天花乱坠流水灯的设计

1、天花乱坠流水灯的设计1.设计要求1.1设计一个不同颜色的花样流水灯。1.2设计一个16个不同颜色的LED花样流水灯。1.3利用单片机的自动控制功能设计一个流水灯。1.4当接上电源时，合上开关16个灯按不同的方式显示，先是2排16个LED灯 中的两个灯轮流显示，再是2排的各8个LED灯中的两个灯从中间依次向两边 显示，再是从两头往中间显示，然后是 2排16个LED灯中的三个灯轮流显示， 再是2排的各8个LED灯中的三个灯从中间依次向两边显示，再是从两头往中 间显示。最后是16个LED灯中的一个灯从头向尾显示，再是从尾向头显示然后 全亮在闪烁几下。（包括：设计方案、电路分析、仿真结果、软硬件结合测

2、试步骤和结果、设计收获和体会）2.设计方案利用数字电路知识，选用 CT54S195 /CT74S195四位寄存器四片,将I片的 QD端接U片的串行输入端 JK , U片的QD端接I片的串行输入端 JK ,在 SH/LD端,当并行置入信号出现时,在L1L8端并行置入1000 0000,随后使 SH/LD端为1,此时在移存脉冲的作用下，实现循环移位，依次点亮LED指示 灯，三、四片在同样构成像I、U电路。Li Li U 14 Is L& Lr L$CP-VSH/ED 01 4 Qu Qd: IJ I A B C D GM严CLK10sH/n 皿 Qg CLK I LSI 笳 E H 口 G卿|4|

3、56|T 0 0 0 Q图1利用74LS195构成电路利用单片机控制电路。利用单片机的 P1 口和P2 口控制十六个LED灯，下 载程序到单片机，利用程序设计控制花样流水灯 LED灯的走向。相比较两种方案，方案一电路比较复杂，连线容易连错，焊接复杂，且成本 会较高。方案二利用单片机接线简单，焊接也比较简单，且成本相对较低。3电路分析单片机内部结构框图:- 14 -PIOPl.lPI.2Pl 3Pl.4PI 5Pl.6Pl.7 RSlVpu RXD P3 0I xn I1； I INTO-13 2 1NT1,P3J10/P3.4 1P3JWR P3 6 RD；P3 7XIAL2 X I ALGM

4、DULJ匚匚匚匚U匚匚匚匚匚匸匚匚匚匚匚匚匚O 9 8 7 6 5 4 3 1 o Q- 8 7 6 5 4 3 2 14 3 3 3 3 3- 3 3 3 3 3 2 TH F.rM! 2 2图3 40引脚PDIP封装的80C51单片机的引脚图MCS-51系列单片机主要由以下部件通过片内总线连接而成：中央处理器（CPU、数据存储器（RAM、程序存储器（ROM、并行输入/输出口（ P0 口 P3 口）、串行口、定时器/计数器、中断控制、总线控制及时钟电路。=1 Vcc POO/ADO PO 1.A11 PO.2 AD2J HX3.AD3J JO 4. ALM 1.5 AD5J IX) 6 AD

5、6 P0-7/AD7 EA/VppJ ALE- PWG PSRNX P2 7 AI5 P2 6AI4 P2 5 AI3 P2.4.AI2J P2.3. A11J P2.2.AIOJ P2 I.A9 P2 0 AS3.1 80C51引脚分析3.1.1电源及电源复位引脚（1）Vcc （40脚）：正常操作时接+5V直流电源。（2）Vss （20脚）：接地端。（3）RST/Vd（9脚）：复位信号输入端。在该引脚上输入一定时间（约两个机器周期）的高电平将使单片机复位。该引脚的第二功能是VPD,即备用电源输入端。当主电源发生故障，降低到低电平规定值时，可将 +5V备用电源自动接入 Vpd端，以保护片内RA

6、M中的信息不丢失，使复电后能继续正常运行。（4）Ea/Vpp （31脚）：访问程序存储器控制信号/编程电源输入。当EA保持高电平时，访问内部程序存储器，访问地址范围在04KB内；当PC （程序计数器）值超过0FFFH即访问地址超出4KB时，将自动转向执行外部程序存储器 内的程序；当EA保持低电平时，不管单片机内部是否有程序存储器，则只访问外部程序存储器（从0000H地址开始）。由此可见，对片内有可用程序存储器的 单片机而言，EA端应接咼电平，而对片内无程序存储器的单片机，可将EA接地。对于EPROM!单片机，在EPROMS程期间，此引脚用于施加21V的编程电源（Vp）。3.1.2 时钟振荡电路

7、引脚 XTAL1和XTAL2（1）XTAL1（ 19脚）：外接石英晶体和微调电容引脚1。它是片内振荡电路 反向放大器的输入端。采用外部振荡器时此引脚接地。（2）XTAL2（ 18脚）：外接石英晶体和微调电容引脚 2。它是片内振荡电路 反向放大器的输出端。采用外部振荡器时此引脚为外部振荡信号输入端。2.1.3、ALE/Prog （30脚）：低8位地址锁存控制信号/编程脉冲输入。在系统 扩展时，ALE用于把P0 口输出的低8位地址锁存起来，以实现低 8位地址和数 据的隔离。在访问外部程序存储器期间， ALE信号两次有效；而在访问外部数据 存储器期间，ALE信号一次有效。对于EPRO型单片机，在EP

8、ROMS程期间，此 引脚用于输入编程脉冲PROG。3.1.4 PSEN （29脚）：外部程序存储器的读选通信号输出端，低电平有效。在 从外部程序存储器取指令（或常数）期间，此引脚定时输出负脉冲作为读取外部 程序存储器的信号，每个机器周期 PSEN两次有效，此时地址总线上送出的地址 为外部程序存储器地址；在此期间，如果访问外部数据存储器和内部程序存储器， 不会产生PSEN信号。3.1.5并行双向输入/输出（I/O） 口引脚：（1）P0 口的P0.0P0.7引脚（3932脚）：8位通用输入/输出端口和片外8 位数据/低8位地址复用总线端口。（2）P1 口的P1.0P1.7引脚（18脚）：8位通用输

9、入/输出端口。（3）P2 口的P2.0P2.7引脚（2821脚）：8位通用输入/输出端口和片外 咼8位地址总线端口。（4）P3 口的P3.0P3.7引脚（1017脚）：8位通用输入/输出端口，具有第二功能。3.2外部总线构成所谓总线，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

10、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 3所示。图4 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 A15A0,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

11、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D7D0 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 WR （P3.6）、RD （P3.7） 和3根独立的控制线 EA、ALE、PSEN组成。3.2.1单片机时钟电路及时钟时序单位1）时钟电路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

12、时钟信号。MCS-51单片机时钟电路示意图如图5所示。二分频状态时钟ALE机器周期图5 MCS-51单片机时钟振荡电路示意图在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大 器的输入端为引脚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 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1.212MHz晶体振荡频率咼，则系统的时钟频率也咼，单 片机的运行速度也就快。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

13、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5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土 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 2030pF。在设计印制电路板时，晶振和 电容等应尽可能靠近芯片，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

14、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6所示。图6 MCS-51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

15、节、状态、机器周期和指令周期。如图5所示。图7指令周期33单片机的复位3.3.1 复位状态复位是单片机的初始化操作，其主要功能是将程序计数器PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化外， 当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，也须重新启动单片机，使其复位。单片机复位后，除 P3P0的端口锁存器被设置成 FFH、堆栈指针 SP设置成07H和串行 口的SBUF无确定值外，其它各专用寄存器包括程序计数器PC均被设置成00H。片内RAM不受复位的影响，上电后 RAM中的内容是随机的。记住这些特殊功能寄存器的复位状态，对熟悉单片机操作，简短应用程序中的

16、初始化部分是十分必要的。332 复位电路单片机的复位操作有上电自动复位和手动按键复位两种方式。上电自动复位操作要求接通电源后自动实现复位操作。如图 8（a）所示为 最简单的复位电路。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。相比于图8（a），图8 （b）所示的电路只是增加了外接二极管 VD和电阻R。 其优越性在于停电后，二极管 Vd给电容C提供了快速放电通路，保证再

17、上电时 RST为高电平，从而保证单片机可靠复位。正常工作时，二极管反偏，对电路没 影响。断电后，Vcc逐渐下降，当VCc=0时，电容C通过VD迅速放电，恢复到无电 量的初始状态，为下次上电复位做好准备4Vcc+5V cC+MCS-5122 口 FLRSTVss（a）+5VR8.2KL(b)VCcMCS-51RSTVSs用按钮开关操作使单片机复位，如图8复位电路手动按键复位要求在电源接通的条件下，图9所示。其工作原理为：复位键按下后，电容 C通过R2放电，放电结束后， RST引脚的电位由R1和R2分压决定，由于R2R1因此，RST引脚为高电平, 单片机进入复位状态，松开按键后，电容充电，RST上

18、的电位降低，经过一定的延时，单片机就脱离复位状态，进入正常工作模式。R2的作用在于限流，避免按键按下的瞬间电容C放电产生火花，保护按键的触点。+5VQ江C 3*C+22讦1 *R18.2KQLVccMCS-51RSTVss图9手动按键复位电路系统上电运行后，若需要复位，一般是通过手动复位来实现的。通常采用手动复位和上电自动复位结合。复位电路虽然简单，但其作用十分重要。一个单片 机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。初步检查可用示波器探头监 视RST引脚，按下复位键，观察是否有足够幅度的波形输出（瞬时的），还可以通过改变复位电路阻容值的方法进行检测。4. 仿真结果U1IXTAL2-帥.T

19、jM&IFD.2MD2FD.EjDS 即刖空P3 5TT1P3.&WPS,疝Cl -o- 10k - cs-4ir車R10220 23230R3 1L .,価PSEN ALEEAF7.nMP3.11A9P22r*WP2 4fA12P2 5M13 P2JWA1*P2 7fA15P3.ORMDP3irrxD pmwfoP3 3*JfrJIRyR8R6R12D12 -R13 2ST7 D13 -R141-ST.dm 2 33 -016 - - R 口 233015 : R16 ：D1r R18 ： 2M 图11仿真电路图5. 软硬件结合测试步骤和结果：5.1 电路的程序#include#define

20、 uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code Pattern_P0=0xfc,0xf9,0xf3,0xe7,0xcf,0x9f,0x3f,0x7f,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, 0xe7,0xdb,0xbd,0x7e,0xbd,0xdb,0xe7,0xff,0xe7,0xc3,0x81,0x00,0x81,0xc3,0xe7,0xff, 0xaa,0x55,0x18,0xff,0xf0,0x0f,0x00,0xff,0xf8,0xf1,0xe3,0xc7,0x8f,0x1f,0

21、x3f,0x7f, 0x7f,0x3f,0x1f,0x8f,0xc7,0xe3,0xf1,0xf8,0xff,0x00,0x00,0xff,0xff,0x0f,0xf0,0xff, 0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe, 0xfe,0xfc,0xf8,0xf0,0xe0,0xc0,0x80,0x00,0x00,0x

22、00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x80,0xc0,0xe0,0xf0,0xf8,0xfc,0xfe, 0x00,0xff,0x00,0xff,0x00,0xff,0x00,0xff;uchar code Pattern_P2=0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfc,0xf9,0xf3,0xe7,0xcf,0x9f,0x3f,0xff, 0xe7,0xdb,0xbd,0x7e,0xbd,0xdb,0xe7,0xff,0x

23、e7,0xc3,0x81,0x00,0x81,0xc3,0xe7,0xff, 0xaa,0x55,0x18,0xff,0xf0,0x0f,0x00,0xff,0xf8,0xf1,0xe3,0xc7,0x8f,0x1f,0x3f,0x7f, 0x7f,0x3f,0x1f,0x8f,0xc7,0xe3,0xf1,0xf8,0xff,0x00,0x00,0xff,0xff,0x0f,0xf0,0xff, 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f, 0x7f,0xbf,0xdf,0xe

24、f,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfc,0xf8,0xf0,0xe0,0xc0,0x80,0x00, 0x00,0x80,0xc0,0xe0,0xf0,0xf8,0xfc,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, 0x00,0xff,0x00,0xff,0x00,0xff,0x00,0xff;/延时void DelayMS(uint x)uchar i;whil

25、e(x-)for(i=0;i120;i+);/主程序void main()uchar i;while(1) /从数组中读取数据送至 P0 和 P2 口显示for(i=0;i136;i+)P0=Pattern_P0i;P2=Pattern_P2i;DelayMS(100);6. 电路的安装、调试步骤及其测试结果6.1 电路的安装与调试步骤(1) 分析各单元电路图，并分析其各部分的功能；(2) 用仿真软件仿真电路的功能，并检查是否有错，无误后进行下步工作；(3) 搜索有关文献了解各元件的功能及引脚和与电路有关的资料；(4) 焊接电路，与此同时检查各元器件是否可用，并分辨其引脚；(5) 对照事先设计

26、好的原理图仔细检查在实物中是否有接错的地方 ( 主要检查集 成电路的引脚与导线是否出错接错和是否出现了短路 ) ，若发现有，就立即改正。 以防给实物通电之后， 出现意外。 然后，用数字万用表检测实物中是否有不导通 的地方，若有，应立即修正。以防通电后不能工作，而怀疑其他地方出错。(6) 给实物通电，并进行调试。看电路工作是否正常。若有误，则检查并思考错 误原因，然后进行修改直至电路工作正常为止。6.2 设计测试结果及其分析在软件上仿真电路得到预期的结果，虽在软件仿真得到了结果，但硬件不一 定可以实现。把程序下载到单片机里，接上 5V 电源，果然，第一次焊接后，并 没有实现功能，原本应该 16 个彩灯循环的却 ,没有一个灯闪，再仔细检查电路， 发现电路中 LED 灯接反了。重新焊接后，还是不亮，当时很气愤一直查不出原 因，想放弃。在同学的鼓励下， 再次仔细检查， 发现晶振坏了。 终于，16 个 LED 灯花样亮起 !7. 设计收获和体会经过几周的努力终于把此次课程设计完成了， 通过本次设计， 我学到了很多 东西包括书本上的和实践中的知识， 主要是对数字电路的基础理论知识的复习和 巩固，对之前所学的有了一次实践的机会， 更加深入地理解了理论联系实际的重 要性为完成本次课程设计，发现