单片机课程设计论文LED彩灯控制器.doc

辽宁工业大学课程设计（论文）第1章 绪论11.1 系统主要功能1第2章 光控LED彩灯硬件设计22.1 系统的硬件构成及功能22.2 主控模块电路设计22.2.1复位电路说明22.2.2 晶振电路说明32.2.3 按键电路42.2.4 光控电路说明42.3 管内LED模块设计62.3.1 LED显示数码管6第3章 系统的软件设计83.1 软件设计83.2 控制程序10第4章 课设总结13参考文献14附录15附录16第1章 绪论1.1 系统主要功能 光控 LED 彩灯分为2部分，即彩灯控制器（主控模块）和管内LED板模块（受控模块）。彩灯控制器可直接与 光控电路连接，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12V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5V工作电源。整个系统工作由软件程序控制运行。 白天时，光控电路和单片机电路断开，黑夜时，光控电路开始工作，上电后系统经过初始化，查询是否有模式切换键按下：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顺序调用往下走，从模式1开始工作，自模式1到模式4为一个亮灯周期，然后再回到模式1循环继续工作，同样如果想进入用户设定模式状态，只需按下模式切换键即可。对于每一个模式编写一个独立工作子程序模式，其中设定了LED三色灯（红、绿、蓝）的点亮时刻和熄灭时刻，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，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 。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。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，可以通过键盘和某个按键选定任意模式使系统循环重复工作在该花样模式下。第2章 光控LED彩灯硬件设计光控电路 89S51单片机2.1 系统的硬件构成及功能点亮方式显示电路晶振复位电路路LED显示电路按键电路图2.1 总体电路框图 光控LED彩灯系统包括2大部分,即LED彩灯控制器（89C51主控模块）和LED彩灯管（管内LED板模块）。前者是主控模块，具有按键、显示等功能，并利用89C51的P口输出控制信号；后者是受控模块，上面焊有三色LED 彩灯和信号驱动芯片，模块置于LED的透明灯管内。 2.2 主控模块电路设计主控模块电路如图附录所示。主控模块主要设计器件有89C51,光控电路，晶振复位电路,5个七段码LED显示器，4个按键，2个稳压器（提供12V，5V 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。2.2.1复位电路说明简单复位电路有上电复位和手动复位两种，图2.1采用的是上电复位电路，这种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容C1充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。可见复位的时间与充电的时间有关，充电时间越长复位时间越长，增大电容或增大电阻都可以增加复位时间。 图2.2 单片机复位电路2.2.2 晶振电路说明89S51内部有一个高增益反向放大器（即与非门的一个输入端为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚X1和X2分别是此放大器的输入端和输出端。在X1和X2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见图2.2。外界晶振时，C1、C2值通常取为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1、C2约为47pF。C1、C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡频率范围是024MHz。为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠地工作。图2.3 单片机晶振电路2.2.3 按键电路 本实验的按键电路有四个按键和四个电阻组成，见图2.3。四个按键起不同的控制作用，分别控制彩灯的四种点亮方式：方式1通过按键S1控制，并通过软件设为红绿灯从前往后点亮，蓝灯从后往前点亮，方式2设为红蓝灯从前往后点亮，绿灯从后往前点亮，按键S2控制，方式3设为正好与方式1亮灯模式相反，方式4设为与方式2亮灯模式相反。图2.4 按键电路2.2.4 光控电路说明 光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。 图2.5光控电路装置应用电路工作原理是在白天时，由于光照较强，光敏电阻RG的内阻很小，此时有较大电流通过RG而使三极管VT饱和导通，VT饱和后，控制器DM的端电压远低于1.6V，故DM内部截止，彩灯不亮。当夜晚来临，光线变暗，照射在RG上的光通量减弱，RG的内阻变得越来越大，控制器DM内部电路亦逐渐开通,单片机电路开始工作。图2.5 光控电路2.3 管内LED模块设计 管内LED板模块电路见图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，这样具有很好的动感视觉效果。 图2.6 管内LED模块电路2.3.1 LED显示数码管LED有共阴极和共阳极两种。如图所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。 图 2.7 高电平驱动，共阴极图2.8 低电平驱动，共阳极.第3章 系统的软件设计3.1 软件设计光控LED彩灯控制器最大特点在于所有亮灯模式均由软件和按键控制完成。系统中软件可以分为主程序和中断服务子程序。黑夜上电后在缺省状态以顺序调用模式，花样亮灯模式流程为主程序，以一个单位时间5ms的T0定时为中断服务子程序。在这个5ms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、5ms中断服务子程序 (T0 Interrupt) 、键盘扫描处理子程序（KeyBoard ）、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LED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。 4个按键分别为：4个模式改变按键，分别控制四种点亮方式，第一种点亮方式通过按键S1控制，并通过软件设为红绿灯从前往后点亮，蓝灯从后往前点亮，方式2设为红蓝灯从前往后点亮，绿灯从后往前点亮，方式3设为正好与方式1亮灯模式相反，方式4设为与方式2亮灯模式相反。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。主程序除了调用各种子模式子程序，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模式改变按键按下，一旦模式改变键按下，就会进入相应的按键处理。主程序流程如图3.1所示。亮灯模式子程序可以编写若干(n种) ，只要控制好各色灯触发和熄灭时刻就可以组合成各种亮灯效果。模式程序流程如图3.2所示。图3.1 主程序流程图图3.2 模式程序流程图3.2 控制程序下面以第一种模式为例。ORG 0100HMAIN：MOV SP,#50HMOV TMOD,#01HMOV TH0.#0FEHMOV TL0,#0D4HANL RED_ON,#00HANL RED_OFF,#00HANL GREEN_ON,#00HANL GREEN_OFF,#00HANL BLUE_ON,#00HANL BLUE_OFF,#00HANL CLOCKCOUNT,#00HANL KEYCOUNT,#00HMOV L1,#0AHMOV L2,#0AHMOV L3,#0AHMOV L4,#0AHANL L5,#0AHANL L6,#0AHANL L7,#0AHANL L8,#0AHANL L9,#0AHANL L10,#0AHANL TIME,#00HANL P1,#00HMOV R4,#00HMOV CLOCKDATE1,#01HMOV CLOCKDATE2,#02HMOV CLOCKDATE3,#03HMOV TIMEDATE1,#02HMOV TIMEDATE2,#04HMOV TIMEDATE3,#06HMOV TIMEDATE4,#01HSETB ET0SETB TR0SETB EALOOP： MOV L6,#00H MOV L7,#00H MOV L8,#00H MOV L9,#00H MOV L10,#00H INC L6SKIP： CJNE R4,#7FH,SKIP1 LJMP OPERATESKIP1： CJNE R4,#0FDH,H11 MOV M1,#09H MOV M2,#03H LCALL CLEAR LJMP SKIP 39 H11： CJNE R4,#0F7H,H12 ANL TIME,#00H LCALL NEQ1 JMP SKIP1H12： CJNE R4,#0FBH,H13 JMP H14H13： LCALL NEQ1 MOV A,TIME CJNE A,TIMEDATE2,SKIP1H14： LCALL CLEAR INC L5SKIP2： LJMP LOOP 第4章 课设总结与市面上大多数的LED彩灯相比，该种彩灯具有更好的灯光装饰效果，性价比更高，采用光控电路，具有很好的节能效果，与普通的全硬件LED彩灯相比具有更好的经济效益。应用主控模块输出的控制信号去控制灯管内的L ED板模块工作，使得产品性能稳定，便以安装容易操作。由于控制程序存储在89S51单片机 的电可擦除Flash闪存EPROM中，如果用户需要更改系统的亮灯模式，无须改变系统硬件电路，只需修改其中程序以及相应的按键即可，是一种很有发展前途的彩灯控制器。 参考文献1 蔡美琴，张为民，沈新群，等.MCS-51系列单片机系统及其应用M北京:高等教育出版社，1992.2 何力民单片机应用技术选编(5)M.北京：北京航空航天大学出版社，1997.3 杨光有.单片机微型计算机原理及接口技术M北京：中国水利水电出版社，2002.4 张鑫，单片机原理与应用M.北京:电子工业出版社,1998.5 陆子明，单片机设计与应用基础教程M.北京:电子工业出版社,2003.附录图9 总体电路图附录表2.1 器件清单序号器件名称对应电路中的名称个数1单片机89S5112开关按键S1,S2,S3,S443光敏电阻RG14控制器DM15三极管Q116电阻R2，R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R12,RG127LED数码管五位七段数码管18电容C1,C229晶闸管CY110信号输出驱动模块芯片MC4049111移位触发模块芯片CD4076112彩灯LED4016