广告牌流水灯的设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

摘要介绍了一种简单的LED彩灯控制系统的设计方法，以AT89C51单片机作为控制核心，较少的辅助硬件电路相结合，利用软件实现对LED彩灯进行控制。本文提出了一种基于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,与显示、驱动等模块组成核心主控制模块。在主控模块上设有16个LED显示器,根据用户需要可以编写若干种亮灯模式,利用其内部定时器T0实现一个基本单位时间为5ms的定时中断,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，驱动各种颜色的灯亮或灭。关键词：LED；彩灯；单片机控制；定时器中断；目录摘要1引言2第1章绪论31.1选题背景31.2选题介绍3第2章系统主要硬件电路设计52.1单片机总体设计原理52.2各功能模块分析52.2.1闪烁系统52.2.2脉冲震荡系统62.2.3核心控件7第3章MCS-51的介绍83.1MCS-51单片机的结构框图83.2MCS-51单片机的逻辑结构及功能83.3MCS-51的信号引脚93.4内部程序存储器133.5彩灯控制端并行1/O端口133.6MSC单片机时钟电路与时序143.7单片机的复位工作方式153.7.1复位操作153.7.2复位信号好复位方式153.8扩展I/O接口电路的功能16第4章软件设计184.1软件系统方框图184.2中断延时程序184.3仿真环境Professional仿真软件19第5章系统调试205.1调试205.1.1硬件调试205.1.2软件调试205.1.3软硬联调20致谢21参考文献22附录1系统仿真电路图23附录2主要源程序24引言随着人们对房屋的装饰需要彩灯，在许多城市可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，便宜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彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、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。本方案提出了一种基于AT89C51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。在主控模块上设有16个码LED显示灯，根据需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部定时器T0实现一个基本单位时间为1ms的定时中断，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，然后驱动各种颜色的灯亮或灭。与普通LED彩灯相比，具有体积小、价格低、低能耗等优点。LED彩灯用软件控制硬件的方式来是彩灯闪烁，即彩灯控制器和管内LED板模块。彩灯采用AT89C51提供+5V电压工作，经过开关电源变换，输出直流工作电压，一方面为管内LED模块提供+5V工作电源，另一方面为主控模块单片机系统彩灯控制器提供+5V工作电源。整个系统工作由软件程序控制运行。上电后系统经过初始化LED彩灯控制器按照程序设定好的若干亮灯花样模式程序顺序调用往下走，开始工作，依次8种闪烁模式为一个闪烁周期，然后再回主循环继续工作；对于每一个模式编写一个独立工作子程序。因此在LED彩灯上电工作后，可以方便地通过控模块上的显示器知道LED彩灯当前工作模式，工作时间Ti，频率Fi等实时参。第1章绪论1.1选题背景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。但目前市场上各式样的LED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。彩灯可以通过定时或随用户要求来变换不同的色彩。传统的彩灯一般只有3种颜色,当需要其中某种颜色的时候,点亮该颜色的灯泡,熄灭其他颜色的灯;目前市面最为常用的彩色灯大都利用惰性气体在电极作用下变色的原理制作,工艺要求严格。本案例采用三基色原理,利用价格低廉的51系列单片机控制基色LED灯泡从而实现丰富的色彩变化。设计的艺术彩灯在外观上与普通的飞利浦灯泡相仿。1.2选题介绍本文提出了一种基于51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。本方案以51单片机作为主控核心，与显示、驱动等模块组成核心主控制模块。在主控模块上设晶振电路和16个LED显示二极管，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部定时器T0实现一个基本单位时间为5ms的定时中断，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，然后驱动各种颜色的灯亮或灭。MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，MCS-51系列单片机产品有8051，8031，8751，80C51，80C31等型号（前三种为CMOS芯片，后两种为CHMOS芯片）。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。8051内部设有4K字节的掩模ROM程序存储器，8031片内没有程序存储器，而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。由ATMEL公司生产的89C51将EPROM改成了4K的闪速存储器，他们的结构大同小异。我用的一块称之为89C51的芯片，下面我们就看一下如何给它连线。(1)、电源：这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。(2)、振蒎电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶振，电容，连上就可以了。(3)、复位引脚至于复位是何含义及为何需要复要复位，在单片机功能中介绍。(4)、EA引脚：EA引脚接到正电源端。至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。第2章系统主要硬件电路设计2.1单片机总体设计原理基于51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。本方案以51单片机作为主控核心，与显示、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，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部定时器T0实现一个基本单位时间为5ms的定时中断，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，结构框图如图2-1所示。震荡脉冲MC51核心部件闪烁系统图2-1硬件系统方框图2.2各功能模块分析单片机系统（彩灯控制器）提供5V工作电源。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，查询是否有功能切换键按下：有，则进入用户设定模式状态；无，则进入默认缺省工作状态。51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。本方案以51单片机作为主控核心，与显示、驱动等模块组成核心主控制模块。利用其内部定时器T0实现一个基本单位时间为5ms的定时中断，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。2.2.1闪烁系统发光二极管显示器简称LED或数码管。这种显示器具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点，本系统输出结果选用16个LED显示。数码管有共阴共阳之分，本系统采用16段共阴型LED，其原理图如图2-2-1所示，每端有8个发光二极管，公共端由8个发光二极管的阴极并接而成，正常显示时公共端接低电平(GND)，各发光二极管是否点亮取决于各引脚上是否是高电平。彩灯闪烁由+5V电源和八个LED发光二极管，八个限压电阻组成如下图所示是彩灯闪烁系统的主要的外部可视部件。LED显示器由16个发光二极管组成。其中每个发光二极管的颜色是不相同的LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。由于系统要显示的内容比较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种，如图2-2-1所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。图2-2-1LED连接方法2.2.2脉冲震荡系统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；如图2-2-2所示图2-2-2震荡电路2.2.3核心控件89C51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；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。P1接口(P1.0P1.7)；8位准双向I/O接口,占18脚.准双向接口是指该接口内部有上拉电阻,能驱动4个LSTTL(低功耗肖脱基晶体管逻辑电路)负载.P1接口一般作通用I/O接口线使用.P2接口(P2.P2.7);8位准双向I/O接口,占2128脚.能驱使动个LSTTL负载.如果系统接有外部存储器,则CPU访问外边存储器时,该口作高8位地址线使用.P3接口(P3.0P3.7);8位准双向I/O接口,占1017脚.能驱动4个LSTTL负载.P3借口同时也是多功能接口,除可作通用I/O接口线使用外,其每一引脚还有第二功能。第3章MCS-51的介绍3.1MCS-51单片机的结构框图MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机内包含下列几个部件：图3-151单片机机构框图3.2MCS-51单片机的逻辑结构及功能1、中央处理器（CPU)中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。按其功能，中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。（1）、运算器电路功能：单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。（2）、控制器电路功能：单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动而协调地工作。2、内部数据存储器组成：RAM（1288）和RAM地址寄存器等。功能：用于存放可读写的数据。3、内部程序存储器组成：ROM（4K8）)和程序地址寄存器等。功能：用于存放程序和原始数据。4、定时器计数器89C51共有两个16位的定时器计数器。功能：实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制，以满足控制应用的需要。5、并行I/O口MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）功能：实现数据的并行输入输出。6、串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口。功能；以实现单片机和其它数据设备之间的串行数据传送。7、中断控制系统89C51共有5个中断源，即外中断2个，定时计数中断2个，串行中断1个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。8、时钟电路MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。功能：时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。典型的晶振频率：6MHz、11.0592MHz、12MHz。9、位处理器位处理器称为布尔处理器。功能：以状态寄存器中的进位标志位C为累加位，可进行各种位操作。10、总线总线：连接计算机各部件的一组公共信号线。分类：地址总线、数据总线和控制总线。作用：减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。3.3MCS-51的信号引脚89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列如下图所示。图3-3-189C51单片机芯片引脚1、信号引脚介绍（1）、输入输出口线P0.0P0.7P0口8位双向口线P1.0P1.7P1口8位双向口线P2.0P2.7P2口8位双向口线P3.0P3.7P3口8位双向口线（2）、PSEN外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时/PSEN有效（低电平），以实观外部ROM单元的读操作。（3）、EA访问程序存储器控制信号当/EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当/EA信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。（4）、RST复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。（5）、XTAL1和XTAL2外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。（6）MCS-51系列单片机最小系统是指单片机要工作所必须保证的最低配置如图3-3-2所示。48123567abcdefghXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD63P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A92P2.2/A1023P2.3/A124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U189C51C12pFC22pFC310uFX112MR110k图3-3-2单片机最小系统连接图2、信号引脚的第二功能“复用”即给一些信号引脚赋予双重功能。第二功能信号定义主要集中在P3口线中，另外再加上几个其它信号线。（1）、P3口线的第二功能P3口8条口线都定义有第二功能，如表3-3-3所示。图3-3-3P3口的第二功能（2）、EPROM存储器程序固化所需要的信号编程脉冲：30脚（ALE/PROG）编程电压（25V）：31脚（/EA/Vpp)（3）、备用电源引入备用电源是通过9脚（RST/VPD）引入的。当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。说明：a）第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。b）P3口线先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的才作为I/O口线使用。堆栈是一种数据结构。数据写入堆栈称为入栈（PUSH）。数据从堆栈中读出称之出栈(POP)。3、数据操作规则：“后进先出”LIFO。即先入栈的数据由于存放在栈的底部，因此后出栈；而后入栈的数据存放在栈的顶部，因此先出栈。（1）、堆栈的功用堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设立的。其具体功能有两个：保护断点和保护现场。（2）、堆栈的开辟堆栈只能开辟在芯片的内部数据存储器中，即所谓的内堆栈形式。（3）、堆栈指示器堆栈指示器SP（StackPointer）的内容是堆栈栈顶的存储单元地址。SP是一个8位寄存器。如图3-3-4。说明：系统复位后，SP的内容为07H，但由于堆栈最好在内部RAM的30H7FH单元中开辟，所以在程序设计时应注意把SP值初始化为30H以后。图3-3-4出栈入栈图（4）、堆栈使用方式自动方式：即在调用子程序或中断时，返回地址（断点）自动进栈。程序返回时，断点再自动弹回PC。指令方式：即使用专用的堆栈操作指令，进行进出栈操作。其进栈指令为PUSH，出栈指令为POP。例如保护现场就是指令方式进行操作。3.4内部程序存储器80C51芯片内有4KROM存储单元，其地址为0000H0FFFH。0000H0002H系统的启动单元0003H000AH外部中断0中断地址区000BH0012H定时器计数器0中断地址区0013H001AH外部中断1中断地址区001BH0022H定时器计数器1中断地址区0023H002AH串行中断地址区中断响应后，系统能按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。由于各地址区容量有限，因此一般在第一个单元放置一条无条件转移指令以转移到程序实际存放位置。3.5彩灯控制端并行1/O端口MCS-51单片机具有4个8位准双向并行端口（P0P3），共32根1/O口线。每一根1/O口线都能独立地用作输入或输出。这4个端口是单片机与外部设备进行信息（数据、地址、控制信号）交换的输人或输出通道。1、P0口功能：作为通用输入/输出口；地址线数据线分时复用。在扩展系统中，低8位地址线与数据线分时使用PO口。PO口先输出片外存储器的低8位地址并锁存到地址锁存器中，然后再输出或输入数据。2、P1口功能：作为通用输人/输出口使用。3、P2口功能：通用输人/输出口使用；作为高8位地址总线口使用。在扩展系统中，其作为扩展系统的高8位地址总线，与P0口低8位地址线一起组成16位地址总线。4、P3口功能：作为通用输人/输出口使用；涉及串行口、外部中断、定时器的工作（第二功能）。3.6MSC单片机时钟电路与时序时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。示意图如3-6-1。图3-6-1MCS-51单片机震荡示意图1、时钟信号的产生在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚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，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。如下3-6-2图所示。电路中的电容一般取30pF左右，而晶体的振荡频率范围通常是1.2MHz12MHz。2、引入外部脉冲信号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XTAL2引脚注入，其连接如图3-6-2所示。图3-6-251单片机外部中断源接法时序定时单位MCS-51时序的定时单位共有4个，从小到大依次是：拍节、状态、机器周期和指令周期。下面分别加以说明。1、拍节与状态振荡脉冲的周期定义为拍节（用“P”表示）。两个拍节定义为状态（用“S”表示）。2、机器周期六个状态为一个机器周期。3、指令周期执行一条指令所需要的时间称之为指令周期。MCS-51的指令周期根据指令的不同，可包含有1、2、3或4个机器周期。3.7单片机的复位工作方式3.7.1复位操作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。除PC之外，复位操作还对其它一些专用寄存器有影响，它们的复位状态如表所示：PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P30FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H3.7.2复位信号的复位方式RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续2个机器周期以上。复位操作有上电自动复位和按健手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。电路如3-7-2图。按健手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中按健电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路3-7-2图所示。而按健脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如3-7-2图所示。图3-7-2各复位电路3.8扩展I/O接口电路的功能在单片机应用系统中，扩展1/O接口电路主要是针对如下几项功能：1.速度协调由于速度上的差异，使得单片机的I/O数据传送只能以异步方式进行。设备是否准备好，需要通过接口电路产生或传送设备的状态信息，以此实现单片机与设备之间的速度协调。2.输出数据锁存在单片机应用系统中，数据输出都是通过系统的公用数据通道（数据总线）进行的，单片机的工作速度快，数据在数据总线上保留的时间十分短暂，无法满足慢速输出设备的需要。在扩展I/O接口电路中应具有数据锁存器，以保存输出数据直至能为输出设备所接收。3.输入数据三态缓冲数据输入时，输入设备向单片机传送的数据要通过数据总线，但数据总线是系统的公用数据通道，上面可能“挂”着多个数据源，工作比较繁忙。为了维护数据总线上数据传送的“次序”，因此只允许当前时刻正在进行数据传送的数据源使用数据总线，其余数据源都必须与数据总线处于隔离状态。为此要求接口电路能为数据输入提供三态缓冲功能。4.数据转换单片机只能输入和输出数字信号，但是有些设备所提供或所需要的并不是数字信号形式。为此，需要使用接口电路进行数据信号的转换，其中包括：模/数转换和数/模转换；如下图所示。图3-851单片机扩展总线第4章软件设计4.1软件系统方框图系统软件程序设计主要包括:主程序设计，延时0.5S子程序，延时0.001S程序等等；软件框图如4-1所示开始P0P2口初始化点亮发光二极管上下移动循环图4.14.2中断延时程序彩灯延时闪烁的实现，延时子程序的调用实际上就是寄存器在MCS-51单片机中，从中断请求发生到被响应，从中断响应到转到执行中断服务程序，采样是中断出理的第一步他是针对外中断请求信号进行的。如下图4-2所示图4-2主程序调用子程序图4.3仿真环境Professional仿真软件图4-3-aProfessional仿真环境第5章系统调试因本设计本身要求有稳定性高、免维护、抗干扰能力强等功能，系统调试除了验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项的功能的正常运行。5.1调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块化设计，所以方便了对各电路功能模块的逐级测试，包括对：键盘操作功能调试，声音输出功能调试，指示灯功能调试等。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后整体测试，使系统的所有功能得以实现。5.1.1硬件调试电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：(1)按键功能调试(2)声音输出功能调试(3)LED灯功能调试5.1.2软件调试本系统的软件系统很大，全部用C51来编写，选用一般的伟福仿真器对C51进行调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统，最后完成一个完整的系统调试。主要是液晶显示屏实时显示功能的调试。5.1.3软硬联调系统做好后，进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据，逐步校正数据，使测量结果更准确。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。致谢在这次毕业设计中，我真诚地感谢张万良老师和同学们的帮助，在他们的帮助下我顺利的完成了此次毕业设计也使我对单片机的一些相应的周边知识有了更进一步的了解。在做论文的过程中，张老师又反复而耐心地给我指出问题的所在，并帮助我纠正了许多不妥之处。在做系统设计这一过程中，也给我提出了许多意见和建议，并交给我许多解决问题的技巧和方法。单片机是一门实践性很强的课程，光光一个单片机并不能发挥什么作用，必须要和其它的芯片一起才能最大可