基于单片机的节日彩灯设计课程设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 基于单片机的节日彩灯设计基于单片机的节日彩灯设计 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文） i 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 摘 要 节日彩灯时生活中常常用到的装饰物品。由于其丰富的灯光色彩，低廉的造 价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已 经成为一种时尚。它集中地运用了单片机、led、自动控制等技术，是典型的机 遇单片机的电子产品。彩灯控制电路时近年来随着电子技术发展而产生的一种控 制装置。它能使彩灯按照要求有序地被点亮。本彩灯控制器可控制八个彩灯的一 次点亮，能营造出平面上色彩变化的场景，本电路结构简单适合初学者学习。 本文以 at89c51 单片机为控制核心，采用模块化得设计方案，运用 led 彩 灯、按键等组成电路，实现彩灯在开启时满足不一样的闪亮方法。按键可以再彩 灯使用的时候选择不同的亮法，使彩灯变化多样，按键一可以使彩灯常亮，按键 二可以使彩灯闪烁，三号按键键使流水线亮，四号按键使彩灯单数等闪亮累计 5 次后，换双数灯闪亮 5 次，依次交换。通过按键能方便使用者选择不同样的亮法。 关键词：led 彩灯；循环；at89c51 本科生课程设计（论文） ii 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 3 2.1 概述 .3 2.2 系统组成总体结构 .3 第 3 章 硬件设计 5 3.1 单片机最小系统设计 .5 3.1.1 单片机选择 .5 3.1.2 时钟电路设计 .8 3.1.3 复位电路设计 .8 3.1.4 锁存控制电路 .9 3.1.5 单片机最小系统 10 3.2 按键控制电路 11 3.3 led 彩灯显示模块 .12 3.4 系统总电路图 14 第 4 章 软件设计 .15 4.1 按键扫描子程序设计 15 4.2 主程序设计 16 第 5 章 课程设计总结 .21 参考文献 22 本科生课程设计（论文） 0 第 1 章 绪论 节日彩灯是生活中常常用到的装饰物品。它集中地运用了单片机、led、自 动控制等技术，是典型的基于单片机的电子产品。 随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越 快，智能度越来越高，应用范围也得到了极大的扩展。在海洋开发、宇宙探测、 工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域。在娱乐方面，场地的装饰离不 开彩灯。在建筑方面也采用彩灯来装饰高楼大厦。彩灯有灵活多变的点亮方式， 装饰效果非常好，特别是晚上似的高楼大厦更加漂亮。 在国内外，微控制系统主要采用单片机作为控制核心。因此，单片机的发展 将有助于简单实用电子产品的开发。在本设计中，采用比较先进的 at89c51 单 片机为控制核心，它的功耗很低。 单片机技术发展至今，掌握最先进技术的仍然是国外的几大公司。如 intel 公 司发展的 mcs-51 系列的新一代产品，如 8xc152、80c51fa/fb、80c51ga/gb、8xc451、8xc452 ，还包括了 philips、siemens、adm、fujutsu、oki、harria-metra、atmel 等公司以 80c51 为核心推出的大量各具特色、与 80c51 兼容的单片机。新一代的单片机的最主要 的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现 microcomputer 完善的控制功能为己 任，可连接一些外部接口功能单元如 a/d、pwm、pca（可编程计数器阵列） wdt（监视定时器） 、高速 i/o 口、计数器的捕获、比较逻辑等。这一代单片机 中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应 用系统设计提供了更加灵活的方式。philips 公司还为这一代单片机 80c51 系列 8xc52 单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线can（controller area network bus） 。 由于国内生活水平不断提高，人民向往较佳的生活质素，对灯具灯饰也不断 提出了新要求，近年内地灯饰市场有以下情况： 功能细分：人们要求灯具能符合不同场合，不同照光功能的需求日高，因此 适用于各种使用要求的灯具逐应运而生，如学生灯、书写灯、应急灯、日光灯、 霞光灯、晚餐灯以及不同高度的落地灯等新品叠出。 高技术化：由于电子技术被广泛用于灯具的制造，适应不同的电压，使可调 节亮度的第三代照光灯具多起来。无频闪灯、3 种波长色谱可调灯，放射远红外 光灯等具备保护视力功能的灯具也开始推出市场。 多功能化：符合当前的消费时尚、集多种功能于一体的灯如床头兼作光敏电 本科生课程设计（论文） 1 话自控灯、带八音盒台灯等，是近年另一需求特点。 节能环保：新推出的高科技无频闪书写灯，光线平稳并可节能源 50%，这种 灯具很受消费者的欢迎。环保是灯具生产技术的崭新主题，显示人们对居室生态 环境的重视，这亦是未来家居照明的主要发展方向。 国际灯具行业现代化产品设计的潮流是：减少产品的尺寸，以减少材料的投 入；现代社会对产品的开以制造最重要的着眼点是“经济”和“环境保护” 。照 明产品最好能体现这一潮流的是紧凑荧光灯，细管径，超细管径直管荧光灯和无 汞的射频(rf)或微波(mw)激发的硫灯。紧凑型荧光灯直径和尺寸，它们的形式多 种多样用途也十分广泛。一般来说，它们有 5 倍于白炽灯的光效和 8 倍于白炽灯 的寿命。因此，它们是绿色照明工程的推荐产品，使用紧凑型荧光灯的灯具也日 益多见。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 本文提出了一种基于 at89c51 单片机的彩灯控制方案，实现对 led 彩灯的 控制。本方案以 at89c51 单片机作为主控核心，与键盘、显示、驱动等模块组 成核心主控制模块。在主控模块上设有 4 个按键和 8 个 led 显示器，可以有多 种闪光模式。 2.2 系统组成总体结构 利用单片机设计，框图如图 2.1 所示 at89c51 单片机 led 彩灯显示电路 时钟电路 按键电路 复位电路 图 2.1 利用单片机设计结构框图 led 彩灯系统包括 5 大部分，即闪烁系统，脉冲震荡系统，核心控件 （89c51 主控模块） ，复位电路。主控模块，具有控制功能，闪烁系统是受控模块， 上面有 16 个 led 灯及 16 个电阻。核心控件主要由 89c51 芯片组成，是整个彩 本科生课程设计（论文） 3 灯循环系统的核心，是控制彩灯循环闪烁等等一切功能的部件。复位开关连接控 制器的 rst 端，实现复位控制。 根椐彩灯的亮灭规律，为了便于控制，决定采用移位型系统方案。即用移位 寄存器模块的输出驱动彩灯，彩灯亮，灭和花型的转换通过改变移位寄存器的工 作方式来实现。16 路彩灯需要移位寄存器模块的规模为 16 位，但为了便于实现 花型 4 的演示花型，将其分为左，右两个 8 位移位寄存器模块 lsr8 和 rsr8。 由按键控制功能的流水灯,其中的 led 采取共阳极接法，通过依次向连接 led 的 /口送出低电平，可实现题目要求的功能。 本科生课程设计（论文） 4 第 3 章 硬件设计 3.1 单片机最小系统设计 3.1.1 单片机选择 本次设计选择 at89c51。 （1）at89c51 单片机硬件结构： at89c51 是一种低功耗、低电压、高性能的八位 cmos 单片机，片内有一 个 4kb 的 flash 可变成可擦除只读存储器（fperom-flash programmable and erasable read only memory） ，它采用了 cmos 工艺和 atmel 公司的高密度非 易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与 msc-51 兼容。片内置通用 8 位中央处理器（cpu）和 flash 存储单元，片内的存储器允许在系统内改变程 序或用常规的非易失性存储器编程。因此，at89c51 是一种功能强、灵活性高且 价格合理的单片机，可方便的应用于各种控制领域。 （2）主要特性： 1. 与 mcs-51 产品指令系统兼容 2. 4k 字节可编程闪烁存储器 3. 寿命：1000 写、擦循环 4. 数据保留时间：10 年 5. 全静态工作：0hz-24hz 6. 三级程序存储器锁定 7. 128*8 位内部 ram 8. 32 可编程 i/o 线 9. 两个 16 位定时器、计数器 10. 6 个中断源 11. 可编程串行通道 12. 低功耗的闲置和掉电模式 13. 片内振荡器和时钟电路 （3）管脚说明： vcc（40）：供电电压，其工作电压为 5v。 gnd(20):接地。 p0 端口（p0.0-p0.7）:p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 本科生课程设计（论文） 5 8ttl 门电流。当 p1 口的管脚第一次写 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、地址的第八位。再 lfash 编程时， p0 口作为原码输入口，当 flash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须 被拉高。 p1 端口（p1.0-p1.7）：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能够接收 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高电平，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。 再 flash 编程和校验时，p1 口作为第八位地址接收。 p2 端口（p2.0-p2.7）：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 端口（p3.0-p3.7）：p3 口管脚是一个带有内部上拉电阻的 8 位的双向 i/o 端口，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。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流 （ill） 。p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如表 1 所示。p3 口同时为 闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 复位 rst(9)：复位输入。在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周 期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平， 51 芯片便循环复位。复位后 p3.0-p3.7 口均置 1，引脚表现为高电平，程序计数 器和特殊功能寄存器 sfr 全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 rom 的 00h 处开始运行程序。复位操作不会对内部 ram 有所影响。 ale/(30)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存 prog 地址的地位字节。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。 (29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间， psen 每个机器周期两次有效。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。 psen ea/vpp(31)：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h- _ ea ffffh） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，将内部锁定为 _ ea 本科生课程设计（论文） 6 reset；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 flash 编程期间，此 _ ea 引脚也用于施加 12v 编程电源（vpp） 。 xtal1(19)：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2(18)：来自反向振荡器的输出。其引脚图如图 3.1 所示。 表 3.1 p3.6 端口引脚兼用功能表 图 3.1 at89c51 引脚图 端口引脚第二功能 p3.0rxd(串行输入口) p3.1txd（串行输出口） p3.2（外中断 0）0int p3.3（外中断 1）1int p3.4t0(定时、计数 0) p3.5t1（定时、计数 1） p3.6（外部数据存储器写选通）wr p3.7（外部数据存储器读选通）rd 本科生课程设计（论文） 7 3.1.2 时钟电路设计 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，复位操作则 使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。 时钟电路 89c51 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方 式和外部振荡方式。 在引脚 xtal1 和 xtal2 外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成 了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就 构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图 3-1 所示。 图 3-1 中，电容器 cl，c2 起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在 5-30pf。晶振频率的典型值为 12mhz，采用 6mhz 的情况也比较多。内部振荡方 式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多。 图 3.2 时钟电路 3.1.3 复位电路设计 复位电路电路图如图 3.3 所示 当 89c51 单片机的复位引脚 rst(全称 reset)出现 2 个机器周期以上的高电 平时，单片机就执行复位操作。如果 rst 持续为高电平，单片机就处于循环复位 状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关 复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。 89c51 x1 x2 c1 本科生课程设计（论文） 8 常用的上电复位电路电容 c1 和电阻 r1 对电源+5v 来说20构成微分电路。 上电后，保持 rst 一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中 电阻 r1，也能达到上电复位的操作功能，如图 3.3 所示。 10f +5vret 1k 图 3.3 复位电路电路图 开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开 关操作也能使单片机复位常用的上电或开关复位电路。上电后，由于电容 c3 的 充电和反相门的作用，使 reset 持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当 中时，按下复位键 k 后松开，也能使 reset 为一段时间的高电平，从而实现上 电或开关复位的操作。 3.1.4 锁存控制电路 其锁存功能利用 74ls373 来实现，其功能表如表 3.2 所示，引脚图如图 3.4 所示 图 3.4 74ls373 引脚图 本科生课程设计（论文） 9 表 3.2 74ls373 功能表 （1） 锁存使能控制端，如图 3.4 中的 le。 只有当锁存使能信号有效（图 3.4 是上升沿）时，寄存器才能锁存输入数据 (d3d2d1d0)，寄存器状态得到更新。时钟信号经常作为锁存使能端的输入，以便 协调时序电路的工作。 （2） 控制输入端， 它的作用可同时影响寄存器的多个输出，如图 3.4 中的 cr。有些控制输入端 需要与锁存使能输入端配合才能生效，称这种控制为同步控制。 （3） 数据输入端，如图 3.4 在微控制器单元（mcu）中，寄存器是十分重要的资源。寄存器的主要作 用是快速寄存算术逻辑运算单元（alu）运算过程中的数据。熟悉和了解 mcu 的寄存器是掌握 mcu 应用的关键。mcu 内部寄存器的位数通常与 mcu 的总线 宽度相同，如普通 51 系列单片机的寄存器宽度是 8 位，嵌入式控制器和 dsp 处 理器的寄存器宽度通常是 32 位或 48 位。 3.1.5 单片机最小系统 at89c51 最小系统中 xtal1、xtal2 端接上晶振及两个谐振电容，在 reset 端接上相应的电阻、电容，如需要按键复位，加上按键即可组成一个最小 系统，按要求通电后，系统就可以工作了。 输入 输出控制使能数据 输出 dnleoeon hhlh lhll xllq0 xxhz* 本科生课程设计（论文） 10 单片最小系统图如下： 图 3.5 单片机最小系统 3.2 按键控制电路 本次设计使用二极管作为彩灯，16 支彩灯接在了 at89c51 的 p1 口和 p0 口， 这 2 个接口每一个在接二极管的同时在接一个小电阻，这个电阻在电路中所起的 作用是限流电阻，防止电路电流过大，限制电流的作用。 本次设计的按键部分包含四个按键，s0 按键直接接在复位电路上，按下 s0 本科生课程设计（论文） 11 使彩灯亮，s1 使彩灯闪烁，s2 使彩灯流水线闪亮，s3 使彩灯单数等闪亮累计 5 次后，换双数灯闪亮 5 次，依次交换。 图 3.6 按键电路图 3.3 led 彩灯显示模块 led 彩灯显示电路实际上是由 16 个发光二极管和 16 个电阻构成的电路。发 光二极管与电阻对应串联,然后接在与之相对应的 p0 口和 p1 口上。通过软件编程 对 p0 口和 p1 口输出高低电平来实现不同的闪烁花型。由于发光二极管的导通电 压一般为 1.7v 以上，另外，他的工作电流根据型号不同一般为 1ma 到 30ma， 电阻选择范围 100 欧姆3 千欧姆在此我们这里选用 560 欧姆的电阻。 74ls373 的输出端 o0-o7 可直接与总线相连，总线的另一端与单片机的 p0.0p0.7 相连。采用 74ls373 来传输 8 位数据，当液晶显示器进行写数据时， 三态允许控制端 oe 为低电平，通过 74ls373 进行缓存。当数码管显示器进行读 本科生课程设计（论文） 12 数据，还要通过 74ls373 进行输出，把存在液晶显示器里的数据传输到单片机中。 数码管显示模块的 d1 和 d8 分别与 74ls373 的 q1 到 q8 相连来控制数码管显示 模块指令寄存器和数据寄存器读写条件。p0 口为双向三态口，用作输出的时候需 要接上拉电阻。 74ls373 这里的用法是逻辑上透明的，也就是 p0 输出什么，它也输出什么。 不做锁存。作用是提高驱动能力。这样数码管的电流来自 373 而不是单片机。数 码管是共阴极的。 本科生课程设计（论文） 13 图 3.7 led 连接电路 3.4 系统总电路图 系统总电路图如图 3.8 所示： 图 3.8 系统总电路图 本科生课程设计（论文） 14 本科生课程设计（论文） 15 第 4 章 软件设计 单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后， 还需要编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的明灭。软 件编程是多控制、多闪烁方式的 led 彩灯系统中的一个重要的组成部分， 4.1 按键扫描子程序设计 本设计是以单片机 at89c51 为核心控制 16 个发光二极管 4 种闪烁方式的变 换。程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，循环检测直到有按键按下的时候， 程序转去相对应按键的彩灯显示的花型模块。 是否有键按下 延迟 10ms 是否有键按下 扫描 结束 确定键号 开始 图 4.1 按键扫描子系统设计流程图 是否有键按下 是否有键按下 本科生课程设计（论文） 16 4.2 主程序设计 n n n n y 开始 长跳转到 start p1.0=0? y y y p1.0=0? p1.0=0? p1.0=0? 模式二亮灯 模式四亮灯 模式三亮灯 模式一亮灯 图 4.2 主程序流程图 本科生课程设计（论文） 17 汇编程序如下： org 0000h ljmp start org 0003h ljmp speedup org 0090h start:mov ie,#81h setb it0 mov 60h,#20 mov p2,#0ffh mov p3,#0ffh mov 40h,#0 mov p0,#0ffh jnb p1.0,key1 jnb p1.1,key2 jnb p1.2,key3 sjmp start key3:lcall key33 key1:mov r4,#03h mov p3,#0f2h key1:mov p0,#0fh mov p2,#32h lcall delay mov p0,#00h mov p2,#00h lcall delay sjmp key1 djnz r4,key11 mov p2,#0ffh mov p0,#0feh lcall delay restart1:mov r4,#07h mov r5,#07h 本科生课程设计（论文） 18 mov r3,40h loop1:inc r3 mov a,r3 mov dptr,#seg movc a,a+dptr mov p2,a mov a,p0 rl a lcall delay mov p0,a jnb p1.3,start djnz r4,loop1 inc r3 inc r3 loop2: dec r3 mov a,r3 mov dptr,#seg movc a,a+dptr mov p2,a mov a,p0 rr a lcall delay mov p0,a djnz r5,loop2 sjmp restart1 ret key2: mov 40h,#1 mov r1,#8h mov a,#0feh mov p0,00h mov p3,#048h loop3: mov p0,a 本科生课程设计（论文） 19 mov r0,a clr a mov a,40h mov dptr,#seg movc a,a+dptr mov p2,a lcall delay jnb p1.3,loop5 inc 40h clr a mov a,r0 rl a djnz r1,loop3 inc 40h ljmp key2 key3:clr a mov 40h,#8 mov r1,#8h mov a,