單片機(jī)課程設(shè)計(jì)（論文）-花樣流水燈的設(shè)計(jì)

1、花樣流水燈的設(shè)計(jì)摘 要城市夜景中，變幻多姿的霓虹燈歷來是一道亮麗的風(fēng)景。利用單片機(jī)的自動(dòng)控制功能，設(shè)計(jì)出相應(yīng)不同的電路，可以實(shí)現(xiàn)彩燈不同模式的流水效果。單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、成本低、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)，可以說，智能控制與自動(dòng)控制的核心即使單片機(jī)。單片機(jī)的最明顯的優(yōu)勢(shì)，就是想入到各種儀器，設(shè)備中。本課程是利用at80c51單片機(jī)的自動(dòng)控制功能，并結(jié)合其它電子元器件以及軟件實(shí)現(xiàn)的流水燈，實(shí)現(xiàn)不同種類的流水現(xiàn)象。關(guān)鍵字：at80c51單片機(jī),led，花樣流水燈目錄1緒論12 相關(guān)元件及電路設(shè)計(jì)12.1 at89c51芯片功能特性及應(yīng)用12.2 mcs-51單片機(jī)22.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)22.2.2 引

2、腳定義22.2.3 外部總線構(gòu)成52.3單片機(jī)時(shí)鐘電路及時(shí)鐘時(shí)序單位62.4單片機(jī)的復(fù)位82.4.1 復(fù)位狀態(tài)82.4.2 復(fù)位電路83電路及程序設(shè)計(jì)103.1電路原理圖設(shè)計(jì)103.2電路程序設(shè)計(jì)11總結(jié)18致謝19參考文獻(xiàn)20片機(jī)已經(jīng)滲透到了我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。在at89c51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2，在芯片的外部通過這兩個(gè)引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容c1、c2形成反饋電路，可構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，振蕩頻率通常是1.212mhz。若晶體振蕩器頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就快2.2 mcs-5

3、1單片機(jī)2.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)mcs-51系列單片機(jī)內(nèi)部采用模塊式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。圖1 mcs-51系列單片機(jī)組成框圖由圖1可見，mcs-51系列單片機(jī)主要由以下部件通過片內(nèi)總線連接而成：中央處理器（cpu）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram）、程序存儲(chǔ)器（rom）、并行輸入/輸出口（p0口p3口）、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制、總線控制及時(shí)鐘電路。2.2.2 引腳定義引腳是單片機(jī)和外界進(jìn)行通信的通道連接點(diǎn)，用戶只能通過引腳組建控制系統(tǒng)。從應(yīng)用的角度來看，引腳的應(yīng)用是單片機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要基礎(chǔ)。因此熟悉引腳是學(xué)習(xí)應(yīng)用單片機(jī)的基礎(chǔ)。 mcs-51系列單片機(jī)的引腳封裝主要有： pdip40、pl

4、cc44和pqfp/tqfp44。不同封裝的芯片其引腳的排列位置有所不同，但他們的功能和特性都相同。方形封裝（plcc44和pofp/tqfp44）有44引腳，其中4個(gè)nc為空引腳。采用40引腳pdip封裝的80c51單片機(jī)的引腳排列及邏輯符號(hào)如圖2所示。由于工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)量是有限的，但單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)控制所需要的信號(hào)數(shù)目卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其引腳數(shù)目。為解決這一矛盾，單片機(jī)的某些信號(hào)引腳被賦以雙重功能。1）電源及電源復(fù)位引腳：（1）vcc（40腳）：正常操作時(shí)接+5v直流電源。（2）vss (20腳)：接地端。圖2 40引腳pdip封裝的80c51單片機(jī)的引腳排列及邏輯符號(hào)圖（3）rst

5、/vpd（9腳）：復(fù)位信號(hào)輸入端。在該引腳上輸入一定時(shí)間（約兩個(gè)機(jī)器周期）的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。該引腳的第二功能是vpd，即備用電源輸入端。當(dāng)主電源發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時(shí)，可將+5v備用電源自動(dòng)接入vpd端，以保護(hù)片內(nèi)ram中的信息不丟失，使復(fù)電后能繼續(xù)正常運(yùn)行。（4）/vpp（31腳）：訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)/編程電源輸入。當(dāng)保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，訪問地址范圍在04kb內(nèi)；當(dāng)pc（程序計(jì)數(shù)器）值超過0fffh，即訪問地址超出4kb時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序；當(dāng)保持低電平時(shí)，不管單片機(jī)內(nèi)部是否有程序存儲(chǔ)器，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器（從0000h地址開始）。由此

6、可見，對(duì)片內(nèi)有可用程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)而言，端應(yīng)接高電平，而對(duì)片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，可將接地。對(duì)于eprom型單片機(jī)，在eprom編程期間，此引腳用于施加21v的編程電源（vpp）。2）時(shí)鐘振蕩電路引腳xtal1和xtal2：（1）xtal1（19腳）：外接石英晶體和微調(diào)電容引腳1。它是片內(nèi)振蕩電路反向放大器的輸入端。采用外部振蕩器時(shí)此引腳接地。（2）xtal2（18腳）：外接石英晶體和微調(diào)電容引腳2。它是片內(nèi)振蕩電路反向放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)此引腳為外部振蕩信號(hào)輸入端。3) （30腳）：低8位地址鎖存控制信號(hào)/編程脈沖輸入。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ale用于把p0口輸出的低8位地址鎖存起來

7、，以實(shí)現(xiàn)低8位地址和數(shù)據(jù)的隔離。在訪問外部程序存儲(chǔ)器期間，ale信號(hào)兩次有效；而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，ale信號(hào)一次有效。對(duì)于eprom型單片機(jī)，在eprom編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。4）（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。在從外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，此引腳定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀取外部程序存儲(chǔ)器的信號(hào)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，此時(shí)地址總線上送出的地址為外部程序存儲(chǔ)器地址；在此期間，如果訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。5）并行雙向輸入/輸出(i/o)口引腳：（1）p0口的p0.0p0.7引腳（3932腳）：8位通用輸入/輸出端口和片外8

8、位數(shù)據(jù)/低8位地址復(fù)用總線端口。（2）p1口的p1.0p1.7引腳（18腳）：8位通用輸入/輸出端口。（3）p2口的p2.0p2.7引腳（2821腳）：8位通用輸入/輸出端口和片外高8位地址總線端口。（4）p3口的p3.0p3.7引腳（1017腳）：8位通用輸入/輸出端口，具有第二功能。2.2.3 外部總線構(gòu)成所謂總線，就是連接單片機(jī)與各外部器件的一組公共的信號(hào)線。當(dāng)系統(tǒng)要求擴(kuò)展時(shí)，單片機(jī)要與一定數(shù)量的外部器件和外圍設(shè)備連接。如果各部件及每一種外圍設(shè)備都分別用各自的一組線路與cpu直接連接，那么連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，并配以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?/p>

9、來與各個(gè)外部器件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路就是總線。采用總線結(jié)構(gòu)便于擴(kuò)展外部器件和外圍設(shè)備，而統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)則使不同設(shè)備間的互連更容易實(shí)現(xiàn)。利用片外引腳可以構(gòu)造mcs-51系列單片機(jī)的三總線結(jié)構(gòu)。單片機(jī)的引腳除了電源端vcc、接地端vss、復(fù)位端rst、晶振接入端xtal1和xtal2、通用i/o口的p1.0p1.7以外，其余的引腳都是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的。用這些引腳構(gòu)造的單片機(jī)系統(tǒng)的三總線結(jié)構(gòu)如3所示。圖3 mcs-51系列單片機(jī)片外三總線結(jié)構(gòu)1）地址總線（address bus，ab）：mcs-51系列單片機(jī)總共有16根地址線a15 a0，片外存儲(chǔ)器可尋址范圍達(dá)64kb（216=

10、65536字節(jié)），由p2口直接提供高8位地址a15 a8，p0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址a7 a0。2）數(shù)據(jù)總線（data bus，db）：mcs-51系列單片機(jī)總共有8根數(shù)據(jù)線d7d0，全由p0口提供。由于p0口是分時(shí)復(fù)用總線，分時(shí)輸送低8位地址（通過地址鎖存器鎖存）和高8位數(shù)據(jù)信息。 3）控制總線（control bus，cb）：控制總線由p3口的第二功能(p3.6)、(p3.7)和3根獨(dú)立的控制線、ale、組成。2.3單片機(jī)時(shí)鐘電路及時(shí)鐘時(shí)序單位1) 時(shí)鐘電路單片機(jī)本身如同一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下，嚴(yán)格地按規(guī)定時(shí)序工作。而時(shí)鐘電路就用于產(chǎn)生

11、單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)。mcs-51單片機(jī)時(shí)鐘電路示意圖如圖4所示。圖4 mcs-51單片機(jī)時(shí)鐘振蕩電路示意圖在mcs-51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2，在芯片的外部通過這兩個(gè)引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容c1、c2形成反饋電路，可構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，振蕩頻率范圍通常是1.212mhz。晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就快。振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖并不直接使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用。振蕩脈沖在片內(nèi)通過一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生電路二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二分頻的觸發(fā)器

12、，其輸入來自振蕩器，輸出為二相時(shí)鐘信號(hào)，即狀態(tài)時(shí)鐘信號(hào)，其頻率為fosc/2；狀態(tài)時(shí)鐘三分頻后為ale信號(hào)，其頻率為fosc/6；狀態(tài)時(shí)鐘六分頻后為機(jī)器周期，其頻率為fosc/12。在圖4中，使用晶體振蕩器時(shí)，c1、c2取值3010pf；使用陶瓷振蕩器時(shí)，c1、c2取值4010pf。c1、c2的取值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小影響振蕩電路的穩(wěn)定性和快速性，通常取值2030pf。在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，晶振和電容等應(yīng)盡可能靠近芯片，以減少分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。也可以由外部時(shí)鐘電路向片內(nèi)輸入脈沖信號(hào)作為單片機(jī)的振蕩脈沖。這時(shí)外部脈沖信號(hào)是經(jīng)xtal1引腳引入的，而xtal2引腳懸空或接

13、地。對(duì)外部信號(hào)的占空比沒有要求，但高低電平持續(xù)的時(shí)間不應(yīng)小于20ns。這種方式常用于多塊芯片同時(shí)工作，便于同步。其外部脈沖接入方式如圖5所示。圖5 mcs-51單片機(jī)外部時(shí)鐘輸入接線圖所謂時(shí)序，是指在指令執(zhí)行過程中，cpu的控制器所發(fā)出的一系列特定的控制信號(hào)在時(shí)間上的先后關(guān)系。cpu發(fā)出的控制信號(hào)有兩類：一類是用于單片機(jī)內(nèi)部的，用戶不能直接接觸此類信號(hào)，不必對(duì)它作過多了解；另一類是通過控制總線送到片外的，人們通常以時(shí)序圖的形式來表示相關(guān)信號(hào)的波形及出現(xiàn)的先后次序。為了說明信號(hào)的時(shí)間關(guān)系，需要定義時(shí)序單位。89c51的時(shí)序單位共有四個(gè)，從小到大依次是拍節(jié)、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。如圖4所示。2

14、.4單片機(jī)的復(fù)位2.4.1 復(fù)位狀態(tài)復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是將程序計(jì)數(shù)器pc初始化為0000h，使單片機(jī)從0000h單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，也須重新啟動(dòng)單片機(jī)，使其復(fù)位。 單片機(jī)復(fù)位后，除p3p0的端口鎖存器被設(shè)置成ffh、堆棧指針sp設(shè)置成07h和串行口的sbuf無確定值外，其它各專用寄存器包括程序計(jì)數(shù)器pc均被設(shè)置成00h。片內(nèi)ram不受復(fù)位的影響，上電后ram中的內(nèi)容是隨機(jī)的。記住這些特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)，對(duì)熟悉單片機(jī)操作，簡(jiǎn)短應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。2.4.2 復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位操作有上

15、電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位操作要求接通電源后自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。如圖1.5-1所示。圖6（a）所示為最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路。上電瞬間由于電容c上無儲(chǔ)能，其端電壓近似為零，rst獲得高電平，隨著電容器c的充電，rst引腳上的高電平將逐漸下降，當(dāng)rst引腳上的電壓小于某一數(shù)值后，單片機(jī)就脫離復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)入正常工作模式。只要高電平能保持復(fù)位所需要的時(shí)間（約兩個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)復(fù)位。相比于圖6（a），圖6（b）所示的電路只是增加了外接二極管vd和電阻r。其優(yōu)越性在于停電后，二極管vd給電容c提供了快速放電通路，保證再上電時(shí)rst為高電平，從而保證單片機(jī)可靠復(fù)位。正常工作時(shí)，二極管

16、反偏，對(duì)電路沒影響。斷電后，vcc逐漸下降，當(dāng)vcc=0時(shí)，電容c通過vd迅速放電，恢復(fù)到無電量的初始狀態(tài)，為下次上電復(fù)位做好準(zhǔn)備。(a) (b)圖6 上電自動(dòng)復(fù)位電路手動(dòng)按鍵復(fù)位要求在電源接通的條件下，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位，如圖7所示。其工作原理為：復(fù)位鍵按下后，電容c通過r2放電，放電結(jié)束后，rst引腳的電位由r1和r2 分壓決定，由于r2r1，因此，rst引腳為高電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，松開按鍵后，電容充電，rst上的電位降低，經(jīng)過一定的延時(shí)，單片機(jī)就脫離復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)入正常工作模式。r2的作用在于限流，避免按鍵按下的瞬間電容c放電產(chǎn)生火花，保護(hù)按鍵的觸點(diǎn)。圖7 手動(dòng)按鍵復(fù)位電路系

17、統(tǒng)上電運(yùn)行后，若需要復(fù)位，一般是通過手動(dòng)復(fù)位來實(shí)現(xiàn)的。通常采用手動(dòng)復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位結(jié)合。復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但其作用十分重要。一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，首先要檢查是否能復(fù)位成功。初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視r(shí)st引腳，按下復(fù)位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出（瞬時(shí)的），還可以通過改變復(fù)位電路阻容值的方法進(jìn)行檢測(cè)。3電路及程序設(shè)計(jì)3.1電路原理圖設(shè)計(jì)按照單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展與系統(tǒng)配置狀況，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為最小系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)及典型系統(tǒng)等。at89c51單片機(jī)是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能cmos 8位單片機(jī)，具有豐富的內(nèi)部資源：4kb閃存、128bram、32根i/o口線、2個(gè)16位定

18、時(shí)/計(jì)數(shù)器、5個(gè)向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、2個(gè)全雙工的串行口，具有4.255.50v的電壓工作范圍和024mhz工作頻率，使用at89c51單片機(jī)時(shí)無須外擴(kuò)存儲(chǔ)器。因此，本流水燈實(shí)際上就是一個(gè)帶有八個(gè)發(fā)光二極管的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，即為由發(fā)光二極管、晶振、復(fù)位、電源等電路和必要的軟件組成的單個(gè)單片機(jī)。從原理圖中可以看出，如果要讓接在p1.0口的led1亮起來，那么只要把p1.0口的電平變?yōu)榈碗娖骄涂梢粤?；相反，如果要接在p1.0口的led1熄滅，就要把p1.0口的電平變?yōu)楦唠娖剑煌?，接在p1.1p1.7口的其他7個(gè)led的點(diǎn)亮和熄滅的方法同led1。因此，要實(shí)現(xiàn)流水燈功能，我們只要將發(fā)光二極管led

19、1led8依次點(diǎn)亮、熄滅，8只led燈便會(huì)一亮一暗的做流水燈了。在此我們還應(yīng)注意一點(diǎn)，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)以及單片機(jī)執(zhí)行每條指令的時(shí)間很短，我們?cè)诳刂贫O管亮滅的時(shí)候應(yīng)該延時(shí)一段時(shí)間，否則我們就看不到“流水”效果了。設(shè)計(jì)原理圖如圖8所示：圖8流水燈硬件原理圖3.2電路程序設(shè)計(jì) 程序流程圖如圖9所示：程序中l(wèi)ight7為多種亮燈方式結(jié)合循環(huán)延時(shí)子程序delay為0.5秒延時(shí)，延時(shí)子程序delay1為2秒延時(shí)light1light6亮燈方式程序中有標(biāo)注開 始跳至主程序，設(shè)置外部中斷0有效，電平觸發(fā)主程序等待中斷中斷到來？繼續(xù)等待中斷p3.0=0?p3.1=0?p3.3=0?p3.4=0?p3.5

20、=0?p3.6=0?p3.7=0?中斷？繼續(xù)循環(huán)light1light2light3light4light5light6light7相應(yīng)亮燈方式圖9 程序流程圖程序如下:org 0000h ajmp main ；系統(tǒng)上電，執(zhí)行主程序 org 0003h ；外部中斷0入口 ajmp loop ；轉(zhuǎn)移至中斷服務(wù)程序main: setb ex0 ；允許int0中斷 setb it0 ；int0中斷選用電平觸發(fā) setb ea ；cpu開中斷halt: sjmp halt ；等待中斷l(xiāng)oop: ；判0轉(zhuǎn)移到相應(yīng)亮燈方式 setb p3.2 jnb p3.0 ,light1 jnb p3.1 ,light2 jnb p3.3 ,light3 j