单片机设计-彩灯控制

广西工学院鹿山学院单片机课程设计报告题目：彩灯控制专业：电子信息工程班级：电子08学号：xxxxxxxx姓名：xxx1前言1选题背景与意义随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快，智能度越来越高，应用范围也得到了极大的扩展。在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会效劳、娱乐等各个领域[1]。在娱乐方面，场地的装饰离不开彩灯。在建筑方面也采用彩灯来装饰高楼大厦。彩灯灵活多变的点亮方式，装饰效果非常好，特别是晚上使得高楼大厦更加漂亮，是彩灯的应用才使得城市的夜景非常迷人。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。彩灯将会在人类未来的夜晚生活成为一个个重要的景观，彩灯控制器的应用也会在现实生活中得到广泛的应用。本设计通过对彩灯的设计，训练对电气、单片机、电子技术等内容的应用能力，掌握对电子产品设计的流程以及各种要求[2]。彩灯技术已广泛得在霓虹灯、广告彩灯、汽车车灯等领域中应用。单片机的控制电路的设计是彩灯应用的一个瓶颈。本次设计主要培养学生综合运用所学的知识与技能分析与解决问题的能力，并稳固和扩大学生的课堂知识。通过设计学会查阅、使用各种专业资料和网上资源，并以严肃认真、深入研究的工作作风完成设计任务，逐步向工程技术员转变,培养我们独立完成任务的能力，表达和检验综合设计能力，大力提高毕业生的技术水平，培养新一代既有理论，又有动手能力的实用性人才，以适应国际建设和开展的需要。了解彩灯线路的根本理论，掌握单片机编程的根本设计方法和分析方法，对能够熟练地进行彩灯应用电路的设计与制作是十分必要和重要的[3]。由于LED彩灯克服了传统霓虹灯投资大，制作工艺复杂，使用玻璃管、高压电源及惰性气体等诸多不便，同时解决了耗电高、造价高，使用寿命短的缺乏，因此得到了广泛的应用。越来越多的商家开始关注这块商机无限的市场，竞相制作生产。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[4]。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良。2系统硬件设计整个系统包括AT89C51主控模块和受控模块，即发光二极管LED。以下就分别介绍一下这两个模块的主要功能。2.1主控模块电路设计主控模块电路见【图1】。主控模块主要设计器件有AT89C51，2个按钮。通过软件设计，使单片机P0和P2作为LED驱动信号输出口，外部中断按钮作为按钮输入口。图1主控模块硬件图2.2主要元器件介绍2.2.1单片机AT89C51AT89C51是主控模块的核心控制器，其芯片内含4KBROM和128ByteRAM；系统的振荡周期为12MHz。AT89C51具有如下特征〔Features〕：=1\*GB3①与IntelMCS-51产品兼容；=2\*GB3②内部含有4KBEEPROM，可重复擦写1000次；=3\*GB3③支持晶振频率从0Hz到24MHz；=4\*GB3④内部含有128*8bit的RAM；=5\*GB3⑤32位可编程的I/O线；=6\*GB3⑥2个16位的定时/计数器，=7\*GB3⑦6个中断源；=8\*GB3⑧可编程的串行口；AT89C51有40个引脚，是双列直插式芯片〔DIP〕[8]，引脚定义及功能见【图3】。图3AT89C51引脚图〔1〕输入输出引脚〔P0、P1、P2和P3端口引脚〕P0～P3是89C51与外界联系的4个8位双向并行I/O口。本设计中P0和P1口作为LED驱动信号输出口，P2口与三位按钮连接作为按钮输入口，P3口与七段码LED相接作为显示器的输出口。〔2〕AT89C51单片机的根本结构见【图5】图5AT89C51根本结构2.2.2中断的根本概念

在CPU与外设交换信息时，存在着一个快速的CPU与慢速的外设之间的矛盾。为解决这个问题，开展了中断的概念。

单片机在某一时刻只能处理一个任务，当多个任务同时要求单片机处理时，这一要求应该怎么实现呢？通过中断可以实现多个任务的资源共享。

中断现象在现实生活中也会经常遇到，例如，你在看书——响了——你在书上作个记号——你接通和对方聊天——谈话结束——从书上的记号处继续看书。这就是一个中断过程。通过中断，你一个人在一特定的时刻，同时完成了看书和打两件事情。用计算机语言来描述，所谓的中断就是，当CPU正在处理某项事务的时候，如果外界或者内部发生了紧急事件，要求CPU暂停正在处理工作而去处理这个紧急事件，待处理完后，再回到原来中断的地方，继续执行原来被中断的程序，这个过程称作中断。从中断的定义我们可以看到中断应具备中断源、中断响应、中断返回这样三个要素。中断源发出中断请求，单片机对中断请求进行响应，当中断响应完成后应进行中断返回，返回被中断的地方继续执行原来被中断的程序。MCS-51单片机的中断源

MCS-51单片机的中断源共有两类，它们分别是：外部中断和内部中断1.外部中断源外部中断0〔〕：来自P3.2引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。外部中断1〔〕：来自P3.3引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。3系统软件设计3.1综述本次的任务是设计一个基于单片机的LED彩灯控制器，需要循环运行四种以上预设的彩灯闪烁方案，这里的各种的方案还有显示方式都是由单片机内部的程序控制。在这里我将16个发光二极管分别接在P0和P2口，通过程序控制这两个端口的电平上下，将16个发光二极管的正极接P0和P2口，负极接地，即P0和P1口的相应端口为高电平时LED就能被点亮。再通过程序循环的让各个端口以不同的方式点亮来到达各种把戏的效果，并且当中要有一定的延时，延时时间小于人眼视觉暂留时间，否那么人眼看上去每个灯都是亮的也就没有实际效果。设计的LED彩灯系统分为两局部，即AT89C51主控模块和发光二极管LED受控模块。整个系统工作由软件程序控制运行，同时根据不同的需要，用户可以在LED彩灯工作时通过主控模块上的按钮来设定亮灯模式和灯光闪动频率。模块功能：该局部主要涉及功能的实现方式，即程序编写。程序要实现的功能包括读按键，通过对读入按键的值控制LED点亮方式。键盘有三个按键K1、K2，K1控制LED点亮模式，K2键控制彩灯暂停。3.2主程序与中断程序主程序及流程图AT89C51通过编写程序应完成以下功能：通过P0口和P2控制发光二极管LED的亮与灭，从而实现多种闪烁方案；用16盏以上的LED小灯，实现至少4种彩灯灯光效果〔不含全部点亮，全部熄灭〕。用输入按钮在几种灯光效果间转换。按照上述要求即可写出主程序代码并绘制出主程序流程图。voidmain(){ Int_Init(); //外部中断初始化 while(1) { if(state==1) first(); //扫描状态标志，为1时，第一种效果 elseif(state==2) second(); //扫描状态标志，为2时，第二种效果 elseif(state==3) third(); //扫描状态标志，为3时，第三种效果 elseif(state==4) four();//扫描状态标志，为4时，第四种效果 else //其他状态，八盏灯全亮，即暂停 { P0=0x00; P2=0x00; } }中断程序及流程图所谓中断就是指当中央处理器CPU正在处理某件事情的时候，外部发成了一件事〔如这里是定时器计数溢出〕，请求CPU迅速去处理，CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，处理完以后，再回到原来的地方，继续原来的工作，这个过程就称为中断[16]。关闭中断N关闭中断重装初值重装初值保护现场保护现场恢复现场中断次数恢复现场中断次数≥systemSpeed?开中断开中断模式0?Y模式0?返回主函数数N返回主函数数模式1?模式1?…N模式8?Y模式8?YNY调Mode_8子函数调Mode_1子函数调Mode_0子函数调Mode_8子函数调Mode_1子函数调Mode_0子函数…置模式标识号置模式标识号调数码管显示子程序调数码管显示子程序图9中断程序流程图3.3子程序的编程思路虽然大致的流程图已经绘制完毕，但编程过程中会遇到更加具体的问题，需要编制一些子程序来解决，以下是一些主要子程序的流程图绘制思路。3.3.1延迟子程序数码管的显示必须有足够长的时间长到肉眼能够发觉到，因此在点亮数码管时要给予其一个适当的延迟。 voidDelay(unsignedintt)//延时函数 { unsignedinti,j; for(i=0;i<t;i++) //用for循环嵌套来实现延时 for(j=0;j<200;j++); }执行完了for(i=0;i<t;i++)，就会去执行下面一行，最终for(i=0;i<t;i++)这条代码将被执行8*200=1600就是延时。一个机器周期包括12个时钟周期。单片机AT89C51工作于12M晶振，它的时钟周期是1/12〔微秒〕。它的一个机器周期是12*〔1/12〕也就是1微秒。一共执行1000次，正好1000微秒，也就是1毫秒。4系统调试与仿真分析4.1硬件选材及电路制作首先要对整个任务进行分析，根本确定该彩灯控制系统可分为两大模块：主控模块以及管内LED板模块。然后进一步确定应该采用哪些元器件。比方：主控模块首选就是由单片机作为主控核心，其本钱很低，且功能很完善。除此以外当然还需要一些按钮、七段码显示器等辅助器件。在确定完所需何种功能的元器件后，就可以进行实物确定，主要通过上网搜索〔比方21中国电子网〕，以及一些元器件手册。其要求是元器件报价较低，且能够实际购置的到。确定完这些元器件后通过Protel99绘制原理图及印刷板电路图。其绘制印刷板电路的过程中必须注意元器件的尺寸及布线的合理性，尽可能减小板的体积。随后就是通过自己动手将这些元器件焊接到印刷板上。由于指导老师提供了做硬件的实验箱，里面涵括了硬件电路的全部元器件，且都焊接在印刷板上，为做硬件调试省去了诸如选材之类的麻烦。我只需在实验箱里连线，接通电源，并将实验箱与计算机进行串口通信。4.2硬件调试硬件的调试主要是吧电路各种参数调整到符合设计要求。先排除硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障。一般原那么是先静态后动态。硬件静态调试主要是检测电路是否有短路、断路、虚焊等，检测芯片引脚焊接是否有错误，数码管段位是否焊接正确单片机的硬件调试和软件调试是分不开的。经历过好屡次失败后才切切实实地体会到：尽管许多硬件故障是在调试软件时才发现，但通常先要排除系统中明显的硬件故障后才能与软件结合起来调试。调试方法：在上电前，首先用万能表、示波器根据硬件图和印刷板电路图仔细检查其连线是否正确。核对各元器件的型号、规格以及安装的方向是否正确。其中重点检查电源走线，以防止电源之间短路。单片机AT89C51是系统的核心，利用万用表检测单片机电源VCC〔40脚〕是否为+5V、晶振是否正常工作〔可用示波器测试，也可以用万用表检测，两引脚电压一般为1.8V～2.3V之间〕、复位引脚RST〔复位时为高电平，工作时为低电平〕。尤其要注意单片机插座上的电位，由于单片机电源仅5V，因此如果有高电压，联机时会损坏模拟器。4.3软件调试本次所有软体程序均采用C51语言编写，程序写完后要对其编译，在Proteus软件里实现硬件电路仿真。下面分别简单介绍单片机C语言和这两款软件。4.3.1单片机C语言单片机C语言程序设计不同于通用计算机应用程序设计，它必须针对具体的微控制器及外围电路来完成，为了便于学习单片机应用程序设计和系统开发，很多公司退出了单片机实验箱、仿真器和开发板等，这些硬件设备可用于验证单片机程序，开发和调试单片机应用系统。开发8051单片机系统时，使用C语言会使开发周期大为缩短，开发效率大幅提高，程序可读性好且易于移植，所以使用C语言开发单片机系统已经成为必然趋势[17]。C语言在单片机系统开发中的优势：=1\*GB2⑴用C语言编写的程序可读性强；=2\*GB2⑵在不了解单片机指令系统而仅熟悉8051单片机存储结构时就可以开发单片机程序；=3\*GB2⑶存放器分配和不同存储器寻址及数据类型等细节可由编译器管理；=4\*GB2⑷程序可分为多个不同的函数，这使程序设计结构化；=5\*GB2⑸函数库丰富，数据处理能力强；=6\*GB2⑹程序编写及调试时间大大缩短，开发效率远高于汇编语言；=7\*GB2⑺C语言具有模块化编程技术，已编写好的通用程序模块很容易植入新程序，这进一步提高了程序开发效率。4.3.2KeiluVision2C51单片机支持HEX文件，我采用的编译器是KeiluVision2软件，该软件是美国KeilSoftware公司开发的，关于8051系列MCU的开发工具，是目前世界上最好的51单片机开发工具之一。软件本身支持数百种51系列单片机芯片，可以用来编译C源码，汇编源程序以及两者的混合编程代码，连接重定位目标文件和库文件，创立HEX文件，调试目标程序等，是一种集成化的文件管理编译环境。使用步骤如下：=1\*GB2⑴建立一个工程，启动Keil，单击“Project菜单/New”选项，从弹出的窗口中选择要保存的路径，并输入工程文件名“彩灯.uv2”，然后保存。这时会弹出一个选择CPU型号的对话框，根据所使用的单片机来选择，我用的单片机是AT89C51。=2\*GB2⑵创立程序文件，单击“File菜单/New”选项，输入C51语言源程序，单击“File菜单/Save”并输入程序文件名“彩灯.C”，保存。=3\*GB2⑶程序文件添加到工程中，右键点击“Target1”前面的“+”，展开里面的内容“SourceGroup1”，右键单击“SourceGroup1”弹出一个右键菜单，单击“AddFiletoGroup’sSourceGroup1”，从弹出的窗口中选择之前保存的文件“彩灯.C”=4\*GB2⑷设置当前工程的目标选项，右键单击“Target1”，从弹出的右键菜单中单击“OptionforTarget”选项，从弹出的“Options”窗口中选择“Target”标签栏，在“CreateHEXFile”前面打钩。=5\*GB2⑸运行编译，右键单击“Target1”，从弹出的右键菜单中单击“Buildtarget”选项，此时假设源程序没有语法错误，Keil就会生成HEX文件，并自动保存在之前设置的路径里。4.4.3ProteusProteus是英国Labenterelectronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它可以仿真、分析各种模拟电路与集成电路，软件提供了大量模拟与数字元器件及外部设备，各种虚拟仪表〔如电压表、电流表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等〕，特别是它具有对单片机及其外围电路组成的综合系统的交互仿真功能。目前，Proteus仿真系统支持的主流单片机有ARM7〔LPC21xx〕、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列等，它支持的第三方软件开发、编译和调试环境有KeiluVision2/3、MPLAB等[18]。Proteus主要由ISIS和ARES两局部组成，ISIS的主要功能是原理图设计及电路原理图的交互仿真，ARES主要用于印制电路板的设计。ISIS提供的ProteusVSM〔VirtualSystemModelling〕实现了混合式的SPICE电路仿真，它将虚拟仪器、高级图表应用、单片机仿真、第三方程序开发与调试环境有机结合，在搭建硬件模型之前即可在PC上完成原理图设计、电路分析与仿真及单片机程序实时仿真、测试及验证。Proteus操作非常简单，启动“ISIS.exe”。在设计原理图时，根据当前电路复杂程度和特定要求，选择恰当的模块进行设计，翻开模块式需要单击“文件/新建设计”〔File/NewDesign〕菜单，翻开“创立新设计”〔CreateNewDesign〕对话框，然后选择相应模块。创立空白文件后，先将DSN文件保存到指定位置，接下来就可以开始在图纸中添加元件了，单击模式工具上的元件模式〔ComponentMode〕图标，对象选择窗口上会出设备〔Device〕，这时单击“P”按钮，翻开元件选择窗口，在元件库选择硬件电路所需要的元器，合理摆放位置，然后按要求连接好电路图。4.4软件仿真结果及分析完成单片机系统仿真电路图设计后，即可开始仿真运行单片机绑定的程序文件，双击单片机，翻开单片机属性窗口〔也可以先在单片机上单击右键，再单击左键，或者选中单片机后按下〔Ctrl+E组合键〕，在“ProgramFiles”项中选择对应的HEX文件。在仿真电路和程序都没有问题时，直接单击Proteus主窗口下的“运行”〔Play〕按钮，即可仿真运行单片机系统，在运行过程中如果希望观察内存、24C0X、温度存放器、时钟芯片等内部数据可在运行时单击“单步”〔Step〕或“暂停”〔Pause〕按钮，然后再“调试”〔Debug〕菜单中翻开相应设备。状态一、程序如下：voidfirst()//{P0=0x6d; P2=0x6d; Delay(100); if(Fuck==1)Fuck=0; //把外部变量清0}第二种闪灯模式：voidsecond(){ unsignedcharm,n; for(m=0;m<4;m++) { P0=0xf0; P2=0x0f; Delay(100); P0=0xff; P2=0xff; Delay(100); if(Fuck==1) break; //如果按下外部中断按钮，立即跳出效果，执行中断的内容 } for(n=0;n<4;n++) { P0=0x0f; P2=0xf0; Delay(100); P0=0xff; P2=0xff; Delay(100); if(Fuck==1) break; //如果按下外部中断按钮，立即跳出效果，执行中断的内容 } Fuck=0; //把外部变量清0}第三种闪灯模式：voidthird(){ unsignedcharn; for(n=0;n<4;n++) { P0=NUM1[n]; P2=NUM2[n]; Delay(100); if(Fuck==1)break;//如果按下外部中断按钮，立即跳出效果，执行中断的内容 }Fuck=0;//把外部变量清0 }第四种闪灯模式：voidfour(){ unsignedcharn; for(n=0;n<8;n++) { P0=a[n]; P2=a[n]; Delay(100); if(Fuck==1)break;//如果按下外部中断按钮，立即跳出效果，执行中断的内容 } Fuck=0; //把外部变量清05全文总结经过这次设计，我对单片机的使用有了不同于以往的认识。从书本上的理论到现实中的硬件电路制作、软件编制以及软硬件调试，难度大大地增加。但是通过这一过程我对单片机的认识更加深刻。这对我今后从事该方面的学习工作是一个很好的根底。通过这次的毕业设计，让我受益匪浅，让我了解和掌握了一些编程思想和对I/O口的使用和应用的条件的思考，对单片机的各个管脚功能的理解和掌握。实现了软件和硬件的有效结合，缺一不可。设计让我把单片机的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论的是实践的根底，实践有能检验理论的正确性，更激发了我对专业知识的渴求，这些对我以后参加工作或者继续学习都会有很大的帮助和影响。而作为一位学生，在对LED彩灯的设计中，因知识和经验的缺乏，只能通过模仿其它的编程思路，再加上一些自己的思想去完成这个设计，因此在各个方面都会有一些缺乏，比方所设计的功能还不够全面，现在流行的声光结合彩灯，就是在彩灯闪烁的根底上再加进去播放音乐，以此更让人的审美赏心悦目。我会在以后的学习中逐渐去完善、稳固我的单片机知识。参考文献[1]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M]．北京：电子工业出版社，2009．[2]楼然苗.单片机课程设计指导[M].北京：北京航空航天大学出版,2007．[3]MuhammadAliMazidi,JaniceGillispieMazidiandRolinD.McKinlay.The8051MicrocontrollerandEmbeddedSystems[M],American:PrenticeHall,2000．[4]何政.单片机原理与应用[M]．上海：上海科学技术出版社，1992．[5]张志宗等．89C51单片机控制的可编程霓虹灯控制器[J]．电子技术，1997年第10期．[6]李群芳，张士军，黄建．单片微型计算机与接口技术〔第2版〕[M]北京：电子工业出版社，2007．[7]张毅刚，修林成，胡振江．MCS-51单片机应用设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990．[8]陈景初．单片机应用系统设计与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999．附录3程序#include<reg52.h>sbitKey1=P3^2;//切换状态按钮〔外部中断0〕sbitKey2=P3^3;//暂停按钮〔外部中断1〕unsignedcharstate=1; //状态标志charFuck;//定义Fuck为外部变量unsignedcharNUM1[4]={0x7e,0xbd,0xdb,0xe7};unsignedcharNUM2[4]={0xe7,0xdb,0xbd,0x7e};unsignedchara[8]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; voidDelay(unsignedintt)//延时函数 { unsignedinti,j; for(i=0;i<t;i++) //用for循环嵌套来实现延时 for(j=0;j<200;j++); } voidInt_Init() //外部中断初始化 { IT0=1; //外部中断0，边沿触发 EX0=1; //允许中断 IT1=1; //外部中断1，边沿触发 EX1=1; //允许中断 EA=1;//开总中断 } voidfirst(){ unsignedcharn; for(n=0;n<35;n++) { P0=0x6d; P2=0x6d; Delay(100); if(Fuck==1)break;//如果按下外部中断按钮，立即跳出效果，执行中断的内容 } Fuck=0; //把外部变量清0}voidsecond(){ unsignedcharm,n; for(m=0;m<4;m++) { P0=0xf0; P2=0x0f; Delay(100); P0=0xff; P2=0xff; Delay(100); if(Fuck==1) break; //如果按下外部中断按钮，立即跳出效果，执行中断的内容 } for(n=0;n<4;n++) { P0=0x0f; P2=0xf0; Delay(100); P0=0xff; P2=0xff; Delay(100); if(Fuck==1) break; //如果按下外部中断按钮，立即跳出效果，执行中断的内容 } Fuck=0; //把外部变量清0}voidthi