单片机原理及接口技术课程设计彩灯控制器设计.doc

辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 彩灯控制器设计 院（系）： 新能源学院 专业班级： 电气 141 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2015.06.22-2015.07.05院（系）：新能源学院 教研室：电气教研室学 号学生姓名专业班级电气141课程设计（论文）题目彩灯控制器设计课程设计（论文）任务彩灯控制器可控制8组彩灯，每组彩灯220V电压下功率最大500W，可编程实现彩灯不同模式（模式自行设定）的流水效果。设计任务：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路）2. 彩灯开关驱动控制电路设计3. 电源设计4.拟定彩灯流水效果5.程序流程图设计以及程序编写技术参数：1彩灯电压220V2彩灯功率500W3彩灯控制器工作电压220V设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、驱动电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第3-4天 CPU最小系统设计（CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路）第5天 彩灯开关驱动控制电路设计第6天电源电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要随着电子技术的快速发展尤其是数字技术的突飞猛进，多功能彩灯凭着坚毅，高效，稳定特点得到普遍的应用，有各种娱乐场所，店铺门面装饰、驾驭装潢、城市墙壁更是随处可见，于此合同时，还有一些城市采用不同的彩灯打造属于自己的城市文明，塑造自己的城市魅力。随着电子技术的迅速发展，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，从而单片机得到了越来越多的应用。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。本设计用单片机89S51结合LED（发光二极管）制作了一个广告移动彩灯，它由一块89S51组成，通过逐次扫描其中一块的P2.0-P2.7口，从而依次实现彩灯轮流点亮、逐点点亮、间隔点亮。 关键词：LED彩灯；模块设计；AT-89C51单片机；彩灯控制器目 录第1章 绪论11.1 彩灯控制器概况11.2 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计22.1 彩灯控制器总体设计方案22.2 CPU的选择22.3 数据存储器扩展32.4 复位电路设计42.5 时钟电路设计42.6 CPU最小系统图5第3章 彩灯控制器输入输出接口电路设计63.1 系统原理图6第4章 彩灯控制器软件设计84.1 软件实现功能综述84.2 流程图设计84.2.1 主程序流程图设计84.2.2 模拟量检测流程图设计及元件清单8第5章 课程设计总结10参考文献11第1章 绪论1.1 彩灯控制器概况彩灯是人们日常生活中的一种装饰用品，它美观大方，尤其在节日期间，倍增节日气氛。它蕴涵着丰富的文化底蕴，被广泛地应用于各种店面的装饰。变换无穷的彩灯样式，给城市增添活力，吸引着人们的注意力，深受人民的喜爱。在日常生活中，人们还将彩灯摆放成各种图案，增添美感。随着电子技术的发展，应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展。科学技术更加贴近人们的生活，向着满足人们需求的方向发展。节日彩灯的设计与制作工艺也一步一步的走向成熟。近年来，彩灯对于美化、亮化城市有着不可轻视的重要工作。因此作为城市装饰的彩灯需求量越来越大，对与彩灯的技术和花样也越来越高。但传统的彩灯控制电路一般是由数字电路组成，这种彩灯控制器电路结构复杂、成本较高、功率损耗大，此外从功能效果上看，彩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。而单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。LED彩灯具有成本低、发光纯度高、发光热量小、耗电量低、超长寿命的特点。所以利用单片机作LED彩灯控制，不仅是使控制花样、路数大大增加,成本也很低，而且对环境能源没有污染，有着很大的发展前景。本方案是一种基于AT-89C51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。主要以AT-89C51单片机作为主控核心与发光二极管、晶振、复位、电源等组成电路，利用软件编辑实现彩灯流水灯的效果。1.2 本文研究内容本方案是一种基于AT-89C51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。主要以AT-89C51单片机作为主控核心与发光二极管、晶振、复位、电源等组成电路，利用软件编辑实现彩灯流水灯的效果。第2章 CPU最小系统设计2.1 彩灯控制器总体设计方案单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、时钟电路、复位电路。方案一：采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。方案二：过单片机控制二极管的闪烁，通过中断来改变模式同时串行输出数码管。P0，P1口接16个二极管，P3口接扩展板的数码显示接口。该方案简单，易于设计和控制。2.2 CPU的选择AT89C51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。8951单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器； RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据； ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格； I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出； T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式； 五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信； 片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。如图2.12.3 数据存储器扩展单片机使用地址锁存器进行扩展时，需要ALE做为地址锁存的选通信号，以实现低8位地址的锁存。P0口送出低8位有效地址信号是在ALE信号变高的同时出现，并在ALE由高变低时，将出现在P0口的地址信号锁存到地址锁存器中，直到下一次ALE信号变高时，地址才会发生变化。当主单片的接口脚位不够用时或是接口的驱动能力达不到要求时就要用到扩展IC，单片机只要用很少的几个脚控制扩展IC电路，就可以控制到很多其它接口电路了。如图2.22.4 复位电路设计复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。（如图2.3）电子电路特别是数字逻辑电路，在上电后的状态有时是不确定的。比如程序记数器本来应该是从0开始，但是上电时该记数器说不定是几，是几它就从第几个指令开始执行。因此只有清一下零，才能保证指令的正常进行。图2.3复位电路2.5 时钟电路设计CPU从取指令、分析指令到执行指令的全过程中，都是在时序控制下一拍一拍地进行的。下面介绍时序的几个概念：时钟周期又叫节拍，定义为时钟脉冲频率的的倒数，如f=12MHZ，则T=1/12。CPU完成一种基本操作所需的时间称机器周期。如CPU取指令、分析指令、执行指令等。一个机器周期分6个状态，记为S1S6，因此，一个周期由12个节拍组成。CPU执行一条指令所需要的时间称之为指令周期图2.4 时钟电路原理图2.6 CPU最小系统图单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，我们采用的是AT89C51芯片，它内部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平（PCB画板时已经接死），所以我们只用芯片内部的4K程序存储器。单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由22UF的电容和1K的电阻及IN4148二极管组成，以前教科书上常推荐用10UF电容和10K电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用22UF的电容和1K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。图2.5 CPU最小系统第3章 彩灯控制器输入输出接口电路设计3.1 系统原理图按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统及典型系统等。AT-89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，具有丰富的内部资源：4kB闪存、128BRAM、32根I/O口线、2个16位定时/计数器、5个向量两级中断结构、2个全双工的串行口，具有4.255.50V的电压工作范围和024MHz工作频率，使用AT-89C51单片机时无须外扩存储器。因此，本彩灯控制系统实际上就是一个带有八个发光二极管的单片机最小应用系统，即为由发光二极管、晶振、复位、电源等电路和必要的软件组成的单个单片机。其具体硬件组成如图3.1所示。图3.1 系统原理图从图3.1中可以看出，如果要让接在P1. 0口的LED1亮起来，那么只要把P1.0口的电平变为低电平就可以了；相反，如果要让接在P1.0口的LED1熄灭，就要把P1.0口的电平变为高电平；同理，接在P1.1P1.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。因此，要实现彩灯功能，我们只要将发光二极管LED1LED8依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗的做彩灯了。在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们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“彩灯”效果了。第4章 彩灯控制器软件设计4.1 软件实现功能综述本系统程序包括主程序、键盘扫描子程序、发送键码子程序、发送数据子程序、接收命令子程序等。主程序用于系统初始化，子程序调度等。键盘扫描子程序用于扫描键盘状态，将被按键的位置号存入缓冲器中。发送键码子程序用于将缓冲区键的接通码或断开码发送给单片机接口。发送数据子程序用于将数据发给单片机接口。接收命令子程序用于接收单片机接口发来的键盘命令。4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、显示模块和测速模块等各种功能模块组成。上电后进入系统初始化模块，系统软件开始运行。在执行过程中，根据运行流程分别调用各个功能模块来完成.。4.2.2 模拟量检测流程图设计及元件清单表1 系统元器件清单器件数量器件数量AT89C511晶振器1LED8排阻（4.7k）8电容（30pF）2电阻（100k）1电容（10uF）1开关1开始开外部中断数码管初始化T=1T=2T=3T=4T=5T=6T=7彩灯1亮彩灯2亮彩灯3亮彩灯4亮彩灯5亮彩灯6亮彩灯7亮YYYYYYY4.1模拟量检测流程图第5章 课程设计总结经过努力，我终于完成这次彩灯控制课程设计任务。我首先查阅了大量的书本资料，接着又上网搜集了许多有用信息。将方案的大致方向确定了下来。方案确定下来之后我便开始计算一些器件的参数。感觉自己对于计算机控制技术这门课程有了更加深刻的认识。因为把平时所学的知识应用于实践真的会遇到很多问题，当然也会发现有很多乐趣在其中。该设计是以AT-89C51单片机为主控芯片,与发光二极管、晶振电路、复位电路和电源电路组成，通过程序控制彩灯流水花样。本文所给程序实现的功能比较简单，旨在抛砖引玉，可以在此基础上扩展成更复杂的彩灯控制，比如键盘控制流水花样、控制流水灯显示数字或图案等等。彩灯的制作，给我最大的体会是对一个程序整体的把握和控制，只有将子程序有效的结合起来，才能完成设计的目的。另外，在程序的调试过程中，我也遇到了很多意想不到的困难，在老师的帮助和自己的不懈努力下，我对伟福这款仿真软件有了更深的认识，将困难一一克服，使程序编译成功，仿真实现。通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了；才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个课程设计十分有意义 ，我获得宝贵经验。通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。自己今后将会更加的把理论知识和实际应用结合起来，提高自己的能力。参考文献1 梅丽凤等编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社2009.72 李广弟 单片机基础 北京航空航天大学出版社 19943 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003.45 张志良 单片机原理与控制基础 2版 机械工业出版社6 房小翠、王金凤.单片机实用系统设计技术M. 国防工业出版社，1999.7 杨振江.A/D、D/A转换器接口技术与实用电路M. 西安电子科技大学出版社.8 谭浩强.C程序设计（第二版）M.北京：清华大学出版社，1999.9 赵晶 主编 Prote199高级应用 人民邮电出版社，200010 周立功 单片机.ZLG7290键盘检测及LED显示示例EB/OL ，2004-7-19