基于单片机的LED流星雨灯设计

PAGEPAGE17目录TOC\o"1-2"\u第一章绪论 1第二章单片机简介 32.18051单片机的硬件组成 32.2分析流水灯控制器设计思路,单片机的选定方案 72.3Proteus仿真软件简介 8第三章系统设计 103.1总体设计框图 103.2时钟电路 103.3按键电路 11第四章软件程序分析 134.1程序流程图 134.2.程序部分代码 154.结束语 17致谢 18参考文献 19

第一章绪论单片机的发展由于本设计是利用单片机作为采集记录计算载体，那么现在介绍一下单片机发展。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。

在计算机出现以前，有不少能工巧匠做出了不少精巧的机械。进入电器时代后，人们借助电气技术实现了自动控制机械，自动生产线甚至自动工厂，并且大大地发展了控制理论。然而，在一些大中型系统中自动化结果均不理想。只有在计算机出现后，人们才见到了希望的曙光。如今借助计算机逐渐实现了人类的梦想。但是，计算机出现后的相当长的时间里，计算机作为科学武器，在科学的神圣殿堂里默默地工作，而工业现场的测控领域并没有得到真正的应用。只有在单片机（Microcontroller)出现后，计算机才真正地从科学的神圣殿堂走入寻常百姓家，成为广大工程技术人员现代化技术革新，技术革命的有利武器。目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用。彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地溶入我们每个人的生活之中。

单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。单片机按用途大体上可分为两大类：

1--通用型单片机

2--专用型单片机

专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修改的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。其生产成本很低。

通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。

第二章单片机简介2.18051单片机的硬件组成所谓单片机，就是将CPU,RAM,ROM,定时/计数器和多种I/O接口电路集成在一块集成电路芯片上的微型计算机,又简称为单片机或微机控制器。单片机有很多种,其中MCS-51是指由大名鼎鼎的美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机，它的中央处理器是采用大规模集成技术制造的一块芯片,也就是一块将中央处理器CPU、存储器ROM和RAM、输入/输出（I/O）接口电路等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机的引脚如图2-1：8058051图2-18051单片机的引脚图各引脚功能的简要说明如下表2-1所示：表2-1引脚功能Vss：接地端。一般接入+5V电源地端。Vcc：电源端。一般接入+5V电源正端。P0.0-P0.7：通道0，双向I/O口，在不接入外存储器与不扩展I/O接口时，可以作为准双向输入/输出引脚。P1.0-P1.7：通道1，双向I/O口，在编程和检验时，用于接受低位地址字节。P2.0-P2.7：通道2，双向I/O口，在编程和检验时，用作高8位地址总线。P3.0-P3.7：双向I/O口，具备第二功能。P3.0：RXD串行输入口P3.1：TXD串行输出口P3.2：外部中断0请求输入端P3.3：外部中断1请示输入端P3.4：T0定时器/计数器0计数脉冲输入端P3.5：T1定时器/计数器1计数脉冲输入端P3.6：片外数据存储器写选通信号输出端P3.7：片外数据存储器读选通信号输出端RST/:RST是复位信号输入端，第二功能是备用电源输入端。备用电源的作用是当主电源发生故障而突然掉电时，将为片内RAM提供电源以保证存储在RAM中的信息不至丢失。/：是访问外部存储器的控制端。当为低电平时，访问片外程序存储器ROM；当为高电平时，访问片内程序存储器ROM。第二功能是为含EPROM的芯片提供21V汇编电源的输入端。XTAL1和XTAL2：在使用单片机内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容的。在使用外部时钟时，则用来输入时钟脉冲。8051单片机的内部结构包含中央处理器,程序存储器(ROM),数据存储器(RAM),定时/计数器,并行接口,串行接口和中断系统等几大模块,同时还包括数据总线,地址总线和控制总线三大类。中央处理器CPU中央处理器是整个8051单片机的核心部件，它是8位数据宽度的处理器,即一次能8位的数据或代码。中央处理器负责控制,指挥和调度真个单片机系统,使个部分协调工作,并完成一些控制功能。在中央处理器内部含有很多存储器，这些存储器拥有很高的读写速度,这些寄存器用于缓存一些状态变量或计算时的中间变量,在积存器之间的数据传送速度非常快。1.数据存贮器RAM 8051单片机的内部还有一个容量为256字节的片内数据储存器.其中有128字节作为特殊功能寄存器,这些寄存器与单片机的个不见直接相关;其余128字节的看见可以用于存放用户数据,或一些计算时间的之间变量。当8051单片机的片内数据存储器的容量无法满足开发要求时,还可以通过引脚外接容量为64KB的片外数据存储器。2.程序存贮器ROM8051单片机的芯片内部设置了4KB的片内程序存储器,用于存放指令程序及一些原始数据.与数据存储器相同,8051单片机也可以通过引脚外接片外存储器。3.定时/计数器8051单片机有两个16位的可编程的定时/计数起,他们可以用来实现定时或计数功能。4.四个8位的并行输入、输出端(I/O)口8位并行传输是指利用8条线路同时传送每个字节的8个二进制位,8051单片机中,共有4个8位并行I/O接口,分别是P0口,P1口,P2口,P3口,这些I/O接口用于单片机与外部电路的数据传送.每个端口可以用作输入，也可以用作输出。5.全双工串行口串行传送是指利用一条传输线逐位地传送每个字节信号的各个二进制位,全双工串行传输是指用两条串行线来实现同时双向的传送数据.8051单片机片内置一个全双工串行通信口,用于与其他设备间的串行数据通信。6.内部中断控制系统中断系统是计算机的重要组成部分，实时控制、故障自动处理往往用到中断系统，计算机与外部设备传送数据及实现人机联系也常常采用中断方式。7.时钟电路8051内置了一个时钟电路,其最高频率可达12MHZ.时钟电路用于产生单片机运行所需的脉冲时序.8051单片机的时钟电路正常工作,需要通过引脚外接振荡电容。8051单片机也可以通过引脚直接外接时钟电路。2.2分析流水灯控制器设计思路,单片机的选定方案本文选用应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列。51系列的特点之一是从它内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。他处理的对象不是字或字节而是位。她不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双功能的地址区间，十六个字节，单元地址为00H~2FH,它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合128位，相应地址为00H~7FH），使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对相关标志位进行置位、清零或检试，以确定程序的运行方向。而实施这一处理（包括前面所有的位功能），只需要一条位操作指令即可。Intel公司51系列的典型产品是8051，片内有4K字节的一次性程序存储器（OTP）。本设计选用8051单片机位主控制器。2.3Proteus仿真软件简介在本设计中，为了检验设计结果的正确性和直观的看到设计的直观效果，使用了英国的Labcenter公司开发的Proteus软件进行画图和仿真。Proteus软件是一款功能强大的电路设计软件，在利用其进行单片机的软件仿真时，仅仅是使用了其部分功能，在这里简单介绍该部分的相关知识。2.3.ProteusISIS由菜单栏、主工具栏、文件工具栏、器件工具栏等组成，是Proteus软件的核心，具有以下特征：出版高质量的原理图、良好的用户界面、自动走线、层次设计、总线支持、丰富的元件库等。ProteusISIS运行于Windows98/2000/XP环境，对计算机的配置要求不是很高。ProteusISIS的界面的整个屏幕分成三个区域：点状栅格区域是原理图编辑窗口(editingwindow)；上方是预览窗口（overviewwindow）；左下方为元件列表区。原理编辑窗口用与放置原器件。在预览窗口中有两个框，蓝框表示当前页的边界，绿框表示当前编辑窗口显示的区域。当从对象中选择一个新的对象时，预览窗口可以预览选中的对象。在预览窗口中单击，ProteusISIS将一单击位置为中心刷新编辑窗口。对象选择器根据不同的工具箱图标按纽决定当前状态显示内容。2.3ProteusVSM的核心是ProSpice,是一个组合了SPICE3F5的模拟仿真器和基于快速时间驱动的数字仿真器的混合仿真系统。ProteusVSM包含大量的虚拟模型仪器，如示波器、逻辑分析仪、函数发生器、数字信号发生器、时钟计数器、虚拟终端以及简单的电压计、电流计等。ProteusVSM主要的特点是能把软件作用在处理器上，并和该处理器的任何模拟和数字器件进行协同仿真。仿真执行目标码就像在真正的单片机系统上运行。

第三章系统设计3.1总体设计框图本系统硬件电路主要利用单片机完成控制电路，各种流水灯的流动模式通过程序来实现。为了更好地完成流水控制功能，单片机需要连接时钟电路、复位电路、按键电路以及输出（LED显示）电路。系统总体设计框图如图3-1所示。图3-1系统总体设计框图3.2时钟电路时钟电路用于产生单片机工作时所需要的时钟信号,单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号下严格地按时序进行工作。8051单片机的时钟产生方法有内部时钟方式,外部时钟方式两种,本案采用的是内部方式，内部方式是利用内部的振荡器，在XTAL1、XTCL2引脚外接反馈元件石英晶振和电容组成自激震荡，由于MCS-51系列单片机片内含有一个高增益的反向放大器，通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体后便成为自激震荡。接法如图3所示，一般晶振在1.2～12MHz之间任选，电容取值30pF，并通过对电容的微调作用来对震荡频率进行微调，以满足震荡频率的精度要求。图3-2内部震荡方式3.3按键电路该设计中按键电路采用的是独立式按键电路，独立式按键是指直接用I/O线构成的单个按键电路，每个独立案件单独占一根I/O口线，每个案件的工作状态不会影响其它的按键。这种键盘具有硬件与软件相对简单的特点，其缺点是按键数量较多时，要占用大量线口。开关S1、S2、S3、S4对应了16个工作状态，即0000～1111。但是本案中不需要用到那么多，只简单的判断了S1、S2、S3、S4是否被按下。当按键没按下时，CPU对应的I/O接口由于内部有上拉电阻，其输入为高电平；当某按键被按下后，对应的I/O接口边为低电平。只要在程序中判断I/O的状态，即可知道那个键处于闭合状态。图3-3按键电路主程序中执行左右流星雨灯,读取按键状态，即P1.0~P1.3状态。若为高电平，则无按键按下，若为低电平，则相应的按键按下。如果是k1，就执行左流星雨灯；如果是k2，就执行右流星雨灯；如果是k3，就执行亮点向中间移动；如果是k4，就执行亮点向两边移动。本案的输出电路是使8051单片机的P0口直接与LED连接,通过改变P0口的位电平的高低来控制LED的亮灭显示,其四种变化花样是:(1)左流星雨灯(2)右流星雨灯(3)亮点向中间移动(4)亮点向两边移动。

第四章软件程序分析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，我们还不能看到流水灯循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么来进行工作，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现八个发光二极管的显示模式。软件编程是单片机应用系统中的一个重要的组成部分，是单片机在应用系统中的重点和难点。下面我们介绍流水灯控制功能即实现8个LED灯的循环点亮的几种模式的软件程序代码和程序分析。4.1程序流程图本设计要求实现单片机控制流星雨灯显示设备显示其流水效果,软件实现思路为当有外部中断0时，才开始扫描K1~K4四个按键的状态，一旦进入某个按键的亮灯模式，执行死循环。直到下一个外部中断到来。中断服务子程序流程图如图4-1所示。

双向亮点向中间移动双向亮点向两边移动双向亮点向中间移动双向亮点向两边移动左流星雨灯右流星雨灯进入中断按键K1？按键K2？按键K3？按键K4？NYNNYYNY 4-1中断服务子程序流程图

4.2.程序部分代码1、中断后进入按键识别程序：Loop:MOVA，P1ANLA，#0FH;高4位清零，保留低4位K_check：CJNEA,#0EH,check2K1-check:LCALLLeft_light;按下K1键，调用左流星雨灯子程序AJMPPASSCheck2:CJNEA,#0DH,check3K2_check:LCALLRight_light;按下K2键，调用右流星雨灯子程序AJMPPASSCheck3:CJNEA,#0BH,check4K3_check:LCALLMiddle_light;按下K3键，调用亮点向中间移动子程序AJMPPASSCheck4:CJNEA,#07H,LoopK4_check:LCALLlight;按下K4键，调用亮点向两边移动子程序AJMPPASSRET2、左流星雨灯子程序（按下K1键）：Left_light