单片机课程设计

第1页摘要随着电子技术的迅速发展，单片机得到了越来越多的应用。本设计用单片机8951结合LED制作了一种新型的LED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LED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。关键字LED彩灯；AT89C51单片机；彩灯控制器；模块设计第2页目录引言4第一章设计要求及任务目的511设计要求512任务目的6第二章设计内容及总体方案621AT89C51单片机6211芯片介绍6212主要特性7213管脚说明8第三章硬件设计931AT89C51单片机原理说明932模块设计12321主控模块电路设计12322管内LED板模块设计12第四章软件设计1441设计程序流程图1442主程序代码及注释16第五章上机调试运行结果及分析1751硬件调试1752软件调试18九、参考文献21第3页引言随着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。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。此外从功能上来看，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。本设计提出了一种基于89C51单片机的彩灯控制方案，以实现对LED彩灯的控制。本方案以89C51单片机作为控制核心，与键盘、显示、驱动等模块组成核心控制模块。在核心控模块里设计8个按钮和5位七段码LED显示器，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部的定时器T0实现一个基本单位时间为3MS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。该新型LED彩灯是上海宝山迦南塑料厂委托开发产品，实际应用效果较好，亮灯模式多，用户可以根据不同场合和时间来调节亮灯频率和亮灯时间。与普通LED彩灯相比，具有体积小，价格低，第4页耗能低等优点。第一章设计要求及任务目的11设计要求111在主控模块上设有8个按键和5位七段码LED显示器，根据需要使其灯亮112利用内部定时器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，在不同时刻输出不同控制信号，然后驱动各种颜色的灯亮或灭。12任务目的121熟悉相关数字芯片的功能和使用方法122通过实验掌握显示的接口电路及程序设计，熟悉各种操作指令，子程序的调用以及中断知识和计数器的计数。第5页第二章设计内容及总体方案21AT89C51单片机211芯片介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁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100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MCS51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。212主要特性与MCS51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0HZ24HZ第6页三级程序存储器锁定1288位内部RAM32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213管脚说明213AT89C51引脚路第7页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P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。/PSEN外部程序存储器的选通信号。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。214振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。第8页第三章硬件设计31AT89C51单片机原理说明新型LED彩灯分为2部分，即彩灯控制器（主控模块）和管内LED板模块（受控模块）。彩灯控制器可直接与220V交流市电相连接，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12V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，根据需要，用户可以在LED彩灯工作时通过主控模块上的按键来设定亮灯时间和灯光闪动频率。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。在用户设定模式状态下，用户可以根据个人爱好及不同场合的需要来指定调用哪些模式，并且可以改变每种模式的时间TI、频率FI参数，如果用户想进入缺省状态模式，只需按一下功能切换键即可跳入缺省模式，程序会自动顺序调用亮灯模式；在缺省工作状态下，LED彩灯控制器按照程序设定好的若干亮灯花样模式程序MODEL_I顺序调用往下走，从第MODEL_1模式开始工作，自MODEL_1到MODEL_2到MODEL_N为一个亮灯周期，然后再回到MODEL_1循环继续工作，同样如果想进入用户设定模式状态，只需按下功能切换键即可。整个N种亮灯模式时间可以看作一个大周期T，其中的每一种花样工作模式MODEL_I（I1，2，N）时间为小周期TI，对于每一个模式编写一个独立工作子程序MODEL_I，其中设定了LED三色灯（红、绿、蓝）的点亮时刻（RED_ON，GREEN_ON，BLUE_ON）和熄灭第9页时刻（RED_OFF，GREEN_OFF，BLUE_OFF，以及模式工作时间TI以及该模式LED闪烁频率FI。5位七段码显示器的前2位（L1，L2）显示当前工作模式的序号MODEL_I；后3位（L3，L4，L5）七段码显示三色LED的工作状态，若该颜色灯点亮则对应七段码显示位为“1”，反之熄灭时则显示位为“灭”即不显示，对系统工作状态起到了很好的实时监控作用。因此在LED彩灯上电工作后，用户可以方便地通过主控模块上的显示器知道LED彩灯当前工作模式MODEL_I，工作时间TI，频率FI等实时参数。若实际应用需要根据不同场合和时间来改变彩灯闪亮效果，用户可以通过主控模块上的按键来设定LED不同的闪烁频率FI和亮灯时间TI，以便符合实际需要。此外如果用户对某一种模式感兴趣需要仔细观看该种亮灯模式，可以通过键盘选定任意选定AT89C51单片机原理图第10页32模块设计321主控模块电路设计主控模块电路如图1所示。主控模块主要设计器件有89C51，5个七段码LED显示器，8个按键，2个稳压器（提供12V，5V电压），1个信号输出驱动模块芯片MC4049等。通过软件设计，使单片机P0口作为三色LED驱动信号输出口及移位时钟CLOCK信号，P3口为按键输入口，P2口、P1口与5位七段码LED相接作为显示器的输出口。322管内LED板模块设计管内LED板模块电路见图2。管内LED板模块设计主要器件有LED彩灯（红、绿、蓝）、移位触发模块芯片CD4076等。根据实际应用彩灯长度需要，可将不同数量的该管内LED模块实现级连，组成一个完整的LED彩灯。考虑到功率损耗，LED板模块之间接口处用信号正向驱动模块芯片MC4049连接。第11页每个LED板模块上均匀分布3种颜色LED灯，在实际制作PCB时采用红、绿、蓝3色互隔焊接方式，在电路板上把LED发光管按顺序L1红、L2绿、L3蓝、L4红、L5绿、L6蓝依次均匀焊在板上成一条直线。为了得到更多的花样模式效果，可以使红绿2种灯从前往后驱动点亮闪烁，蓝灯从后往前驱动点亮闪烁，这样具有很好的动感视觉效果。第12页第四章软件设计41设计程序流程图新型LED彩灯控制器最大特点在于所有亮灯模式均由软件控制完成。系统中软件可以分为主程序和中断服务子程序。上电后在缺省状态以顺序调用MODEL_I花样亮灯模式流程为主程序，以一个单位时间5MS的T0定时为中断服务子程序。在这个5MS的T0定时基础上，可以根据需要来确定各种模式工作时间TI，以及确定在各种亮灯模式MODEL_I内点亮和熄灭各种颜色LED灯的时刻RED_ON，RED_OFF，GREEN_ON，GREEN_OFF，BLUE_ON，BLUE_OFF以及CLOCK（移位翻转脉冲）等。整个系统软件由主程序（MAIN）、各个模式子程序（MODEL_I）、5MS中断服务子程序T0INTERRUPT、键盘扫描处理子程序（KEYBOARD）、显示子程序（DISPLAY）等程序组成。利用T0定时器作为定时基本单位，根据模式需要计算好各控制信号的发生时刻，根据不同的模式MODEL_I可以设定不同的工作时间TI和脉冲翻转频率FI通过P0口输出，使各色LED灯的驱动时刻与移位触发的翻转时刻步调一致，使LED彩灯按照设计的模式工作。除了T0定时中断之外，程序的大部份时间是在处理按键的查询和LED显示的延时。8个按键分别为4个参数按键（FI增、减按键，TI增、减按键），3个模式改变按键（模式上翻UP、模式下翻DOWN、模式保持KEEP），1个功能切换按键。在每次的T0定时中断服务子程序里，需要对各个时间寄存器和模式寄存器进行加1或者清，为主程序查询作准备，同时查询是否已中断6第13页次（30MS），若30MS到了，则对参数按键查询一次，是否有时间TI频率FI增减键按下并进行相应子程序处理。主程序除了调用各种子模式子程序（MODEL_I），调用LED显示子程序DISPLAY和延时子程序DELAY之外，还一直保持查询是否有功能切键按下以及是否有模式改变按键按下，一旦有功能切换键和模式改变键按下，就会进入相应的按键处理。主程序流程如图3所示。亮灯模式子程序MODEL_I可以编写若干N种，只要控制好各色灯触发和熄灭时刻就可以组合成各种亮灯效果。MODEL_I程序流程如图4所示。第14页42主程序代码及注释第15页第五章上机调试运行结果及分析51硬件调试硬件调试可分为脱机调试与联机调试两步进行。脱机调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。第一步目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。目测结果电路及各元件正常。第二步是通电检查。通电后发现各个交通灯均能发光，证明电路线路无误。联机调试将编好的程序写入单片机后进行调试。第16页52软件调试通过PROTEUS仿真，我们的程序能够实现想要所有功能，包括显示到记时、交通灯循环点亮功能。在仿真时，应注意一下几个方面的问题1PROTEUS仿真和用WAVE软件生成的HEX文件应保存在同一个文件夹里，否则程序不能正常执行2在运行PROTEUS仿真图之前，必须先装载文件，要不然程序也无法正常运行。3在PROTEUS仿真过程中，硬件复位电路可能会不能实现复位功能，这对实际的硬件电路没有影响，需要复位时直接将PROTEUS软件复位即可。4由于我们的软件运行时在电脑上进行的，所以程序的精确度和电脑有关，在有些运行比较慢或者在电脑运行程序比较多的时候，计时会不准确，这种情况应当考虑。5程序在刚启动或者在暂停后继续运行的时候，反应比较慢，计时不准，不知道此问题在实际电路中会不会出现。第17页结束语通过对本次毕业论文的编写，使我明白应用主控模块输出的控制信号去控制灯管内的LED板模块工作，使得产品性能稳定，便以安装容易操作。由于控制程序存储在89C51单片机的电可擦除FLASH闪存EPROM中，如果用户需要更改系统的亮灯模式MODEL_I，无须改变系统硬件电路，只需修改其中程序即可，是一种很有发展前途的彩灯控制器。通过编写论文，使我