软件实践报告闪烁灯

工程实践设计说明书计算机工程实践设计说明书PAGE17摘要工程实践教学环节是为了学生能够更好地巩固和实践所学专业知识而设置的，在本次工程实践中，我们进行嵌入式C语言编写并且用Proteus仿真机完成仿真，设计了基于单片机的闪烁灯。本系统以AT-51系列中的8051单片机最小系统为核心，以两个按钮控制实现8路的发光二极管的变换闪烁。本系统的设计说明重点介绍了如下几方面的内容：1）基于单片机的闪烁灯的基本功能，同时对发光二极管的原理也进行了简要的阐述；2）介绍了系统的总体设计、给出了系统的整体结构框图，并对其进行了功能模块划分及所采用的元器件进行了详细说明；3）对系统各功能模块的软、硬件实现进行了详细的设计说明。关键词：AT-518051单片机外围电路闪烁灯Proteus目录目录第一章绪论 11.1课题简介 11.2设计目的 11.3设计任务 21.4章节安排说明 2第二章闪烁灯系统简介 32.1单片机发展现状 32.2闪烁灯系统简介 4第三章系统总体设计及主要器件简介 63.1闪烁灯系统组成结构 63.2AT-51系列单片机简介 63.3其它器件简介 10第四章闪烁灯系统硬件设计 124.18051基本电路设计 124.2闪烁灯系统原理图 134.3程序流程图 144.4程序代码 144.5Proteus模拟仿真 16参考文献 19计算机工程实践设计说明书计算机工程实践设计说明书PAGE18第一章绪论1.1课题简介随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到闪烁的彩灯。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，用彩灯来装饰已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有单片机1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。1.2设计目的课程设计是培养和锻炼学生在学习完本门课后综合应用所学理论知识，解决实际工程设计和应用问题的能力的重要环节。通过课程设计，熟悉和掌握单片机系统的硬件设计的方法、原理、设计步骤。熟练掌握单片机系统与接口扩展电路的设计方法，熟练应用汇编语言编写应用程序和实际设计中的硬软件调试方法和步骤。不仅要培养学生事实求是和严肃认真的工作态度，培养学生的实际动手能力，检验学生对本门课学习的情况，更要培养学生在实际的工程设计中查阅资料，撰写设计报告表达设计思想和结果的能力。通过本次工程实践，运用单片机原理与接口技术所学知识及查阅相关资料，完成闪烁灯系统的设计，达到理论知识与实践更好结合、提高综合运用所学知识和设计能力的目的。通过本次设计训练，可以使我们在基本思路和基本方法上对基于AT-51单片机的嵌入式系统设计有一个比较感性的认识，并具备一定程度的设计能力。1.3设计任务在本次工程实践中，主要完成如下方面的设计任务：1）简要综述单片机技术发展的国内外现状；2）掌握AT-51系列某种产品（例如8051）的最小电路及外围扩展电路的设计方法；3）了解单片机闪烁灯的功能及工作过程；4）完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定；5）用一种计算机绘图软件完成原理电路的绘制；6）完成系统设计说明书（页数不低于10页）。1.4章节安排说明整个设计总共分为四个章节，第一章是前言部分，主要介绍了设计闪烁灯系统的意义、目的及主要内容；第二章简要介绍了单片机发展的国内外现状以及闪烁等系统的简要介绍第三章是系统的总体设计阶段，这一部分主要介绍了系统的组成结构，绘制出系统的整体结构框图。另外，对AT-51单片机及系统中其他器件进行简要介绍。第四章是系统详细设计阶段，对8051基本电路的设计进行简要的介绍，并补充了闪烁等系统原理图附加程序流程图以及程序代码。计算机工程实践设计说明书第二章闪烁灯系统简介2.1单片机发展现状单片机的发展趋势：低功耗CMOS化；微型单片化；主流与多品种共存；单片机从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1）CPU的改进采用双CPU结构，以提高处理能力。例：Rockwell公司的R6500/21和R65c29增加数据总线宽度例：NEC公司的uPD-7800将ALU作成16位运算部件，内部采用16位数据总线。采用流水线结构，具有很高的运算速度。串行总线结构I2C和DDB三条数据总线代替现行的8位数据总线，从而大量减少单片机引线，降低成本。例：非力普公司的MAB8420、SCC83C512）存储器的发展主要解决容量、ROM的易写、不丢以及软件保密等。3）片内I/O的状况一般单片机都有较多并行口，以满足外围设备、芯片扩展电路的需求，中高档机还配有串口，以满足多机通讯功能要求。（1）传感器接口；(2)各种工业对象的电气接口；（3）驱动的功率接口；（4）人机对化接口；（5）通讯网络接口。

高速I/O能力、中断处理能力、A/D、D/A的速度和精度、位操作能力、功率驱动能力、程序运行监控能力、信号实时处理能力等。4）片内集成更多的外围功能器件。A/D、D/A、DMA控制器、频率合成器、声音发生器、译码驱动器、CRT控制器等。5）半导体工艺技术的发展集成度提高（0.6um工艺）低功耗化（CMOS）总之将向高性能、高可靠性、网络化、低电压、低功耗、低噪音、低成本的方向发展。单片机未来的发展方向预计如下：1）低功耗CMOS化

AT-51系列的8051推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2）微型单片化

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3）主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以8051为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。2.2闪烁灯系统简介本系统设计的闪烁灯是基于单片机的P0口控制的，以AT-51系列中的8051单片机最小系统为核心，以两个按钮控制实现8路的发光二极管的变换闪烁。通过对IO口高低电平，从而达到对LED等变化的控制。主要代码编辑就是如何对IO口高低电平的编程，通过在数组存储已编辑好的闪烁灯代码，每次赋给P0口就能完成对闪烁灯灯的变化控制。第三章系统总体设计及主要器件简介3.1闪烁灯系统组成结构根据前一章中闪烁灯系统的简介可知，该闪烁灯系统主要有三部分组成：1）8051单片机基本电路部分；2）8051单片机外部程序与LED扩展部分；3）LED灯显示部分相应框图如图3.1所示。AT--51单片机AT--51单片机最小系统按键LED灯电路图3-1闪烁灯电路组成结构框图3.2AT-51系列单片机简介AT-51系列单片机已有十多种产品，可分为两大系列：51子系列和52子系列。51子系列主要有8051、8051、8751三种机型。它们的指令系统与芯片引脚完全兼容。它们的差别仅在于片内有无ROM或EPROM。52子系列主要有8032、8052、8752三种机型。52子系列与51子系列的不同之处在于：片内数据存储器增至256字节；片内程序存储器增至8KB(8032无)；有3个16位定时/计数器，6个中断源。其它性能均与51子系列相同。AT-51系列单片机的内部结构框图如图3.3所示。从图3-3中可看出，AT-51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图中SP是堆栈指针寄存器，PC是程序计数器，PSW是程序状态字寄存器，DPTR是数据指针寄存器。图3-2内部结构框图图3-2内部结构框图所谓总线，就是连接系统中各扩展器件的一组公共信号线。按照功能，通常把系统总线分为三组，即地址总线、数据总线和控制总线。AT-51系列单片机片外引脚可以构成三总线结构，所有的外围芯片都通过这三总线进行扩展。1）地址总线（AddressBus,AB）地址总线用于传送单片机送出的地址信号，以便进行存储单元和I/O端口的选择。地址总线是单向的，只能由单片机向外发送信息。地址总线的数目决定了可直接访问的存储单元的数目。如有n位地址可以产生2n个连续地址编码，因此，可访问2n个存储单元，即通常所说的寻址范围为2n个地址单元。AT-51单片机存储器扩展最多可达64KB，即216个地址单元，因此，最多需16位地址。2）数据总线（DataBus,DB）数据总线用于单片机与存储器之间或I/O端口之间传送数据。数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致。AT-51单片机是8位字长，所以，数据总线的位数也是8位。数据总线是双向的，可以进行两个方向的数据传送。图3-3AT-51单片机引脚图图3-3AT-51单片机引脚图外部引脚说明：(1)主电源引脚VCC(40脚)：接+5V电源正端。VSS(20脚)：接+5V电源地端。(2)外接晶体引脚XTAL1(19脚)：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。(3)输入/输出引脚(1)P0口(39-32脚)：P0.0-P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。(2)P1口(1-8脚)：P1.0-P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。(3)P2口(21-28脚)：P2.0-P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。(4)P3口(10-17脚)：P3.0-P3.7统称为P3口。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。以下为控制线：(1)ALE/PROG(30脚)：地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。(2)PSEN(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。(3)RST/VPD(9脚)：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。(4)EA/VPP(31脚)：EA为片外程序存储器选用端。该引脚有效(低电平)时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器.对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作21V编程电源VPP的输入端。综上所述，AT-51系列单片机的引脚可归纳为以下两点：(1)单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第二功能。(2)单片机对外呈现3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线；由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到64KB。3.3其它器件简介 发光二极管发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：R＝（E－UF）／IF式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。1．普通单色发光二极管普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。红色发光二极管的波长一般为650~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~650nm，橙色发光二极管的波长一般为610~630nm左右，黄色发光二极管的波长一般为585nm左右，绿色发光二极管的波长一般为555~570nm。常用的国产普通单色发光二极管有BT（厂标型号）系列、FG（部标型号）系列和2EF系列。常用的进口普通单色发光二极管有SLR系列和SLC系列等。2．高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。常用的高亮度红色发光二极管的主要参数见表4-29，常用的超高亮度单色发光二极管的主要参数见表4-30。3．变色发光二极管变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。常用的双色发光二极管有2EF系列和TB系列，常用的三色发光二极管有2EF302、2EF312、2EF322等型号，见表4-31。4．闪烁发光二极管闪烁发光二极管（BTS）是一种由CMOS集成电路和发光二极管组成的特殊发光器件，可用于报警指示及欠压、超压指示。其外形、内部结构图及内电路框图见图4-26和图4-27。闪烁发光二极管在使用时，无须外接其它元件，只要在其引脚两端加上适当的直流工作电压（5V）即可闪烁发光。第四章闪烁灯系统硬件设计4.18051基本电路设计在闪烁灯系统中，采用8051芯片作为系统核心，其时钟电路和复位电路是8051的最基本电路。通过对锁存器74ls373的控制，分别控制第一组led，和第二组led的变化。单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.芯片手册推荐晶振频率X1为4MHZ时，C2，C3应为100pf；振频率X1为6MHZ时，C2，C3应为47pf-100pf；振频率X1为12M-25MHZ时，C2，C3应为47pf；阻容复位时，电容C1为10uf，电阻R1为10k。晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)单片机:一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.这一点是初学者容易忽略的.因此可以看出,其实要熟悉51单片机的40个引脚功能也很容易:

总共40个脚,电源用2个(Vcc和GND),晶振用2个,复位1个,EA/Vpp用1个,剩下还有34个.29脚PSEN,30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处。4.2闪烁灯系统原理图图4-2.闪烁灯灯系统原理图4.3程序流程图4.4程序代码#include"reg51.h"#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitDIPswitch1=P1^0;sbitDIPswitch2=P1^1;sbitredLED1=P0^0;sbitblueLED1=P0^1;sbitgreenLED1=P0^2;sbitrellowLED1=P0^3;sbitredLED2=P0^4;sbitblueLED2=P0^5;sbitgreenLED2=P0^6;sbitrellowLED2=P0^7;voiddelay(void)//延时{uinti; for(i=0;i<35530;i++);}voidmain(void){P0=0XFF; P1=0XFF;while(1){