毕业设计（论文）-彩色循环灯控制电路设计.doc

毕业设计题 目 彩色循环灯控制电路设计 学生姓名 学号 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 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 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 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。四、毕业设计应完成内容及相关要求：指导教师签名 专业负责人签名 学院领导签名 批准日期 2016-01-11 陕西理工学院毕业设计彩色循环灯控制电路设计（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：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 design (Grade12,Class2,Major Electronic Information Science and Technology,Physics Dept.,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shanxi)Tutor:gAbstract: 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65.1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112附录213陕西理工学院毕业设计引言目前，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。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（FPEROMFlash 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。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（C1、C3）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C2（容量可取1-20uF）和电阻R1（阻值可取1-10k）组成。（2）手动复位。由按键、限流电阻R13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C2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。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0.005-0.01A。在这样的条件下它的寿命可以达到10万个小时。LED根据材料不同会发出不同颜色的光，有：红色光、黄色光、绿色光、红外光等。显示电路如图3.4所示，其中PNP型三极管的型号为PN4249。为保证LED正常工作，必须选取合适的基极限流电阻R2和集电极保护电阻R12，LED额定工作电压UL为2.2V，电流IL为10mA。已知VCC=5V，UBE=0.7V，=100，UCES=0.3V。当单片机的P0.0端口电压U0.0为高电位5V时，Q1的UBE0.7，三极管进入截止区，此时LED不工作；当U0.0为低电位0时，UBE0.7且UCEUBE，三极管进入饱和区，此时LED工作。R12的阻值为三极管饱和驱动电流IBS为基极电阻R2的阻值为确定基极限流电阻R2=39k，发射极保护电阻R12=240。图3.4 红色LED闪烁灯 图3.5 切换闪烁模式按键开关3.4按键电路按键电路采用独立式按键，作为切换LED彩灯闪烁模式及手动复位开关。S1控制电路模式为一亮一灭移动方式；S2控制电路模式为从上到下移动方式；S3控制电路模式为从下到上移动方式。如上图3.5所示。4 硬件开发环境4.1自行搭建单片机硬件系统根据需要实现的控制功能，绘制原理图，再根据原理图准备元器件，在万能板上用导线将元器件连接成完整的电路，这就是自行搭建的单片机硬件系统。注意，单片机不宜直接焊接在电路板上，而是现在电路板上焊上插座，再将单片机插入插座，这样可方便的拆装单片机。对于自行搭建的单片机硬件系统，由于没有设置下载程序的电路，所以需要将单片机插入编程器中，将在电脑上编好的代码下载到单片机的程序存储器（ROM）中，再将单片机插入硬件系统中的单片机专用插座。然后就可以通电调试。4.2单片机开发板单片机开发板上有多重功能的硬件，通过插接线可将硬件连接成不同的电路，实现不同的控制功能。开发板自带ISP下载接口、USB下载接口、串行下载接口，并有相应的下载线。下载线一端的插头接在开发板相应的借口上，另一端接在计算机的USB输出接口或串口上，在计算机上编写的程序代码通过下载软件下载到开发板上的单片机中。ISP下载的意思是在线编程，即不需将单片机从系统中卸下，可直接对系统中的单片机进行编程。USB下载、串口下载现在也可以实现在线编程。4.3硬件总电路图根据设计原理设计出硬件电路，整个电路由主控电路、电源电路、显示电路、按键电路组成。如图4.1所示。图4.1电路原理总图5 软件设计5.1软件开发环境有了硬件开发环境，还需要一个友好的软件开发环境。Keil uVision系列软件是最为经典的单片机软件集成开发环境，支持汇编语言、C语言以及C语言和汇编语言的混合编程，能将用汇编语言或者C语言编写的程序代码自动转化为“.bin”文件或者“.hex”文件格式，这两种格式的文件是单片机能够识别的，可用专用的下载软件下载到单片机的ROM内，默认情况下，转化为“.hex”文件。目前常用的版本有Keil uVision2、Keil uVision3、Keil uVision4，其下载、安装和使用方法相同3。本设计采用Keil uVision4进行编程，如图5.1所示。图5.1 Keil uVision4软件界面5.2 Proteus软件Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件）。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象4。5.2.1 Proteus的工作过程 运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单的Definecode generation tools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source菜单的Add/removesource files命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况3,5,7。 5.2.2 Proteus软件所提供的元件资源Proteus软件所提供了30 多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等。 5.2.3 Proteus软件所提供的仪表资源 对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题。Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多3,6。5.2.4 Proteus软件所提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus提供了两种方法：一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。 对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug菜单下的execute菜单项或F12 快捷键启动执行，用debug菜单下的pause animation菜单项或pause键暂停系统的运行；或用debug菜单下的stop animation菜单项或shift-break组合键停止系统的运行。其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。 对于软件的分步调试，应先执行debug菜单下的start/restart debugging菜单项命令，此时可以选择stepover、step into和step out命令执行程序(可以用快捷键F10、F11和ctrl+F11)，执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。在执行了start / restart debuging命令后，在debug菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看8,9。图5.2 proteus界面5.3 程序流程图设计主要采用控制系统的延时来完成，用C语言编程，编程过程中采用数组、循环、延时等方式。按上述流程控制LED灯管，实现要求的效果。其过程如图5.3所示。图5.3 程序流程图6 系统安装调试及使用方法对硬件总体电路进行仿真，仿真图见附录1。点击系统仿真开始按钮，系统将会自动运行，并且调用已经写入芯片的程序，运行结果如图6.1所示。图6.1 系统初始化上述结果说明系统运行正常。系统初始化后，运行正常，按下S1，系统模式为一亮一灭方式，运行结果如下图6.2所示。图6.2 一亮一灭上述结果说明系统运行正常。按下S2，系统以从左往右的移动方式运行，结果如图6.3所示。图6.3 从左往右上述结果说明系统运行正常。按下S3，系统以从下往上移动方式运行，结果如图6.4所示。图6.4 从右往左上述结果说明系统运行正常。7 结束语和展望彩灯循环控制器的设计已通过软件仿真以及硬件调试，而且实现了预期的各项要求，为用户带来了更为实用、方便的体验。单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经彻底地融入了人们的生活当中，成为了生活中不可或缺的一部分。本次设计采用AT89C51单片机为核心控制器，通过延时和中断来控制单片机工作，设计一个简单的循环彩灯控制器，以单片机微小系统作为主控核心，以三个独立按键作为控制模块，以10个LED灯作为显示模块。实现了彩灯的不同模式的切换，更加的美观。致谢时光荏苒，四年的大学时光已经接近了尾声。这几个月辛苦的毕业设计制作，既磨炼了我的意志，也对我大学四年的学习成果做了一次深入的考察，在此，特别感谢我的指导老师宋老师在设计过程中给我带来的巨大帮助。从选题立意、谋篇布局、收集资料、形成提纲直至全文定稿，都是在老师的悉心指导下完成的。在整个毕业设计期间，老师严谨求实的治学态度、兢兢业业的工作作风以及谦厚亲切的师德风范使我受益匪浅。在老师的指导下我明晰了设计的关键所在以及文章的主旨思路，也学到了诸多方面的知识，专业水平有了很大的提高。同时，感谢这四年中我所有的恩师，是他们在学习上的不断指导和帮助，增添了我智慧的力量，更加懂得了为人处事的道理，是他们用渊博的知识和精心的授课深深吸引了我，是我感到了学习的快乐，较好地掌握了每门功课的内容，为毕业设计的顺利完成打下了良好的基础。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。参考文献1 张心心. LED彩灯硬件控制系统设计与实现J.考试周刊,2013,(40):129.2 吴新淮.基于Proteus软件的单片机频率测量系统设计J.科技广场,2014,(9):54-57.3 赵义强,康静.Proteus仿真软件在单片机设计中的应用J.中国集成电路,2007,(2):58-61.4 仝庆华.基于Proteus单片机虚拟实验室J.山西大同大学学报(自然科学版),2009,(2):23-25.5 栾淑丽.如何用Proteus软件建立单片机仿真虚拟实验室J.价值工程,2011,(30):175.6 冯占营.浅谈仿真软件Proteus在单片机开发中的应用J.软件(教育现代化), 2013,(06):72-74.7 顾良翠.基于Proteus软件的单片机虚拟实验平台研究与开发J.长春工程学院学报(自然科学版),2011,(8):72-74.8 许文斌. Proteus软件在单片机系统仿真实验教学中的应用J.商业经济,2006,(3):90-93.9 马正强.单片机虚拟实验室的建立J.单片机与嵌入式的系统应用,2005,(3):20-23.10 高昀.八路彩灯控制器的设计J.电子科技,2013,(16):5.11 R.V.Steel,Thestoryofanewlightsource,NaturePhotonic