需要先复位，起作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位时一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。复位，实质上是在单片机上电后，使单片机的复位引脚（9引脚）保持一定时间（很短，一般为几个机器周期）的高电平，然后在变为低电平。复位的方法有一下两种：（1）上电复位。有9引脚外接的电解电容器C 2（容量可取1-20uF）和电阻R 1（阻值可取1-10k）组成。（2）手动复位。由按键、限流电阻R 13组成。系统上电后，手动点按一下按键，可使单片机重新复位。若自动复位出现故障后，按下此键，也可以是单片机复位。如图3.3所示，为本次设计最小系统的复位电路，包括上电复位和手动复位。其中上电复位电容C 2为10uF ，电阻 R1取1k，手动复位限流电阻 R13为100。图3.3 复位电路3.2电源电路电源电路采用外接USB端口提供+5V直流电源。USB 是一种常用的 PC接口，它只有4根线，两根电源两根信号，故信号是串行传输的，USB接口也称为串行口，USB2.0的速度可以达到480Mbps陕西理工学院毕业设计第5 页 共 15 页。可以满足各种工业和民用需要.USB接口的输出电压和电流是：+5V500mA实际上有误差，最大不能超过+/-0.2V 也就是4.8-5.2V。USB 接口的4根线一般是红绿白黑从左到右分配，分别为VCC、DATA+ 、DATA-、GND，需要注意的是千万不要把正负极弄反了，否则会烧掉USB 设备。本次设计中，只需用到正负两极即可，不涉及数据传输。3.3显示电路LED具有光谱宽、寿命长、使用广泛、功耗少、可以灵活拼装为各种各样的形状等优点。一般来说LED灯的工作电压为2V-2.5V。工作电流为0.005-0.0