基于51单片机LED流水灯设计

1、韶 关 学 院课程设计说明书（论文）课程设计题目：电子技术综合设计与实践 基于51单片机led流水灯设计学生姓名：欧庆德学 号：11101101017院 系：物理与机电工程学院自动化系专业班级：11自动化1班 指导教师姓名及职称： 韩竺秦 助教，苏祖全 实验员 起止时间： 2013年 3月2013年 6 月 课程设计评分：单片机控制的led流水灯摘要：单片微型计算机（single chip microcomputer）简称单片机，是指集成在一块芯片上的计算机，它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点。单片机技术作为计算机技术的一个重要分支，广泛的应用于工业控制、智能化仪器仪表

2、、家用电器、电子玩具等各个领域。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，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，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。本设计通过用汇编语言对at89c51单片机写程序实现了对16个发光二极管的自如控制，并具有复位和中断功能，另外加上了一组静态数码管以显示流水灯的花样计数。根据设计要求基本达到了预期的目的。正文首先介绍本课题的背景、研究意义及完成的任务功能；简单描述元器件和方案的论证；系统硬件的工作原理和软件的设计；最后对

3、本设计进行了总结。关键词：单片机at89c51；发光二极管；复位；汇编语言mcu control love water lightsabstract：the single chip computer, it is to point to integration on a single chip computer, it is simple in structure, control strong function, high reliability, small volume, low price advantage. single chip microcomputer as an impor

4、tant branch of computer technology, widely used in industrial control, intelligent instruments, home appliances, electronic toys and other fields.in recent years, with the rapid development of science and technology, the application of scm is continuously, while driving to the deepening traditional

5、control test rapidly updated, in real-time detection and automatic control of single-chip microcomputer application system, often as a core component to use, only microcontroller aspects of knowledge is not enough, should according to specific hardware structure, and the view of the specific applica

6、tion object characteristics of software combines, perfected.this design by using assembly language to 8952 microcontroller programming realized to eight light-emitting diodes freely control, and has the reset and interrupt function, with the addition of a group of static digital tube to show water l

7、amp patterns counting. according to the design requirements basic achieve the expected purpose.the text introduces the background, this topic research significance and accomplish the mission of function, simple description components and scheme of argumentation, the work of system hardware principle

8、 and software design; finally this design was summarized.keywords:at89c51; leds; reset; assembly language目 录绪论11. 相关元件及电路设计21.1at89c51芯片功能特性及应用21.2 mcs-51单片机31.2.1内部结构31.2.2 引脚定义31.2.3 外部总线构成31.3单片机时钟电路及时钟时序单位41.4单片机的复位51.4.1复位状态51.4.2复位电路52. 流水灯电路及程序设计62.1电路原理图62.2电路pcb图.63. 装配与调试.73.1 装配.73.1.1自制电

9、路板步骤.73.1.2印制电路板的组装.84 总结95 心得体会.96 参考文献及程序10单片机控制的led流水灯自动化专业2011级1班：欧庆德指导教师：韩竺秦、苏祖全1 相关元件及电路设计1.1 at89c51芯片功能特性及应用单片机在我们的日常生活和工作中无处不在、无处不有：家用电器中的电子表、洗衣机、电饭褒、豆浆机、电子秤；住宅小区的监控系统、电梯智能化控制系统；汽车电子设备中的abs、gps、esp、tpms；医用设备中的呼吸机，各种分析仪，监护仪，病床呼叫系统；公交汽车、地铁站的ic卡读卡机、滚动显示车次和时间的led点阵显示屏；电脑的外设，如键盘、鼠标、光驱、打印机、复印件、传真

10、机、调制解调器；计算机网络的通讯设备；智能化仪表中的万用表，示波器，逻辑分析仪；工厂流水线的智能化管理系统，成套设备中关键工作点的分布式监控系统；导弹的导航装置，飞机上的各种仪表等等。有资料表明：2007年全球单片机的产值达到151亿美元，我国单片机的销售额达到400亿元人民币，我国每年单片机的需求量达50至60亿片，是全球单片机的最大市场。可以说单片机已经渗透到了我们生活的各个领域。1.2 mcs-51单片机1.2.1 内部结构mcs-51系列单片机内部采用模块式结构，其结构组成框图如图1.2.1所示。图1.2.1 mcs-51系列单片机组成框图由图1.2.1可见，mcs-51系列单片机主要

11、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。1.2.2 引脚定义引脚是单片机和外界进行通信的通道连接点，用户只能通过引脚组建控制系统。从应用的角度来看，引脚的应用是单片机应用的一个重要基础。因此熟悉引脚是学习应用单片机的基础。 mcs-51系列单片机的引脚封装主要有： pdip40、plcc44和pqfp/tqfp44。不同封装的芯片其引脚的排列位置有所不同，但他们的功能和特性都相同。方形封装（plcc44和pofp/tqfp44）有44引脚，其中4个n

12、c为空引脚。采用40引脚pdip封装的80c51单片机的引脚排列及逻辑符号如图1.2.2和图1.2.3所示。由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数量是有限的，但单片机为实现控制所需要的信号数目却远远超过其引脚数目。为解决这一矛盾，单片机的某些信号引脚被赋以双重功能。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。 图1.2.2单片机89c51引脚 图1.2.3单片机的引脚排列及逻辑符号图（3）rst/vpd（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。

13、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ram中的信息不丢失，使复电后能继续正常运行。（4）/vpp（31脚）：访问程序存储器控制信号/编程电源输入。当保持高电平时，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，端应接高电平，而对片内无程序存储器的单片机，可将接地。对于eprom型单片机，在eprom编程期间，

14、此引脚用于施加21v的编程电源（vpp）。时钟振荡电路引脚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。 （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eprom型单片机，

15、在eprom编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。（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，不会产生信号。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位通用输入/输出端口。（3）p2口的p2.0p2.7引脚（2821脚）：8位通

16、用输入/输出端口和片外高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。1.2.3 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

17、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p1.0p1.7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1.2.4所示。图1.2.4 mcs-51系列单片机片外三总线结构地址总线（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。数据总线（data bus，db）：mcs

18、-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。 控制总线（control bus，cb）：控制总线由p3口的第二功能(p3.6)、(p3.7)和3根独立的控制线、ale、组成。1.3 单片机时钟电路及时钟时序单位时钟电路：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时钟信号。mcs-51单片机时钟电路示意图如图1.3.1所示。图1.3.1 mcs-51单片机时钟振荡电路示意图在mcs-51芯片内部有

19、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。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，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

20、六分频后为机器周期，其频率为fosc/12。在图1.3.1中，使用晶体振荡器时，c1、c2取值3010pf；使用陶瓷振荡器时，c1、c2取值4010pf。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

21、如图1.3.2所示。图1.3.2 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，从小到大依次是拍节、状态、机器周期和指令周期。如图1.3.3所示。图1.3.31.4 单片机的复位1.4.1 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

22、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，简短应用程序中的初始化部分是十分必要的。1.4.2 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。手动按键复位要求在电源接通的条件下，用按钮开关操作使单片机复

23、位，如图1.4.1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。图1.4.1 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

24、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。2 流水灯电路及程序设计2.1 电路原理图图2.1.1流水灯原理图图2.1.2最小系统原理图2.2 电路pcb图图2.2.1流水灯pcb图图2.2.2最小系统pcb图3 装配与调试3.1 装配3.1.1 自制电路板步骤各步骤的简单说明如下：（1） 下料：按板面的实际设计尺寸剪裁覆铜板，并用砂纸或锉刀打磨印制板四周，去除毛刺，用砂纸打磨使覆铜板光滑平整光亮，去掉其表面的氧化层，打磨时先打磨四角再顺着一个方向打磨整块覆铜板。（2） 拓图：将设计好的pcb布线图用透明胶粘在覆铜板的铜箔面上，然后用p

25、cb制板热转印机将pcb布线图拓印在覆铜板的铜箔面上。剪油性纸图的时候采用剪三遍留一遍的经验方法，方便热转印。注意转印的时候要等铜板冷却后再才可将油性纸图的时候撕下，洗板的时候也应等铜板恢复到室温的时候才可进行腐蚀洗板，否则会洗板效果会不好。（3） 描图：将拓印好的布线图与原pcb图对照，用油性笔将导线和焊盘进行修整，使描图更加平整、美观。特别是拐角和布线较习的地方应用油性笔加粗防止信号短线，信号过不去。（4） 腐蚀：印制电路板的腐蚀液使用三氯化铁水溶液（一份三氯化铁、两份水的质量比例），保持浓度在28%42%之间。将覆铜板全部浸入腐蚀液，把没有被漆膜覆盖的铜箔腐蚀掉。为保证制板质量及提高腐蚀

26、速度,可采用抖动和加热的方法。（5） 清洗：用三氯化铁腐蚀取出后应立即用清水洗去三氯化铁水溶液，否则容易残留铜渣不易洗去。（6） 在印制板上焊盘位置打出通孔。打孔过程中，注意钻机应取高速转速，钻头要刃磨锋利，进刀不易太快，以免将铜箔挤出毛刺。注意不要打偏了或使其焊盘脱落。如孔太小还可再重新修钻。（7） 去漆膜：用砂纸将板面的漆膜轻轻打磨掉。注意不要打磨的太用力一面刷去表面的覆铜。元器件安装的技术要求：（1） 按照pcb图将元器件安插上去，安插的时候注意引脚的弯曲安装。元器件的标志方向应按照图纸规定的要求，安装后能看清元件上的标志。（2） 有极性的元器件应分清极性。（3） 安装顺序一般为先低后高

27、，先轻后重，先易后难，先一般元器件后特殊件。最后调试时才将芯片插上去，怕焊的时候过热烧坏芯片。安装过程工具准备：20w电烙铁一把、烙铁架一个、万用电表一个、尖嘴钳一把、螺丝刀一把、焊锡丝和松香水若干、吸水棉一块、三氯化铁、砂纸、透明胶、油性笔、剪刀、1mm钻头。焊接：焊接时先焊接跳线，再焊接电阻，再焊接瓷片电容，排针，再安装电解电容，最后安装芯片。焊接时必须注意焊接质量，可先在废旧的电路板上多练习几次，然后再正式焊接。焊接技术后，通过目视检查、手触检查和通电检查的方法检查焊点。工具：20w电烙铁一把、烙铁架一个、万用电表一个、尖嘴钳一把、螺丝刀一把、焊锡丝和松香水若干、吸水棉一块、三氯化铁、砂纸、透明胶、油性笔、剪刀、1mm钻头。4 总结在本次设计的过程中，我们发现很多的问题，遇到了很多麻烦，有的问题其实很简单，主要是对知识的掌握程度不够，扩展知识欠缺，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，并且应该多读一些课外的文献，只靠书本上的知识远远不够。更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，用实践巩固理论，用理论优化实践，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。在焊接过程中，我们意识到细心和严谨的精神是必不可少，在焊接电路和调试硬件