多路彩灯控制器

本科生毕业论文（设计）

题 目

多路彩灯控制器

姓 名 学号 院 系 专 业 通信工程

指导教师 职称 教授

2010年5月20日

目 录

摘要……………………………………………………………………………………1 关键词…………………………………………………………………………………1 Abstract………………………………………………………………………………1 Key words ……………………………………………………………………………1 引言 ………………………………………………………………………2 1设计原理和材料简介………………………………………………………………2 1.1 8051单片机简介 ………………………………………………………………2 1.1.1 8051的引脚 ………………………………………………………………3 1.1.2 8051的微处理器 ……………………………………………………………3 1.1.3 8051的存储器 ………………………………………………………………4 1.1.4 8051单片机指令系统 ………………………………………………………4 1.1.5 指令执行的基本过程 ………………………………………………………5 1.1.6单片机的串行口 ………………………………………………………5 1.2 74LS164简介 ……………………………………………………6 1.2.1简要说明 ………………………………………………………………7 1.2.2真值表 …………………………………………………………………8 1.2.3时序图 …………………………………………………………………8 1.3方法与编程分析 ………………………………………………………………9 2结果与分析 ………………………………………………………………………10 2.1实验和调试 ……………………………………………………………………10 2.2结果分析……………………………………………………………………11 3总结 ……………………………………………………………………………11 致谢 …………………………………………………………………………………11 参考文献 ……………………………………………………………………………12

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多路彩灯控制器

通信工程专业学生

指导教师

摘要：本文利用8051单片机的串行口来实现循环彩灯的设计。系统模块主要包括8051模块和流水彩灯模拟显示模块。通过中断调用程序对单片机进行控制,流水彩灯模拟模块采用 2片74LS164的并联扩展连接16个发光二极管 ,从而实现16路彩灯的流水效果。系统用DVCC软件进行了模拟仿真 ,结果表明可以实现流水彩灯的控制。以下是论文的大体结构，首先介绍电路设计构思，然后对所用器件进行介绍，然后具体设计电路，对设计的电路进行分析。最后得出结果。

关键词：单片机 串行口 8051 74LS164模块 发光二极管

Multi Light Controllers

Student majoring in Communication Engineering

Tutor

Abstract: This article uses 8051 PC ‘s serial port to lanterning design for recycling. System module include 8051 PC and water lantern analog display module.By use interruot call to control PC,and water lantern analog display module is made by two 74LS164 ,paralleling expansion and linking 16 LED, used to control 16 road lanterns for water effect.System use DVCC software to conduct simulation,the result show flow control can be achieved lantern. The following is papers’s general styucture .First , introduction circuit design concept, then introduction the devices,and then specific circuit design,and analysis the circuit.Last,we will have the result. Key words:8051PC；Serial port；74LS164module；LED

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引言 多路彩灯 (即流水灯 )是现代大都市装扮美化城市夜景的灯饰之一。以前的流水灯控制器均是采用模拟或数字技术设计 ,电路复杂 ,成本较高 ,并且功能简单 ,所以已不能满足日益增长的用户需要。本设计采用单片机设计 ,电路结构简单 ,成本低廉 ,功能灵活多样 ,实用性较强。

1.多路彩灯控制器的设计原理和材料简介

多路彩灯控制器主要由8051单片机，发光二极管和74LS164三部分构成。8051单片机的功能十分强大且应用十分方便，拥有丰富的指令系统，运用汇编语言可以实现多种功能，74LS164为串入并出移位寄存器。8051单片机和74LS164结合组成整个电路的控制部分，用发光二极管替代实际中的彩灯电路，对其控制已实现流水灯的效果。8051单片机提供74LS164的时钟信号。

图1.1 示意图

发送端TXD和接收端RXD允许数据向单片机内外两个相反的方向传输。P0口用于控制并行口的输出。通过使用中断指令编程，应用DVCC把程序输入单片机，使8051单片机定时的发出指令，74LS164寄存器寄存数据，然后控制发光二极管的亮熄与否。 1．1 8051单片机简介

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图1.2 单片机内部结构

1.微处理器（CPU），2.数据存储器（RAM），3.程序储存器（ROM/EPROM）， 4.中断系统，5.定时器/计数器，6.串行口，7.P1口、P2口、P3口、P0口， 8.特殊功能寄存器（SFR）。 1．1．1 8051的引脚

图1.3 引脚图

1、电源及时钟引脚

（1）电源引脚 Vcc，Vss （2）时钟引脚 XTAL1 XTAL2 2、控制引脚

（1）RST/Vpd（2）ALE/PROG（3）PSEN（4）EA/Vpp 3、I/O口引脚

（1）P0口：双向8位三态I/O口 （2）P1口：8位准三态双向I/O口 （3）P2口：8位准三态双向I/O口

（4）P3口：8位准三态双向I/O口，双功能复用口 1．1．2 8051的微处理器

CPU由运算器、控制器和若干特殊功能寄存器（如累加器A、B寄存器、程序状态字寄存器PSW、堆栈指针寄存器SP、数据指针寄存DPTR等）组成。 （1）运算器 具有一般微机所不具备的位处理功能。

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（2）控制器以主振频率为基准产生时钟信号，控制取指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作，并向其它部件发出各种微控制信号，保证单片机各部分能自动协调地工作。 1.1.3 8051的存储器

与微机中不同，8051单片机中存放程序的程序存储器和存放数据的数据存储器，在物理空间上是相互独立哈佛结构。

8051单片机的存储器在物理结构上可以分为片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。而对这些空间的管理，是分为3个的逻辑地址空间进行的，即访问这3个不同的逻辑空间，要采用不同形式的指令。 （1） 存储器的地址空间（如图1.4）

图 1.4 地址空间 （2） 程序存储器

8051单片机系列有片内有程序存储器和片内无程序存储器之分，片内存储器的容量大小也有所不同。8051单片机片内设置有4K字节的掩膜型ROM，其地址范围为0000H～0FFFH,若片外扩展程序存储器,其地址范围为1000H～ FFFFH。 （3） 数据存储器

8051单片机数据存储器也可以分为片内数据存储器和片外数据存储器。当片内数据存储器不够用时，可扩展片外数据存储器。当访问内部RAM时，用MOV类指令；当访问外部RAM时，则用MOVX类指令，地址重叠不会造成操作混乱。 1.1.4 8051单片机指令系统 （1）指令分类

按指令功能，MCS-51指令系统分为数据传送与交换、算术运算、逻辑运算、程序转移、布尔处理操作、CPU控制等6类。

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（2）指令格式

在MCS-51指令中，一般指令主要由操作码、操作数组成。

（3）部分指令描述符号介绍

DPTR：数据指针，可用作16位地址寄存器。 A：累加器。

B：专用寄存器，用于乘法和除法指令中。 （4）寻址方式介绍

1、立即寻址2、直接寻址3、寄存器寻址4、寄存器间接寻址 5、变址寻址 如：MOVC A，@ A+DPTR ；A←（A+DPTR） 6、相对寻址 转移有效地址=（PC+2/3)+偏移量

如： SJMP 08H ；PC←PC+2+08H

7、位寻址

位寻址只能对有位地址的单元作位寻址操作。位寻址其实是一种直接寻址方式，不过其地址是位地址。 1.1.5 指令执行的基本过程

(1)单片机在工作前，首先必须在存储器中装入程序。所谓程序，就是为了完成某项工作，将一系列指令有序地组合，而指令则是要求单片机执行某种操作的命令。

(2)指令分为操作码和地址码两个部分，操作码部分规定了单片机操作类型，而地址码部分一般是直接或间接地给出了参与操作的数据的存放地址，所以地址码也可以直接称为操作数。

(3)单片机完成每项工作，必须有序地执行一系列指令。单片机执行一条指令一般分为取指令和执行指令两个阶段。

8051单片机的中断源，中断源指引起正在执行的程序中断，转而执行中断服务程序的设备或事件。可分为硬中断、软中断。8051单片机的5个中断源。 1.1.6单片机的串行口

串行口具有两条独立的数据线：发送端TXD、接收端RXD，允许数据同时往两个相反的方向传输。一般通信时发送数据由TXD端输出，接收数据由RXD端输入。单片机串行口是由缓冲器SBUF、移位寄存器、串行口控制寄存器SCON、电

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源控制寄存器PCON及波特率发生器T1组成；8051单片机的串行口有四种工作方式，这里主要介绍工作方式0。 方式0：方式0发送与接受电路，如图1.5

图1.5方式0发送、接收电路

（a) 发送接口电路 （b) 接收接口电路

方式0为同步移位寄存器输入输出方式。通过串行口方式0发送数据可编程如表1。 WAIT： MOV SETB MOV MOV JNB CLR CLR SCON,＃00H P1.0 A,#DATA SBUF,A TI,WAIT TI P1.0 表1

；选通74LS164 ；置要发送的数据 ；数据写入SBUF并启动发送 ；等待一个字节数据发送完 ；清除TI ；关闭74LS164 图1.5（a）是串行口在方式0下利用并入串出芯片74LS164来完成数据的接收。接收是在REN=1和RI=0同时满足时开始的，在移位时钟同步下，将数据字节的低位至高位一位一位地接收下来并装入SBUF中，结束时RI置位。 1.2 74LS164简介

74LS164的引脚图，如图2.1。

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图2.1 74LS164引脚图

74LS164为8 位移位寄存器（串行输入，并行输出）。 1.2.1简要说明 ：

164 为8 位移位寄存器,其主要电特性的典型值如下： 型号 54/74164 54/74LS164 表2.1

当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。串行数据

fm Pn 36MHz 36 MHz 185mW 80mW 输端（A，B）可控制数据。当A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0 为低电平。当A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK 上升沿作用下决定Q0 的状态。

引出端符号：

CLOCK 时钟输入端

CLEAR 同步清除输入端（低电平有效） A，B 串行数据输入端

QA－QH 输出端

74LS164为串入并出移位寄存器，需有两根引线分别作为CLOCK和CLEAR，就可以输出8位并行数据，可以串接多个74LS164。 电源电压………………………………… 7V

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输入电压………………………………… 5.5V

工作环境温度 74LS4：-0～70℃；储存温度：65℃～150℃ 1.2.2真值表

表2.2 真值表

H－高电平 L－低电平 X－任意电平↑－低到高电平跳变。

QA0,QB0,QH0－规定的稳态条件建立前的电平。

QAn,QGn－时钟最近的↑前的电平。

1.2.3 时序图

图2.2 时序图

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单片机和74LS164进行结合应用时，时序的选择很关键。 1．3 方法与编程分析

图2.3

用8051串行口外接74LS164扩展8位并行输出口，连接电路如图2.3， 8位并行口的各位都接一个发光二极管，要求发光管呈流水灯状态。 串行口方式0的数据传送可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。串行发送时，可以靠TI置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据，或者通过查询TI的状态，只要TI为0就继续查询，TI为1就结束查询，发送下一帧数据。在串行接收时，则由RI引起中断或对RI查询来确定何时接收下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要对控制寄存器SCON进行初始化。在方式0中将，将00H送SCON就可以。 程序如下：

ORG 2000H

START: MOV SCON,#00H ; 置串行口工作方式0

MOV A,#80H ; 最高位灯先亮 CLR P1.0 ; 关闭并行输出

OUT0: MOV SBUF,A ; 开始串行输出 OUT1: JNB TI,OUT1 ; 输出是否完成 CLR TI ; 清TI标志

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SETB P1.0 ; 打开并行口输出 ACALL DELAY ; 延时一段时间 RR A ; 循环右移 CLR P1.0 ; 关闭并行输出 JMP OUT0 ; 循环

;****************延时间200MS*************** DELAY: MOV R7,#4 DEL1: MOV R6,#200 DEL2: MOV R5,#125 DEL3: DJNZ R5,DEL3 DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RET

应用8051单片机和74LS164电路还可以实现其他形式的彩灯控制，如，发光二极管的花式亮灭，节日彩灯就是用这一方法。

2 结果与分析

2．1 实验和调试

材料准备齐全：8051单片机，74LS164两块，8个发光二极管，实验箱，电源，电线若干。

程序确认无误，在计算机上用DVCC进行仿真。 2.1.1调试前不加电源的检查

对照电路图和实际线路检查连线是否正确，包括错接、少接、多接等；用万用表电阻档检查接插是否良好；元器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管和集成电路的极性是否正确；电源供电包括极性、信号源连线是否正确；电源端对地是否存在短路（用万用表测量电阻）。 2.1.2 静态检测与调试

断开信号源，把经过准确测量的电源接入电路，用万用表电压档监测电源电压，观察有无异常现象：如冒烟、异常气味、手摸元器件发烫，电源短路等，如发现异常情况，立即切断电源，排除故障如无异常情况。 2.1.3动态检测与调试

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动态调试是在静态调试的基础上进行的，调试的方法地在电路的输入端加上所需的信号源，并循着信号的注射逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标是否满足设计要求，如必要，要对电路参数作进一步调整。发现问题，要设法找出原因，排除故障，继续进行。 2．2 结果分析

通过DVCC仿真确实可以达到控制彩灯的结果，应用软件使得单片机控制74LS164使发光二极管流水发光。通过对汇编程序的调试更加加深了对汇编语言的认识。汇编语言的指令很丰富，可以赋予单片机很多易于实现的功能。由于这一程序不很困难，不能完全的表现8051单片机和74LS164电路的作用和优势。

3总结

由于使用的是以单片机作为核心的控制元件,使得电路的可靠性比较高,功能也比较强大,而且可以随时的更新系统,进行不同状态的组合。用汇编语言编程方便灵活，可以为现实条件下的应用创造良好的条件。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。 致谢

在本次毕业设计过程中，尹教授对该论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我对PC和数电有了深刻的认识，使我得以最终完成毕业设计，在此表示衷心感谢。尹老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及诲人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。同时也要感谢我大学四年的每个老师，他们的教诲，传授给我的知识和精神给我巨大的支撑。导师高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神将永远激励着我。在四年的大学生涯里，得到众多老师的关心支持和帮助，在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意!

在大学四年生活中，不断得同学们的关心与帮助，使我在学习和生活中不断得到友谊的温暖与关怀，最重要的是一种精神上的激励，让我非常感动。同学们，

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四年对于我学习上的指点和求职生涯中的鼓励，在此我要表示衷心的感谢！特别要感谢的是我的家人，一直给予我各方面的关怀和支持，让我茁壮成长。 最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位师长表示感谢！ 参考文献：

[1] 张毅刚 彭喜元 姜守达 乔立岩.MCS—51单片机应用设计 [M]. 哈尔滨工业大学.2003 [2] 陈汝全等.单片机应用技术.北京:电子工业出版社,1992

[3] 谭丙煜.怎样撰写科学论文[M].2版.沈阳：辽宁人民出版社，1982：5-6. [4] 寇戈 蒋立平.模拟电路与数字电路.第2版.北京: 电子工业出版社 [5] 林捷等.数字电路.北京:人民邮电出版社.1997

[6] 徐君毅等.单片微型计算机原理及应用.上海:上海科技技术出版社,1998 [7] 徐熙文. 电路基础. 高等教育出版社.1997

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