單片機課程設(shè)計（論文）花樣流水燈的設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書第15頁花樣流水燈的設(shè)計摘 要城市夜景中，變幻多姿的霓虹燈歷來是一道亮麗的風景。利用單片機的自動控制功能，設(shè)計出相應(yīng)不同的電路，可以實現(xiàn)彩燈不同模式的流水效果。單片機具有體積小、功能強、成本低、應(yīng)用面廣等優(yōu)點，可以說，智能控制與自動控制的核心即使單片機。單片機的最明顯的優(yōu)勢，就是想入到各種儀器，設(shè)備中。本課程是利用at80c51單片機的自動控制功能，并結(jié)合其它電子元器件以及軟件實現(xiàn)的流水燈，實現(xiàn)不同種類的流水現(xiàn)象。關(guān)鍵字：at80c51單片機,led，花樣流水燈目錄1緒論12 相關(guān)元件及電路設(shè)計12.1 at89c51芯片功能特性及應(yīng)用12.2 mcs-51單片機22.2.1 內(nèi)

2、部結(jié)構(gòu)22.2.2 引腳定義22.2.3 外部總線構(gòu)成52.3單片機時鐘電路及時鐘時序單位62.4單片機的復(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103.1電路原理圖設(shè)計103.2電路程序設(shè)計11總結(jié)18致謝19參考文獻20片機已經(jīng)滲透到了我們生活的各個領(lǐng)域。在at89c51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，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)的時鐘頻率也高，單片機的運行速度也

3、就快2.2 mcs-51單片機2.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)mcs-51系列單片機內(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系列單片機組成框圖由圖1可見，mcs-51系列單片機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)存儲器（ram）、程序存儲器（rom）、并行輸入/輸出口（p0口p3口）、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷控制、總線控制及時鐘電路。2.2.2 引腳定義引腳是單片機和外界進行通信的通道連接點，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)用是單片機應(yīng)用的一個重要基礎(chǔ)。因此熟悉引腳是學習應(yīng)用單片機的基礎(chǔ)。 mcs-51系列單片機的引腳封裝主要有

4、： pdip40、plcc44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nc為空引腳。采用40引腳pdip封裝的80c51單片機的引腳排列及邏輯符號如圖2所示。由于工藝及標準化等原因，芯片的引腳數(shù)量是有限的，但單片機為實現(xiàn)控制所需要的信號數(shù)目卻遠遠超過其引腳數(shù)目。為解決這一矛盾，單片機的某些信號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單片機的引腳排列及

5、邏輯符號圖（3）rst/vpd（9腳）：復(fù)位信號輸入端。在該引腳上輸入一定時間（約兩個機器周期）的高電平將使單片機復(fù)位。該引腳的第二功能是vpd，即備用電源輸入端。當主電源發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，可將+5v備用電源自動接入vpd端，以保護片內(nèi)ram中的信息不丟失，使復(fù)電后能繼續(xù)正常運行。（4）/vpp（31腳）：訪問程序存儲器控制信號/編程電源輸入。當保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，訪問地址范圍在04kb內(nèi)；當pc（程序計數(shù)器）值超過0fffh，即訪問地址超出4kb時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序；當保持低電平時，不管單片機內(nèi)部是否有程序存儲器，則只訪問外部程序存儲器（從00

6、00h地址開始）。由此可見，對片內(nèi)有可用程序存儲器的單片機而言，端應(yīng)接高電平，而對片內(nèi)無程序存儲器的單片機，可將接地。對于eprom型單片機，在eprom編程期間，此引腳用于施加21v的編程電源（vpp）。2）時鐘振蕩電路引腳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。采用外部振蕩器時此引腳為外部振蕩信號輸入端。3) （30腳）：低8位地址鎖存控制信號/編程脈沖輸入。在系統(tǒng)擴展時，ale用于把p0口輸

7、出的低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低8位地址和數(shù)據(jù)的隔離。在訪問外部程序存儲器期間，ale信號兩次有效；而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間，ale信號一次有效。對于eprom型單片機，在eprom編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。4）（29腳）：外部程序存儲器的讀選通信號輸出端，低電平有效。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，此引腳定時輸出負脈沖作為讀取外部程序存儲器的信號，每個機器周期兩次有效，此時地址總線上送出的地址為外部程序存儲器地址；在此期間，如果訪問外部數(shù)據(jù)存儲器和內(nèi)部程序存儲器，不會產(chǎn)生信號。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

8、輸入/輸出端口和片外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，就是連接單片機與各外部器件的一組公共的信號線。當系統(tǒng)要求擴展時，單片機要與一定數(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，那么連線將會錯綜復(fù)雜，甚至難以實現(xiàn)。為了簡化硬件電路的設(shè)計和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路

9、，并配以適當?shù)慕涌陔娐穪砼c各個外部器件和外圍設(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)便于擴展外部器件和外圍設(shè)備，而統(tǒng)一的總線標準則使不同設(shè)備間的互連更容易實現(xiàn)。利用片外引腳可以構(gòu)造mcs-51系列單片機的三總線結(jié)構(gòu)。單片機的引腳除了電源端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現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設(shè)置的。用這些引腳構(gòu)造的單片機系統(tǒng)的三總線結(jié)構(gòu)如3所示。圖3 mcs-51系列單片機片外三總線結(jié)構(gòu)1）地址總線（address bus，ab）：mcs-51系列單片機總共有16根地址線a15 a0，片外存儲器可尋址范

10、圍達64kb（216=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系列單片機總共有8根數(shù)據(jù)線d7d0，全由p0口提供。由于p0口是分時復(fù)用總線，分時輸送低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根獨立的控制線、ale、組成。2.3單片機時鐘電路及時鐘時序單位1) 時鐘電路單片機本身如同一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按規(guī)定時序工作

11、。而時鐘電路就用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號。mcs-51單片機時鐘電路示意圖如圖4所示。圖4 mcs-51單片機時鐘振蕩電路示意圖在mcs-51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，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)的時鐘頻率也高，單片機的運行速度也就快。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)通過一個時鐘發(fā)生電路二分頻后才作為系統(tǒng)的時鐘信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生電路實質(zhì)

12、上是一個二分頻的觸發(fā)器，其輸入來自振蕩器，輸出為二相時鐘信號，即狀態(tài)時鐘信號，其頻率為fosc/2；狀態(tài)時鐘三分頻后為ale信號，其頻率為fosc/6；狀態(tài)時鐘六分頻后為機器周期，其頻率為fosc/12。在圖4中，使用晶體振蕩器時，c1、c2取值3010pf；使用陶瓷振蕩器時，c1、c2取值4010pf。c1、c2的取值雖然沒有嚴格的要求，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)計印制電路板時，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。也可以由外部時鐘電路向片內(nèi)輸入脈沖信號作為單片機的振蕩脈沖。這時外部脈沖信號是經(jīng)xtal1引腳引入的，而

13、xtal2引腳懸空或接地。對外部信號的占空比沒有要求，但高低電平持續(xù)的時間不應(yīng)小于20ns。這種方式常用于多塊芯片同時工作，便于同步。其外部脈沖接入方式如圖5所示。圖5 mcs-51單片機外部時鐘輸入接線圖所謂時序，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在時間上的先后關(guān)系。cpu發(fā)出的控制信號有兩類：一類是用于單片機內(nèi)部的，用戶不能直接接觸此類信號，不必對它作過多了解；另一類是通過控制總線送到片外的，人們通常以時序圖的形式來表示相關(guān)信號的波形及出現(xiàn)的先后次序。為了說明信號的時間關(guān)系，需要定義時序單位。89c51的時序單位共有四個，從小到大依次是拍節(jié)、狀態(tài)、機器周期和指

14、令周期。如圖4所示。2.4單片機的復(fù)位2.4.1 復(fù)位狀態(tài)復(fù)位是單片機的初始化操作，其主要功能是將程序計數(shù)器pc初始化為0000h，使單片機從0000h單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化外，當程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，也須重新啟動單片機，使其復(fù)位。 單片機復(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)容是隨機的。記住這些特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)，對熟悉單片機操作，簡短應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。2.4.2 復(fù)位電

15、路單片機的復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位操作要求接通電源后自動實現(xiàn)復(fù)位操作。如圖1.5-1所示。圖6（a）所示為最簡單的復(fù)位電路。上電瞬間由于電容c上無儲能，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rst引腳上的電壓小于某一數(shù)值后，單片機就脫離復(fù)位狀態(tài)，進入正常工作模式。只要高電平能保持復(fù)位所需要的時間（約兩個機器周期），單片機就能實現(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rst為高電平，從而保證單片機可靠復(fù)

16、位。正常工作時，二極管反偏，對電路沒影響。斷電后，vcc逐漸下降，當vcc=0時，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)位做好準備。(a) (b)圖6 上電自動復(fù)位電路手動按鍵復(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，單片機進入復(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，單片機就脫離復(fù)位狀態(tài)，進入正常工作模式。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，保護按鍵的觸點。圖

17、7 手動按鍵復(fù)位電路系統(tǒng)上電運行后，若需要復(fù)位，一般是通過手動復(fù)位來實現(xiàn)的。通常采用手動復(fù)位和上電自動復(fù)位結(jié)合。復(fù)位電路雖然簡單，但其作用十分重要。一個單片機系統(tǒng)能否正常運行，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rst引腳，按下復(fù)位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出（瞬時的），還可以通過改變復(fù)位電路阻容值的方法進行檢測。3電路及程序設(shè)計3.1電路原理圖設(shè)計按照單片機系統(tǒng)擴展與系統(tǒng)配置狀況，單片機應(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單片機是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能cmos 8位單片機，具有豐富的內(nèi)部資源：4kb閃存、128bram、32根i

18、/o口線、2個16位定時/計數(shù)器、5個向量兩級中斷結(jié)構(gòu)、2個全雙工的串行口，具有4.255.50v的電壓工作范圍和024mhz工作頻率，使用at89c51單片機時無須外擴存儲器。因此，本流水燈實際上就是一個帶有八個發(fā)光二極管的單片機最小應(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單片機。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)榈碗娖骄涂梢粤耍幌喾?，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?；同理，接在p1.1p1.7口的其他7個led的點亮和熄滅的方法同led1。因此，要實現(xiàn)流水燈功能，我們

19、只要將發(fā)光二極管led1led8依次點亮、熄滅，8只led燈便會一亮一暗的做流水燈了。在此我們還應(yīng)注意一點，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)以及單片機執(zhí)行每條指令的時間很短，我們在控制二極管亮滅的時候應(yīng)該延時一段時間，否則我們就看不到“流水”效果了。設(shè)計原理圖如圖8所示：圖8流水燈硬件原理圖3.2電路程序設(shè)計 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)延時子程序delay為0.5秒延時，延時子程序delay1為2秒延時light1light6亮燈方式程序中有標注開 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?

20、p3.4=0?p3.5=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