单片机课程设计花样流水灯

河南理工学院 课程设计说明书课程设计说明书 题目 题目 花样流水灯设计花样流水灯设计 姓姓 名 名 院院 系 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 指导教师 指导教师 成成 绩 绩 时间 时间 2016 年年 4 月月 23 日至日至 2016 年年 5 月月 29 日日 河南理工学院 课程设计任务书课程设计任务书 题题 目目 花样流水灯设计花样流水灯设计 专业 班级专业 班级 学号学号 姓名姓名 主要内容 基本要求 主要参考资料等 主要内容 基本要求 主要参考资料等 主要内容 主要内容 利用单片机控制 16 个发光二极管模拟的彩灯按照一定的规律点亮 熄灭 闪烁 基本要求 基本要求 1 实现发光二极管的多样化显示 2 利用 proteus 软件完成设计电路和仿真 3 掌握相关芯片和电子元件的使用方法 4 通过此次设计将单片机软硬件结合起来对程序进行编辑 校验 锻炼实践能力和 理论联系实际的能力 主要参考资料 主要参考资料 1 李全利 单片机原理及接口技术 M 高等教育出版社 2 王文杰 单片机应用技术 M 冶金工业出版社 3 朱清慧 PROTEUS 教程 电子线路设计 制版与仿真 M 清华大学出版社 4 单片机实验指导书 天煌教仪 5 彭伟 单片机 C 语言程序设计实训 100 例 M 电子工业出版社 完完 成成 期期 限 限 2 20 01 16 6 4 4 2 23 3 2 20 01 16 6 5 5 2 29 9 指指导导教教师师签签名名 课程负责人签名 课程负责人签名 年年 月月 日日 目录目录 绪论 1 1 课程设计的目的和要求 2 1 1 设计目的 2 1 2 设计要求 2 2 总体设计 2 2 1 硬件总体设计 2 2 1 1 设计思想 2 2 1 2 原件清单 2 2 1 3 模块分析 2 2 2 软件总体设计 3 3 硬件设计 4 3 1 AT89C51 单片机的硬件结构 4 3 1 1 主要特性 4 3 1 2 主要引脚功能 4 3 1 3 外部总线结构 6 3 1 4 振荡器特性 7 3 1 5 芯片擦除 7 3 2 硬件电路设计 7 3 2 1 震荡电路 7 3 2 2LED 电路显示 8 3 2 3 复位电路 9 4 软件设计 10 4 1 主程序设计 10 4 2 子程序设计 11 4 3 流水灯控制码程序设计 11 4 4 程序流程图 12 5 使用 proteus 软件调试仿真说明 12 5 1 Proteus 的介绍 12 5 2 Proteus 的特点 13 5 3 Proteus 的使用方法 13 5 4 电路原理图的设计方法 13 5 5 仿真过程 14 6 测试数据 14 7 附录 14 7 1 花样流水灯程序 14 7 2 花样流水灯总线路图 16 结束语 16 参考文献 16 0 绪论绪论 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不断变化 闪烁 LED 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 LED 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 流水灯是一串按一定的规律像流水一样连续闪亮 流水灯控制是可编程控制器的 一个应用 其控制思想在工业控制技术领域也同样适用 流水灯控制可用多种方法实 现 但对现代可编程控制器而言 利用移位寄存器实现最为便利 通常用左移寄存器 实现灯的单方向移动 用双向移位寄存器实现灯的双向移动 本案例利用价格低廉的 AT89C51 系列单片机控制基色LED灯泡从而实现丰富的变化 关键词 AT89C51 LED 灯 单片机 花样流水灯 1 1 课程设计的目的和要求课程设计的目的和要求 1 1 设计目的设计目的 近年来随着科技的发展 单片机的应用正在不断走向深入 同时带动传统控制检测 日新月异更新 在实时检测和自动控制的单片机应用系统中 单片机往往是作为一个核 心部件来使用 单片机方面知识是不够的 还应根据具体硬件结构 以及针对具体应用 对象点的软件结合 加以完善 流水灯 可以更简单 方便的使用 通过本课程设计使 学生进一步巩固单片机原理及应用的基本概念 基本理论 分析问题的基本方法 增强 系统地运用已学的理论知识解决实际问题的能力和查阅资料的能力 培养一定的自学能 力和独立分析问题 解决问题的能力 能通过独立思考 查阅工具书 参考文献 寻找 解决方案 1 2 设计要求设计要求 流水灯设计的基本要求 设计一个流水灯 应用 AT89C51 试验系统 电路开启后红 绿两种颜色的灯在时钟信号作用下按一定规律转换状态 2 总体设计总体设计 2 1 硬件总体设计硬件总体设计 2 1 1 设计思想设计思想 整个系统工作由软件程序控制运行 根据需要 可以上电后系统经过初始化 入用 户设定模式状态 基于 AT89C51 单片机的彩灯控制方案 实现对 LED 彩灯的控制 本方 案以 AT89C51 单片机作为主控核心 与驱动等模块组成核心主控制模块 在主控模块上 设有晶振电路和 16 个 LED 显示二极管 根据需要编写若干种亮灯模式 根据各种亮灯时 间的不同需要 在不同时刻输出灯亮或灯灭的控制信号 2 1 2 原件清单原件清单 2 1 3 模块分析模块分析 1 核心部件 AT89C51 单片机是整个彩灯循环系统的核心是控制彩灯循环闪烁等等一切功能的部件 2 其中内部有 ROM 有 RAM 有并行 I O 口等 在 51 单片机内部有一个 CPU 用来运算 控 制 有四个并行 I O 口 分别是 P0 P1 P2 P3 有 ROM 用来存放程序 有 RAM 用来 存放中间结果 此外还有定时 计数器 串行 I O 口 中断系统 以及一个内部的时钟电 路 2 复位系统 电路中 C1 R2 组成复位电路 它的作用是将单片机内部特殊功能寄存器和端口 寄存器恢复到初始状态 从内部 FLASH 存储器的初始状态开始执行 3 震荡系统 单片机本身如同一个复杂的同步时序电路 为了保证同步工作 电路应在唯一的时 钟信号控制下 严格地按规定时序工作 而时钟电路就用于产生单片机工作所需要的时 钟信号 4 闪烁系统 利用单片机的 P 口控制 LED 的发光闪烁 再利用编程实现流水灯的电路 用软件来 实现对 LED 的控制 每个 LED 接一个限流电阻 来控制流入 LED 发光管的电流 复位电路 AT89C51 核心 部件 闪烁系统 震荡系统 图图 2 12 1 硬件系统方框图硬件系统方框图 3 硬件设计硬件设计 3 1 AT89C51 单片机的硬件结构单片机的硬件结构 由图 3 1 可以看出 单片机内部主要包含下列几个部件 一个 8 位 CPU 3 一个时钟电路 4Kbyte 程序存储器 128byte 数据存储器 两个 16 位定时 计数器 64Kbyte 扩展总线控制电路 四个 8 bit 并行 I O 端口 一个可编程串行接口 五个中断源 其中包括两个优先级嵌套中断 图图 3 13 1 AT89C51AT89C51 硬件结构框图硬件结构框图 3 1 1 主要特性主要特性 AT89C51 是一种低功耗 低电压 高性能的八位 CMOS 单片机 片内有一个 4KB 的 FLASH 可编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器技术 而且其 输出引脚和指令系统都与 MSC 51 兼容 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 FLASH 存 储单元 片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程 因此 AT89C51 是一种功能强 灵活性高且价格合理的单片机 可方便的应用于各种控制领域 3 1 2 主要引脚功能主要引脚功能 1 电源引脚 Vcc 和 Vss Vcc 电源端 接 5V Vss 接地端 通常在 Vcc 和 Vss 引脚之间接 0 1 高频滤波电容 2 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 接外部晶振和微调电容的一端 在片内它是振荡器倒相放大器的输入 若使 用外部 TTL 时钟时 该引脚必须接地 XTAL2 接外部晶振和微调电容的另一端 在片内它是振荡器倒相放大器的输出 若 4 使用外部 TTL 时钟时 该引脚为外部时钟的输入端 3 地址锁存允许 ALE 在系统扩展时 ALE 用于控制地址锁存器锁存 P0 口输出的低 8 位地址 从而实现数 据与低位地址的复用 当单片机上电正常工作后 ALE 端就周期性地以时钟频率的 1 6 的 固定频率向外输出正脉冲信号 ALE 的负载能力为 8 个 LSTTL 器件 4 外部程序存储器读选通信号 是读外部程序存储器的选通信号 低电平有效 CPU 从外部存储器取指令时 它 在每个机器周期中两次有效 5 程序存储器地址允许输入端 VPP 当 为高电平时 CPU 执行片内程序存储器指令 但当 PC 中的值超过 0FFFH 时 将自动转向执行片外程序存储器指令 当 为低电平时 CPU 只执行片外程序存储器指 令 对于 8031 由于其无片内 ROM 故 必须接低电平 6 复位信号 RST 该信号高电平有效 在输入端保持两个机器周期的高电平后 就可以完成复位操作 此外 该引脚还有掉电保护功能 若在该端接 5V 备用电源 在使用中若 Vcc 掉电 可 保护片内 RAM 中信息不丢失 7 输入 输出口引脚 P0 P1 P2和 P3 P0 口 P0 0 P0 7 该端口为漏极开路的 8 位准双向口 负载能力位 8 高 LSTTL 负载 它为 8 位地址线和 8 位数据线的复用端口 P1 口 P1 0 P1 7 它是一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 I O 口 P1 口的驱动 能力为 4 个 LSTTL 负载 P2 口 P2 0 P2 7 它为一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 I O 口 P2 口的驱动 能力也为 4 个 LSTTL 负载 在访问外部程序存储器时 它作存储器的高 8 位地址线 P3 口 P3 0 P3 7 P3口同样是内部带上拉电阻的 8 位准双向 I O 口 P3口除了作 为一般的 I O 口使用之外 其还具有特殊功能 5 3 1 3 外部总线结构外部总线结构 所谓总线 就是连接单片机与各外部器件的一组公共的信号线 当系统要求扩展时 单片机要与一定数量的外部器件和外围设备连接 如果各部件及每一种外围设备都分别 用各自的一组线路与 CPU 直接连接 那么连线将会错综复杂 甚至难以实现 为了简化 硬件电路的设计和系统结构 常用一组线路 并配以适当的接口电路来与各个外部器件 和外围设备连接 这组共用的连接线路就是总线 采用总线结构便于扩展外部器件和外 围设备 而统一的总线标准则使不同设备间的互连更容易实现 利用片外引脚可以构造 MCS 51 系列单片机的三总线结构 单片机的引脚除了电源端 VCC 接地端 VSS 复位端 RST 晶振接入端 XTAL1 和 XTAL2 通用 I O 口的 P1 0 P1 7 以 外 其余的引脚都是为实现系统扩展而设置的 用这些引脚构造的单片机系统的三总线 结构如图 3 2 所示 图图 3 23 2 MCS 51 系列单片机片外三总线结构 1 地址总线 Address Bus AB MCS 51 系列单片机总共有 16 根地址线 A15 A0 片外存储器可寻址范围达 64KB 216 65536 字节 由 P2 口直接提供高 8 位地址 A15 A8 P0 口经地址锁存器提供低 8 位地址 A7 A0 2 数据总线 Data Bus DB MCS 51 系列单片机总共有 8 根数据线 D7 D0 全 由 P0 口提供 由于 P0 口是分时复用总线 分时输送低 8 位地址 通过地址锁存器锁存 和高 8 位数据信息 3 控制总线 Control Bus CB 控制总线由 P3 口的第二功能 P3 6 WR P3 7 和 3 根独立的控制线 ALE 组成 RDEAPSEN 3 1 4 振荡器特性振荡器特性 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 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 3 1 5 芯片擦除芯片擦除 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 6 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 3 2 硬件电路设计硬件电路设计 3 2 1 震荡电路震荡电路 为彩灯循环系统提供稳定频率波在由多片单片机组成的系统中 为了各单片机之间 时钟信号的同步 引入唯一的外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲 这时外部的脉冲 信号是经单片机 89C51 的 XTAL2 引脚注入的 在 MCS 51 单片机片内有一个高增益的反 相放大器 反相放大器的输入端为 XTAL1 输出端为 XTAL2 在芯片的外部通过这两个引 脚跨接晶体振荡器和微调电容 C1 C2 形成反馈电路 可构成稳定的自激振荡器 振荡频 率范围通常是 1 2 12MHz 晶体振荡频率高 则系统的时钟频率也高 单片机的运行速度 也就快 图图 3 4 震荡电路震荡电路 晶体振荡器的振荡信号从 XTAL2 端送入内部时钟电路 它将该振荡信号二分频 产 生一个两相时钟信号 P1 和 P2 供单片机使用 时钟信号的周期称为状态时间 S 它是振荡 周期的 2 倍 P1 信号在每个状态的前半周期有效 在每个状态的后半周期 P2 信号有效 CPU 就是以两相时钟 P1 和 P2 为基本节拍协调单片机各部分有效工作的 MCS 51 单片机 时钟电路示意图如图 4 所示 XTAL1 XTAL2 fOSC 二分频 三分频 六分频 状态时钟 机器周期 ALE 2 3 6 C1 C2 晶振 反相 放大 器 图图 3 53 5 MCS 51MCS 51 单片机时钟振荡电路示意图单片机时钟振荡电路示意图 振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用 而是经分频后再为系统所用 振荡脉冲在 片内通过一个时钟发生电路二分频后才作为系统的时钟信号 片内时钟发生电路实质上 是一个二分频的触发器 其输入来自振荡器 输出为二相时钟信号 即状态时钟信号 其频率为 fosc 2 状态时钟三分频后为 ALE 信号 其频率为 fosc 6 状态时钟六分频后为机 器周期 其频率为 fosc 12 在图 3 4 中 使用晶体振荡器时 C1 C2 取值 30 10pF 使用陶瓷振荡器时 C1 C2 取值 40 10pF C1 C2 的取值虽然没有严格的要求 但电容的大小影响振荡电路 的稳定性和快速性 通常取值 20 30pF 在设计印制电路板时 晶振和电容等应尽可能靠 7 近芯片 以减少分布电容 保证振荡器振荡的稳定性 也可以由外部时钟电路向片内输入脉冲信号作为单片机的振荡脉冲 这时外部脉冲 信号是经 XTAL1 引脚引入的 而 XTAL2 引脚悬空或接地 对外部信号的占空比没有要求 但高低电平持续的时间不应小于 20ns 这种方式常用于多块芯片同时工作 便于同步 其外部脉冲接入方式如图 3 6 所示 图图 3 63 6 MCS 51MCS 51 单片机外部时钟输入接线图单片机外部时钟输入接线图 所谓时序 是指在指令执行过程中 CPU 的控制器所发出的一系列特定的控制信号 在时间上的先后关系 CPU 发出的控制信号有两类 一类是用于单片机内部的 用户不 能直接接触此类信号 不必对它作过多了解 另一类是通过控制总线送到片外的 人们 通常以时序图的形式来表示相关信号的波形及出现的先后次序 为了说明信号的时间关 系 需要定义时序单位 89C51 的时序单位共有四个 从小到大依次是拍节 状态 机器 周期和指令周期 如图 3 4 所示 3 2 2LED3 2 2LED 电路显示电路显示 如图所示 P0 口控制 LED 灯 D1 D8 的显示 P2 口控制 LED 灯 D9 D16 的显示 限流 电阻为 470 欧姆 经过的电流大概为 10mA 8 3 2 3 复位电路复位电路 当要对晶片重置时 只要按开关就能完成 LED 和开关的重置 复位是单片机的初始 化操作 其主要功能是把 PC 初始化为 0000H 使单片机从 0000H 单元开始执行程序 单 片机的 RST 管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口 复位信号是高电平有效 高电 平有效的持续时间为 2 个机器周期以上 单片机的复位方式可由手动复位完成 RST 引脚是复位信号输入端 复位信号为高电平有效 其有效时间应持续 24 个周期 以上才能完成复位操作 若使用 6MHZ 晶振 则持续 4 微秒以上才能完成复位操作 CPU 在第二个机器周期内执行复位操作 以后每个机器周期重复一次 直至 RST 端电 平变低 在单片机复位期间 ALE 和 PSEN 信号都不产生 复位操作将对部分专用寄存器 产生影响 复位后 这些内部寄存器状态如表 3 1 表表 3 13 1 部分专用寄存器复位状态部分专用寄存器复位状态 寄存器值寄存器值 PC0000HACC00H B00HPSW00H SP07HDPTR0000H P0 P3OFEHIPXXX0000 IE0XX0000TMOD00H TCON00HTL0 TL100H TH0 TH100HSCON00H SBUF不定PCON0XX0000 上电瞬间由于电容 C 上无储能 其端电压近似为零 RST 获得高电平 随着电容器 C 的充电 RST 引脚上的高电平将逐渐下降 当 RST 引脚上的电压小于某一数值后 单片机 就脱离复位状态 进入正常工作模式 只要高电平能保持复位所需要的时间 约两个机 器周期 单片机就能实现复位 4 软件设计软件设计 4 1 主程序设计主程序设计 include include unsigned char k a b void delay void main while 1 9 a 0 xfe 1111 1110 b 0 xfe 111 for k 0 k 8 k P0 a delay b crol b 1 a a a 0 xfe 1111 1110 b 0 xfe 111 for k 0 k0 i for j 200 j 0 j 4 3 流水灯控制码程序设计流水灯控制码程序设计 利用总线控制实现流水灯 8 位二极管循环点亮 编程思路 a 先点亮第一盏灯 延时点亮第二盏 依次延时 8 盏灯全部点亮 b 当 8 盏灯全部点亮时 熄灭 8 盏灯 c 进入循环 10 4 4 程序流程图程序流程图 图图 4 14 1 程序流程图程序流程图 5 使用使用 proteus 软件调试仿真说明软件调试仿真说明 5 1 Proteus 的介绍的介绍 Proteus 软件由 ISIS 和 ARES 两部分构成 其中 ISIS 是一款便捷的电子系统原理设计和仿真平台 软件 ARES 是一款高级的 PCB 布线编辑软件 Proteus 是目前最好的模拟单片机外围器件的工具 与 其他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 有单片机参与的其他电路的工作情况 因此在仿真和调试程序时 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 解决了实验和工程应用间脱节的矛盾 5 2 Proteus 的特点的特点 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真的结合 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外 围电路组成的系统仿真 RS232 动态仿真 I2C 调试器 SPI 调试器 键盘和 LCD 系统仿真等功能 有各种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 具有强大的原理图绘制功能 提供软件调 试功能 在硬件仿真系统中具有全速 单步 设置断点等调试功能 同时可以观察各个变量 寄存器 等的当前状态 因此在该软件仿真系统中 也必须具有这些功能 同时支持第三方的软件编译和调试 环境 如 Keil C51 uVision2 等软件 5 3 Proteus 的使用方法的使用方法 点状的栅格区域为编辑窗口 左上方为预览窗口 左下方为元器件列表区 即对象选择器编辑窗 口用于放置元器件 进行连线 绘制原理图 预览窗口可以显示全部原理图 在预览窗口中 有两个 11 框 蓝框表示当前页的边界 绿框表示当前编辑窗口显示的区域 当从对象选择器中选中一个新的对 象时 预览窗口可以预览选中的对象 在预览窗口上单击 Proteus ISIS 将会以单击位置为中心刷新编 辑窗口 5 4 电路原理图的设计方法电路原理图的设计方法 原理图的具体设计步骤如下 1 新建设计文档 在进入原理图设计之前 首先要构思好原理图 即必须知道所设计的项目需 要哪些电路来完成 用何种模板 然后在 Proteus ISIS 编辑环境中画出电路原理图 2 设置工作环境 根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小等 在电路图设计的整个过程中 图纸的大小可以不断地调整 设置合适的图纸大小是完成原理图设计的第一步 3 放置元器件 首先从添加元器件对话框中选取需要添加的元器件 将其布置到图纸的合适位 置 并对元器件的名称 标注进行设定 再根据元器件之间的走线等联系对元器件在工作平面上的位 置进行调整和修改 使得原理图美观 易懂 4 对原理图进行布线 根据实际电路的需要 利用 Proteus ISIS 编辑环境所提供的各种工具 命令进行布线 将工作平面上的元器件用导线连接起来 构成一幅完整的电路原理图 5 建立网络表 在完成上述步骤之后 即可看到一张完整的电路图 但要完成印制版电路的设 计 还需要生成一个网络表文件 网络表是印制版电路与电路原理图之间的纽带 6 原理图的电气规则检查 当完成原理图布线后 利用 Proteus ISIS 编辑环境所提供的电气规 则检查命令对设计进行检查 并根据系统提示的错误检查报告修改原理图 7 调整 如果原理图已通过电气规则检查 那么原理图的设计就完成了 但是对于一般电路设 计而言 尤其是较大的项目 通常需要对电路进行多次修改才能通过电气规则检查 8 存盘和输出报表 Proteus ISIS 提供了多种报表输出格式 同时可以对设计好的原理图和报表 进行存盘和输出打印 12 5 5 仿真过程仿真过程 Proteus Isis 仿真时 单片机需要加载程序 加载程序为 HEX 文件 本设计利用 proteus 在 proteus 中的 source 下拉框中选择 add removesource files 新建汇编语言程序文件 然后用鼠标点击 OK 在 source 下拉框中新建的汇编语言程序文件里写入汇编语言程序 写完之后在 source 选项中选择 build all 选项进行编译 如有错误则在刚刚新建的汇编语言程序文件里面进行修改 如果正确则会 自动生成 HEX 文件 然后就可以开始仿真了 6 测试数据测试数据 通过程序可以实现花样流水灯的不同形式变换 如图是流水灯的依次点亮 8 7 6 3 2 1 4 a b c d e f g h 5 4 3 2 1 5 6 7 8 a b c d e f g h D1 LED RED D2 LED RED D3 LED RED D4 LED RED D13 LED GREEN D14 LED GR