AT89C51单片机L_E_D彩灯控制器的设计

1、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AT-89C51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 目录引言摘要 .第一章 设计要求及任务目的1.1设计要求1.2.任务目的：第二章.设计内容及总体方案论证2.1主控电路方案论证与选择.2.2 电源电路方案论证与选择.2.3 显示电路方案论证与选择.2.4AT89c51单片机2

2、.4.1：芯片介绍2.4.2主要特性：2.4.3管脚说明第三章.硬件设计3.1AT89C51单片机原理说明3.2模块设计3.2.1主控模块电路设计3.2.2管内LED板模块设计第四章软件设计4.1设计程序流程图4.2主程序代码及注释第五章上机调试运行结果及分析5.1.硬件调试5.2.软件调试总结 参考文献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。   

3、60; 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

4、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，耗能低等优点。. 第一章 设计要求及任务目的1.1设计要求设计一种彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，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灯

5、灭。1.2.任务目的：1.2.1 熟悉相关数字芯片的功能和使用方法1.2.2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。第二章.设计内容及总体方案论证2.1主控电路方案论证与选择方案一：采用AT89C51单片机 最高工作频率为24KHz 128*8位内部RAM 32条可编程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 片内振荡器和时钟电路方案二：采用AT89S51单片机 最高工作频率可至 12MHz 内部程式存储器（ROM）为 4KB 内部数据存储器（RAM）为 128B 32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 I/O

6、的控制 外部程序存储器可扩充至 64KB 外部数据存储器可扩充至 64KB 2 组独立的 16 位定时器 5个中断源 芯片具有数据保密的功能 单芯片提供位逻辑运算指令综上所述，本设计采用方案一。2.2 电源电路方案论证与选择方案一: 采用三节1.5V的干电池构成电源电路对主控电路及显示电路供电。单片机工作电压偏差为±10%即为4.9v5.1v，而三节干电池最大电压为4.5v,达不到单片机工作所需要的电压；并且干电池工作不稳定对单片机工作有影响。方案二：采用三端集成稳压器7805构成电源电路对主控电路及显示电路供电。输出电压为5v在单片机正常工作的范围之内；并且工作稳定可靠。综上所述，

7、本设计采用方案二。2.3 显示电路方案论证与选择方案一：采用液晶显示器LCD1602构成显示电路LCD1602共16个引脚,电源电压为5V,带背光,两行显示、每行16个字符，用于显示较复杂的字符或字符串。但性价比高，结构复杂，可视角度小，响应时间过慢。方案二：采用七段数码管构成显示电路共有10个引脚，7个笔段ag，加上一个小数dp，所以一个数码管实际上是由排列成“8”字的8个小发光二极管组成，剩余的两个脚连在一起称为公共端com，用于显示简单的09数字。性价比低，结构简单，在静态显示中应用广泛，响应时间快等。综上所述，本设计采用方案二。2.4AT89c51单片机2.4.1：芯片介绍AT89C5

8、1是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh 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

9、提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.4.2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-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8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 2.4.3管脚说明 2.1.3AT89C51引脚路 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

10、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。2.1.4振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。第三章.硬件设计3.1AT89C51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

11、块）和管内LED板模块（受控模块）。彩灯控制器可直接与220 V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12 V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5 V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

12、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Mod el_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（i=1，2，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

13、，BLUE_on）和熄灭时刻（RED_off，GREEN_off，BLU E_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

14、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3.2模块设计3.2.1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12 V，5 V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。3.2.2管内LED板模块设计管内LED板模

15、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。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

16、的动感视觉效果。第四章软件设计4.1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5 ms的T0定时为中断服务子程序。在这个5 ms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Mode l_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

17、（Model_i）、5 ms中断服务子程序(T0 Interrupt)、键盘扫描处理子程序（Key Board）、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Mo del_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L ED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

18、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次（30 ms），若30 ms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

19、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。 4.2主程序代码及注释第五章上机调试运行结果及分析5.1.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。5.2.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：1. proteus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