节日彩灯控制器的设计.doc

单片机系统课程设计单片机系统课 程 设 计成绩评定表设计课题 ： 节日彩灯控制器的设计 学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 自动1306 学生姓名 ： 俞阳 学 号 ： 201323020620 指导教师 ： 王黎 周刚 李攀峰 设计地点 ： 31-505 设计时间 ： 2015-12-282016-01-08 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日 单片机系统课 程 设 计课程设计名称： 节日彩灯控制器的设计 专 业 班 级 ： 自动1306 学 生 姓 名 ： 俞阳 学 号 ： 201323020620 指 导 教 师 ： 王黎 周刚 李攀峰 课程设计地点： 31-505 课程设计时间： 2015-12-282016-01-08 单片机系统 课程设计任务书学生姓名俞阳专业班级自动1306学号201323020620题 目节日彩灯控制器的设计课题性质工程设计课题来源自拟指导教师王黎 周刚 李攀峰主要内容（参数）采用89C51为控制核心设计一个节日彩灯控制器，实现功能如下：1、控制8路LED彩灯。2、通过键盘按键实现彩灯的四种工作方式，.方式一：按键1按下实现灯由上向下流动， 方式二：按键2按下实现灯上下循环流动， 方式三：按键3按下实现灯四个四亮， 方式四：按键4按下实现灯奇偶交替闪烁。任务要求（进度）第1-2天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5-6天：软件设计，编写程序。第7-8天：实验室调试。第9-10天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅合理。主要参考资料1 张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）M北京：国防工业出版社，20042伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书3 阎石数字电路技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 目 录1 绪论11.1 LED彩灯控制器概述11.2 LED彩灯控制技术状况11.3本设计任务22 总体方案设计22.1方案比较22.2方案论证42.3方案选取43 硬件电路设计43.1 直流稳压电源电路设计43.2 单片机最小系统设计53.3 LED彩灯显示电路设计63.4 按键控制电路设计63.5 串口电路设计74系统程序设计84.1 按键扫描子程序设计84.2 主程序设计95系统的功能测试105.1 使用的调试工具及调试环境105.2 系统调试115.3 测试结果及状态分析11总结11参考文献13附录14附录A 节日彩灯控制系统原理图14附录B 系统调试图15附录C 程序代码171 绪论 彩灯是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品。彩灯艺术也就是灯的综合性的装饰艺术。新中国成立后，彩灯艺术得到了更大的发展，特别是随着我国科学技术的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出。而随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多节日的气氛里可以看到彩色霓虹灯，这种LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用。其将电子、建筑、机械、遥控、声学、光导纤维等新技术、新工艺用于彩灯的设计制作，把形、色、光、声、动相结合，思想性、知识性、趣味性、艺术性相统一。在当今的社会里，彩灯已经成为我们生活的一部分，能给我们带来视觉上的享受还能美化我们的生活。1.1 LED彩灯控制器概述新型LED彩灯系统包括两大部分，即LED彩灯控制器（89C51主控模块）和LED彩灯管（管内LED板模块）。彩灯控制器是主控模块，具有按键、显示等功能，并利用89C51的P口输出控制信号；彩灯管是受控模块，上面焊有三色LED彩灯和信号驱动芯片，模块置于LED的透明管内。该LED彩灯控制器是一种基于AT89C51单片机的彩灯控制器，实现对LED彩灯的控制。其以AT89C51单片机作为主控核心，与键盘、显示、驱动等模块组成核心主控制模块。如果稍微改动控制电路，就可以改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。1.2 LED彩灯控制技术状况彩灯控制电路是由单元模块电路组合而成的，主要以AT89C51单片机为控制中心，并与按键控制电路、时钟电路、复位电路在直流稳压电路的相互作用下进而控制彩灯亮灭的顺序，从而实现多控制、多闪烁方式的LED彩灯循环，并用快慢两种节拍实现花型交换。1.3 本设计任务运用AT89C51单片机、三端集成稳压器7805、MAX232芯片等元件组成LED节日彩灯控制电路中的直流稳压电源电路、按键控制电路、彩灯显示电路、串口电路以及单片机最小系统等模块。并用Proteus等软件仿真，做出其电路仿真图。第2章 总体方案设计与论证通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。2.1 方案比较彩灯控制器大致可分为两种方案实现。一种是利用电子电路装置控制，另一种是采用单片机控制。211 方案一根据设计任务要求介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡电路、计数/时序分配电路、移位位寄存器和彩灯显示五部分组成。其框图如图2-1所示。振荡电路控制电路译码器LED显示电路计数器图2-1 方案一的原理框图212 方案二本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的LED彩灯循环系统的设计，来达到本设计的要求。其硬件构成框图如图2-2所示，以单片机为核心控制，由单片机最小系统（时钟电路、复位电路、电源）、按键控制电路、LED发光二极管和5V直流电源组成。AT89C51单片机时钟电路复位电路按键控制电路直流5V电源电路供电信号LED彩灯 图2-2 方案二的原理框图方案二：此设计方案中单片机的P1口接5路按键控制电路，实现彩灯花型的切换功能；单片机的P3.7引脚接上一个按钮开关以实现对彩灯闪烁频率的控制，即实现了快慢两种节拍实现花型的变换；单片机上的P2口接8路LED发光二极管组成彩灯电路，显示彩灯循环情况。 2.2 方案论证如果采用方案一，利用电子电路装置控制，其电路不是很复杂，制作相对较容易点，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到设计任务要求或实现困难。而采用方案二，以单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。2.3 方案选择综上，显然方案二各方面优越于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用第二种方案。第3章 系统硬件设计为使该LED节日彩灯控制系统具有更加好的方便性和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。硬件电路包括直流稳压电源电路、单片机最小系统、LED彩灯显示电路、按键控制电路以及串口电路五大模块。3.1 直流稳压电源电路设计对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源电路的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。电子设备除用电池供电外，还采用市电（交流电网）供电。通过变压、整流、滤波和稳压后，得到稳定的直流电。直流稳压电源是电子设备的重要组成部分。本项目直流稳压电源为+5V。如图3-1所示：直流稳压电源的制作一般有3种制作形式，分别是分立元件构成的稳压电源、线性集成稳压电源和开关稳压电源。图3-1稳压电源采用的是三端集成稳压器7805构成的正5V直流电源。图3-1 三端固定式集成稳压电源电路图AT89C51单片机的工作电压范围：4.0V5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。由于时间关系，此处用3节1.5V的干电池供电。3.2 单片机最小系统设计要使单片机工作起来，最基本的电路的构成由单片机、时钟电路、复位电路等组成。单片机最小系统如图3-2所示。时钟电路：本系统采用单片机内部方式产生时钟信号，用于外接一个12MHz石英晶体振荡器和2个30pF微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机系统的复位方式有上电自动复位和手动按键复位。本设计采用手动按键复位，该复位方式同样具有上电自动复位功能。电路如图3-2所示。图3-2 单片机最小系统3.3 LED彩灯显示电路设计LED彩灯显示电路实际上是由8个发光二极管和8个电阻构成的电路。发光二极管与电阻对应串联,然后接在与之相对应的P2口上。通过软件编程对P2口输出高低电平来实现不同的闪烁花型。由于发光二极管的导通电压一般为1.7V以上，另外，他的工作电流根据型号不同一般为1mA到30mA，电阻选择范围100欧姆3千欧姆在此我们这里选用560欧姆的电阻。如图3-3所示。图3-3 LED彩灯显示电路3.4 按键控制电路设计按键控制电路是由6个按键开关构成的。他们分别接在单片机AT89C51的P1接口和P3.0口,Key1Key5接在P1.0P1.4,Key6接在P3.7上。为了一对一的控制LED灯的闪烁方式。当按下开关Key1时, LED彩灯系统闪烁第一种彩灯花型。当按下开关Key2时, LED灯系统闪烁第二种闪烁方式，以此类推。当闭合Key6时，彩灯闪烁节拍变慢。如图3-4所示。图3-4 键盘控制电路3.5 串口电路设计串口电路为单片机提供与PC机连接端口，为单片机提供下载程序到单片机程序存储器中。串口原理图如图3-5所示。图3-5 串口原理图MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。MAX23内部结构基本可分三个部分。第一部分是电荷泵电路：由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成，功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道：由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道，其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道，8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电：15脚DNG、16脚VCC（+5v）。第4章 系统的软件设计单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能看到多控制、多闪烁方式的LED彩灯系统循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么样进行控制，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的明灭。软件编程是多控制、多闪烁方式的LED彩灯系统中的一个重要的组成部分，是本设计的重点和难点。下面,我将阐述多控制、多闪烁方式的LED彩灯系统是如何实现8个LED彩灯的循环点亮，来介绍实现流水彩灯控制的软件编程方法。4.1 按键扫描子程序设计本设计是以单片机AT89C51为核心控制8个发光二极管5种闪烁方式的变换。程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，循环检测直到有按键按下的时候，程序转去相对应按键的彩灯显示的花型模块。是否有键按下延迟10ms是否有键按下扫描结束确定键号开始图4-1 按键扫描子程序流程图4.2 主程序设计程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，此程序里面包含Key1-Key5的按键情况判断，循环检测直到有按键按下的时候，程序转去相对应按键的彩灯显示的花型模块，与此同时，当按键Key6有闭合时，程序中调用延时程序程序时，给延时参数赋值上另一个值，是延时程序延时时间发生改变，以达到不同快慢节奏闪烁的彩灯。具体程序流程如图4-1所示。判断有无按键按下YN开始当Key1-Key5有键按下时调用延时程序调用彩灯循环程序当Key6按下时设定相应的延时参数R5的值图4-2 主程序流程图第5章 系统调试与测试结果分析5.1 使用的调试工具及调试环境5.1.1 调试工具本设计调试工具采用数字万用表、单片机仿真器以及5V直流稳压电源。5.1.2 调试环境地点：实验室室温：20 5.2 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试，最后将各模块组合后进行整体测试。5.2.1硬件调试对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。5.2.2软件调试 软件调试采用单片机仿真器及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误。5.2.3硬件软件联调 将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。5.3 测试结果及状态分析此次系统设计结果较好，经Proteus软件仿真系统的调试，可检测出仿真电路正常；对应按键按下，彩灯出现不同花型，实现了多控制、多闪烁的LED彩灯循环；当闭合Key6时，彩灯循环闪烁变慢，实现了用快慢两种节拍使花型交换。经以上仿真测试证实，本设计能实现设计系统要求的预期功能。总 结 本次课程设计以AT89C51单片机作为主控核心，按键控制电路、彩灯显示电路以及单片机最小系统等模块组成的核心主控制电路，利用软件编程烧录程序到单片机来实现对LED节日彩灯的控制。通过软硬件的仿真调试，对彩灯控制器的运行成果感觉比较满意，它实现了我们要求达到的目标，实现了多控制、多闪烁方式的LED节日彩灯循环，并且用快慢两种节拍实现花型交换。本系统亮灯模式多，可根据操作提示随意变换想要的闪烁方式和控制彩灯的闪烁频率。让身处其中的群众有一种酣畅淋漓的感觉。同时本设计具有电路结构简单、易操作、硬件少、体积小、成本低、低能耗等优点，具有一定的实用和参考价值。但是在设计中也出现了一些问题：比如直流电源控制不是很稳定，造成发光二极管亮度不明显等。这种都是以后的工作当中需要注意并解决的问题。参考文献1 张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）M北京：国防工业出版社，20042伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书3 阎石数字电路技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006附 录附录A 节日彩灯控制系统原理图附录B 系统调试图图1图218附录C 程序代码ORG 0000HLJMP MAINORG 0040HMAIN:MOV P1,#0FFHMOV A,P1CJNE A,#11111110b,S1LCALL K1S1:CJNE A,#11111101b,S2LCALL K2S2:CJNE A,#11111011b,S3LCALL K3S3:CJNE A,#11110111b,S4LCALL K4S4:CJNE A,#11101111b,MAINLCALL K5LJMP MAINK1:MOV A,#01111111bC1:RL AMOV P2,ALCALL DelayJNB P1.1,K2JNB P1.2,K3JNB P1.3,K4JNB P1.4,ZLJMP C1K2:MOV P2,#0FEHLCALL DelayMOV P2,#0FCHLCALL DelayMOV P2,#0F8HLCALL DelayMOV P2,#0F0HLCALL DelayMOV P2,#0E0HLCALL DelayMOV P2,#0C0HLCALL DelayMOV P2,#80HLCALL DelayMOV P2,#00HLCALL DelayMOV P2,#80HLCALL 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