单片机原理及接口技术课程设计（论文）-霓虹灯控制器.doc

课 程 设 计 （论文）辽 宁 工 业 大 学 单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 霓 虹 灯 控制器院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化082 学 号： 0 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 教授 起止时间：11-07-08至11-07-1520课程设计（论文）任务及评语院（系）：信息科学与工程学院 教研室：自动化学 号学生姓名专业班级自动化082课程设计（论文）题目霓虹灯控制器设计课程设计（论文）任务 设计背景：以某节日彩灯控制为对象，设计一个霓虹灯控制。该霓虹灯控制系统组成如下：1、 彩灯由16个不同颜色的发光二极管组成。2、 能输出4种花型，并能由按键进行花型的选择与切换。3、 花型变化速度可改变；按+键一次，速度略加快一点。按 键一次，速度略减慢一点。4、 在显示器上显示相应的花型号：1、2、3、4。5、 4种花型：10000000，00000001 ； 11000000，00000011 右循环 左循环 右循环 左循环 10100000，00000101 ； 11110000，00001111 右循环 左循环 交替 交替设计任务：1、 完成单片机最小系统电路设计。2、 完成彩灯控制电路设计。3、 完成按键电路的设计。4、 完成显示电路的设计。5、 完成软件流程图设计。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日目 录第1章 霓虹灯控制器设计方案.11.1 概述.11.2 霓虹灯控制系统组成总体结构.1第2章 霓虹灯控制器设计内容.3 2.1 at89c51单片机最小系统设计.32.2 控制器功能电路设计.62.3 霓虹灯控制系统硬件电路原理图设计.102.4 软件流程图设计.112.5 软件程序设计.15第3章 霓虹灯控制器设计总结.18参考文献.19第1章 霓虹灯控制器设计的方案1.1 概述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。led彩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。霓：有时在虹的外侧还能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫内红，与虹相反。 虹：原意也是一种自然现象，就是彩虹，也是七彩的，色序从外至内分别为：赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。 霓虹灯：夜间用来吸引顾客，或装饰夜景的彩色灯，所以用“霓虹”这两种美丽的东西来作为这种灯的名字。灯光是现代生活中不可或缺的一部分，对灯光进行多样化及时精确的控制显得尤为重要。本次设计在控制成本的前提下，设计了一款方便、简单而且可同时控制16盏灯四种花样并能由四个按键进行花型的选择与切换的亮灯方式系统，而且花型变化速度可改变，按“+”键一次，速度略加快一点。按“”键一次，速度略减慢一点。该系统以at89c51为控制核心，采用一个主体查询程序和四个子程序共同组成的具有四种花样展示的汇编程序。本课题软件硬件设计简单，稳定，可靠，能达到设计要求，在现代生活中无所不在，有良好的应用前景。1.2 霓虹灯控制系统组成总体结构为完成上述系统功能，选择和设计由6个按键组成的按键电路、时钟电路、复位电路、显示电路组成霓虹灯控制系统，其系统组成框图如图1.1.1所示：复位电路时钟电路按键电路单片机led显示电路霓虹灯控制电路图1.1 系统总体框图各部分功能电路的作用：1.复位电路：防止cpu发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。2.时钟电路：单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路,单片机在工作过程中,所有工作都是在时钟信号控制下进行的,每执行一条指令,cpu的控制器都要发出一系列特定的控制信号。基于单片机结构和课题设计要求，采用12mhz晶振频率crystal，以及两个30pf的电容。此电路两引脚分别接单片机xtal1 ,和xtal2引脚。3.led显示电路：在显示器上显示相应的花型号：1、2、3、4。4.霓虹灯控制电路：由16个不同颜色的发光二极管组成，能输出4种花型。5.按键电路：由按键进行花型的选择与切换。按键k1：输出第一种花型，显示器上显示相应的花型号：1；按键k2：输出第二种花型，显示器上显示相应的花型号：2；按键k3：输出第三种花型，显示器上显示相应的花型号：3；按键k4：输出第四种花型，显示器上显示相应的花型号：4；按键k5：速度略加快一点；按键k6：速度略减慢一点。第2章 霓虹灯控制器设计内容2.1 at89c51单片机最小系统设计1.单片机选择单片机采用了at89c51，at89c51是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内内含4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram，32个i/o口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。at89c51的引脚图如图2.1所示。 图2.1 at89c51的引脚图at89c51单片机主要性能参数为：（1）与mcs-51产品指令系统完全兼容；（2）4k字节可重擦写flash闪速存储器；（3）1000次擦写周期；（4）全静态操作：0hz24hz；（5）三级加密程序存储器；（6）1288字节内部ram；（7）32个可编程i/o口线；（8）2个16位定时/计数器；（9）6个中断源；（10）可编程串行uart通道；（11）低功耗空闲和掉电模式。引脚功能如下：（1）vcc：电源电压；（2）gnd：地；（3）p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个ttl逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在flash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。（4）p1口：p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可做输入口。做输入口输入时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。flash编程和程序校验期间，p1接收低8位地址。（5）p2口：p2是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可做输入口，做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输入一个电流（iil）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行movxdptr指令）时，p2口送出高8位地址数据。在访问8为地址的外部数据存储器（如执行movxr1指令）时，p2口线上的内容（也即特殊功能寄存器sfr区中r2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。flash编程或校验时，p2亦接受高位地址和其它控制信号。（6）p3口：p3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端。作输入端时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流（iil）。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能：p3.0：rxd(串行输入口)；p3.1：txd(串行输出口)；p3.2：（外部中断0）；p3.3：（外部中断1）；p3.4：t0（定时/计数器0）；p3.5：t1（定时/计数器1）；p3.6：（外部数据存储器写选通）；p3.7：（外部数据存储器读选通）p3口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。（7）rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。（8）ale/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲可用于锁存地址的低八位字节。即使不访问外部存储器，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作。该位置置位后，只有一条movx和movc指令ale才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。（9）：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89c51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次编程脉冲有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号不出现。（10）/vpp：外部访问允许。欲使cpu仅访问外部数据存储器（地址为0000hffffh），ea端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被编成，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器中的指令。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件使用12v编程电压vpp。（10）xtal1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。（11）xtal2：振荡器反相放大器的输出端。2.时钟电路设计时钟电路有内部时钟方式和外部时钟方式，这里选用内部时钟方式。时钟电路如图2.2所示。图2.2 时钟电路基于单片机结构和课题设计要求，采用12mhz晶振频率crystal，以及两个30pf的电容。此电路两引脚分别接单片机xtal1 ,和xtal2引脚。3.复位电路设计单片机在启动时都需要复位，以使cpu及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从rst引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果rst引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则cpu就可以响应并将系统复位。复位电路有手动按键复位、上电复位、按键电平复位、按键脉冲复位，这里选用手动按键复位。复位电路如图2.3所示。图2.3 复位电路复位电路工作原理：采用10uf电解电容，10k欧电阻以及+5v电源。此电路两引脚分别接单片机rst和ea引脚。vcc上电时，c充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，c充满，10k电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下s，c放电。s松手，c又充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。2.2 控制器功能电路设计1.键盘电路设计 按键的功能：按键k1：输出第一种花型，显示器上显示相应的花型号：1；按键k2：输出第二种花型，显示器上显示相应的花型号：2；按键k3：输出第三种花型，显示器上显示相应的花型号：3；按键k4：输出第四种花型，显示器上显示相应的花型号：4；按键k5：速度略加快一点；按键k6：速度略减慢一点。独立按键设计图如图2.4所示。图2.4 独立按键设计图2. 显示电路设计（1）霓虹灯控制电路设计霓虹灯控制电路的功能：发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。led的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是p型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是n型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是led发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成p-n结的材料决定的。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。由于具有容易控制、低压直流驱动、组合后色彩表现丰富、使用寿命长等优点，广泛应用于城市各工程中、大屏幕显示系统。led可以作为显示屏，在计算机控制下，显示色彩变化万千的视频和图片。霓虹灯控制电路如图2.5所示。图2.5 霓虹灯控制电路采用+5v电源，16个红色led二极管作为输出显示，且16个led采用共阴接法，高电平控制显示。此电路16个引脚分别接单片机p0、p1口共16个引脚。（2）led显示电路设计led显示电路如图2.6所示。图2. led显示电路使用串入/并出移位存储总线寄存器cd4094扩展并行输出口的接口电路。cd4094 移位存储总线寄存器:cd4094是带输出锁存和三态控制的串入/并出高速转换器，具有使用简单、功耗低、驱动能力强和控制灵活等优点。cd4094的引脚定义如图2.7所示。图2. cd4094的引脚图其中(1)脚为锁存端，(2)脚为串行数据输入端，(3)脚为串行时钟端。(1)脚为高电平时，8位并行输出口q1q8在时钟的上升沿随串行输入而变化；(1)脚为低电平时，输出锁定。利用锁存端可方便地进行片选和级联输出控制。(15)脚为并行输出状态控制端，(15)脚为低电平时，并行输出端处在高阻状态，在用cd4094作显示输出时，可使显示数码闪烁。(9)脚qs、(10)脚qs是串行数据输出端，用于级联。qs端在第9个串行时钟的上升沿开始输出，qs端在第9个串行时钟的下降沿开始输出。当cd4094电源为5v时，输出电流大于32ma，灌电流为1 ma。串行时钟频率可达25mhz。2.3霓虹灯控制系统系统硬件电路原理图设计霓虹灯控制系统系统硬件电路原理图如图2.8 所示。图2.8 霓虹灯控制系统硬件电路图2.4软件流程图设计根据系统的控制要求，进行软件流程图设计。主体程序流程图如图2.9所示。开始置p1为输入键按下？ny调用去抖动程序n键按下？y键值存入b查键号jmpa+dptr功能键k1(花型1)处理程序功能键k2(花型2)处理程序功能键k3(花型3)处理程序功能键k4(花型4)处理程序功能键k5（加速）处理程序功能键k1（减速）处理程序图2.9 主体程序流程图按键k1（花型1）、k2（花型2）、k3（花型3）程序流程图如图2.10所示。开始控制字1送到r0控制字2送到r1r0送到aa左循环1位a送到p0a送到r0控制字3送到a调用延时子程序mov r2，#200串行口模式0初始化r1送到aa右循环1位a送到p2a送到r1a送到sbuf启动串行输出结束控制字：按键k1（花型1）:控制字1：01h；控制字2：80h；控制字3：01h；按键k2（花型2）:控制字1：03h；控制字2：0c0h；控制字3：02h；按键k3（花型3）控制字1：05h；控制字2：0a0h；控制字3：03h；图2.10 按键k1-k3程序流程图开始控制字1送到r0控制字2送到r1r0送到aa取反a送到p0a送到r0控制字3送到a调用延时子程序mov r2，#100串行口模式0初始化r1送到aa取反a送到p2a送到r1a送到sbuf启动串行输出结束按键k4（花型4）程序流程图如图2.11所示。控制字：按键k4（花型4）:控制字1：0fh；控制字2：0f0h；控制字3：04h；图2.11 按键k4程序流程图按键k5（加速）、k6（减速）程序流程图如图2.12所示。开始sub r2，#50中断服务保护现场断点地址由堆栈弹入pc关中断中断返回开中断保护现场关中断开中断开始add r2，#50中断服务保护现场断点地址由堆栈弹入pc关中断中断返回开中断保护现场关中断开中断 按键k5（加速） 按键k6（减速） 图2.12 按键k5（加速）、k6（减速）程序流程图2.5软件程序设计 org 0000h ljmp start org 0003h ljmp key5 org 0013h ljmp key6 org 0500hstart: mov p1,#0ffh mov a,p1 cpl a jz start jb acc.0, sub0 jb acc.1, sub1 jb acc.2, sub2 jb acc.3, sub3 jb acc.4, sub4 jb acc.5, sub5 jb acc.6, sub6 ljmp start org 0600hsub0: ajmp key0sub1: ajmp key1sub2: ajmp key2sub3: ajmp key3sub4: ajmp key4sub5: ajmp key5sub6: ajmp key6key1: mov scon,#00h clr es mov a,#01h mov sbuf,a mov ro,#01h mov r1,#80hloop1: mov a,ro rl a mov p0,a mov r0,a mov a,ro rr a mov p0,a mov r0,a mov r2,#100 ljmp loop1retkey2: mov scon,#00h clr es mov a,#02h mov sbuf,a mov ro,#03h mov r1,#0c0hloop2: mov a,ro rl a mov p0,a mov r0,a mov a,ro rr a mov p0,a mov r0,a mov r2,#100 ljmp loop2 retkey3: mov scon,#00h clr es mov a,#03h mov sbuf,a mov ro,#05h mov r1,#0a0hloop3: mov a,ro rl a mov p0,a mov r0,a mov a,ro rr a mov p0,a mov r0,a mov r2,#100 ljmp loop3 retkey4: mov scon,#00h clr es mov a,#04h mov sbuf,a mov ro,#0fh mov r1,#0f0hloop4: mov a,ro swap a mov p0,a mov r0,a mov a,ro swap a mov p0,a mov r0,a mov r2,#100ljmp loop4retkey5: clr eapush accpush dphpush dplsetb eaadd r2，#50clr eapop dplpop dphpop accsetb ea