节日彩灯控制器的设计 - 图文

目录

1.绪论?????????????????????????????1 2.设计内容???????????????????????????2 2.1设计任务 ??????????????????????????2 2.2设计要求 ??????????????????????????2 2.3功能分析??????????????????????????2 3.方案论证???????????????????????????2 3.1方案一???????????????????????????2 3.2方案二???????????????????????????3 3.3方案选择??????????????????????????3 4.硬件电路设计?????????????????????????3 4.1 AT89C51单片机硬件结构???????????????????3 4.1.1 主要特性?????????????????????????3 4.1.2 管脚说明?????????????????????????4 4.1.3 振荡器特性????????????????????????5 4.1.4芯片擦除?????????????????????????6 4.1.5 AT89C51最小系统???????????????????? 6 4.2电路及连线设计???????????????????????6 5.软件设计???????????????????????????7 5.1 程序设计??????????????????????????7 5.2系统程序流程图???????????????????????8 5.2.1主程序流程图???????????????????????8 5.2.2正向流动程序流程图和反向流动程序流程图??????????9 5.2.3延时程序流程图??????????????????????10 5.3系统程序??????????????????????????11 6.系统联调??????????????????????????12 6.1仿真效果图?????????????????????????12 6.2按S0键则等开始流动（从上到下）???????????????12 6.3按S2键则灯由上向下流动??????????????????13 6.4按S3键则灯由下向上流动??????????????????13 7.绘制PCB电路板图和三维立体图?????????????????13 7.1绘制PCB电路板图??????????????????????13 7.2绘制三维立体图???????????????????????14 结论?????????????????????????????15 参考文献????????????????????????????15 致 谢?????????????????????????????15 附录?????????????????????????????16

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节日彩灯控制器的设计

摘 要：节日彩灯使生活中常常用到的装饰物品,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。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。彩灯控制器主要是通过电路产生有规律变化的脉冲信号来实现彩灯的各种变化,它集中地运用了单片机、LED、，自动控制等技术，是典型的基于单片机的电子产品。本文以AT89C51单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，运用LED彩灯、按键等组成电路，实现彩灯在开启时满足不一样的闪亮方法。按S0键使灯开始流动；按S1键则停止流动；按S2键则灯由上向下流动；按S3键则灯由下向上流动。通过按键能方便使用者选择不同样的亮法。并用proteus仿真能使八盏彩灯顺序点亮，逆序点亮和停止。并做出pcb电路板图。为节日增加气氛。具有精度较高、成本低、装调容易，有一定的市场价值的特点，实现了对彩灯的控制。

关键词： 节日彩灯；设计；单片机；仿真

1.绪论

19世纪兴起的单片机以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。又有数字电路与模拟电路相比有显而易见的稳定性。近年来，数字电路又有了巨大的发展。可编程逻辑器件（PAL、GAL等）的发展和普及最终使IC的设计面向了用户（这是模拟电路无法做到的），而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从而奠定它在电子电路中的对位。

随着集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，人类历史横跨数码时代向更进一步发展已出现在各大型相关企业的宏伟蓝图中。新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了获胜的资本，也仅仅是资本而矣。新世纪里电子行业的发展速度令人窒息，闻名的摩尔定律更把许多人威吓在门外。

可以展望，一个由数字构成的新世界即将出现。那将是人类文明的又一飞跃，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电（与全部彩灯始终全亮相比）。近年来，随着人们生活水平的较大提高，人们对于物质生活的要求也在逐渐提高，不光是对各种各样的生活电器的需要，也开始在环境的幽雅方面有了更高的要求。比如日光灯已经不能满足于我们的需要，彩灯的运用已经遍布于人们的生活中，从歌舞厅到卡拉OK包房，从节日的祝贺到日常生活中的点缀。这些不紧说明了我们对生活的要求有了质的飞跃，也说明科技在现实运用中有了较大的发展。

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，传统的制灯工艺

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和现代科学技术紧密结合，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。彩灯控制器主要是通过电路产生有规律变化的脉冲信号来实现彩灯的各种变化。

2.设计内容

2.1设计任务

以单片机为核心，设计一个节日彩灯控制器。

2.2设计要求

设计4个按键S0、S1、S2、S3,

S0—开始，按此键则灯开始流动（由上而下）。 S1—停止，按此键则停止流动。 S2—上，按此键则灯由上向下流动。 S3—下，按此键则灯由下向上流动。

2.3功能分析

由按键控制功能的流水灯,其中的LED采取共阳极接法，通过依次向连接LED的Ｉ/Ｏ口送出低电平，可实现题目要求的功能。

3.方案论证

3.1方案一

以80C51单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，运用LED彩灯、按键等组成电路，实现彩灯在开启时满足不一样的闪亮方法。按键可以在彩灯使用的时候选择不同的亮法，使彩灯流动的方向改变，键一可以使彩灯由上而下开始流动，键二可以使彩灯停止，三号键可以使彩灯由上而下流动，四键则可以使彩灯由下而上流动。通过按键能方便使用者选择节日彩灯的开启、流动方向和停止。系统框图如下：

时钟及复位电路等 锁存控制电路 ATC89C51 电源电路

数据显示电路 图1.系统框图

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3.2方案二

利用模电原理设计，电路用数字电路完成。结构复杂，以RY169电路为核心，加上发光二极管的特性以及继电器的原理构成，故障系数大，不易调试，成本可能较高。

3.3方案选择

利用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式代替了数字电路的复杂性，所以电路结构简单、调试也相对方便，经济实惠。与第二种方案比较优点是非常明显的。此彩灯精度较高、造价低廉、装调容易。

经过比较考证后我们选第一种方案来完成本次设计。

4.硬件电路设计

单片机（SCM）是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称。它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。随着SCM在技术上、体系上不断扩展其控制功能，国际上已经采用MCU（MicroControllerUnit）代替单片机的名词。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部。但存储量小，输入输出适配器简单，功能较低。目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。近年来，AT89C51在我国非常流行，它最大的特点是内部有可以多次重复编程的闪烁ROM,并且闪烁ROM可以直接用编程器来擦写（电擦写），使用起来比较方便。

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既要按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等，又要设计合适的接口电路。

4.1 AT89C51单片机硬件结构

AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的八位CMOS单片机，片内有一个4KB的FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC—51兼容。片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。因此，AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用于各种控制领域。 4.1.1 主要特性

(1)与MCS-51产品指令系统兼容 (2)4K字节可编程闪烁存储器 (3)寿命：1000写/擦循环

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(4)数据保留时间：10年 (5)全静态工作：0Hz-24Hz (6)三级程序存储器锁定 (7)128*8位内部RAM (8)32可编程I/O线

(9)两个16位定时器/计数器 (10)6个中断源

(11)可编程串行通道

(12)低功耗的闲置和掉电模式 (13)片内振荡器和时钟电路

4.1.2 管脚说明

VCC（40）：供电电压，其工作电压为5V。

GND（20）：接地。 P0端口（P0.0-P0.7）：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1端口（P1.0-P1.7）：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2端口（P2.0-P2.7）：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3端口（P3.0-P3.7）：P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表1所示。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

复位RST(9)：复位输入。在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P3.0-P3.7口均置1，引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM有所影响。

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ALE/PROG(30)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

(29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，

每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

PSENPSEN信号将不出现。

__EA/VPP(31)：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器

__（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部

EA锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1(19)：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2(18)：来自反向振荡器的输出。其引脚图如图2所示。

__端口引脚P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7第二功能RXD（串行输入口）TXD（串行输出口） (INT0外中断0） (INT1外中断1）T0（定时/计数0)T1(定时/计数1) (外部数据存储器写选通)WR (RD外部数据存储器读选通)_______________

表1.P3端口引脚兼用功能表 图2.AT89C51引脚图

4.1.3 振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2

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应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4.1.4芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

4.1.5 AT89C51最小系统

AT89C51最小系统中XTAL1、XTAL2端接上晶振及两个谐振电容，在RESET端接上相应的电阻、电容，如需要按键复位，加上按键即可组成一个最小系统，按要求通电后，系统就可以工作了。

4.2电路及连线设计

将MUC、LED和按键进行电路设计。

打开PROTEUS的ISIS编辑环境，从PROTEUS中选取该电路所需要的元器件，放置元器件、放置电源和地、连线得到如图3所示的电气原理图，再点菜单栏工具下拉的电气规则检查，当规则检查出现：“NETLIST GENERATED OK NO ERC ERRORD FOUND”，表示通过检查。电路设计完成。

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图3电气原理图

5.软件设计

5.1 程序设计

程序设计(Programming)是指设计、编制、调试程序的方法和过程。它是目标明确的智力活动。在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件也占有重要的地位。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。

为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。把一个程序分成具有多个明确任务的程序模块，分别编制、调试后再把它们连接在一起形成一个完整的程序，这样的程序设计方法称为模块化程序设计。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能，并相对独立的程序段，这种程序设计方法称为模块程序设计法。

模块程序设计法的主要优点是：

(1)单个模块比起一个完整的程序易编写、调试及修改。 (2)程序的易读性好。

(3)程序的修改可局部化。

(4)模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用。 (5)模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。 本系统软件采用模块化结构，由主程序，正向流动、反向流动和延时等子程序构成。

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5.2系统程序流程图

5.2.1主程序流程图

开 始 长跳转到Start P1.0=0? N P1.0=0? N Y 灯开始流动（至上而下） Y 停止 Y P1.0=0? N P1.0=0? N 灯由上而下流动 Y 灯由下而上流动

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5.2.2正向流动程序流程图和反向流动程序流程图

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