基于單片機的霓虹燈控制器設計

1、計算機控制技術基于單片機的霓虹燈控制器設計學號：XXX姓名：XXX日期：2013年11月26日 目 錄 第1章 緒論11.1 選題的背景與意義1第2章 系統(tǒng)總體設計22.1 方案的選擇22.2 系統(tǒng)總體設計22.2.1串行輸入并行輸出74HC595的介紹32.2.2 LED點陣的介紹4第3章 硬件設計63.1 硬件選型63.1.1主控電路的選擇與論證63.1.2 顯示設備的選擇與論證83.1.3控制器模塊選擇93.2 硬件電路設計103.2.1硬件部分103.2.2單片機最小系統(tǒng)電路圖113.2.4 點陣驅(qū)動模塊單元電路設計123.2.5 點陣模塊單元電路設計123.2.6 紅外遙控模塊單元電

2、路設計143.2.7 紅外遙控接收模塊單元電路設計15第4章 軟件設計164.1 系統(tǒng)流程164.1.1主程序設計164.1.2單片機I/O口分配174.2 各模塊程序184.2.1 顯示程序設計184.2.2 紅外接收程序設計18第1章 緒論1.1 選題的背景與意義 霓虹燈是一種冷陰極輝光放電燈，直接將電能轉(zhuǎn)換成光能。自其問世以來，歷經(jīng)了上百年的發(fā)展，現(xiàn)已成為重要的顯示、裝飾光源。霓虹燈由于其外形變幻多端、加工靈活、色彩豐富，在廣告業(yè)、商業(yè)、交通、建筑、室內(nèi)外裝飾、舞臺布景、家用電器、城市美化等領域發(fā)揮了特有的作用。單片機自問世以來，迄今已有三十多年了，其產(chǎn)品琳瑯滿目，產(chǎn)家也眾多紛紜，功能也

3、是五花八門。單片機有著體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應用等顯著優(yōu)點，在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領域得到日益廣泛的應用。在許多基于單片機的應用系統(tǒng)中，通過軟件編程實現(xiàn)對外部硬件電路的控制。它給人們的生活帶來了很多便利。因此本文將單片機與芯片結合起來，設計了一款用單片機控制的霓虹燈控制系統(tǒng)，伴隨著霓虹燈圖像的變化有不同的效果。流水燈在現(xiàn)代社會就有廣泛的應用，大型電子廣告牌、霓虹燈、指示牌和工業(yè)控制的控制面板等等都有流水燈的應用。而且基于單片機的流水燈的控制系統(tǒng)利用了單片機的內(nèi)部資源，如定時器、I/O口和寄存器等，完成了單片機系統(tǒng)開發(fā)的基本流程，因此具

4、有典型的代表意義，是學習和開發(fā)單片機的基本實驗之一。AT89C52單片機是可多次改寫的可編程芯片，用這種芯片構成的系統(tǒng)簡單、可靠，性價比相當高，適合成為霓虹燈程序控制器的核心部件,結合鎖存器MC74HC373實現(xiàn)的控制器功能，時間常數(shù)易修改，使用靈活，電路易實現(xiàn)，成本低，控制芯片更換方便?？刂破鞯幕幼兓八俣日{(diào)節(jié)能用軟件方法實現(xiàn)，這樣進一步提高了性價比。第2章 系統(tǒng)總體設計2.1 方案的選擇本設計要求完成一個霓虹燈控制器，控制發(fā)光二極管點陣顯示，要求能形成多種圖案和字。實現(xiàn)圖案和字的左右移動、暫停、繼續(xù)移動、跳轉(zhuǎn)到指定字的操作。本設計是以STC89C52芯片的電路為基礎，通過軟件程序來控制單

5、片機內(nèi)部的定時器來控制256×256的矩陣貼片發(fā)光二極管的明亮，顯示不同的圖案花樣，形成霓虹燈控制器。實物以STC89C52為主控芯片，紅外遙控模塊構成電路，主要包括電源、控制電路、顯示電路。對于不同型號的單片機只需要相應的改變一下地址即可。該軟、硬件系統(tǒng)具有很好的通用性和一定的實際使用價值。2.2 系統(tǒng)總體設計本設計是基于STC89C52RC單片機為核心器件控制整個系統(tǒng)進行工作的，系統(tǒng)控制框圖如圖2-1所示。紅外遙控單片機電源LED點陣圖2-1控制系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，本方案具有紅外遙控模塊、單片機控制模塊、顯示模塊，共三個模塊。此外，通過主控單元電路的擴展，可添加多種附加功能。

6、單片機控制霓虹燈的設計以單片機STC89C52RC控制為核心，通過紅外遙控器發(fā)出信號，接收頭接收信號，通過單片機的中斷處理，對圖案的顯示進行控制；串口通信是為了幫助STC單片機實現(xiàn)程序的下載；點陣模塊有圖案顯示，也有文字顯示，對文字有左右滾動、速度變化、暫停、播放等操作。根據(jù)系統(tǒng)框圖，對單元電路控制進行設計。2.2.1串行輸入并行輸出74HC595的介紹 74HC595引腳圖如圖2-2所示：圖2-274HC595引腳圖74HC595是硅結構的CMOS器件， 兼容低電壓TTL電路，遵守JEDEC標準。 74HC595是具有8位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和存儲器是分別的時鐘

7、。 數(shù)據(jù)在SHcp（移位寄存器時鐘輸入）的上升沿輸入到移位寄存器中，在STcp（存儲器時鐘輸入）的上升沿輸入到存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。 移位寄存器有一個串行移位輸入（Ds），和一個串行輸出（Q7）,和一個異步的低電平復位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當使能OE時（為低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器，具有高阻關斷狀態(tài)。三態(tài)。其真值表表2-1所示。表2-174HC595功能表(真值表)輸入輸出功能SHCPSTCPOEMRDSQ7Qn××L×LNCMR

8、為低電平時僅僅影響移位寄存器×LL×LL空移位寄存器到輸出寄存器××HL×LZ清空移位寄存器，并行輸出為高阻狀態(tài)×LHHQ6NC邏輯高電平移入移位寄存器狀態(tài)0，包含所有的移位寄存器狀態(tài) 移入×LH×NCQn移位寄存器的內(nèi)容到達保持寄存器并從并口輸出LH×Q6Qn移位寄存器內(nèi)容移入，先前的移位寄存器的內(nèi)容到達保持寄存器并出2.2.2 LED點陣的介紹LED顯示器件種類繁多, 從簡單的單個LED到LED光柱顯示, 字符顯示再到大面積的平板顯示, 應有盡有。LED 之所以受到廣泛重視與迅速發(fā)展, 是與它具有的優(yōu)

9、點分不開的, 這些優(yōu)點概括起來是: 工作電壓低, 功耗小, 小型化, 易與集成電路匹配, 驅(qū)動簡單, 壽命長, 耐沖擊, 性能穩(wěn)定。近年來, 由于半導體材料的制備和工藝逐步成熟和完善, 超高亮度R、G、B LED的商品化, 全色LED平板顯示可以適用于室內(nèi)外各種目的的應用。1、逐行掃描原理LED顯示屏兩組等距平行排列的電極分別稱為行電極(掃描電極Xi )和列電極(信號電極Yj ) , 行與列電極相互垂直, 在交叉點形成發(fā)光單元LED。點矩陣的驅(qū)動一般采取逐行掃描方式尋址, 這種方式是一次對Xi 行上所有的單元點同時進行尋址, 在Xi 行上單元點被尋址之后, 再移向Xi + 1行尋址, 即掃描電

10、極是從頭到尾順序地選取, 而信號電極可同時選取一個或多個以顯示需要的圖像。或者說, 在某一時刻給某一行電極施加掃描脈沖, 其他行電極施加非掃描脈沖, 同時所有列電極給出顯示或非顯示驅(qū)動脈沖。接著把掃描脈沖施加到下一行電極, 再給所有列電極施加顯示或非顯示驅(qū)動脈沖。當掃描頻率足夠快時, 由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象, 就可以在顯示屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的圖像效果。2、256×256點陣內(nèi)部結構256×256單色點陣共需要256個發(fā)光二極管組成，且每個二極管是放置在行線與列線的叉點上。本設計是一種實用的漢字顯示屏的制作，制作的是單色點陣。考慮到元器件的布線的難易程度，直接采用256×

11、256的點陣模塊。對比下面的256×256單色點陣和256×256雙色點陣可以看出，其實256×256雙色點陣就是兩塊256×256單色點陣組合在一起的。要實現(xiàn)用兩種顏色顯示，只要在電路的設計中適當?shù)倪B線就可以了。 256×256單色和雙色點陣LED結構分別如下圖2-3和圖2-4所示。圖2-3256×256單色點陣圖2-4256×256雙色點陣第3章 硬件設計3.1 硬件選型3.1.1主控電路的選擇與論證在本設計中，主控電路有三種實現(xiàn)方式。1、采用89C51單片機作為CPU。89C51單片機是8位單片機，4k字節(jié)Flash閃

12、速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量中斷結構，一個全雙工串口通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。其指令是采用的被稱為“CISC”的復雜指令集，工具有111條指令，與其他高位單片機相比而言，指令周期較長，運算速度太慢，而且由于其內(nèi)部總線是8位的，其內(nèi)部功能模塊也基本上都是8位的；89C51單片機本身的電源電壓是5伏，89C51有兩種低功耗方式：待機方式和掉電方式。2、采用LCP2138單片機作為CPU該芯片其本身自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，帶大容量的32KRAM和512KFLASH ,內(nèi)部資源豐富且系統(tǒng)穩(wěn)定，芯片價格昂貴。3、采用STC89C52R

13、C單片機作為CPUSTC89C52RC是一款低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用宏晶公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的STC89C52RC可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。STC89C52RC主要功能特性如表1所示，其引腳圖如圖3-1所示。表3-1 STC89C52RC的功能特點STC89C52RC主要功能特性:

14、兼容MCS-51指令系統(tǒng)8k可反復擦寫(>1000次)ISP Flash ROM32個雙向I/O口4.5-5.5V工作電壓3個16位可編程定時/計數(shù)器時鐘頻率0-33MHz全雙工UART串行中斷口線256x8bit內(nèi)部RAM2個外部中斷源低功耗空閑和省電模式中斷喚醒省電模式3級加密位看門狗(WDT)電路軟件設置空閑和省電功能靈活的ISP字節(jié)和分頁編程雙數(shù)據(jù)寄存器指針圖3-1 STC89C52RC引腳圖STC89C52RC具有如下特點：40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，8k Bytes Fla

15、sh片內(nèi)程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，片內(nèi)時鐘振蕩器，看門狗(WDT)電路。此外，STC89C52RC設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。由于52單片機的低功耗、高性能、高性價比、對51單片機的良好兼容等優(yōu)點，本設計選擇此方案。3.1.2 顯示設備的選擇與論證1、使用65536個貼片發(fā)光二極管顯示圖3-2貼

16、片發(fā)光二極管貼片發(fā)光二極管：顏色有紅、黃、綠、藍等。特點：體積小、耗電量低、使用壽命長、高亮度、環(huán)保、堅固耐用牢靠、適合量產(chǎn)、反應快、防震、節(jié)能、高解析度、耐震、可設計等優(yōu)點 。但在布線和焊接方面較為復雜。2、LED電子顯示屏圖3-3256*256點陣屏LED電子顯示屏是半導體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前應用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發(fā)已經(jīng)達到了實用階段。 LED顯示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode ，發(fā)光二極管的英文縮寫，簡稱LED。它是一種通過控制半導體發(fā)光二極管的顯示方

17、式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。 LED顯示屏分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由LED矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機進行控制，圖文、圖像并茂，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動畫、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場實況。LED顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛應用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。 它的抗靜電性能優(yōu)勢超強：制作環(huán)境有著嚴格的標準還有產(chǎn)品結構的絕緣設計。LED顯示屏

18、可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點。 3.1.3控制器模塊選擇1、按鍵控制圖3-4按鍵開關用按鍵控制顯示屏圖案的切換，簡單、方便、經(jīng)濟。但占用的單片機外圍接口較多，并且不能遠距離控制。2、紅外遙控控制遠程遙控技術又稱為遙控技術，是指實現(xiàn)對被控目標的遙遠控制，在工業(yè)控制、航空航天、家電領域應用廣泛。紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術，具有抗干擾能力強，信息傳輸可靠，功耗低，成本低，易實現(xiàn)等顯著優(yōu)點，被諸多電子設備特別是家用電器廣泛采用，并越來越多的應用到計算機系統(tǒng)中。紅外線又稱紅外光波，在電磁波譜中，光波的波長

19、范圍為0.01m1000m。根據(jù)波長的不同可分為可見光和不可見光，波長為0.38m0.76m的光波可為可見光，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色。光波為0.01m0.38m的光波為紫外光(線)，波長為0.76m1000m的光波為紅外光(線)。紅外光按波長范圍分為近紅外、中紅外、遠紅外、極紅外4類。紅外線遙控是利用近紅外光傳送遙控指令的，波長為0.76m1.5m。用近紅外作為遙控光源，是因為目前紅外發(fā)射器件(紅外發(fā)光管)與紅外接收器件(光敏二極管、三極管及光電池)的發(fā)光與受光峰值波長一般為0.8m0.94m，在近紅外光波段內(nèi)，二者的光譜正好重合，能夠很好地匹配，可以獲得較高的傳輸效率及較高

20、的可靠性。紅外遙控的發(fā)射電路是采用紅外發(fā)光二極管來發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外光波；它們將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應的電信號，再送后置放大器。發(fā)射機一般由指令鍵(或操作桿)、指令編碼系統(tǒng)、調(diào)制電路、驅(qū)動電路、發(fā)射電路等幾部分組成。當按下指令鍵或推動操作桿時，指令編碼電路產(chǎn)生所需的指令編碼信號，指令編碼信號對載波進行調(diào)制，再由驅(qū)動電路進行功率放大后由發(fā)射電路向外發(fā)射經(jīng)調(diào)制定的指令編碼信號。接收電路一般由接收電路、放大電路、調(diào)制電路、指令譯碼電路、驅(qū)動電路、執(zhí)行電路(機構)等幾部分組成。接收電路將發(fā)射器發(fā)出的已調(diào)制的編碼指令信號接收下來，并進行放大后送解調(diào)電路，解調(diào)電路將已調(diào)制的指令編碼信號解調(diào)出來，

21、即還原為編碼信號。指令譯碼器將編碼指令信號進行譯碼，最后由驅(qū)動電路來驅(qū)動執(zhí)行電路實現(xiàn)各種指令的操作控制（機構）。由于紅外線遙控不具有像無線電遙控那樣穿過障礙物去控制被控對象的能力，所以，在設計家用電器的紅外線遙控器時，不必要像無線電遙控器那樣，每套(發(fā)射器和接收器)要有不同的遙控頻率或編碼(否則，就會隔墻控制或干擾鄰居的家用電器)，所以同類產(chǎn)品的紅外線遙控器，可以有相同的遙控頻率或編碼，而不會出現(xiàn)遙控信號“串門”的情況。這對于大批量生產(chǎn)以及在家用電器上普及紅外線遙控提供了極大的方便。由于紅外線為不可見光，因此對環(huán)境影響很小，再由紅外光波動波長遠小于無線電波的波長，所以紅外線遙控不會影響其他家用

22、電器，也不會影響臨近的無線電設備。為實現(xiàn)遠距離控制以及減少對單片機IO口的負擔，故選擇紅外遙控方案。3.2 硬件電路設計3.2.1硬件部分 系統(tǒng)的硬件框圖如圖3-5所示：單片機USB電源點陣顯示示紅外遙控圖3-5 硬件框圖本設計硬件部分分為四個模塊。（1）單片機最小系統(tǒng)模塊，采用經(jīng)典配置。（2）為實現(xiàn)程序下載需要串口模塊。（3）為實現(xiàn)圖像的顯示，由256×256的點陣模塊，由點陣模塊顯示不同的圖形。（4）為實現(xiàn)給單片機供電，需要電源模塊。3.2.2單片機最小系統(tǒng)電路圖單片機最小系統(tǒng)部分電路圖如圖3-6所示：圖3-6 單片機最小系統(tǒng)部分電路圖如圖3-6所示，單片機單元模塊電路采用上電復

23、位電路，上電復位就是接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復位操作。上電復位電路由C18、S1、R35構成，上電瞬間9腳獲得高電平，隨著電容C18的充電，9腳的高電平逐漸下降。9腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就能進行復位操作。Y4、C19、和C20構成內(nèi)部時鐘振蕩電路，C19和C20的作用主要是穩(wěn)定頻率和快速起振容值為5-30pF,典型值為30pF。為方便與計算機通信晶振的頻率選用11.0592MHz。3.2.4 點陣驅(qū)動模塊單元電路設計 點陣驅(qū)動模塊單元電路如圖3-7所示：圖3-7 4線-16線譯碼器電路圖由于單片機的外圍接口有限，為了增加單片機的外圍接口，故采用74HC595做

24、驅(qū)動。芯片的串行輸入端接到單片機P0口的前四位。由于單片機的P0口沒有內(nèi)置上拉電阻，于是外接上拉排阻。譯碼器的使能控制端G1、G2低電平有效，故直接接地。3.2.5 點陣模塊單元電路設計點陣模塊單元電路如圖3-8所示：圖3-8點陣電路圖圖3-9字模提取如圖3-9，字模提取軟件能方便地提取出想要的圖案和字。當編輯好想要的圖案或輸入相應的字后，按一下提取字模按鈕，就會在下方提取出代碼。字模提取的順序還可以通過右上方自行選擇。3.2.6 紅外遙控模塊單元電路設計圖3-10紅外遙控器 該遙控器的標準發(fā)射距離為8米，配國產(chǎn)1838接收頭。夜晚戶外測試，在黑暗環(huán)境無任何阻擋物的情況下，遙控有效距離大于8米

25、。應用時實際距離還完全取決于遙控接收頭的靈敏度、電路設計可靠性、中間阻擋物(如隔膜或玻璃或透明材料)以及使用的環(huán)境因素。圖3-11遙控器鍵位碼每個按鍵都有對應的用戶碼和鍵位碼，每個遙控板的用戶碼是固定的，本設計用的遙控器的用戶碼是00FF。每個按鍵的鍵位碼是不同的，按下按鍵后發(fā)射的紅外光波也是不同的，單片機接收到不同的鍵位碼，顯示不同的圖案和字。發(fā)射的一幀碼含有一個引導碼，16位的用戶編碼和8位的鍵數(shù)據(jù)碼、鍵數(shù)據(jù)碼的反碼也同時被傳送。碼型結構如下：圖3-12編碼方式引導碼由一個9ms的載波波形和4.5ms的關斷時間構成，它作為隨后發(fā)射的碼的引，這樣當接收系統(tǒng)是由微處理器構成的時候，能更有效地處理碼的接收與檢測及其它各項控制之間的時序關系。編碼采用脈沖位置調(diào)制方式（PPM）。利用脈沖之間的時間間隔來區(qū)分“0”和“1”。每次8位的碼被傳送之后，它們的反碼也被傳送，減少了系統(tǒng)的誤碼率。3.2.7 紅外遙控接收模塊單元電路設計本設計采用IRM38AT，如圖3-13所示。圖3-13紅外接收頭1、描述： IRM38A