PWM控制LED亮度单片机课程设计

摘摘 要要 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个 领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制， 计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据 处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统， 录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物 等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智 能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用尤为重要。 而51单片机是各类单片机中最为典型和最具代表性的一种。本实验 是基于MCS-51系列单片机所设计的，以单片机芯片AT89C52作为 核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，实现 PWM控制LED的亮度。 关键词：AT89C51、PWM、LED 目目 录录 1 项目概述和要求项目概述和要求.1 1.1 单片机基础知识单片机基础知识.1 1.3 项目设计任务与设计思路项目设计任务与设计思路.3 2 系统设计系统设计.5 2.2 元件清单元件清单.5 2.2.1 AT89C51 芯片 .5 2.2.2 LED.7 2.2.3 其它元件.8 3 软件设计软件设计.9 3.1 程序程序.9 4 系统的仿真与调试系统的仿真与调试.11 4.1 硬件调试硬件调试.11 4.2 软件调试软件调试.12 4.3 软硬件调试软硬件调试.12 5 总结总结.14 参考文献参考文献.15 信息工程学院课程设计报告 1 1 项目概述和要求项目概述和要求 1.1 单片机基础知识单片机基础知识 单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一 个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。 单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度 取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的 领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 现在，这种单片机的使用领域已十分广泛。彩电、冰箱、空调、录像机、 VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地 融入我们每个人的生活之中。 单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标， 给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效 率和产品质量。单片机按用途大体上可分为两类，一种是通用型单片机，另一 种是专用型单片机 MCS-51 单片机是美国 INTEL 公司于 1980 年推出的产品，与 MCS- 48 单 片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单 元和指令，指令数达 111 条，MCS-51 单片机可以算是相当成功的产品，一直 到现在，MCS-51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业 学校的培训教材仍与 MSC-51 单片机作为代表进行理论基础学习。MCS-51 系 列单片机主要包括 8031、8051 和 8751 等通用产品。 增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、PMW（脉宽调制电路） 、 WDT（看门狗） 、有些单片机将 LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上， 这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根 据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强 和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其 中 SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向 发展。 信息工程学院课程设计报告 2 1.3 项目设计任务与项目设计任务与设计思路设计思路 设计任务： 基于电位器控制 LED 亮度 设计思路： LED 一般是恒流操作的，如何改变 LED 的亮度呢？答案就是 PWM 控制。 在一定的频率的方波中，调整高电平和低电平的占空比，即可实现。比如我们 用低电平点亮一个 LED 灯，假设我们把一个频率周期分为 10 个时间等份，如 果方波中的高低电平占空比是 9：1，这是就是一个比较暗的亮度，如果方波中 高低电平占空比是 0：10，这时，全部是高电平，灯是灭的。如果占空比是 5：5，就是一个中间亮度，如果高低比是 9：1，是一个比较亮的亮度，如果高 低是 10：0，这时全部是低电平，就是最亮的。 实际上应用中，电视屏幕墙中的几十百万 LED 象素都是这样控制的，而且 每一个象素都有红绿蓝 3 个 LED，每个 LED 可以变化的亮度是几百到几万或 者更多的级别，以实现真彩色的显示。还有在您的手机中，背光灯的亮度如果 是可以变化的，也应该是这种工作方式。目前的城市彩灯也有很多都使用了 LED，需要控制亮度是也是 PWM 控制。 信息工程学院课程设计报告 3 2 系统系统设计设计 2.1 系统电路原理图系统电路原理图 图 2-1 利用 PWM 信号控制 LED 亮度的驱动电路 2.2 元件清单元件清单 2.2.1 AT89C51 芯片芯片 AT89C51 芯片图如下图 2-2-1 所示。 信息工程学院课程设计报告 4 图 2-2-1AT89C51 芯片图 简介： AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除 只读存储器（FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编 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 1000 次。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-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。 AT89C 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。 主要特性:与 MCS-51 兼容；4K 字节可编程闪烁存储器；寿命： 1000 写/擦循环；数据保留时间： 10 年；全静态工作： 0Hz-24MHz；三级 程序存储器锁定； 1288 位内部 RAM；32 可编程 I/O 线；两个 16 位定时 器/计数器；5 个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内 振荡器和时钟电路 。 2.2.2 LED LED 灯显示的原理 原理：LED 是英文 light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基 本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用 信息工程学院课程设计报告 5 环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。 LED 结 构图如下图所示 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的 晶片，在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某些半 导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量 以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载 流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光 二极管，通称 LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压） ，电流 从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光 的强弱与电流有关。 图 2-2-1LED 实物图 信息工程学院课程设计报告 6 图 2-2-2LED 电路图 2.2.3 其它元件其它元件 其它元件图如下图 2-6 所示。 信息工程学院课程设计报告 7 图 2-2-3 其它元件图 信息工程学院课程设计报告 9 3 软件设计软件设计 3.1 程序程序 #define uchar unsigned char /定义一下方便使用 #define uint unsigned int #define ulong unsigned long #include /包括一个 52 标准内核的头文件 sbit P10 = P10; /要控制的 LED 灯 sbit P11 = P11; sbit P12 = P12; sbit P13 = P13; sbit P14 = P14; sbit P15 = P15; sbit P16 = P16; sbit P17 = P17; uchar scale; /用于保存占空比的输出 0 的时间份额,总共 10 份 char code dx5163 _at_ 0 x003b; /这是为了仿真设置的 /模拟 PWM 输出控制灯的 10 个亮度级别 void main(void) / 主程序 uint n; RCAP2H =0 xF3; /赋 T2 的预置值，溢出 1 次是 1/1200 秒钟 RCAP2L =0 x98; TR2=1; /启动定时器 ET2=1; /打开定时器 2 中断 EA=1; /打开总中断 while(1) /程序循环 ; /主程序在这里就不断自循环，实际应用中，这里是做主要工 作 for(n=0;n50000;n+); /每过一会儿就自动加一个档次的亮度 scale+; if(scale=10)scale=0; /1/1200 秒定时器 2 中断 timer2() interrupt 5 信息工程学院课程设计报告 10 static uchar tt; /tt 用来保存当前时间在一秒中的比例位置 TF2=0; tt+; if(tt=10) /每 1/120 秒整开始输出低电平 tt=0; if(scale!=0) /这里加这一句是为了消除灭灯状态产生的鬼影 P1=0 x00; if(scale=tt) /按照当前占空比切换输出高电平 P1=0 xff; 信息工程学院课程设计报告 11 4 系统的仿真与调试系统的仿真与调试 4.1 硬件调试硬件调试 单片机软件仿真系统 Proteus 介绍： Proteus 是英国 Labcenter Electro-nics 公司开发的一款电路仿真软件， 软件由两部分组成：一部分是智能原理图输入系统 ISIS(Intelligent Schematic Input System)和虚拟系统模型 VSM(Virtual Model System)； 另一部分是高级布线及编辑软件 ARES(Adv-Ancd Routing and Editing Software)也就是 PCB. 图 4-1 ISIS 启动界面 图 4-2 单片机属性的设定 信息工程学院课程设计报告 12 硬件调试分为静态调试和动态调试，对于硬件调试而言，只要认真焊接， 硬件一般不会出现什么问题的。 静态调试一般采用的工具是万用表，它是在用户系统未工作时的一种硬件 检测。 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排查错误的一种硬件检测。调 试步骤是：首先把电路分为若干模块，调试过程中与该模块无关的元件可以不 加考虑，这样可把故障限定在一定的范围内；故障清除后，把各个模块合在一 起进行联调，即可完成整个硬件调试工作。 4.2 软件调试软件调试 Keil Vision2 开发环境介绍： Keil 软件是目前最流行开发 MCS-51 系列单片机的软件。Keil 提供包括 C 编译器,宏汇编，连接器，库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开 发方案。通过一个集成开发环境 Vision2 将这些部分组合在一起。 软件调试是通过对程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误 与逻辑错误并加以排除纠正的过程。 4.3 软硬件调试软硬件调试 软硬件联调是指把调试无误的软件程序烧制进单片机芯片内部，通上电源 后，检查硬件工作是否有预期的效果，如果没有则需要检测软件是否在实现功 能上有欠缺。若有错误，通过改写软件来调试，直至达到预期效果，则设计圆 满成功。 信息工程学院课程设计报告 13 本课程设计调试结果如下图 4-3 所示。 图 4-3 调试结果图 信息工程学院课程设计报告 14 5 总结总结 经过将近一个星期的课程设计，PWM 控制 LED 的亮度设计基本完成，系 统功能基本实现，测试运行也基本正常。该系统基本上完成了模拟 PWM 控制 LED 的亮度。 当然这个系统还存在许多有待完善的地方：功能相对较少，有待于添加， 比方说时钟与闹钟功能；界面设计得不够精致完美； 这次课程设计的时间虽然不算很长，但使我对很多东西有了更深刻的认识。 总结如下： 1单片机基础知识要熟练掌握。 2查阅资料和阅读相关文献的重要性，充分利用网络这个大的资料库。 .3.向同学请教的重要性以及团队协作的重要性。 4 .勤动手的重要性，自己动手，丰衣足食！在一次次调试代码的过程中，我才 明白“代码不是写出来的，是调试出来的”的道理。 5.对待任何事情都要有耐心和恒心，遇到问题要冷静地思考，积极找出症结所 在，逐个解决。 通过本次课程设计，我更深刻的认识到了教学实践在大学课程中的重要性， 同时也发觉到了自己在学习方面存在的许多不足之处，在以后的学习中我会努