光控多路彩燈設(shè)計與制作

1、院課程設(shè)計光控多路彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計與制作學(xué)生姓名： 學(xué) 院： 專業(yè)班級： 專業(yè)課程： 指導(dǎo)教師： 20 年 月 日1 引言1.1 設(shè)計背景光電子技術(shù)是繼微電子技術(shù)之后近30年來迅猛發(fā)展的綜合性高新技術(shù)。1962年半導(dǎo)體激光器的誕生是近代科學(xué)技術(shù)史上一個重大事件。經(jīng)歷十多年的初期探索，從70年代后期起，隨著半導(dǎo)體光電子器件和硅基光導(dǎo)纖維兩大基礎(chǔ)元件在原理和制造工藝上的突破，光子技術(shù)與電子技術(shù)開始結(jié)合并形成了具有強(qiáng)大生命力的信息光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。 光電子技術(shù)是一個比較龐大的體系，它包括信息傳輸，如光纖通信、空間和海底光通信等；信息處理，如計算機(jī)光互連、光計算、光交換等；信息獲取，如光學(xué)傳

2、感和遙感、光纖傳感等；信息存儲，如光盤、全息存儲技術(shù)等；信息顯示，如大屏幕平板顯示、激光打印和印刷等。其中信息光電子技術(shù)是光電子學(xué)領(lǐng)域中最為活躍的分支。在信息技術(shù)發(fā)展過程中，電子作為信息的載體作出了巨大的貢獻(xiàn)。但它也在速率、容量和空間相容性等方面受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。采用光子作為信息的載體，其響應(yīng)速度可達(dá)到飛秒量級、比電子快三個數(shù)量級以上，加之光子的高度并行處理能力，不存在電磁串?dāng)_和路徑延遲等缺點，使其具有超出電子的信息容量與處理速度的潛力。充分地綜合利用電子和光子兩大微觀信息載體各自的優(yōu)點，必將大大改善電子通信設(shè)備、電子計算機(jī)和電子儀器的性能。1.2 設(shè)計目的及意義隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化

3、，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。LED彩燈由于其豐 富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單等特點而得到了廣泛的應(yīng)用，用 彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時尚。但是目前市場上各種式樣的LED彩燈多半是采用全硬件電路實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，這樣一旦制成成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據(jù)不同場合、不同時間段的需要來調(diào)節(jié)亮燈時間、模式、閃爍頻率等動態(tài)參數(shù)。同時這種彩燈控制器結(jié)構(gòu)往往有芯片過多、電路復(fù)雜、功率損耗大等缺點。此外從功能上來看，亮燈模式少而且樣式單調(diào)，缺乏用戶可操作性，影響亮燈效果。因此有必要對現(xiàn)有的彩燈控制器進(jìn)行改進(jìn)。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)得到了越來

4、越多的應(yīng)用。本設(shè)計用單片機(jī)AT89C51結(jié)合LED制作了一種新型的LED彩燈控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，以AT89C51單片機(jī)作為主控核心，與按鍵、光電對管、顯示器等較少的輔助硬件電路相結(jié)合，實現(xiàn)對LED彩燈進(jìn)行光控。本系統(tǒng)具有體積小、硬件少、電路結(jié)構(gòu)簡單及容易操作等優(yōu)點。1.3 設(shè)計要求光控多路彩燈控制系統(tǒng)可用于霓虹的應(yīng)用，采用自動循環(huán)點亮的方式，在白天的時候彩燈不點亮，在晚上的時候彩燈會自動點亮并且會循環(huán)的依次點亮。（1）具有自動循環(huán)點亮的電路單元，就是多路彩燈會自動的進(jìn)行逐個點亮不需要外部的控制信號，能夠自己輸出脈沖信號來實現(xiàn)多路彩燈依次點亮。（2）具有光強(qiáng)檢測電路單元，光照強(qiáng)度門限可自由調(diào)節(jié)，

5、依據(jù)設(shè)置門限控制按鍵觸碰電路的工作。即光線充足，多路彩燈系統(tǒng)不工作，當(dāng)光線昏暗時多路彩燈系統(tǒng)工作。2 方案設(shè)計2.1 設(shè)計方案彩燈控制器大致可分為兩種方案實現(xiàn)。一種是利用數(shù)字電子電路裝置控制，另一種是采用單片機(jī)控制。方案一：數(shù)字電子式光控彩燈電路主要是由光控電路、時鐘信號電路和彩燈電路組成。光控電路主要由光敏電阻和電壓比較器組成，作用是通過光的強(qiáng)度去控制后面的電路是否工作，時鐘信號電路由 NE555芯片構(gòu)成，為循環(huán)燈電路提供時鐘信號,彩燈電路的核心元件是 CD4017 芯片，由它來控制循環(huán)燈的亮滅.。時鐘信號電路主要是由NE555組成的振蕩電路，CD4017是一個十進(jìn)制的計數(shù)器，具有個譯碼輸出

6、端，和時鐘、復(fù)位、時序輸入端。光控式循環(huán)燈電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，實用性強(qiáng)，缺點是電路的穩(wěn)定性能不算太好，外界對電路會產(chǎn)生一定影響。方案二：本方案主要是通過對基于單片機(jī)的多控制、LED彩燈循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計，來達(dá)到本設(shè)計的要求。其硬件構(gòu)成如圖1光控彩燈循環(huán)控制系統(tǒng)硬件框圖所示以單片機(jī)為核心控制，由單片機(jī)最小系統(tǒng)（時鐘電路、復(fù)位電路、電源）、按鍵控制電路、光控電路、八個LED發(fā)光二極管和直流電源電路組成。時鐘電路復(fù)位電路單 片 機(jī)電 源按鍵電路LED顯示電路光控電路圖1光控彩燈循環(huán)控制系統(tǒng)硬件框圖2.2方案選擇結(jié)合設(shè)計任務(wù)書比較以上兩種方案可知：利用電子電路裝置控制，其電路不很復(fù)雜，制作相對較容易點，

7、成本也相對較低，但可調(diào)性差，亮燈模式少而且樣式單調(diào)，達(dá)不到設(shè)計任務(wù)要求或?qū)崿F(xiàn)困難。采用單片機(jī)控制其優(yōu)點是電路集成度高，工作原理簡單，清晰明了，自定義編程，控制的圖案花樣多，移植性好等。綜上，顯然方案二各方面優(yōu)越于方案一，以及為了體現(xiàn)專業(yè)優(yōu)勢，本次設(shè)計采用第二種方案。3 硬件設(shè)計3.1 AT89C51單片機(jī)介紹AT89C51單片機(jī)主要由運算器、控制器、定時器/計數(shù)器、程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、串行I/O端口、并行I/O端口、中斷控制系統(tǒng)、時鐘電路和總線等工作部件組成。AT89C51單片機(jī) 為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51單片機(jī)采用40Pin封裝的雙列直

8、接DIP結(jié)構(gòu)，如圖2是它們的引腳配置，40個引腳中正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。現(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以簡要說明：圖2 AT89C51引腳VCC：供電電壓VSS：接地P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST/VPD：復(fù)位/備用電源XTAL1

9、：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入XTAL2：來自反向振蕩器的輸出3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)要使單片機(jī)工作起來，最基本的電路的構(gòu)成由單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路等組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。圖3單片機(jī)最小系統(tǒng)時鐘電路：本系統(tǒng)采用單片機(jī)內(nèi)部方式產(chǎn)生時鐘信號，用于外接一個12MHz石英晶體振蕩器和2個30pF微調(diào)電容，構(gòu)成穩(wěn)定的的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時鐘電路。復(fù)位電路：確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動過程。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位。本設(shè)計采用手動按鍵復(fù)位，該復(fù)位方式同樣具有上電自動復(fù)位功能。3.3 光電檢測和按鍵電路光控電路主要是用光的

10、強(qiáng)度來控制后兩個電路是否工作，那么就需要用一個和光的強(qiáng)度有直接關(guān)系的電路元件，這里我所采用的是光電對管。光電對管，也叫光電開關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管。分為反射式和直射的，通過集聚光線來控制光敏三極管的導(dǎo)通與截止。當(dāng)對管以近似直線的位置相對時，接收管才會有一個比較明顯的阻值變化。通過光電對管接收管阻值的變化實現(xiàn)光控。再利用雙電壓比較器LM393構(gòu)成電路，輸出兩種工作狀態(tài)，即輸出高點平和低電平狀態(tài)，輸入單片機(jī)以達(dá)到光控的實現(xiàn)。如圖4為光電檢測和按鍵電路。圖4光電檢測和按鍵電路光電檢測電路中LM393為雙電壓比較器，4引腳接地，8引腳接電源，2引腳與3腳分別為電壓比較器的兩個電壓

11、輸入端，1引腳為輸出端，如圖4為雙電壓比較器引腳圖。當(dāng)3引腳電壓大于2引腳電壓時，1引腳輸出高電平；當(dāng)3引腳電壓小于2引腳電壓時，1引腳輸出低電平。圖4中RV1為滑動變阻器,M0C3021為光電對管,R6為上拉電阻。因此，光控電路在工作之前需要調(diào)節(jié)滑動變阻器，將2引腳電壓調(diào)至合適的為2引腳提供電壓，調(diào)節(jié)滑動變阻器可以改變供給2引腳的電壓。通過光電對管接收管阻值的變化，比較器輸出不同的電平狀態(tài)，以達(dá)到用光控電路的工作狀態(tài)。按鍵控制電路是由3個按鍵開關(guān)構(gòu)成的。它們分別接在單片機(jī)AT89C51的P2接口上,實現(xiàn)一對一的控制LED燈的閃爍方式。當(dāng)按下按鍵時, LED燈系統(tǒng)閃爍一種閃爍方式。三

12、個開關(guān)控制三種不同類型的閃爍方式。3.4 LED彩燈顯示電路LED彩燈顯示電路如圖5所示，實際上是由8個發(fā)光二極管和一個歐姆排阻構(gòu)成的電路。發(fā)光二極管與排阻對應(yīng)串聯(lián),然后接在與之相對應(yīng)的P1口上。通過軟件編程對P1口輸出高低電平來實現(xiàn)不同的閃爍花型。由于發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓一般為1.7V以上，另外，他的工作電流根據(jù)型號不同一般為1mA到30mA，電阻選擇范圍100歐姆3千歐姆在此我們這里選用1K 歐姆的電阻。圖5 LED彩燈顯示電路3.5 硬件電路原理圖打開proteus的ISIS編輯環(huán)境，從proteus中選取該電路所需要的元器件，放置元器件、放置電源和地、連線得到的電路原理圖如圖6所示。圖

13、6電路原理圖再點菜單欄工具下拉的電氣規(guī)則檢查，當(dāng)規(guī)則檢查出現(xiàn)：“NELIST GENERATED OK NO ERC ERRORD FOUND”，表示通過檢查。電路設(shè)計完成。4 軟件設(shè)計4.1 程序流程圖程序啟動時先跳轉(zhuǎn)到光控盤多判斷模塊，當(dāng)確定無光照時跳轉(zhuǎn)到鍵盤判斷模塊程序中，此程序里面包含3個按鍵情況判斷，循環(huán)檢測直到有按鍵按下的時候，程序轉(zhuǎn)去相對應(yīng)按鍵的彩燈顯示的花型模塊。具體程序流程如圖7所示。開始判斷有無按鍵按下當(dāng)按鍵有按下時調(diào)用彩燈循環(huán)程序調(diào)用延時程序NY判斷對管是否光照NY圖7程序流程圖4.2 程序編譯Keil中的源程序設(shè)計和編譯：(1)雙

14、擊桌面keil快捷圖標(biāo)即可進(jìn)入集成開發(fā)環(huán)境編輯操作界面，主要包括三個窗口：工程項目窗口、編輯窗口和輸出窗口。(2)單擊Project菜單，在彈出的下拉菜單中選中“New Project”選項，新建項目。如圖8所示。圖8 Project菜單(3)然后選擇要保存的路徑，輸入工程文件的名字，然后單擊“保存”按鈕。(4)這時會彈出一個對話框，要求選擇單片機(jī)的型號，我們選擇Atmel,然后單擊左邊的“+”號選擇AT89C51之后，右邊欄是對這個單片機(jī)的基本說明，然后單擊“確定”，在隨后彈出的對話框單擊“否”。(5)首先進(jìn)行選項設(shè)置，將鼠標(biāo)指針指向“Target 1”并單擊右鍵，再從彈

15、出的右鍵菜單中單擊“Options for Target”選項。(6)在菜單欄中，單擊“File”菜單，再在下拉菜單中單擊“New”選項，建議首先保存該空白文件，單擊菜單欄上的“File”，然后在下拉菜單中單擊“Save As”選項,在彈出的對話框的“文件名”欄右側(cè)編輯框中，輸入欲使用的文件名，同時，必須輸入正確的擴(kuò)展名，如果用C語言編寫程序，則擴(kuò)展名為“.C”；如果用匯編語言編寫程序，則擴(kuò)展名為“.ASM”,且必須添加擴(kuò)展文件名。  (7)回到編輯界面后，單擊“Target 1”前面的“+”號，在“Source Group1”上單擊

16、右鍵，彈出對話框中，在“文件類型”處選擇“C Source  file(*.C)”，這樣在上面就可以看到剛才保存的C語言文件，雙擊該文件則自動添加至項目單擊“Close”關(guān)閉對話框。  (8)然后就可以在右側(cè)的編輯區(qū)輸入?yún)R編程序了。在輸入時Keil會自動識別關(guān)鍵字，并以不同的顏色提示用戶加以注意，這樣會使用戶少犯錯誤，有利于提高編程效率。程序輸入完畢后別忘了再次保存。(9)程序文件編輯完畢后，單擊“Project”菜單，選中“Built target”選項。如果有錯誤，則在最后的輸出窗口中會出現(xiàn)所有錯誤所在的位置和錯誤的原因，并“Target 

17、not created”的提示。雙擊該處的錯誤提示，在編輯區(qū)對應(yīng)錯誤指令處左面出現(xiàn)藍(lán)色箭頭提示，對當(dāng)前的錯誤指令進(jìn)行修改。 將所有提示過的錯誤進(jìn)行修改，然后再次重復(fù)編譯，出現(xiàn)“0Error(s),0Warning(s)”,說明完全通過，確認(rèn)程序編譯正確。5 調(diào)試檢查proteus軟件畫的電路圖完全正確后，確定通過keil編寫的程序調(diào)試成功。然后點擊電路圖中的AT89C51芯片，把程序加載進(jìn)去，就可以進(jìn)行仿真了。通過proteus仿真，要讓我們的程序能夠?qū)崿F(xiàn)想要所有功能，包括實現(xiàn)光控功能、彩燈循環(huán)點亮多種花樣功能。在開始調(diào)試時，程序不能完全實現(xiàn)所有的功能。然后我們再修改程序，慢慢逐步去

18、實現(xiàn)功能。最后調(diào)試成功。在仿真時，應(yīng)注意一下幾個方面的問題：（1）proteus仿真和用keil軟件生成的hex文件應(yīng)保存在同一個文件夾里，否則程序不能正常執(zhí)行 （2）在運行proteus仿真圖之前，必須先裝載文件，要不然程序也無法正常運行。（3）程序在剛啟動或者在暫停后繼續(xù)運行的時候，反應(yīng)比較慢，計時不準(zhǔn)。 6 總結(jié)在老師布置好題目后，我們進(jìn)行分組。老師讓我們搜索關(guān)于各自題目的文獻(xiàn)資料，了解別人的設(shè)計方案，找到優(yōu)點缺點，在綜合自己的能力設(shè)計合適的方案。通過查閱各種參考書籍，最終把實驗做出來了，達(dá)到了老師對本實驗的要求。在這次設(shè)計中我收獲頗豐，首先最直接的收獲就是我鞏固了這節(jié)課所學(xué)的知識，把它

19、運用到實踐中去，并且學(xué)到了許多在課本中所沒有的知識，進(jìn)一步加深對的proteus和keil的了解。通過兩周的課程設(shè)計學(xué)習(xí)，綜合運用所學(xué)的知識完成了設(shè)計任務(wù)。使我更進(jìn)一步熟悉了專業(yè)知識，并深入掌握仿真方法和工具。進(jìn)一步熟悉設(shè)計中使用的主流工具，學(xué)習(xí)了良好的技術(shù)文檔撰寫方法；加深綜合對所學(xué)課程基礎(chǔ)知識和基本理論的理解好掌握，培養(yǎng)了綜合運用所學(xué)知識，獨立分析和解決問題的能力；培養(yǎng)了在理論計算、制圖、運用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、查閱設(shè)計手冊與資料以及應(yīng)用工具等方面的能力，逐步樹立正確的設(shè)計思想。最后，感謝老師及各位同學(xué)在方案設(shè)計時提供的各種幫助。參考文獻(xiàn)1孫培剛.改進(jìn)型光控循環(huán)燈電路的設(shè)計J.黑龍江科技信息,2010,30:5.2王慶有.光電技術(shù)M.電子工業(yè)出版社,2008. 3李朝青.單片機(jī)原理與接口技術(shù)M.北京航天航空大學(xué)出版社,2005.4戴佳.單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講M.電子工業(yè)出版社,2006.5熊印國.基于AT89C51單片機(jī)LED彩燈控制器設(shè)計J.科技信息,2008,36:97.6李林功.單片機(jī)原理與應(yīng)用M.科學(xué)出版社,2013.7楊素行