基于單片機的節(jié)日彩燈課程設計報告

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學單片機原理與接口技術單片機原理與接口技術課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目：基于單片機的節(jié)日彩燈設計基于單片機的節(jié)日彩燈設計 院（系）：院（系）： 專業(yè)班級：專業(yè)班級：學學 號：號：學生：學生：指導教師：指導教師：起止時間：起止時間：I / 25課程設計（論文）任務與評語課程設計（論文）任務與評語摘 要節(jié)日彩燈時生活中常常用到的裝飾物品。由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價以與控制簡單等特點而得到了廣泛的應用，用彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經成為一種時尚。它集中地運用了單片機、LED、自動控制等技術，是典型的機遇單片機的電子產品。彩燈控制電路時近年來隨著電

2、子技術發(fā)展而產生的一種控制裝置。它能使彩燈按照要求有序地被點亮。本彩燈控制器可控制八個彩燈的一次點亮，能營造出平面上色彩變化的場景，本電路結構簡單適合初學者學習。本文以 AT89C51 單片機為控制核心，采用模塊化得設計方案，運用 LED 彩燈、按鍵等組成電路，實現彩燈在開啟時滿足不一樣的閃亮方法。按鍵可以再彩燈使用的時候選擇不同的亮法，使彩燈變化多樣，按鍵一可以使彩燈常亮，按鍵二可以使彩燈閃爍，三號按鍵鍵使流水線亮，四號按鍵使彩燈單數等閃亮累計 5 次后，換雙數燈閃亮 5 次，依次交換。通過按鍵能方便使用者選擇不同樣的亮法。關鍵詞：LED 彩燈；循環(huán)；AT89C51II / 25目 錄第 1

3、 章 緒論1第 2 章 課程設計的方案32.1 概述 32.2 系統(tǒng)組成總體結構 3第 3 章 硬件設計53.1 單片機最小系統(tǒng)設計 53.1.1 單片機選擇 53.1.2 時鐘電路設計 83.1.3 復位電路設計 83.1.4 鎖存控制電路 93.1.5 單片機最小系統(tǒng) 103.2 按鍵控制電路 113.3 LED 彩燈顯示模塊 123.4 系統(tǒng)總電路圖 14第 4 章 軟件設計154.1 按鍵掃描子程序設計 154.2 主程序設計 16第 5 章 課程設計總結21參考文獻220 / 25第 1 章 緒論節(jié)日彩燈是生活中常常用到的裝飾物品。它集中地運用了單片機、LED、自動控制等技術，是典型

4、的基于單片機的電子產品。隨著計算機、微電子、信息技術的快速進步，智能化技術的開發(fā)速度越來越快，智能度越來越高，應用圍也得到了極大的擴展。在海洋開發(fā)、宇宙探測、工農業(yè)生產、軍事、社會服務、娛樂等各個領域。在娛樂方面，場地的裝飾離不開彩燈。在建筑方面也采用彩燈來裝飾高樓大廈。彩燈有靈活多變的點亮方式，裝飾效果非常好，特別是晚上似的高樓大廈更加漂亮。在國外，微控制系統(tǒng)主要采用單片機作為控制核心。因此，單片機的發(fā)展將有助于簡單實用電子產品的開發(fā)。在本設計中，采用比較先進的 AT89C51 單片機為控制核心，它的功耗很低。單片機技術發(fā)展至今，掌握最先進技術的仍然是國外的幾大公司。如 Intel公司發(fā)展的

5、 MCS-51 系列的新一代產品，如8xC152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8Xc451、8Xc452 ，還包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL 等公司以 80C51為核心推出的大量各具特色、與 80C51 兼容的單片機。新一代的單片機的最主要的技術特點是向外部接口電路擴展，以實現 Microcomputer 完善的控制功能為己任，可連接一些外部接口功能單元如 A/D、PWM、PCA（可編程計數器陣列）WDT（監(jiān)視定時器） 、高速 I/O 口、計數器的捕獲、比較邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展

6、是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應用系統(tǒng)設計提供了更加靈活的方式。Philips 公司還為這一代單片機 80C51 系列8xC52 單片機引入了具有較強功能的設備間網絡系統(tǒng)總線CAN（Controller Area Network BUS） 。由于國生活水平不斷提高，人民向往較佳的生活質素，對燈具燈飾也不斷提出了新要求，近年地燈飾市場有以下情況： 功能細分：人們要求燈具能符合不同場合，不同照光功能的需求日高，因此適用于各種使用要求的燈具逐應運而生，如學生燈、書寫燈、應急燈、日光燈、霞光燈、晚餐燈以與不同高度的落地燈等新品疊出。 高技術化：由于電子技術被廣泛用于燈具的制造，適應不同的電

7、壓，使可調節(jié)亮度的第三代照光燈具多起來。無頻閃燈、3 種波長色譜可調燈，放射遠紅外光燈等具備保護視力功能的燈具也開始推出市場。 多功能化：符合當前的消費時尚、集多種功能于一體的燈如床頭兼作光敏自控燈、帶八音盒臺燈等，是近年另一需求特點。 1 / 25節(jié)能環(huán)保：新推出的高科技無頻閃書寫燈，光線平穩(wěn)并可節(jié)能源 50%，這種燈具很受消費者的歡迎。環(huán)保是燈具生產技術的嶄新主題，顯示人們對居室生態(tài)環(huán)境的重視，這亦是未來家居照明的主要發(fā)展方向。 國際燈具行業(yè)現代化產品設計的潮流是：減少產品的尺寸，以減少材料的投入；現代社會對產品的開以制造最重要的著眼點是“經濟”和“環(huán)境保護” 。照明產品最好能體現這一潮流

8、的是緊湊熒光燈，細管徑，超細管徑直管熒光燈和無汞的射頻(RF)或微波(MW)激發(fā)的硫燈。緊湊型熒光燈直徑和尺寸，它們的形式多種多樣用途也十分廣泛。一般來說，它們有 5 倍于白熾燈的光效和 8 倍于白熾燈的壽命。因此，它們是綠色照明工程的推薦產品，使用緊湊型熒光燈的燈具也日益多見。2 / 25第 2 章 課程設計的方案2.1 概述本文提出了一種基于 AT89C51 單片機的彩燈控制方案，實現對 LED 彩燈的控制。本方案以 AT89C51 單片機作為主控核心，與鍵盤、顯示、驅動等模塊組成核心主控制模塊。在主控模塊上設有 4 個按鍵和 8 個 LED 顯示器，可以有多種閃光模式。 2.2 系統(tǒng)組成

9、總體結構利用單片機設計，框圖如圖 2.1 所示AT89C51單片機LED 彩燈顯示電路時鐘電路按鍵電路復位電路圖 2.1 利用單片機設計結構框圖LED 彩燈系統(tǒng)包括 5 大部分，即閃爍系統(tǒng)，脈沖震蕩系統(tǒng)，核心控件（89C51主控模塊） ，復位電路。主控模塊，具有控制功能，閃爍系統(tǒng)是受控模塊，上面有 16 個 LED 燈與 16 個電阻。核心控件主要由 89C51 芯片組成，是整個彩燈循環(huán)系統(tǒng)的核心，是控制彩燈循環(huán)閃爍等等一切功能的部件。復位開關連接控制器的RST 端，實現復位控制。根椐彩燈的亮滅規(guī)律，為了便于控制，決定采用移位型系統(tǒng)方案。即用移位寄存器模塊的輸出驅動彩燈，彩燈亮，滅和花型的轉換

10、通過改變移位寄存器的工3 / 25作方式來實現。16 路彩燈需要移位寄存器模塊的規(guī)模為 16 位，但為了便于實現花型 4 的演示花型，將其分為左，右兩個 8 位移位寄存器模塊 LSR8 和 RSR8。由按鍵控制功能的流水燈,其中的 LED 采取共陽極接法，通過依次向連接 LED 的/口送出低電平，可實現題目要求的功能。4 / 25第 3 章 硬件設計3.1 單片機最小系統(tǒng)設計3.1.1 單片機選擇本次設計選擇 AT89C51。（1）AT89C51 單片機硬件結構：AT89C51 是一種低功耗、低電壓、高性能的八位 CMOS 單片機，片有一個 4KB的 FLASH 可變成可擦除只讀存儲器（FPE

11、ROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory） ，它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲器技術，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MSC-51 兼容。片置通用 8 位中央處理器（CPU）和 FLASH 存儲單元，片的存儲器允許在系統(tǒng)改變程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程。因此，AT89C51 是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，可方便的應用于各種控制領域。（2）主要特性：1. 與 MCS-51 產品指令系統(tǒng)兼容2. 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器3. 壽命：1000 寫、擦循環(huán)4. 數據保留時間：10 年5. 全

12、靜態(tài)工作：0Hz-24Hz6. 三級程序存儲器鎖定7. 128*8 位部 RAM8. 32 可編程 I/O 線9. 兩個 16 位定時器、計數器10.6 個中斷源11.可編程串行通道12.低功耗的閑置和掉電模式13.片振蕩器和時鐘電路（3）管腳說明：VCC（40）：供電電壓，其工作電壓為 5V。GND(20):接地。P0 端口（P0.0-P0.7）:P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收5 / 258TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據、地址的第八位。再 LFASH 編程時，P0口作為原碼

13、輸入口，當 FLASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。P1 端口（P1.0-P1.7）：P1 口是一個部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1口緩沖器能夠接收 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被部上拉為高電平，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。再FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2 端口（P2.0-P2.7）：P2 口為一個部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入

14、時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 端口（P3.0-P3.7）：P3 口管腳是一個帶有部上拉電阻的 8 位的雙向 I/O端口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入端時，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL） 。P3

15、 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如表 1 所示。P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。復位 RST(9)：復位輸入。在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24 個振蕩周期）以上的高電平出現在此引腳時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51 芯片便循環(huán)復位。復位后 P3.0-P3.7 口均置 1，引腳表現為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM 的 00H 處開始運行程序。復位操作不會對部 RAM 有所影響。ALE/(30)：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存PROG地址的地位字節(jié)。在 FLASH

16、 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。(29)：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指令期間，PSEN每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現。PSENE

17、A/VPP(31)：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-_EAFFFFH） ，不管是否有部程序存儲器。注意加密方式 1 時，將部鎖定為 RESET；_EA當端保持高電平時，此間部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施_EA6 / 25加 12V 編程電源（VPP） 。XTAL1(19)：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。XTAL2(18)：來自反向振蕩器的輸出。其引腳圖如圖 3.1 所示。表 3.1 P3.6 端口引腳兼用功能表圖 3.1 AT89C51 引腳圖端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中斷 0

18、）0INTP3.3（外中斷 1）1INTP3.4T0(定時、計數 0)P3.5T1（定時、計數 1）P3.6（外部數據存儲器寫選通）WRP3.7（外部數據存儲器讀選通）RD7 / 253.1.2 時鐘電路設計單片機的時鐘信號用來提供單片機片各種微操作的時間基準，復位操作則使單片機的片電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。時鐘電路 89C51 單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或瓷諧振器，就構成了部振蕩方式。由于單片機部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。

19、部振蕩方式的外部電路如圖 3-1 所示。圖 3-1 中，電容器 Cl，C2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在 5-30pF。晶振頻率的典型值為 12MHz，采用 6MHz 的情況也比較多。部振蕩方式所得的時鐘情號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。圖 3.2 時鐘電路3.1.3 復位電路設計復位電路電路圖如圖 3.3 所示當 89C51 單片機的復位引腳 RST(全稱 RESET)出現 2 個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自

20、動實現復位操作。常用的上電復位電路電容 C1 和電阻 R1 對電源+5V 來說20構成微分電路。89c51X1 X2C1 8 / 25上電后，保持 RST 一段高電平時間，由于單片機的等效電阻的作用，不用圖中電阻 R1，也能達到上電復位的操作功能，如圖 3.3 所示。10F+5VRET1K圖 3.3 復位電路電路圖開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位常用的上電或開關復位電路。上電后，由于電容 C3 的充電和反相門的作用，使 RESET 持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵 K 后松開，也能使 RESET 為一段時間的高電平

21、，從而實現上電或開關復位的操作。3.1.4 鎖存控制電路其鎖存功能利用 74LS373 來實現，其功能表如表 3.2 所示，引腳圖如圖 3.4所示圖 3.4 74LS373 引腳圖9 / 25表 3.2 74LS373 功能表（1） 鎖存使能控制端，如圖 3.4 中的 LE。只有當鎖存使能信號有效（圖 3.4 是上升沿）時，寄存器才能鎖存輸入數據(d3d2d1d0)，寄存器狀態(tài)得到更新。時鐘信號經常作為鎖存使能端的輸入，以便協(xié)調時序電路的工作。（2） 控制輸入端，它的作用可同時影響寄存器的多個輸出，如圖 3.4 中的 CR。有些控制輸入端需要與鎖存使能輸入端配合才能生效，稱這種控制為同步控制。

22、（3） 數據輸入端，如圖 3.4 在微控制器單元（MCU）中，寄存器是十分重要的資源。寄存器的主要作用是快速寄存算術邏輯運算單元（ALU）運算過程中的數據。熟悉和了解 MCU 的寄存器是掌握 MCU 應用的關鍵。MCU 部寄存器的位數通常與 MCU 的總線寬度一樣，如普通 51 系列單片機的寄存器寬度是 8 位，嵌入式控制器和 DSP 處理器的寄存器寬度通常是 32 位或 48 位。3.1.5 單片機最小系統(tǒng)AT89C51 最小系統(tǒng)中 XTAL1、XTAL2 端接上晶振與兩個諧振電容，在 RESET 端接上相應的電阻、電容，如需要按鍵復位，加上按鍵即可組成一個最小系統(tǒng)，按要求通電后，系統(tǒng)就可以

23、工作了。單片最小系統(tǒng)圖如下：輸入輸出控制使能數據輸出DnLEOEOnHHLHLHLLXLLQ0XXHZ*10 / 25圖 3.5 單片機最小系統(tǒng)3.2 按鍵控制電路本次設計使用二極管作為彩燈，16 支彩燈接在了 AT89C51 的 P1 口和 P0 口，這 2 個接口每一個在接二極管的同時在接一個小電阻，這個電阻在電路中所起的作用是限流電阻，防止電路電流過大，限制電流的作用。本次設計的按鍵部分包含四個按鍵，S0 按鍵直接接在復位電路上，按下 S0使彩燈亮，S1 使彩燈閃爍，S2 使彩燈流水線閃亮，S3 使彩燈單數等閃亮累計 5次后，換雙數燈閃亮 5 次，依次交換。11 / 25圖 3.6 按鍵

24、電路圖3.3 LED 彩燈顯示模塊LED 彩燈顯示電路實際上是由 16 個發(fā)光二極管和 16 個電阻構成的電路。發(fā)光二極管與電阻對應串聯,然后接在與之相對應的 P0 口和 P1 口上。通過軟件編程對 P0 口和 P1 口輸出高低電平來實現不同的閃爍花型。由于發(fā)光二極管的導通電壓一般為 1.7V 以上，另外，他的工作電流根據型號不同一般為 1mA 到 30mA，電阻選擇圍 100 歐姆3 千歐姆在此我們這里選用 560 歐姆的電阻。74LS373 的輸出端 O0-O7 可直接與總線相連，總線的另一端與單片機的P0.0P0.7 相連。采用 74LS373 來傳輸 8 位數據，當液晶顯示器進行寫數據

25、時，三態(tài)允許控制端 OE 為低電平，通過 74LS373 進行緩存。當數碼管顯示器進行讀數據，還要通過 74LS373 進行輸出，把存在液晶顯示器里的數據傳輸到單片機中。數碼管顯示模塊的 D1 和 D8 分別與 74LS373 的 Q1 到 Q8 相連來控制數碼管顯示模塊指令寄存器和數據寄存器讀寫條件。P0 口為雙向三態(tài)口，用作輸出的時候需要12 / 25接上拉電阻。74LS373 這里的用法是邏輯上透明的，也就是 P0 輸出什么，它也輸出什么。不做鎖存。作用是提高驅動能力。這樣數碼管的電流來自 373 而不是單片機。數碼管是共陰極的。圖 3.7 LED 連接電路13 / 253.4 系統(tǒng)總電

26、路圖系統(tǒng)總電路圖如圖 3.8 所示：圖 3.8 系統(tǒng)總電路圖14 / 25第 4 章 軟件設計單片機的應用系統(tǒng)由硬件和軟件組成，上述硬件原理圖搭建完成上電之后，還需要編寫程序控制單片機管腳電平的高低變化，來實現發(fā)光二極管的明滅。軟件編程是多控制、多閃爍方式的 LED 彩燈系統(tǒng)中的一個重要的組成部分，4.1 按鍵掃描子程序設計本設計是以單片機 AT89C51 為核心控制 16 個發(fā)光二極管 4 種閃爍方式的變換。程序啟動時跳轉到鍵盤判斷模塊程序中，循環(huán)檢測直到有按鍵按下的時候，程序轉去相對應按鍵的彩燈顯示的花型模塊。是否有鍵按下延遲 10ms是否有鍵按下掃描結束確定鍵號開始圖 4.1 按鍵掃描子

27、系統(tǒng)設計流程圖是否有鍵按下是否有鍵按下15 / 254.2 主程序設計NNNNY開始長跳轉到 StartP1.0=0?YYYP1.0=0?P1.0=0?P1.0=0?模式二亮燈模式四亮燈模式三亮燈模式一亮燈圖 4.2 主程序流程圖16 / 25匯編程序如下：org 0000h ljmp start org 0003h ljmp speedup org 0090hstart:mov IE,#81h setb IT0 mov 60h,#20 mov p2,#0ffh mov p3,#0ffh mov 40h,#0 mov p0,#0ffh jnb p1.0,key1 jnb p1.1,key2 j

28、nb p1.2,key3 sjmp start key3:lcall key33 key1:mov r4,#03h mov p3,#0f2h key1:mov p0,#0fh mov p2,#32h lcall delay mov p0,#00h mov p2,#00h lcall delaysjmp key1 djnz r4,key11 mov p2,#0ffh mov p0,#0feh lcall delayrestart1:mov r4,#07h mov r5,#07h mov r3,40h 17 / 25loop1:inc r3 mov a,r3 mov dptr,#SEG movc

29、a,a+dptr mov p2,a mov a,p0 rl a lcall delay mov p0,a jnb p1.3,start djnz r4,loop1 inc r3 inc r3loop2: dec r3 mov a,r3 mov dptr,#SEG movc a,a+dptr mov p2,a mov a,p0 rr a lcall delay mov p0,a djnz r5,loop2 sjmp restart1 retkey2: mov 40h,#1 mov r1,#8h mov a,#0feh mov p0,00h mov p3,#048hLOOP3: mov p0,a mov r0,a clr a18 / 25 mov a,40h mov dptr,#SEG movc a,a+dptr mov p2,a lcall delay jnb p1.3,loop5 inc 40h clr a mov a,r0 rl a djnz r1,loop3 inc 40h ljmp key2 key3: clr amov 40h,#8mov r1,