基于AT89C51单片机的彩灯循环控制设计方案

2 基于 片机 的彩 灯 循环 控制 设计方案 第 1 章 绪论 当今社会中，循环彩灯在人们的日常生活中有着日益重要的作用。它不仅能美化环境 ,渲染气氛，还可以用于娱乐场所和电子玩具中 ,并且在不同场所都各具特色。由于循环彩灯的快速发展使其应用也越来越广泛 ,逐渐深入到了人们生产、生活的各个领域。随着彩灯应用的深入发展 ,对其安全要求也就越来越高。 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时也带动传统控制日新月异更新。在自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是 不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，并加以完善。 随 着社会不断的发展，电子产品的质量也不断提高。彩灯循环电路也由以前的简单、功能单一的电路，变为现在复杂、实现功能多的电子产品。 本次我进行了彩灯循环控制电路的设计 。 彩灯是我们日常经常使用的产品，它制作简单，过程易学，还可以提高我们的动手能力，增强我们 分析和 解决问题的能力。 利用控制电路可使彩灯按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电。近年来，随着人们生活水平的较大提高，人们对于物质生活的要求也在逐渐提高 ，不仅需要各种各样的生活电器，也开始对环境提出了更高的要求。彩灯的运用已经遍布于人们的生活中，从歌舞厅到 各种儿童电子玩具 ，从庆祝节日到日常生活中的点缀。这些都说明了 彩灯的发展及应用 水平有了很大的飞跃，也说明科技在现实运用中有了较大的发展，随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。 灯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广泛运用。 本次毕业设计全面运用了我们以前所学的知识，在加强我直接应用综合能力的同时，力求让我在短时间里得以掌握先进科学技术：如本设计中所使用到 的 设计软件，使 自己 能够 理论联系实际 ，并且 设计电路的能力 也有所提高 。 3 第 2 章 系统设计方案 计方案介绍 本次设计的 彩灯循环控制电路 采用的方案如图 2 图 2案图 系统 电路 主要由主控器、时 钟 电路、电源 电路 、复位电路、彩灯显示 电路 、模式控制电路等部分组成 。 成方案各部分的功能介绍 在 路 为了保证同步工 作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。时序 电路 用于产生单片机工作所需要的时钟信号。 路 采用经市电 降 压 、整流、滤波、 稳压的稳压电源把市电变为 +5 单片机 供 电。 路 模式 控制 部分 是单片机的一个中断系统，中断按下后，转换 彩灯循环的不同模式。 使 其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 主 控 器 彩灯循环电路 时钟电路 复位电路 电源电路 数码管显示电路 模式控制电路 4 路 由 是本次设计的主体，就是要用编写程序 烧入芯片，并有单片机控制电路 实现 点亮。 7. 数码管显示电路 本次设计的彩灯循环共有 5种循环模式，在仿真中当按键按下的时候，七段数码管就显示由 1 5的模式号。 第 5页 共 32 页 第 3 章 硬件 电路设计 源电路 采用经市电 降 压 、整流、滤波、 稳压的稳压电源电路如图 3 图 3源电路 220V 市电经过降压后得到 12V 交流电，经二极管整流成脉动直流电，经过电容滤波后 ， 再经过 光二极管 用作 电源指示， 470 再次滤波的作用。 控器 主控器就是 片机 ,它是指集成 在一个芯片上的微型计算机，包括 机存取存储器 读存储器 本输入、输出接口电路、定时、计数器等部件制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机。整个电路以单片机为中心组成。在单片机中烧入程序，单片机运行程序输出信号控制彩灯的循环闪亮。以下对单片机的引脚及相关功能和内部结构加以介绍。 片机的引脚及相关功能 单片机引脚图如图 3 第 6页 共 32 页 图 3片机引脚图 芯片的 40个引脚按功能大致可分为 4个部分：电源部分、时钟部分、控制部分和 I/ （ 1） 芯片电源，接 +5V； （ 2） 接地端； 注：用万用表测试单片机引脚电压一般为 0V 或者 5V，这是标准的 平。但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于 0实这是万用表响应速度没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电压仍保持在 0V。 在 89输入端引脚为 输出端引脚为 要在 可以构成一个稳定的自激振荡器。 控制线共有 4根： （ 1） 址锁存允许 /片内 来锁存 位地址； 内有 引脚输入编程脉冲。 （ 2） 第 7页 共 32 页 （ 3） 位 /备用电源； 能：复位信号输入端； 备用电源。 （ 4） 外 择 /片内 外 内有 芯片，在 加编程电源 引脚部分 （ 1） 80个 8位并行 I/ 32个引脚。 于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。 （ 2） 行输入口； 行输出口； 部中断 0； 部中断 1； 0 定时计数器 0； 1 定时计数器 1； R 外部数据存储器写选通（低电平有效）； D 外部数据存储器读选通 （低电平有效）。 051 单片机内部结构 单片机内部结构如图 3 图 3051单片机内部结构 第 8页 共 32 页 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器 (数据存储器 (定时 /计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线 ,现在我们分别加以说明： 中央处理器 (整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码， 责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 8051内部有 128个 8位用户数据存储单元和 128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的 有 128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 8051共有 4096个 8 位掩膜 于存放用户程序，原始数据或表格。 计数器 (8051有两个 16位的可编程定时 /计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 I/O)口 8051共有 4组 8位 I/ 3)，用于对外部数据的传输。 片机最小系统的介绍 片机最小系统组成 单片机最小系统以 89外加时钟和复位电路 ,电路结构简单 ,抗干扰能力强 ,成本相对较低 ,非常符合本设计的所有要求 是当前 8位单片机的典型代表 ,采用 即互补金属氧化物的 具有 还具有 的特点。单片机最小系统 如 图 3 第 9页 共 32 页 图 3片机最小系统 位电路 无论用户使用哪种类型的单片机 ,总要涉及到单片机复位电路的设计。 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态 。而单片机复位电路设计的好坏 ,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统 ,并在实验室调试成功后 ,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象 ,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。 单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位 。 手动按钮复位需要人为在复位输入端 加入高电 平（图 3动按钮复位）。一般采用的办法是在 和正电源 人为按下按钮时，则 5动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。 图 3动按钮复位 第 10页 共 32 页 上电复位电路如图 3示，只要在 位输入引脚上接一电容至 接一个电阻到地即可。 图 3电复位 复 位电路采用简易的手动按钮复位电路，主要由电阻 R ，电容 C ，开关 K 组成，分别 接至 当按下复位电路的复位开关 间短接复位开关，由于此 一端有电源 5接供给为高电平，此复位开关的某一段也会直接或者间接的作用于南桥内的复位系统控制模块，所以瞬间短接复位开关会在开关的高电平端会产生一个低电平信号，此信号会直接或间接作用于南桥内的复位系统控制器，使南桥强行复位之后，南桥也会强行去复位其他的设备和模块，南桥给主板其他硬件设备复位后，整个主板复位完成，这就是主板复位电路 的原理。本设计 采用手动按钮复位，以满足复位的时间要求及设计质量。 钟电路 时钟电路如图 3 图 3钟电路 第 11页 共 32 页 时钟电路简单介绍如下： 于产生这个时间的电路就是时钟电路。 现在流行的串行时钟电路很多，如 些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。 本设计 中时钟电路由 18， 19 脚的时钟端 ( 及 12 振 X、电容 用片内振荡方式。 灯循环和数码管显示电路 单片机 块芯片 74路反向控制器） 分别接 16个发光二极管的阳极，16个二极管的阴极接地（如图 3当 低电平 “0” 时经过 74应的发光二极管被点亮 ;当 高电平 “1” 时经过 74应的发光二极管熄灭。 图 3灯循环 电路 74图 3是一块具有驱动功能的四路反向器，除反向功能外，还可以起到隔离作用，保护单片 机机芯的内部电路，增加输出口的扇出电流，提高负载能力。 第 12页 共 32 页 图 34数码管显示的是彩灯循环闪亮的模式号，接在 于 码管显示电路如图 3 图 3码管显示电路 式控制电路 模式控制部分为一个电阻接高电平和一个按键接低电平连接构成。按一下按键彩灯模式就换一种。 模式控制电路如图 3 图 3式控制电路 第 13页 共 32 页 机电路工作原理 根据彩灯循环控制电路设计的原理框图，可得出整机 电路 工作原理图 如附录 1所示。其工作原理为： 控制程序存储在 89片机 中 ， 在 间跨接两个容值为 10微调电容和一个振荡频率为 12晶体震荡器，并由此产生电路运行的时钟信号。 六 只 引脚输出低电平， 经过 74平 ，再将此高电平 输入 能使彩灯 依次 点亮。 脚为 中断信号，一旦模式转换开关被按下后就向 出中断命令，单片机就停止当前运行的方式执行此时 灯就一次按照转换的相应 模式循环闪亮。 第 14页 共 32 页 第 4 章 系统软件设计 程序设计流程图 主程序的主要功能是负责整个电路的运行，由 出的中断信号，转换控制彩灯循环闪亮的方式。判断是否有中断命令向 是则转换闪亮的模式，若不是若该方式继续运行，每个彩灯闪烁的周期为 1s。流程图如图 4 图 4流程图 主程序设计如下： ) =0 ; /置外部中断为边沿 (下降沿 )触发方式 ; /开放外部中断 0允许位 ; /开放中断允许位 ; /定义变量 开始 系统初始化 彩灯循环 按键按下 模式转换 N Y 第 15页 共 32 页 /彩灯高电平点亮 ; ; /假设变量 ; ) :); /运行模式 1 ，否则跳出 :); /运行模式 2 ，否则跳出 :); /运行模式 3 ，否则跳出 :); /运行模式 4 ，否则跳出 :); /运行模式 5 ，否则跳出 P0= /定义 输出 ); 灯循环模式转换程序设计 彩灯循环模式的转换其实就是由中断控制的，当程序初始化后，按下按键中断信号发出，模式就转换为另一种，而彩灯就在该模式下循环闪亮。如按键没有按下则彩灯还是保持当前循环不变，本设计彩灯共有 5种循环模式，按下按键这 5种模式就依次转换。其流程 图如图 4 第 16页 共 32 页 图 4式转换流程图 各种模式转换程序设计如下： *模式 一 * ) /定义模式 1 为由里向外循环点亮 6=00 开始 彩斜排循环闪亮 外到里循环闪亮 系统初始化 彩灯里到外循环点亮 按键按下 ? 按键按下 ? 按键按下 ? 按键按下 ? N N N Y Y Y Y 彩灯奇偶循环闪亮 按键按下 ？ N 第 17页 共 32 页 6=00 /设置模式 1彩灯循环数组 if(15) ; /数据库中循环到 15时，数据显示回 0 ; /数据加一循环 P1= P2= / 将定义数组的值赋给 2 *模式二 * ) /定义模式 2 为由外 向里循环点亮 6=00 6=00 /设置模式 2彩灯循环数组 if(15) ; /数据库中循环到 15时，数据显示回 0 ; /数据加一循环 P2=gj P1=zf / 将定义数组的值赋给 2 *模式三 * ) /定义模式 3为 左下斜排顺序循环闪亮 =0 =0 /设置模式 3 彩灯循环数组 if(6) 第 18页 共 32 页 ; /数据库中循环到 6时，数据显示回 0 ; /数据加一循环 P2=zx P1=fx / 将定义数组的值赋给 2 *模式四 * ) 2=0 /设置 2 为输出端 ); *模式五 * ) /定义模式 5为彩灯以竖排形式循环闪亮 =0 =0 /设置模式 4 彩灯循环数组 if(4) ; /数据库中循环到 4时，数据显 示回 0 ; /数据加一循环 P2=sj P1=so / 将定义数组的值赋给 2 断程序设计 中断信号由 输入，通过 来决定是低电平有效还是下降沿有效，一旦输入信号有效，即向 建立 断命令发出后，控制彩灯在相 第 19页 共 32 页 应的模式下循环闪亮。中断设计程序如下： /的中断函数 ); /中断延时为 0); /输入中断信号 ; if(); /中断显示最大为 5，否则跳到 1 第 20页 共 32 页 第 5 章 电路仿真与调试 51 软件编译程序 51软件是目前最流行的开发 51 提供了 汇编、链接器、库管器和一个 功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，并通过一个集成开发环境（ 它们组合在一起。由于 51本身是纯软件，还不能直接进行硬件仿真，所以必须挂接单片机仿真器的硬件才可以进行仿真。 51同时还支持 语言的程序设计，它界面和常用的微软 的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序和软件仿真方面也有很强大的功能（如图 5 51支持的 设计中选用的是 图 5 使 用 编译器，以便把写好的 样单片机才能执行编写好的程序。 在新建 在 试和编译之后，加载程序为 成能让单片机运行的 图 5 第 21页 共 32 页 图 5序编写与编译 路仿真 当程序编写并仿真成功后，就 运行 件，将电路图画好 后 在进行调试 ，进入该仿真软件的主界面。主界面由菜单栏、工具栏、预览窗口、元件选择按钮、元件列表窗口、原理图绘制窗口和仿真进程控制按钮组成 。 通过元件选择按钮 P (从库中选择元件命令 ) 命令，在弹出的 口 （如图 5中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，对元件参数设置及元器件间连线，完成单片机系统的硬件原理图绘制。 图 5口 第 22页 共 32 页 打开如图 5 添加编译好的十六进制格式的程序文件 将 2击 钮完成程序添加工作。 图 5加程序文件 制完成后的电路图就添加 下运行按键就可以进行仿真了。仿真过程中如有硬件问题可在 直接修改，如有软件问题可在 直接修改，通过 本次设计的彩灯循环有 5种模式，各种模式的仿真图如下所示。 图 5式一仿真图 第 23页 共 32 页 图 5式二仿真图 图 5式三仿真图 第 24页 共 32 页 图 5式四仿真图 图 5式五仿真图 第 25页 共 32 页 总 结 本系统 就是充分利用了 片的 I/O 引角。系统采用 列单片机为中心器件来设计彩灯循环控制器，根据实际需要实现了彩灯循环闪亮的功能 。 和 外接彩灯。 本 系统 电路和 程序设计简便、操作简单、实用性强。 经过 本 次的设计，现将 循环控制中出现的优缺点归纳为以下几点： 靠性高、效率高、寿命长、成本低等优点。 现故障时 能较快的消除 。 适于大型场合。 环的 彩灯数量也受到 了一定的 限制。 通过这次设计，使我在单 片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程 日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。我还学会了许多书本上不能学到的知识，增强了自己的实践能力。即将毕业的我更加珍惜这次锻炼的机会，认真努力完成了自己的设计任务，但由于自己的知识水平有限，仍然存在很多的不足之处，恳请老师多多指教！ 当今的社会 的 竞争 日益激烈 ，而人才的竞争则是竞争的焦点，毕业设计对于我们即将走上工作岗位的学生来说，是离校前很好的一次锻炼机会，使我们各方面的能力都有了很大的提 高 ，为我们踏出校门走向社会增 添 了能力与自信 。 第 26页 共 32 页 参考文献 1 王静霞 M电子工业出版社， 2009 2 付家才 M化学工业出版社， 2004 3 潘新民 M人民邮电出版社， 1999 4 余锡存 M西安电子科技大学出版社 , 2000 5 雷丽文 M电子工业出版社， 1997 6 蒋万君 J机电 一体化， 2005 7 李银华 线路设计指导 航空航天大学出版社 ， 1985 8 何小艇 浙江 :浙江大学出版社 , 1994 9 李华 北京 :北京航空航天大学出版， 1993 10 陈汝全 成都 :电子科技大学出版社， 1995 11 何立民 北京 :北京航空航天大学出版社 , 1990 第 27页 共 32 页 附录 1 整机电路原理图 第 28页 共 32 页 附录 2 元件明细表 项目 代号 名称 型 号、规格 数量 备注 更改 阻器 b110% 2 容器 10 容器 1 振 12M 1 拉电阻 片机 环彩灯 6 相器 74 相器 74 码管 7 键 旧底图总号 更改 标记 数量 更改 单号 签名 日期 底图总号 拟 制 朱冉 基于单片机的彩灯循环控制系统的元器件明细表 审 校 日期 签名 等级标记 第 1 张 共 1 张 标准化 批 准 第 29页 共 32 页 附录 3 源程序设计 *程序 * # /库函数头文件 # /定义无符号字符型常量 / 定义局部变量 *循环延时程序 * ) i,j,k; /定义局部变量 i,j,k i=10;i0; j=100;j0; k=250;k0; /设置循环次数 /设置延时时间为 i,k; /定义局