花样流水灯设计

1、东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 课 程 单片机课程设计 题 目 花样流水灯 院 系 电气信息工程学院测控系 专业班级 测控技术与仪器二 10-2 班 学生姓名 张路尧 学生学号 100601220216 指导教师 宋金波 段志伟 花样流水灯1 2012 年 3 月 30 日花样流水灯1东北石油大学课程设计任务书课程 单片机课程设计 题目 花样流水灯 专业 测控技术与仪器 姓名 张路尧 学号 100601220216 一、任务 设计一款以 AT89C51 单片机作为主控核心，按键控制电路、流水灯显示电路以及单片机最小系统等模块组成的核心主控制电路。二、设计要求1 自动控制多路流水按预设的

2、花型进行变换；2 花型种类不少于五种，花型自拟，分别用快慢两种节拍实现花型交换；3 写出详细的设计报告。4 给出全部电路和源程序。三、参考资料1 周国运，单片机原理及应用M.北京：中国水利水电出版社，2009.2 陈梓城,模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2007.3 陈正义,单片机控制实习M.北京：人民邮电出版社，2006.4 李朝青,单片机原理及接口技术J.北京：人民邮电出版社，2006.完成期限 2012.3. 19 至 2012.3.30 指导教师 宋金波 段志伟 专业负责人 曹广华 2012 年 3 月 16 日花样流水灯2目录第 1 章 绪论.31.1 花样流水灯.31.2

3、 单片机花样流水灯.31.3 本设计任务.3第 2 章 总体方案论证与设计.42.1 设计方案.42.2 方案选择.5第 3 章 系统硬件设计.63.1 直流稳压电源电路.63.2 单片机最小系统.63.3 LED 电路 .73.4 按键控制电路.83.5 串口电路.8第 4 章 系统的软件设计.10第 5 章 系统调试与测试结果分析.125.1 系统仿真.125.2 仿真调试.12结 论.14参考文献.15附录 1 程序.16附录 2 仿真效果.18花样流水灯3第 1 章 绪论随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色 LED 流水灯。 LED 流水灯由于其丰富的灯光色彩，低廉

4、的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用流水灯来装饰已经成为一种时尚，广泛应用于城市景观、风景名胜、道路桥梁、建筑轮廓、娱乐场所、户外广告、室内装饰等美化、亮化工程。1.1 花样流水灯目前市场上各式样的 LED 流水灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作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。这种流水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。此外从功能效果上看，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流水灯控制器进行改进。1.2 单片机花样流水灯L

5、ED 流水灯以 AT89C51 单片机作为主控核心，与按键、排阻、电阻、电容等较少的辅助硬件电路相结合，利用软件实现对 LED 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。1.3 本设计任务本文介绍了一种简易 LED 流水灯控制系统的软硬件设计过程，本方案以AT89C51 单片机作为主控核心，按键控制电路、流水灯显示电路以及单片机最小系统等模块组成的核心主控制电路。利用软件编程烧录程序到单片机来实现对 LED 流水灯进行控制，本系统亮灯模式多，用户根据操作提示可以随意变换想要的闪烁方式和控制流水灯的闪烁频率。本系统具有电路结构简单、易操作、硬件少、体积小、成本低、低能耗

6、等优点，具有一定的实用和参考价值。花样流水灯4振荡电路控制电路译码器LED 显示电路计数器第 2 章 总体方案论证与设计2.1 设计方案流水灯控制器大致可分为两种方案实现。一种是利用电子电路装置控制，另一种是采用单片机控制。方案一：根据设计任务要求介绍的流水灯控制电路的基本组成，可以确定流水灯控制器应由振荡电路、计数/时序分配电路、移位位寄存器和流水灯显示五部分组成。其框图如图 2-1 所示。图 2-1流水灯循环控制器硬件框图方案二：本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的 LED 流水灯循环系统的设计，来达到本设计的要求。其硬件构成框图如图 2-2 所示，以单片机为核心控制，由单片

7、机最小系统（时钟电路、复位电路、电源） 、按键控制电路、LED 发光二极管和 5V 直流电源组成。图 2-2单片机流水灯循环控制系统硬件框图AT89C51单片机时钟电路复位电路按键控制电路直流 5V 电源电路LED流水灯花样流水灯5此设计方案中单片机的 P1 口接 5 路按键控制电路，实现流水灯花型的切换功能；单片机的 P3.7 引脚接上一个按钮开关以实现对流水灯闪烁频率的控制，即实现了快慢两种节拍实现花型的变换；单片机上的 P2 口接八路 LED 发光二极管组成流水灯电路，显示流水灯循环情况。2.2 方案选择结合设计任务书比较以上两种方案可知：利用电子电路装置控制，其电路不很复杂，制作相对较

8、容易点，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到设计任务要求或实现困难。采用单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。综上，显然方案二各方面优越于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用第二种方案。花样流水灯6第 3 章 系统硬件设计3.1 直流稳压电源电路对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源电路的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。电子设备除用电池供电外，还采用市电（交流电网）供电。通过变压、整流、滤波和稳压后，得到稳定的直流电。直流稳压电源是电子设备的重要组成部分。本项目直流稳压

9、电源为+5V。 直流稳压电源的制作一般有 3 种制作形式，分别是分立元件构成的稳压电源、线性集成稳压电源和开关稳压电源。图 3-1 稳压电源采用的是三端集成稳压器 7805 构成的正 5V 直流电源。图 3-1三端固定式集成稳压电源电路图AT89C51 单片机的工作电压范围：4.0V-5.5V，所以通常给单片机外接5V 直流电源。此处用 3 节 1.5V 的干电池供电。3.2 单片机最小系统要使单片机工作起来，最基本的电路的构成由单片机、时钟电路、复位电路等组成，单片机最小系统如图 3-2 所示。时钟电路：本系统采用单片机内部方式产生时钟信号，用于外接一个12MHz 石英晶体振荡器和 2 个

10、30pF 微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其花样流水灯7发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机系统的复位方式有上电自动复位和手动按键复位。本设计采用手动按键复位，该复位方式同样具有上电自动复位功能。图 3-2单片机最小系统3.3 LED 电路花样流水灯8图 3-3LED 流水灯显示电路LED 流水灯显示电路如图 3-3 所示，实际上是由 8 个发光二极管和 8 个电阻构成的电路。发光二极管与电阻对应串联,然后接在与之相对应的 P2 口上。通过软件编程对 P2 口输出高低电平来实现不同的闪烁花型。由于发光二极管的导通电压一般为 1.7

11、V 以上，另外，他的工作电流根据型号不同一般为 1mA 到30mA，电阻选择范围 1003000 在此我们这里选用 560 的电阻。3.4 按键控制电路按键控制电路如图 3-4 所示，是由 6 个按键开关构成的。他们分别接在单片机 AT89C51 的 P1 接口和 P3.0 口,Key1-Key5 接在 P1.0-P1.4,Key6 接在P3.7 上。为了一对一的控制 LED 灯的闪烁方式。当按下开关 Key1 时, LED 流水灯系统闪烁第一种流水灯花型。当按下开关 Key2 时, LED 灯系统闪烁第二种闪烁方式。当闭合 Key6 时，流水灯闪烁节拍变慢。图 3-4键盘控制电路3.5 串口

12、电路串口电路为单片提供与 PC 机连接端口，为单片机提供下载程序到单片机程序存储器中。串口原理图如图 3-5 所示。串口也称串行通信接口，RS-232 是目前最常用的一种串行通讯接口，由于其形状和针脚数量的原因，其接头又被称为 DB9 接头。RS-232 针脚定义: 2RXD 接收数据、3TXD 发送数据、 5GND 系统接地，一般就用到这几个引花样流水灯9脚。图 3-5串口原理图MAX232 芯片是专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v 单电源供电。MAX23 内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路：由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成，

13、功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。第二部分是数据转换通道：由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道，其中 13 脚（R1IN） 、12 脚（R1OUT） 、11 脚（T1IN） 、14 脚（T1OUT）为第一数据通道，8 脚（R2IN） 、9 脚（R2OUT） 、10 脚（T2IN） 、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DP9 插头；DP9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/C

14、MOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出第三部分是供电：15 脚 DNG、16 脚 VCC（+5v） 。花样流水灯10第 4 章 系统的软件设计单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，还不能看到多控制、多闪烁方式的 LED 灯系统循环点亮的现象，还需要告诉单片机怎么样进行控制，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的明灭。软件编程是多控制、多闪烁方式的 LED 灯系统中的一个重要的组成部分，是本设计的重点和难点。下面将阐述多控制、多闪烁方式的 LED灯系统是如何实现 8 个 LED 灯的循环点亮，来介绍实现流水灯控制的软件编程方法。 本设计是以

15、单片机 AT89C51 为核心控制 8 个发光二极管 5 种闪烁方式的变判断有无按键按下YN开始当 Key1-Key5有键按下时调用延时程序调用彩灯循环程序当 Key6 按下时设定相应的延时参数 R5 的值图 4-1主程序流程图花样流水灯11换。硬件电路如图附录 1 所示，八个发光二极管 D1D8 分别接在单片机的P2.0P2.7 接口上，当给 P2.0 口输出“0”时，发光二极管点亮，当输出“1”时，发光二极管熄灭。可以运用输出端口指令 MOV P0，A 或 MOV P0，DATA，只要给累加器值或常数值，同理，接在 P2.1P2.7 口的其他 7 个 LED 的点亮和熄灭的方法同 LED1

16、。因此，要实现流水灯功能，只要将发光二极管LED1LED8 依次点亮、熄灭，8 只 LED 灯便会一亮一暗的成流水灯了。在此还应注意一点，由于视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到闪烁效果。程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，此程序里面包含 Key1-Key5 的按键情况判断，循环检测直到有按键按下的时候，程序转去相对应按键的流水灯显示的花型模块，与此同时，当按键 Key6 有闭合时，程序中调用延时程序时，给延时参数赋值上另一个值，是延时程序延时时间发生改变，以达到不同快慢节奏闪烁的流水灯。具体程序流程如图 4-1 所示。花样流水

17、灯12第 5 章 系统调试与测试结果分析5.1 系统仿真 本设计使用的 Keil C51 软件来进行编程。Keil C51 提供了包括 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将这些部份组合在一起。Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和 IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统，如图 5-1 所示：图 5-1仿真电路图花样流水灯135.2 仿真调试本系统的调试是把在 Keil 里面写好的程序通过编译不出现任何错误后将生成的后缀名为.

18、HEX 的文件加载到 AT89C51 单片机中。接下来我们将在PROTEUS 软件进行软硬件结合的调试，如图 5-2 所示：图 5-2程序编译 下面是在 PROTEUS 软件仿真系统中的调试结果，如表 5-1 所示：表 5-1 测试结果及状态分析经以上仿真上测试证实，能实现本设计系统要求的预期的功能。序号测试项目测试方法测试结果行状态分析1是否能正常工作打开仿真电路图，加载程序，点击开始运行。无任何错误提示仿真电路正常2流水灯花型控制运行仿真，随机按下任意按键，观察流水灯显示效果。对应按键按下，流水灯出现不同花型。本设计实现了多控制、多闪烁的LED 流水灯循环。3节奏快慢控制按闭合 Key6，

19、观察流水灯循跳动节奏当闭合 Key6 是，流水灯循环闪烁变慢。本设计实现了用快慢两种节拍实现花型交换。花样流水灯14结 论本方案以 AT89C51 单片机作为主控核心，按键控制电路、流水灯显示电路以及单片机最小系统等模块组成的核心主控制电路，利用软件编程烧录程序到单片机来实现对 LED 流水灯进行控制，与其他 LED 流水灯相比该电路结构简单、易操作、硬件少、体积小、成本低、低能耗等优点，其电路集成度高，工作原理简单，清晰明了，控制图案的花样多，移植性好。花样流水灯15参考文献1 周国运，单片机原理及应用M.北京：中国水利水电出版社，2009.2 陈梓城，模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版

20、社，2007.3 陈正义，单片机控制实习M.北京：人民邮电出版社，2006.4 李朝青，单片机原理及接口技术J.北京：人民邮电出版社，2006.花样流水灯16附录 1 程序主程序：ORG 0000HLJMP MAINORG 0040HMAIN:MOV P1,#0FFHMOV A,P1CJNE A,#11111110b,S1LCALL K1S1:CJNE A,#11111101b,S2LCALL K2S2:CJNE A,#11111011b,S3LCALL K3S3:CJNE A,#11110111b,S4LCALL K4S4:CJNE A,#11101111b,MAINLCALL K5LJMP

21、 MAIN按键程序：K1:MOV A,#01111111bC1:RL AMOV P2,ALCALL DelayJNB P1.1,K2JNB P1.2,K3JNB P1.3,K4JNB P1.4,ZLJMP C1K2:MOV P2,#0FEHLCALL DelayMOV P2,#0FCHLCALL DelayMOV P2,#0F8HLCALL DelayMOV P2,#0F0HLCALL DelayMOV P2,#0E0HLCALL DelayMOV P2,#0C0HLCALL DelayMOV P2,#80HLCALL DelayMOV P2,#00HLCALL DelayMOV P2,#80

22、HLCALL DelayMOV P2,#0C0HLCALL DelayMOV P2,#0E0HLCALL DelayMOV P2,#0F0HLCALL DelayMOV P2,#0F8HLCALL DelayMOV P2,#0FCHLCALL DelayMOV P2,#0FEHLCALL DelayMOV P2,#0FFHLCALL DelayLJMP MAIN花样流水灯17Z: LJMP K5K3:MOV P2,#55HLCALL DelayMOV P2,#0AAHLCALL DelayMOV P2,#0FFHLJMP MAINK4:MOV P2,#01111110BLCALL DelayM

23、OV P2,#00111100BLCALL DelayMOV P2,#00011000BLCALL DelayMOV P2,#00000000BLCALL DelayMOV P2,#10000001BLCALL DelayMOV P2,#11000011BLCALL DelayMOV P2,#11100111BLCALL DelayMOV P2,#11111111BLCALL DelayLJMP MAINK5:MOV P2,#01111110BLCALL DelayMOV P2,#10111111BLCALL DelayMOV P2,#01111110BLCALL DelayMOV P2,#10011111BLCALL