单片机原理及接口技术课程设计-彩灯控制器设计.doc

本科生课程设计（论文） I 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 彩灯控制器设计彩灯控制器设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气10101 1 学学 号：号： 101003030010303001 学生姓名：学生姓名： 陈海涛陈海涛 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2012013 3.06.24-201.06.24-2013 3.07.07.1212 本科生课程设计（论文） II 院（系）：电气工程学院 教研室： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号100303001学生姓名陈海涛专业班级电气101 课程设计 （论文） 题目 彩灯控制器设计 课程设计（论文）任务 彩灯控制器可控制 8 组彩灯，每组彩灯 220V 电压下功率最大 500W，可编程实现彩灯 不同模式（模式自行设定）的流水效果。 设计任务：设计任务： 1. CPU 最小系统设计（包括 CPU 选择，存储器，晶振电路，复位电路） 2. 彩灯开关驱动控制电路设计 3. 电源设计 4.拟定彩灯流水效果 5.程序流程图设计以及程序编写 技术参数：技术参数： 1彩灯电压 220V 2彩灯功率 500W 3彩灯控制器工作电压 220V 设计要求设计要求： 1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、驱动电路等； 2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图； 3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说 明，详细阐述系统的工作过程，字数应在 4000 字以上。 进度计划 第 1 天 查阅收集资料 第 2 天 总体设计方案的确定 第 3-4 天 CPU 最小系统设计（CPU 选择，存储器，晶振电路，复位电路） 第 5 天 彩灯开关驱动控制电路设计 第 6 天电源电路设计 第 7 天 程序流程图设计 第 8 天 软件编写与调试 第 9 天 设计说明书完成 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） III 摘 要 随着电子技术的迅速发展，人们生活水平的提高，环境的不断改善和美化， 在许多场合可以看到很多彩色的霓虹灯。特别是当今充满竞争的时代，各地政府 为吸引游客和投资者，在城市的沿街、沿道、沿河、沿线等地用霓虹灯造景，实 施亮化工程，以美化环境、树立城市形象，从而单片机得到了越来越多的应用。 但是目前市场上各种式样的 LED 彩灯多半是采用全硬件电路实现，电路结构复杂、 功能单一，这样一旦制成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。同时这种彩灯控 制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。本设计用单片机 89S51 结合 LED（发光二极管）制作了一个广告移动彩灯，它由一块 89S51 组成， 通过逐次扫描其中一块的 P2.0-P2.7 口，从而依次实现彩灯轮流点亮、逐点点 亮、间隔点亮。 关键词：LED 彩灯；AT-89C51 单片机；彩灯控制器 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 彩灯控制器概况 .1 1.2 本文研究内容 .1 第 2 章 CPU 最小系统设计.2 2.1 彩灯控制器总体设计方案 .2 2.2 CPU 的选择 .2 2.3 数据存储器扩展 .3 2.4 复位电路设计 .4 2.5 时钟电路设计 .4 2.6 CPU 最小系统图 .5 第 3 章 彩灯控制器输入输出接口电路设计 .7 3.1 系统原理图 .7 第 4 章 彩灯控制器软件设计 .9 4.1 软件实现功能综述 .9 4.2 流程图设计 .9 4.2.1 主程序流程图设计.9 4.2.2 模拟量检测流程图设计.9 4.3 程序清单 .11 第 5 章 系统设计 .12 5.1 系统原理综述 .12 5.2 软件调试结果 .13 第 6 章 课程设计总结 .16 参考文献 .17 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 彩灯控制器概况 近年来，彩灯对于美化、亮化城市有着不可轻视的重要工作。因此作为城市 装饰的彩灯需求量越来越大，对与彩灯的技术和花样也越来越高。但传统的彩灯 控制电路一般是由数字电路组成，这种彩灯控制器电路结构复杂、成本较高、功 率损耗大，此外从功能效果上看，彩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。而单片机具有体积小、 功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单 片机。LED 彩灯具有成本低、发光纯度高、发光热量小、耗电量低、超长寿命的 特点。所以利用单片机作 LED 彩灯控制，不仅是使控制花样、路数大大增加,成 本也很低，而且对环境能源没有污染，有着很大的发展前景。本方案是一种基于 AT-89C51 单片机的彩灯控制方案，实现对 LED 彩灯的控制。主要以 AT-89C51 单片机作为主控核心与发光二极管、晶振、复位、电源等组成电路，利用软件编 辑实现彩灯流水灯的效果。 1.2 本文研究内容 本方案是一种基于 AT-89C51 单片机的彩灯控制方案，实现对 LED 彩灯的控 制。主要以 AT-89C51 单片机作为主控核心与发光二极管、晶振、复位、电源等 组成电路，利用软件编辑实现彩灯流水灯的效果。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 CPU 最小系统设计 2.1 彩灯控制器总体设计方案 方案一：采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用 CPLD 等可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统 的扩展，对信号处理比较困难。 方案二：过单片机控制二极管的闪烁，通过中断来改变模式同时串行输出数 码管。P0，P1 口接 16 个二极管，P3 口接扩展板的数码显示接口。该方案简单， 易于设计和控制。 2.2 CPU 的选择 AT89C51单片机是对目前所有兼容 Intel 8031指令系统的单片机的统称。 8951单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是 52系列的单片机一般不具备自编程能力。 CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄 存器； RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲 显示的数据； ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格； I/O 口：四个 8 位 并行 I/O 口，既可用作输入，也可用作输出； T/C：两个定时/记数器，既可以工 作在定时模式，也可以工作在记数模式； 五个中断源的中断控制系统；一个全 双工 UART（通用异步接收发送器）的串行 I/O 口，用于实现单片机之间或单片 机与微机之间的串行通信； 片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容 需要外接。最高振荡频率为 12M。 本科生课程设计（论文） 3 如图 2.1 2.3 数据存储器扩展 单片机使用地址锁存器进行扩展时，需要 ALE 做为地址锁存的选通信号，以 实现低 8 位地址的锁存。P0 口送出低 8 位有效地址信号是在 ALE 信号变高的同时 出现，并在 ALE 由高变低时，将出现在 P0 口的地址信号锁存到地址锁存器中， 直到下一次 ALE 信号变高时，地址才会发生变化。当主单片的接口脚位不够用时 或是接口的驱动能力达不到要求时就要用到扩展 IC，单片机只要用很少的几个脚 控制扩展 IC 电路，就可以控制到很多其它接口电路了。 如图 2.2 本科生课程设计（论文） 4 2.4 复位电路设计 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后， 撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以 防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。 （如图 2.3）电子电 路特别是数字逻辑电路，在上电后的状态有时是不确定的。比如程序记数器本来 应该是从 0 开始，但是上电时该记数器说不定是几，是几它就从第几个指令开始 执行。因此只有清一下零，才能保证指令的正常进行。 图 2.3 复位电路 2.5 时钟电路设计 CPU 从取指令、分析指令到执行指令的全过程中，都是在时序控制下一拍一 拍地进行的。下面介绍时序的几个概念： 时钟周期又叫节拍，定义为时钟脉冲 频率的的倒数，如 f=12MHZ，则 T=1/12。 （外部） 位寻址 区 位寻址 区位寻址地址 00H-7FH 通用寄存器区 第组通用寄存器区第 0 组 通用寄存器区第 3 组通用寄存器区 第组通用寄存器区 低单元 用户区 （堆栈、数据缓冲） 用户 RAM 专用寄存器区 高 位单元 片外 64KB 数据存储器 片内高 256 字节 11 CPU 完成一种基本操作所需的时间称机器周期。如 CPU 取指令、分析指令、执 行指令等。一个机器周期分 6 个状态，记为 S1S6，因此，一个周期由 12 个节 本科生课程设计（论文） 5 拍组成。 CPU 执行一条指令所需要的时间称之为指令周期 图 2.4 时钟电路原理图 2.6 CPU 最小系统图 单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分 成时钟电路和复位电路，我们采用的是 AT89C51 芯片，它内部自带 4K 的 FLASH 程序存储器，一般情况下，这 4K 的存储空间足够我们使用，所以我们将 AT89C51 芯片的第 31 脚固定接高电平（PCB 画板时已经接死） ，所以我们只用芯片内部的 4K 程序存储器。单片机的时钟电路有一个 12M 的晶振和两个 30P 的小电容组成， 它们决定了单片机的工作时间精度为 1 微秒。复位电路由 22UF 的电容和 1K 的电 阻及 IN4148 二极管组成，以前教科书上常推荐用 10UF 电容和 10K 电阻组成复位 电路，这里我们根据实际经验选用 22UF 的电容和 1K 的电阻，其好处是在满足单 片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电 路的抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次 复位都能成功。 本科生课程设计（论文） 6 图 2.5 CPU 最小 本科生课程设计（论文） 7 第 3 章 彩灯控制器输入输出接口电路设计 3.1 系统原理图 按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最 小功耗系统及典型系统等。AT-89C51 单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电压、 高性能 CMOS 8 位单片机，具有丰富的内部资源：4kB 闪存、128BRAM、32 根 I/O 口线、2 个 16 位定时/计数器、5 个向量两级中断结构、2 个全双工的串行口， 具有 4.255.50V 的电压工作范围和 024MHz 工作频率，使用 AT-89C51 单片机 时无须外扩存储器。因此，本彩灯控制系统实际上就是一个带有八个发光二极管 的单片机最小应用系统，即为由发光二极管、晶振、复位、电源等电路和必要的 软件组成的单个单片机。其具体硬件组成如图 3.1 所示。 本科生课程设计（论文） 8 图 3.1 系统原理图 从图 3.1 中可以看出，如果要让接在 P1. 0 口的 LED1 亮起来，那么只要把 P1.0 口的电平变为低电平就可以了；相反，如果要让接在 P1.0 口的 LED1 熄灭， 就要把 P1.0 口的电平变为高电平；同理，接在 P1.1P1.7 口的其他 7 个 LED 的 点亮和熄灭的方法同 LED1。因此，要实现彩灯功能，我们只要将发光二极管 LED1LED8 依次点亮、熄灭，8 只 LED 灯便会一亮一暗的做彩灯了。在此我们 还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短， 我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到“彩灯”效 果了。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:28-Jul-2012Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EX PLORE R 99 SEEXAMPL ESBACKUP1.DDBDrawn By: EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 RD 17 WR 16 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 U1 89C51 C1 C2 C3 X1 CRYSTAL R2 R3 R1 R7 R12 +5 +5 SW5 SW-SPST SW1 SW-SPST SW2 SW-SPST SW3 SW-SPST SW4 SW-SPST R15 R4 R13 R6 R14 R5 VCC OE 1 G 11 1D 3 1Q 2 2D 4 2Q 5 3D 7 3Q 6 4D 8 4Q 9 5D 13 5Q 12 6D 14 6Q 15 7D 17 7Q 16 8D 18 8Q 19 U2 74LS373 R8 R9 R10 R11 Q1 SCR Q2 SCR Q3 SCR Q4 SCR Q5 SCR Q6 SCR Q8 SCR Q7 SCR D1 D2 D3 D5 D4 D7 D6 D8 U3 U4 U6 U5 U7 U8 U9 U10 +5 R16 116 A 116 A 116 A 116 R?A RESPACK2 116 R?A RESPACK2 116 R?A RESPACK2 116 R?A RESPACK2 本科生课程设计（论文） 9 第 4 章 彩灯控制器软件设计 4.1 软件实现功能综述 本系统程序包括主程序、键盘扫描子程序、发送键码子程序、发送数据子程 序、接收命令子程序等。主程序用于系统初始化，子程序调度等。键盘扫描子程 序用于扫描键盘状态，将被按键的位置号存入缓冲器中。发送键码子程序用于将 缓冲区键的接通码或断开码发送给单片机接口。发送数据子程序用于将数据发给 单片机接口。接收命令子程序用于接收单片机接口发来的键盘命令。 4.2 流程图设计 4.2.1 主程序流程图设计 系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、显示模块和测 速模块等各种功能模块组成。上电后进入系统初始化模块，系统软件开始运行。 在执行过程中，根据运行流程分别调用各个功能模块来完成.。 4.2.2 模拟量检测流程图设计 本科生课程设计（论文） 10 开始 开外部中断 数码管初始化 T=1 T=2 T=3 T=4 T=5 T=6 T=7 彩灯 1 亮 彩灯 2 亮 彩灯 3 亮 彩灯 4 亮 彩灯 5 亮 彩灯 6 亮 彩灯 7 亮 Y Y Y Y Y Y Y 4.1模拟量检测流程图 本科生课程设计（论文） 11 4.3 程序清单 表 1 系统元器件清单 器件数 量 器件数 量 AT89C511 晶振器 1 LED8 排阻 （4.7k） 8 电容 （30pF） 2 电阻 （100k） 1 电容 （10uF） 1 开关 1 本科生课程设计（论文） 12 第 5 章 系统设计 5.1 系统原理综述 本系统控制器芯片采用 AT89C51 单片机，其管脚图如图 3 所示。 D8-D6：数据输入线。 RESET：复位端口。 T0，T1：计数器端口外部计数脉冲输入线。 XTAL1，XTAL2：时钟电路。 VCC：供电电压。 GND：接地。 5.2 软件调试结果 在调试过程中主要是对程序的修改，特别是延时子程序。开始延时较短时， 当按下开关时，LED 开始闪烁。如果延时较长则 LED 闪烁更慢。通过修改程序， 将延时调到适中，系统正常工作。 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H 外中断 0 中断入口地址 LJMP OUT0 ORG 0013H 外中断 1 中断入口地址 LJMP OUT1 ORG 0030H START: SETB EA 开中断 SETB EX0 SETB EX1 CLR IT0 CLR IT1 MAIN: LCALL LOOP0 本科生课程设计（论文） 13 LCALL LOOP1 LCALL LOOP2 LJMP MAIN OUT0: ACALL LOOP1 RETI OUT1: ACALL LOOP2 RETI ;两头开始向中间亮子程序 LOOP1: CLR P1.7 点亮第 8 个灯 CLR P1.0 点亮第 1 个灯 ACALL DEL SETB P1.7 SETB P1.0 CLR P1.6 点亮第 7 个灯 CLR P1.1 点亮第 2 个灯 ACALL DEL SETB P1.6 SETB P1.1 CLR P1.5 点亮第 6 个灯 CLR P1.2 点亮第 3 个灯 ACALL DEL SETB P1.5 SETB P1.2 CLR P1.4 点亮第 5 个灯 CLR P1.3 点亮第 4 个灯 ACALL DEL SETB P1.4 SETB P1.3 CLR P1.5 点亮第 6 个灯 CLR P1.2 点亮第 3 个灯 ACALL DEL SETB P1.5 SETB P1.2 CLR P1.6 点亮第 7 个灯 CLR P1.1 点亮第 2 个灯 本科生课程设计（论文） 14 ACALL DEL SETB P1.6 SETB P1.1 CLR P1.7 点亮第 8 个灯 CLR P1.0 点亮第 1 个灯 ACALL DEL SETB P1.7 SETB P1.0 RET DEL: MOV R7,#10 延时子程序 DEL1: MOV R6,#100 DEL2: MOV R5,#100 DEL3: DJNZ R5,DEL3 DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RET END 本科生课程设计（论文） 15 第 6 章 课程设计总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻 炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学 技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在 生活中可以说得是无处不在。因