毕业设计（论文）-基于AT89C51单片机的节日彩灯控制电路的设计与实现.doc

（输入章及标题） 燕山大学 毕业设计(论文) 节日彩灯控制电路的设计与实现 学 院 里仁学院 年级专业 03级电子信息工程 学生姓名 郐阳 指导教师 荆楠 专业负责人 练秋生 答辩日期 6月24日 III燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电子与通信工程系 学号030201070061学生姓名郐阳专业班级03电子班课题题 目节日彩灯控制电路的设计与实现来 源自 选主要内容内容：彩灯控制电路要求控制8个以上彩灯，要求彩灯组成如下花形：各灯全亮，间隔闪光；各灯逐个点亮，再依次熄灭；一起闪烁；逐个点亮，慢灭；跑马式前进、后退；逆顺序流水式自动变化；各功能自动循环变化。在上述基础之上要求：控制大型彩灯组，通过按键进行人工设定变化花样(上述六种花样排列组合)基本要求内容：彩灯控制电路要求控制8个以上彩灯，要求彩灯组成如下花形：各灯全亮，间隔闪光；各灯逐个点亮，再依次熄灭；一起闪烁；逐个点亮，慢灭；跑马式前进、后退；逆顺序流水式自动变化；各功能自动循环变化。在上述基础之上要求：控制大型彩灯组，通过按键进行人工设定变化花样(上述六种花样排列组合)参考资料实用电子线路设计相关书籍 节日彩灯控制电路相关文献相关元器件的说明书 51单片机的相关书籍Pspice9.2 Multisim2001 Maxplus II周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅文献资料、整体方案设计画电路原理图，电路仿真电路仿真编写软件撰写论文，准备答辩指导教师：荆楠系级教单位审批：说明：如计算机输入，表题黑体小三号字，内容五号字。本任务书一式二份，教师、学生各执一份。摘 要摘 要单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。单片机即单片微型计算机，是集CPU ,RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。本文介绍一种新型的彩灯控制系统的设计方法，以AT89C51单片机作为主控核心，与按键，显示器等较少的辅助硬件电路相结合，利用软件实现对彩灯进行控制。本系统具有体积小，硬件少，电路结构简单及容易操作等优点。本文首先描述系统硬件工作原理，并附以系统结构框图加以说明，着重介绍了本系统所应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程,其次，详细阐述了程序的各个模块和实现过程。本设计以数字集成电路技术为基础，单片机技术为核心。本文编写的主导思想是软硬件相结合，以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。关键词AT89C51单片机；彩灯控制器；模块设计IIIAbstractSCM is a major piece of computer components are integrated into the chip microcomputer. SCM is microcomputer is a set of CPU, RAM, ROM, the timing, number and variety of integrated micro-controller interface. This paper introduced the design way of a new-style lampion control system that used AT89C51 single chip as the control core, combined with little assistant hardware such as keyboard display, and took software program to control lampion. This system had temerity of small volume, few of hard wares ,circuit configuration simple and easy to operate, and so on.This article first describes the hardware system principle of work, and attaches by the system structure diagram performs to explain, emphatically introduced this system applies various hardware connection technology and each interface module function and the work process, next, elaborated in detail procedure each module and the realization process. This design take the digital integrated circuit technology as the foundation, the monolithic integrated circuit technology is core. KeywordsLampion AT89C51single chip Lampion controller Module design目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1课题的国内外现状11.1.2课题的发展趋势11.1.3本文研究的主要内容2第2章 芯片及元件原理52.1 AT89C51单片机52.1.1 AT89C51的结构52.1.2 AT89C51的引脚描述62.2 74LS373地址锁存器92.2.1 74LS373的引脚介绍92.2.2 74LS373的功能102.3 本章小结11第3章 硬件电路设计113.1 定时与复位模块113.1.1时钟电路113.1.2复位电路123.2 显示模块123.3 按键模块和输出模块133.4 本章小结16第4章 软件电路设计194.1 程序框图194.1.1软件系统中的主程序流程图194.1.2软件系统中的子程序流程图204.2 显示原理及子程序204.3 本章小结24结 论25参考文献26附录129附录233附录336附录455附录563致谢65第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1课题的国内外现状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。 1.1.2课题的发展趋势彩灯的发展趋势有：(1)向高效节能方向发展 首先是采用节能光源，然后是按照节能光的尺寸、形状，精心设计灯具的光学系统，真正提高灯光的有效利用率。如在射灯中，选用光色好的高强度气体放电灯，可造成一个光线弥散、均匀柔和的照明环境，且灯具的保护角小、效率高，能较好地显示建筑物结构。(2)向集成可调化方向发展技术的迅速发展 各种集成化装置和电子算机控制系统对灯具和照明系统的应用取得了显著的进步，如应用电子镇流器对灯具及照明系统进行调光、遥控、控制光色。(3)向多功能小型化发展随着紧凑型光源的发展 镇流器等灯用电器配件的超小、超薄、各种新技术、新工艺的不断采用，现代灯具正在向小型、实用和多功能方向发展。(4)向装配系列化转现代灯具的选型追求简洁明快 淘汰了过去一味追求表面华美的造型及过分装饰的风格。既强调个性，又强调与背景环境的协调，还注重表现灯具材料的质感。为了保证照明条件和视觉的舒适感，灯具大都配有各种系列成套的配件选择，以使用户根据需要自我调整。1.1.3本文研究的主要内容彩灯控制是以彩灯为主，从调光灯、触摸灯和延迟灯电子控制器到节能灯、遥控灯和自控方便灯电子控制器的专用设备，种类繁多。这是一种传统的灯具方式，虽然彩灯成本较低，但由于采用接触式控制彩灯方式显示花样信息，因此，受干扰较大，甚至不会显示信息，目前灯具的设计观念未能与时俱进，零配件质量很差。工业照明、公共照明等大型高附加值、高档次或新型灯具产品很少。灯具产品科技含量低、档次不高将在一定程度上削弱了未来我灯具产品的竞争力。灯具样式缺乏特色，存在安全隐患。设计中主要依据彩灯控制电路，电路最大的特点是稳压和整流装置，只顾按键、二极管、按钮及很少的阻容器件便能实现各种花样等自然的变换，并能即按即变，永久保存。在国外已经得到了广泛地应用，国内的应用正在渗透到传统的家电领域、通信领域、装饰领域及待开发的领域。在装饰领域方面，采用彩灯控制电路，加强了人机联系，如会显示数字和汉字的大型彩灯组，从而有效的提高审美观念，方便了使用者；更为人们所熟悉。大至工业领域，小到玩具、彩灯据此本文介绍了用新偏控制的方式，通过单片机AT89C51和地址锁存器做成得彩灯控制器。因为AT89C51在片内含有Flash存储器，而地址锁存器可将片内信息存于闪烁存储器中，而且有自动变换花样高质量、自然的还原技术。另外，它内置微控制器串行通信接口，可通过单片机AT89C51实现其所有功能。要制作彩灯控制器，需要将单片机与彩灯芯片的控制端口进行连接，并对单片机进行编程，使其实现相应的功能；还要将单片机的输出口连接键盘和显示器，使其控制相应的功能并得到显示。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。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。但目前市场上各式样的彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。本文提出了一种基于AT89C51单片机的彩灯控制方案，实现对彩灯的控制。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,可以显示不同的花样。3第2章 总体方案与论证 第2章 芯片及元件原理2.1 AT89C51单片机 2.1.1 单片机的发展Intel公司单片机是目前应用最广、品种最多的单片机。Intel公司于1976年推出MCS-48系列单片机，该系列最典型的产品为8048，它是在一个40只引脚的大规模集成电路内，包含有8位CPU，1K字节ROM的程序存储器，64个字节RAM的数据存储器，一个8位定时器，27根输入/输出线Intel公司在MCS-48的基础上，在80年代初又推出了MCS-51系列的高性能的8位单片机。它与MCS-48系列相比，在片内存储器容量、I/O口的功能以及指令系统功能等方面，都大大地得到加强，MCS-51系列单片机特别适于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测、控制领域中最理想的8位单片机。从应用的角度看，MCS-51单片机具有如下的一些特点：集成度高、系统结构简单、系统扩展方便、可靠性高、处理功能强、速度高、容易产品化等特点。MCS-51系列单片机的三个基本产品为8031、8751、8051。他们的引脚与指令完全兼容，但在应用结构及应用特性方面存在一些差异。8031内部包括一个8位的CPU、128个字节的RAM，21个特殊功能寄存器、4个8位并行I/O口、1个全双工的串行口，2个16位的定时器/计数器，但程序存储器需外扩EPROM芯片。8051是在8031的基础上，片内又集成有4KROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。所以8051应用程序已定，批量大的单片机产品中，由于以上限制，目前在国内很少采用。8751是在8031的基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4K的小系统。用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。但其价格相对于8031较贵。8031外扩一片4K EPROM的就相当于8751，它的最大优点是价格低，目前在我国得到了广泛的应用。随着大规模集成技术的不断发展，能装入片内的外围接口电路也可是大规模的。Intel公司在MCS-51系列三种基本型产品(8031，8051，8751)的基础上又推出各类增强型系列产品，即所谓的高档单片机，其主要的增强型产品如下：(1)8032/8052/8752 将原来的8031/8051/8751进行扩展，内部RAM增到256字节，8752/8052片内的程序存储器容量增到8K字节，定时器/计数器增至3个16位计数器，有6个中断源。(2)低功耗的CHMOS工艺芯片80C31BH/87C51/80C51BH 这种芯片允许电流波动范围较大,并有两种掉点工作方式： 一种工作方式是CPU停止工作，其它部分仍继续工作；另一种掉电工作方式是，除片内RAM继续保持数据外，其它部分都停止工作。此类单片机的功耗低，非常适用于电池供电或其它要求低功耗的场合。(3)具有高级语言编程的芯片8052H-BASIC 芯片内固化有MCSBASIC52解释程序，软件开发比较方便。此外还有实现BCD码的浮点运算以及十六进制数和十进制数的转换。BASIC52语言能和MCS-51汇编语言混合使用，(4)高性能的8XCX52系列 在8052的基础上，采用CHMOS工艺，并将MCS-96系列中的一些I/O部件如：高速输入/输出(HIS/HSO)。A/D转换器、脉冲宽度调制、看门狗定时器等移植进来构成新一代MCS-51产品，80C252/87C252/83C252是MCS-51目前系列中的最新产品。PHILIPS公司生产的8XC552系列即为此类产品。目前此类单片机在我国已得到了较为广泛的应用。(5)低功耗高性能的89C51 北京集成电路设计中心推出的BI/Atu89C51单片机，是一个低功耗、高性能含有4K字节快擦写可编程/擦除只读存储器的8位CMOS单片机，时钟频率高达20MHz，与8031的引脚和指令系统完全兼容。芯片上的EPROM允许在线(+5V)电擦除、电写入或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。此外，BI/Atu89C51还支持由软件选择的两种掉电工作方式，非常适用于电池供电或其他要求功耗低的场合。由于芯片内的4K程序存储器可在线或用编程器重复编程，受到设计者的欢迎，并得到较为广泛的应用。2.1.2 AT89C51的结构ATMEL公司的89系列单片机是ATMEL公司的8位Flash单片机1。这个系列单片机最吸引人的特点就是在片内含有Flash存储器，因此，它有十分广泛的用途，特别是在便携式和需要特殊信息保存的仪器和系统中显得更加有用。这里主要介绍AT89系列中的AT89C51。AT89C51系列单片机对于一般用户来说，存在3个明显的特点：(1)内含Flash存储器 因此在应用2系统的开发过程中可以十分容易的进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期；同时，在系统工作过程中，能有效的保存一些数据信息，即使外接电源损坏也不影响信息的保存。(2)与80C51插座兼容3 AT89C51系列单片机的引脚与80C51是一样的，当用AT89C51单片机取代80C51时，可以直接进行取代。这时，不管采用40引脚还是44引脚的产品，只要用相同引脚的AT89C51单片机取代80C51的单片机即可。(3)静态时钟方式 AT89C51单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能。这对于降低便携式产品的功耗十分有用。AT89C51单片机的内部结构与一般单片机相似4，有CPU、存储器和I/O接口等部件。AT89C51是ATMEL公司的8位Flash单片机系列，这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器，因此，在应用中有广泛的前景和用途，特别是在便携式，省电及特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。89系列单片机若干优点：内部含Flash存储器，在系统的开发过程中可以十分容易进行程序修改，大大缩短了系统的开发周期，同时，在系统工作过程中能有效保存一些数据信息5，即使外界电源损坏也不会影响到信息的保存；与80c51插座兼容，用相同引脚的89系列单片机可直接取代80c51的单片机；静态时钟方式，89系列单片机采用静态的时钟方式所以可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用；错误编程亦无废品产生，一般的OTP产品，一旦编程编误即成废品，而89系列的单片机内部采用了Flash memory，所以错误编程之后仍可重新编程，直到正确为止，故不存在废品；可进行反复系统试验，用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样保证用户的系统设计达到最优，而且，随用户的需要和发展6，还可以修改，使系统不断能追随用户的最新要求。89C51在89系列单片机中属标准型单片机，它和MCS-51系列单片机兼容。内部有4K可重复编程的Flash memory，可进行1000次擦写操作，全静态工作为小33MHz，有三级程序存储器加密锁定，有内部含128-56字节的RAM，32条可编程的FO端口，有2个16位定时器/计数器，有通用串行接口，有低电压空闲及电源下降方式；中断有6级。2.1.3 AT89C51的引脚描述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CMOS8位微处理器，俗称单片机14。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-517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，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。VCC：供电电压。GND：接地。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。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口8，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。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口作为第八位地址接收。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9，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，如下所示：P3口管脚备选功能：P3.0 RXD(串行输入口)，P3.1 TXD(串行输出口)，P3.2 /INT0(外部中断0)，P3.3 /INT1(外部中断1)，P3.4 T0(记时器0外部输入)，P3.5 T1(记时器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。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。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外部必须被拉高。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1516。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口作为第八位地址接收。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10，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11。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012。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13。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。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。有余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。整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。时钟振荡器 AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入段和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谢振器一起构成自激振荡器，外接石英晶体或陶瓷谢振器级电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联电路。对外接电容C1、C2虽严然没有十分严格的要求14，但电容容量的大小会影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、祁震得难易程度及温度的稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF+10PF，而如果陶瓷谐振器建议使用40PF+10PF。用户也可以使用外部时钟，这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟脉冲的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求13，但最小高电平时持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。AT89C51有二种可用软件编程的省电模式，他们是空闲模式和掉电工作模式。这二种方式是控制专用寄存器PCON(电源控制寄存器)中的PD和IDL来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态，IDL是空闲等待状态，当IDL=1时，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态15，如需同时进入二种状态，即PD和ID同时为1，则先激活掉电工作模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可有任何允许的中断请求或硬件复位中止。中止空闲模式的方法有二种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL被硬件清除，既中止空闲工作模式。程会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RET1(中断返回)指令后，下一条要执行的指令就是是单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令12。其二是通过硬件复位电路也可将空闲模式终止。需要注意的是当由硬件复位来中止空闲模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位工作，硬件复位脉冲要保持二个机器周期(24个时钟周期)有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。为了避免对端口产生意外写入，激活空闲模式的指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。掉电模式：在掉电模式下，进入掉电模式的指令是最最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在中止掉电模式前被冻结。推出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，再VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间内使振荡器重启动并稳定工作。2.2 74LS373地址锁存器2.2.1 74LS373的引脚介绍74LS373是一个三态门的8D锁存器，也是带允许输出端的8D锁存器，有8个D输入端，8个Q输出端，一个时钟输入端CP，一个锁存允许信号E。373引脚功能如表3-1所示： D0D7：数据输入端；OE：三态允许控制端(低电平有效)；LE：锁存允许端；O0-O7：输出端12。表2-1 74LS373引脚功能表输出控制LE使G输入D输出QLHHHLHLLLLXQoHXXZ图2-1 74LS373引脚2.2.2 74LS373的功能74LS373是带有三态门的八D锁存器，当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8，当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（1Q-8Q）状态和输入端（1D-8D）状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（1D-8D）的数据锁入1Q-8Q的八位锁存器中。当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存16。锁存器就是把当前的状态锁存起来，使CPU送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间锁存后状态不再发生变化，直到解除锁定。还有些芯片具有锁存器，芯片74LS373就具有锁存的功能，它可以通过把一个引脚置高后，输出就会保持现有的状态，直到把该引脚清0后才能继续变化。锁存器用于存储数据来进行交换17，使数据稳定下来保持一段时间不变化，直到新的数据将其替换。2.3 本章小结本章是对用到的元件引脚功能和硬件结构的。首先对AT89C51系列的单片机进行了简单的介绍，从硬件结构和功能方面进行了比较。其次对设计中用到的主控芯片AT89C51单片机的引脚和内部结构进行了介绍。最后对本科学习课程中地址锁存器进行了详细的介绍，对主要用到的74LS373八D锁存器模块的结构和引脚都作了详细地介绍，本章对单片机硬件方面进行了较全面地介绍，也为系统的设计提供了理论知识。17第3章 硬件电路设计 第3章 硬件电路设计3.1 定时与复位模块3.1.1时钟电路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。(1)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。89c51X1 X2C1 C2GND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19、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3-1时钟电路图外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式如图3-2所示，外3.1.2复位电路当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。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3-2)所示。89C51 图3-2开关复位电路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如图3-2所示。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20，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。3.2 显示模块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21。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。图3-3 数字输出电路七段LED显示器是有七个LED发光二极管按一定的图形排列组成。七段LED显示器的各个二极管分别称为a，b，c，d，e，f，g段,有些七段显示器增加一个DP段表示小数点，也成为八段LED显示器。七段LED显示器有两种结构：共阴极七段LED显示器和共阳极七段LED显示器，所有二极管的阴极接在一起的称为共阴极七段LED显示器；所有二极管的阳极接在一起的称为共阳极七段LED显示器。共阴极七段LED显示器的各个二极管阳极接高电平“1”，公共阴极接低电平“0”时，则点亮各段；公共阴极接高电平“1”时，则熄灭各段。共阴极七段LED显示器的各个二极管阳极接高电平“1”，公共阴极接低电平“0”时，则熄灭各段。共阳极七段LED显示器工作时，其公共极接到高电平，LED的阴极则接到低电平。在实际应用中，除公共极外，其它各极应串接一个电阻后再接到相应电平，电阻的作用是限制流过LED中的电流，以保证在发光时,避免二极管因电流过大而烧坏。3.3 按键模块和输出模块本设计使用发光二极管来作为彩灯使用。发光二极管具有单向导电性。 当反向电压增加到某一定数值时，反向电流急增，产生反向击穿。二极管的工作原理：晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管(Ge管)和硅二极管(Si管)。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流(不超过几十毫安)，适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流(几安到几十安)，主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特。(1)正向特性。在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V，硅管约为0.7V)，称为二极管的“正向压降”22。(2)反向特性。在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。二极管的主要参数用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数：(1)额定正向工作电流。是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度(硅管为140左右，锗管为90左右)时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN40014007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。(2)最高反向工作电压加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。(3)反向电流反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。例如2AP1型锗二极管，在25时反向电流若为250uA，温度升高到35，反向电流将上升到500uA，依此类推，在75时，它的反向电流已达8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。又如，2CP10型硅二极管，25时反向电流仅为5uA，温度升高到75时，反向电流也不过160uA。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。 图3-4 花样显示电路 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。图3-5 按键电路图本次设计的按键部分包含三个按键，S1按键直接接在复位电路上，按一下S1键使单片机复位一次，花样变换一次，S2和S3是两个按键，是控制调整花样的。按键S2 是花样序号加，按键S3是花样序号减，使花样循环变换。3.4 本章小结本章介绍了硬件电路的总电路图和各个电路图的子模块图，以及各个模块的理论原理。比较细致的学习各个模块的工作原理。首先介绍了时钟电路和复位电路。其次是介绍了显示模块。最后介绍了输出模块和按键模块。本章为之后的软件编程设计实现提供了硬件原理图，打下了良好的基础。第4章 软件电路设计 第4章 软件电路设计4.1 程序框图开始设置中断显示默认花样主循环Sw