基于单片机的节日彩灯控制器设置毕业设计论文.doc

i 密级：密级： 学号：学号： 本本科科生生毕毕业业设设计计（论论文文） 基于单片机的节日彩灯控制器设置基于单片机的节日彩灯控制器设置 学学 院：院： 专专 业：业： 班班 级：级： 学生姓名：学生姓名： 指导老师：指导老师： 完成日期：完成日期： ii 学士学位论文原创性申明学士学位论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的设计（论文）是本人在指导老师的指导下独立 进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本设 计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全 意识到本申明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江西科技学院江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。 保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 。 （请在以上相应方框内打“” ） 学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 iii 摘 要 节日彩灯在人们的生活中随处可见，由于彩灯绚丽的色彩和低廉的价格，使 得彩灯在人们的生活中得到了广泛的应用，彩灯在城市的高楼大厦中的装饰已经 成为了一种风尚。彩灯是一种在单片机的基础上研制的产品，并结合了 led 和 自动控制技术，是基于单片机发展起来的电子产品。控制彩灯的电路是最近发展 起来的控制装置。它能够控制彩灯按照人们的意愿点亮。在本文的彩灯研究中， 控制器能够控制八个彩灯，一次性的点亮，使得场景不断的变化，这对于初学者 来说的学习是有利的。 在本文的研究中，控制核心是 at89c51 单片机，利用了模块化的设计思想， 将 led 彩灯和按键组成电路，实现彩灯在开启的时候按照不同的方式点亮。按 键是控制彩灯的点亮方式的，控制彩灯的变化，按键一到按键四分别控制了彩灯 常亮、彩灯全灭、流水线上行亮、使流水线下行亮，使用者利用按键选择亮法。 关键词：led 彩灯；循环；at89c51 iv 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 时钟电路设计.5 3.1.2 复位电路设计.6 3.1.3 单片机最小系统.6 3.2 按键控制电路 .7 3.3 led 彩灯显示模块 8 3.4 系统总电路图 .9 第 4 章 软件设计 .10 4.1 按键扫描子程序设计 10 4.2 主程序设计 10 第 5 章 系统调试与测试结果分析 .12 5.1 系统调试 12 5.2 测试结果及状态分析 12 第 6 章 结论与展望 .13 6.1 结论 13 6.2 进一步工作的方向 13 参考文献 14 附录 1 程序15 附录 2 系统仿真电路图15 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 节日彩灯在人们的生活中随处可见，运用到的技术有单片机、led、自动 控制等，是在单片机的基础之上发展而来的电子产品。 随着计算机技术的不断发展，智能化也随之到来，智能化的程度也越来越 高，也得到了广泛的应用，在工业、农业、军事、娱乐等领域都得到了广泛的 应用。节日彩灯经常用于娱乐场所，在建筑的大厦中也经常用到彩灯，节日彩 灯多变的亮灯方式，达到了很好的效果，将高楼大厦装饰的更加漂亮。 微控制系统的控制关键是单片机，单片机的发展对于电子产品的开发是极 为有利的，在本文的设计中，以 at89c51 单片机为控制核心，主要是因为该单 片机的功耗是很低的1。 单片机的发展，还是国外的几个巨头公司处于领先的地位，如 intel 研制的 mcs-51 系列产品，包括了 8xc152、80c51fa/fb、80c51ga/gb、8xc451、8xc452 等，另外 philips、siemens 等公司在 80c51 的基础上研制了很多的产品，这些产品与 80c51 都是兼容的。在该单片机中，总线为单片机配备了串行总线，保证了单 片机更加灵活的设计方式。philips 公司还专门进行了研究，引入了网络系统总 线2。 随着我国人们生活水平的提高，人们对于灯具的要求也在不断的提升，目 前，我国的灯具市场的情况可以概括为： 功能细分：在不同的场合配备不同的灯饰，人们对于照明的要求也在不断的 提高，因此各种灯具也在不断的发展，如应急灯、日光灯、书写灯等等产品不 断的涌现。 高技术化：在灯具的制造上，电子技术不断的被应用进来，对于电压也在 不断的适应，因此可调节亮度的灯具不断的制造出来，无频闪、 ，放射远红外光 灯等逐渐的占领了市场。 多功能化：灯具正在不断的适应着人们时尚的要求，多功能集于一身的灯 具也不断的涌现，如电话自控灯等，符合了人们的需求。 节能环保：无频闪书写灯是一种高兴技术的产品，能够节约一半的能源， 受到了人们的广泛关注。环保作为当代的主题，表明了人们对于环境的重视， 这也引导着未来灯具发展的方向3。 目前灯具的设计正在朝着尺寸变小、材料变少的方向发展，目前人们对于 灯具的普遍要求就是经济与环保。紧凑荧光灯就符合了人们经济环保的要求， 2 该灯具形式多样，应用广泛，通常情况下，该灯的照明强度是白炽灯的五倍， 其寿命是白炽灯的八倍4。因此该灯是绿色环保的推荐产品，目前，紧凑荧光 灯也逐渐的走入了人们的生活之中。 3 第第 2 2 章章 课程设计的方案课程设计的方案 2.1 概述 随着我国的经济不断的进步，人们的生活质量正在不断的提高，对灯具点 亮的效果要求也提高了很多，人们期望在不同的场所有不同的灯具点亮方式， 灯具的功能也在不断的变化，从最初的点亮到现在的装饰5。因此，适用于各 种使用要求的灯也相继产生。从最开始的油灯发展到基于电的诞生所产生的白 炽灯泡，到现在的节能灯、荧光灯等灯具。彩灯就在这样的形式下催生出来， 彩灯的功能多、价格低，这些优点使得彩灯受到了人们的广泛关注。随着社会 的发展，彩灯已经成为了人们的必备品，为人们的生活增光添彩，提高了人们 生活的品质。目前，大多数的彩灯都是利用了全硬件电路的思路进行设计的， 其电路较为复杂，但是实现的功能却不多，消耗的资源比较多，样式也不全， 操作性也比较差，不足以适应各种各样场合的需求，看起来容易给人们带来疲 劳，不会给人留下太深刻的印象。因此，我们应该对彩灯控制器进行一些改进。 本文利用了 at89c51 单片机实现了彩灯的控制6。在本文的设计中，控制 核心是 at89c51 单片机，除此之外，控制模块还包括了键盘、显示、驱动等， 包括了 4 个按键和 16 个 led 显示器，实现了很多方式的闪光模式。 2.2 系统组成总体结构 单片机的设计如图 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 单片机设计的结构图 本文设计的控制装置，共有四大模块：闪烁系统、脉冲震荡系统、核心控 4 件、复位电路。核心控件作为系统的主控部分，对系统具有总控的功能，其中 的闪烁系统就是受控部分，包括了 16 个 led 灯。核心控件是 89c51 芯片构成 的，是系统的关键部分，是控制彩灯功能的构件。复位电路是复位控制实现部 分7。 针对亮灯的规律，利用按键控制彩灯，在 led 部分是采用了共阳极接法， 实现相应的功能。 5 第第 3 3 章章 硬件设计硬件设计 3.1 单片机最小系统设计 3.1.1 时钟电路设计 单片机的时钟信号是一种时间的标准，方便系统内的各个操作，复位操作 就是恢复初始值，使得单片机从初始状态继续的操作。 时钟电路的设计是利用了两种电路形式实现的：内部振荡和外部振荡。 在引脚 xtal1 和 xtal2 外接入晶振，形成内部振荡。在单片机中，含有 高增益反相放大器，当接入晶振的时候，就会形成振荡时钟脉冲。如图 3.1 所 示，电容器 cl 和 c2 是起到了稳定振荡频率和加快震荡速度的作用，在这两个 电容器中，通常情况下，电容都在 5-30pf 之间。晶振频率大都为 12mhz 或者 是 6mhz。在这种情况下，内部振荡方式的信号是稳定的，应用也较为广泛。 图 3.1 时钟电路 89c51 x1 x2 c1 6 3.1.2 复位电路设计 复位电路设计如图 3.2 所示： 当引脚 rst 出现 2 个周期的高电平时，单片机就会被复位。当引脚 rst 一直高电平时，那么单片机就会被一直的复位。依据事先的需求，复位包括了 两种形式：上电复位和开关复位，上电复位指的是接通电源的时候，就会进行 自动的复位8。 在上电复位中，电容 c1 和电阻 r1 是电源的微分电路，通电后，引脚 rst 处于高电平，由于等效电阻的存在，若图中的电阻 r1 不存在，也可以实现上 电复位。 10f +5vret 1k 图 3.2 复位电路电路图 开关复位指的就是当通电后，单片机会自动的复位，在单片机运行的过程 中，利用开关的操作，也可以实现上电或开关复位。通电后，电容 c3 的充电 和反相门的作用，reset 会处于高电平。在单片机运行时，按下复位键并松开， reset 也会处于高电平，实现上电或开关复位。 3.1.3 单片机最小系统 在系统的 xtal1、xtal2 端接入晶振和谐振电容两个，在 reset 端接入 电阻和电容，当按键复位存在时，再连上按键就是一个小系统，通电时，该系 统就能够正常的运行了。 单片最小系统图如下： 7 图 3.3 单片机最小系统 3.2 按键控制电路 本系统的设计，彩灯是二极管形成的，将 16 支彩灯分别接在 p1 口和 p0 口， 两个接口与二极管和电阻接在一起，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。 本系统的设计，按键包括了四个，s0 按键是在复位电路上，s0 按键是控制 彩灯亮的，按下 s0 按键，s1 按键就会停止流动，全部的灯就会熄灭。按下 s2，灯就从上而下流动，s3 下，则相反的方向流动。 图 3.4 按键电路图 8 3.3 led 彩灯显示模块 彩灯的显示部分，包括了 16 个发光二极管和 16 个电阻。两者之间是利用 了串联的方式进行连接的，进而接入 p0 口和 p1 口。利用编程对 p0 口和 p1 口 的电平进行控制，实现灯的闪烁花型。发光二极管的电压通常都会大于 1.7v， 其工作电流在 1ma 到 30ma 之间浮动，电阻一般在 100 欧姆3 千欧姆之间， 在此，我们选择 560 欧姆。 图 3.5 led 连接电路 9 3.4 系统总电路图 系统总电路图如图 3.8 所示： 图 3.6 系统总电路图 10 第第 4 4 章章 软件设计软件设计 本系统的设计由硬件和软件两部分，在第三章介绍的原理图上电后，我们 通过编程对管脚电平进行控制，从而实现灯光的点亮与熄灭。软件编程是本系 统的关键部分，是控制灯光点亮方式不同的关键9 。 4.1 按键扫描子程序设计 本系统的设计的控制核心是单片机 at89c51，该方式控制着 16 个发光二 极管的灯光明灭的方式。当程序运行时，就会进行判断，检测是否有按键按下， 若有按键按下，程序就会调用相应的功能模块实现灯光显示的不同10。 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 4.2 主程序设计 是否有键按下 是否有键按下 11 n n n n y 开始 长跳转到 start s0=0? y y y s1=0? s2=0? s3=0? 模式二亮灭 模式四向下流水灯 模式三向上流水灯 模式一亮灯 图 4.2 主程序流程图 12 第第 5 5 章章 系统调试与测试结果分析系统调试与测试结果分析 5.1 系统调试 依据事先的设计，本系统调试部分包括了三个模块：硬件调试，软件调试 和软硬件联调11。本系统的设计利用了模块化的设计思想，在系统的测试过程 中也是比较方便的，最后对系统的整体进行测试。 5.1.1 硬件调试 对系统的各模块进行测试，检测模块是否符合事先的既定目标。 5.1.2 软件调试 软件调试采用单片机仿真器及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查 语法错误12。 5.1.3 硬件软件联调 将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。 5.2 测试结果及状态分析 此次系统设计结果较好，经 proteus 软件仿真系统的调试，可检测出仿真电 路正常；对应按键按下，彩灯出现不同花型，实现了多控制、多闪烁的 led 彩 灯循环13。经以上仿真测试证实，本设计能实现设计系统要求的预期功能. 13 第第 6 6 章章 结论与展望结论与展望 6.1 结论 本系统的主控核心是 at89c51 单片机，利用了按键的思路来控制电路、彩 灯的明灭以及小系统的运行灯，并利用编程的思想实现灯的控制。 通过系统的调试，发现本系统的运行效果达到了预期的期望，实现了既定 的功能，达到了多控制、多闪烁以及循环明灭的要求。本系统能够随意的变化 我们想要的明灭方式。让人们体验彩灯的明灭效果，另外，本系统的设计具有 结构简单、操作方便、使用的硬件比较少、成本低、消耗资源少的特点，为今 后的研究工作提供了一定的科学依据，参考价值高。 6.2 进一步工作的方向 本文在基于单片机的基础上进行了研究，而从目前来看存在许多高性能实 时性的控制器，包括 plc,dsp 等，未来将采用其他的控制器对彩灯进行设计。 同时在彩灯的展现模式上采用更多的功能，包括实现点阵式彩灯展示等。 14 参考文献参考文献 1向文娟. c 语言中的运算符和表达式解析j. 软件导刊,2012,04:48-50. 2徐晓建. 浅谈单片机应用系统的设计方法j. 科技资讯,2012,34:19. 3周明,周亮. at89c51 单片机在霓虹灯控制中的应用j. 科技广场,2007,05:211-212. 4刘丽. 流水灯电路的设计与分析j. 巢湖学院学报,2006,03:144-145. 5刘(王莹),董春曦. 基于 at89c5131 的接口设计j. 现代电子技术,2009,12:28-30. 6李晗佳,凡国辉. 节日彩灯控制系统设计j. 科技致富向导,2011,21:22. 7广东 张则. 51 系列单片机(c 语言)快速入门(一)n. 电子报,2010-05-30015. 8广西 罗才枝. 单片机编程入门实例n. 电子报,2013-08-11009. 9符子根. 多路彩灯控制器的设计j. 科技信息(学术研究),2008,18:79-80. 10cheng yu wu, wei fang.research of case-based teaching of electrical and electronic technologyj.applied mechanics and materials, 2014, vol.3082 (543), pp.467-470 11 丁明亮，唐前辉.51 单片机应用设计与仿真基于 keil c 与 pretues.北京:北京航空 航天大学出版社，2009. 12 王忠飞，胥芳mcs-51 单片机原理及嵌入式系统应用m西安：西安电子科技大学 出版社，2007p268-273 13 戴佳等.51 单片机 c 语言应用程序设计实例精讲（第 2 版）.北京：电子工业出版社， 2008. 15 附录 1 程序 #include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit key1=rxd;/开始 sbit key2=txd; /停止 sbit key3=int0;/由上向下 sbit key4=int1;/由下向上 void delay_ms(); void init(); uchar scan(); void shang(); void xia(); bit timerflag;/定时器标志 uchar n;/定时器计数变量 uchar status;/运行状态标志 uchar led=0x7f;/灯的显示缓存 /*/ /主函数 /*/ void main() uchar anjian; init(); while(1) 16 anjian=scan(); if(anjian=1) status=1; p0=led; p1=led; tr0=1;/启动定时器 0 else if(anjian=2) status=0; p0=0xff; p1=0xff; tr0=0;/关闭定时器 0 led=0x7f; else if(anjian=3 else if(anjian=4 anjian=0; p2=status; /*/ /定时器中断 /*/ void time0() interrupt 1 17 th0=(65536-10000)/256; tl0=(65536-10000)%256; if(n+=20) timerfl