LED流水燈單片機的設(shè)計2

1、滁 州 學(xué) 院 電子與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計報告課程名稱設(shè)計題目專業(yè)名稱班級學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)老師 年 月 日 電氣學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計名稱學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師第一章 緒論41.1 課題簡介41.2 設(shè)計目的41.3設(shè)計方法4第二章 設(shè)計概述52.1 設(shè)計任務(wù)52.2 設(shè)備器材5第三章 方案論證與比較63.1循環(huán)移位法6LED流水燈單片機的設(shè)計許劍內(nèi)容摘要：發(fā)光二極管(LED)，是一種把電能變成光能的特種器件，主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。當系統(tǒng)受到外界激發(fā)后，會從穩(wěn)定的低能態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)，當系統(tǒng)由不穩(wěn)定的高能態(tài)重新回到穩(wěn)定的低能態(tài)時，能量差以光的形式輻射出來，就會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。當

2、在PN結(jié)上加以正向電壓之后，P區(qū)的空穴注入至N區(qū)，N區(qū)的電子注入至P區(qū)，相互注入的電子與空穴相遇后即產(chǎn)生復(fù)合，這些多數(shù)載流子在結(jié)的注入和復(fù)合中產(chǎn)生輻射而發(fā)光。它是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。LED大約是在80年代中期開始在電子顯示屏中使用的。進入90年代以后，由于半導(dǎo)體工業(yè)的迅猛發(fā)展，帶動了LED制造材料和工藝的改進，在顏色與亮度方面都有了質(zhì)的飛躍。早期的LED顯示屏，由于受材料和工藝的限制，視角僅有200一300左右，從而制約了LED顯示屏的發(fā)展。在分辨率方而，由于受當時數(shù)字技術(shù)、集成電路技術(shù)和控制技術(shù)等技術(shù)的限制，很難作出高密

3、度的LED顯示屏。今后隨著半導(dǎo)體工業(yè)的不斷發(fā)展，無論是材料，還是加工工藝，都會不斷地提高，LED顯示屏在顏色、視角、亮度、密度、壽命等方面也會逐步完善，價格也會進一步降低。關(guān)鍵詞;發(fā)光二極管，電子顯示屏，集成電路第一章 緒論1.1 課題簡介當今社會，隨著人們物質(zhì)生活的不斷提高，電子產(chǎn)品已經(jīng)走進了家家戶戶，無論是生活或?qū)W習(xí)，還是娛樂和消遣幾乎樣樣都離不開電子產(chǎn)品，大型復(fù)雜的計算能力是人腦所不能勝任的，而且比較容易出錯。計算器作為一種快速通用的計算工具方便了用戶的使用。計算器可謂是我們最親密的電子伙伴之一。本設(shè)計著重在于分析計算器軟件和開發(fā)過程中的環(huán)節(jié)和步驟，并從實踐經(jīng)驗出發(fā)對計算器設(shè)計做了詳細的

4、分析和研究。單片機由于其微小的體積和極低的成本，廣泛的應(yīng)用于家用電器、工業(yè)控制等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中。單片微型計算機是微型計算機稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。本系統(tǒng)就是充分利用了8051芯片的I/O引腳。系統(tǒng)以采用MCS-51系列單片機Intel8051為中心器件來設(shè)計LED流水燈系統(tǒng)，實現(xiàn)8個LED霓虹燈的左、右循環(huán)顯示，并實現(xiàn)循環(huán)的速度可調(diào)。1.2 設(shè)計目的通過本次課題設(shè)計，應(yīng)用單片機原理及應(yīng)用等所學(xué)相關(guān)知識及查閱資料，完成簡易LED流水燈系統(tǒng)設(shè)計，以達到理論與實踐更好的結(jié)合、進一步提高綜合運用所學(xué)知識和設(shè)計的能力的目的。通過本次設(shè)計的訓(xùn)練，可以使我在基本思路和基本方法上

5、對基于MCS-51單片機的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計有一個比較感性的認識，并具備一定程度的設(shè)計能力。1.3設(shè)計方法本課題使用AT89C51單片機時無須外擴存儲器。因此，本流水燈實際上就是一個帶有八個發(fā)光二極管的單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，即為由發(fā)光二極管、晶振、復(fù)位、電源等電路和必要的軟件組成的單個單片機。如果要讓接在P1.0口的LED1亮起來，那么只要把P1.0口的電平變?yōu)榈碗娖骄涂梢粤?；相反，如果要接在P1.0口的LED1熄滅，就要把P1.0口的電平變?yōu)楦唠娖?；同理，接在P1.1P1.7口的其他7個LED的點亮和熄滅的方法同LED1。因此，要實現(xiàn)流水燈功能，我們只要將發(fā)光二極管LED1LED8依次點亮、熄滅，

6、8只LED燈便會一亮一暗的做流水燈了。在此我們還應(yīng)注意一點，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)以及單片機執(zhí)行每條指令的時間很短，我們在控制二極管亮滅的時候應(yīng)該延時一段時間，否則我們就看不到“流水”效果了。在此基礎(chǔ)上，增加外擴設(shè)備，利用74LS373和8255擴展成24個LED燈循環(huán)顯示。 第二章 設(shè)計概述2.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計內(nèi)容：利用匯編語言（或C語言），實現(xiàn)8個單色LED燈的左、右循環(huán)顯示，并實現(xiàn)循環(huán)的速度可調(diào)。選用芯片： 8255 等注：由于實驗室的沒有提供8255芯片，所以改用單片機完成此實驗，并且添加了調(diào)節(jié)燈明暗的功能，以實現(xiàn)明暗可調(diào)。2.2 設(shè)備器材在本設(shè)計中，所用到的設(shè)備器材如下所示：(1)計

7、算機一臺；(2)唐都儀器實驗箱一臺；(3) AT89C52單片機一片；(4)導(dǎo)線若干。第三章 方案論證與比較3.1循環(huán)移位法在上個程序中我們是逐個控制P1端口的每個位來實現(xiàn)的，因此程序顯得有點復(fù)雜，下面我們利用循環(huán)移位指令，采用循環(huán)程序結(jié)構(gòu)進行編程。我們在程序一開始就給P1口送一個數(shù)，這個數(shù)本身就讓P1.0先低，其他位為高，然后延時一段時間，再讓這個數(shù)據(jù)向高位移動，然后再輸出至P1口，這樣就實現(xiàn)“流水”效果啦。由于8051系列單片機的指令中只有對累加器ACC中數(shù)據(jù)左移或右移的指令，因此實際編程中我們應(yīng)把需移動的數(shù)據(jù)先放到ACC中，讓其移動，然后將ACC移動后的數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)送到P1口，這樣同樣可以實

8、現(xiàn)“流水”效果。具體編程如下所示，程序結(jié)構(gòu)確實簡單了很多。3.2查表法上面的兩個程序都是比較簡單的流水燈程序，“流水”花樣只能實現(xiàn)單一的“從左到右”流方式。運用查表法所編寫的流水燈程序，能夠?qū)崿F(xiàn)任意方式流水，而且流水花樣無限，只要更改流水花樣數(shù)據(jù)表的流水數(shù)據(jù)就可以隨意添加或改變流水花樣，真正實現(xiàn)隨心所欲的流水燈效果。我們首先把要顯示流水花樣的數(shù)據(jù)建在一個以TAB為標號的數(shù)據(jù)表中，然后通過查表指令“MOVCA，A+DPTR”把數(shù)據(jù)取到累加器A中，然后再送到P1口進行顯示。具體源程序如下，TAB標號處的數(shù)據(jù)表可以根據(jù)實現(xiàn)效果的要求任意修改。2.3位控法 這是一種比較笨但又最易理解的方法，采用順序程

9、序結(jié)構(gòu)，用位指令控制P1口的每一個位輸出高低電平，從而來控制相應(yīng)LED燈的亮滅。本次實驗我們采用的是查表法和循環(huán)移位法，這兩個方法要比位控法要復(fù)雜些，但是程序要簡略的多。第四章 硬件設(shè)計方案4.1 設(shè)計思路本課題需要用按鈕開關(guān)實現(xiàn)流水燈的左右循環(huán)顯示、調(diào)速、控制亮度的功能。可以選用五個開關(guān)來實現(xiàn)這些操作。單片機正在軟件運行下通過不斷掃描開關(guān)狀態(tài)，來將相關(guān)操作對應(yīng)量送入單片機的輸入端口，然后判斷屬于哪一類操作。五個開關(guān)分別為K1,K2,K3,K4,K5，分別控制流水燈的調(diào)向、加速、減速、變亮、變暗。在設(shè)計過程中，接開關(guān)的端口要全部保持高電平，當按下一個開關(guān)時，輸入一個低電平，即為狀態(tài)改變信號。不

10、能同時有兩個端口同為高電平。在設(shè)計中我主要負責(zé)了用云脈沖寬度調(diào)制（PWM）波控制LED燈的亮度環(huán)節(jié)，開始對PWM并不是很了解，通過請教同學(xué)和查閱相關(guān)資料，漸漸明白了其中的原理。在主程序運行時通過中斷方式調(diào)整其輸出電壓的占空比，從而改變燈泡的亮度。原理是這樣的，主程序的始終頻率和中斷的始終頻率并不相同，大約是中斷的一千倍，LED燈在移動時如果響應(yīng)了中斷，則在執(zhí)行中斷程序時，LED燈近似看做沒有移動，此時在中斷程序中設(shè)計一個初值和一個上限，當計數(shù)到初值時置燈泡滅掉，在計數(shù)到上限之前小燈泡都是熄滅的，到達上限后回0，并置燈泡為亮，繼續(xù)計數(shù)，在到設(shè)定的初值時置小燈泡為滅掉。這樣在主程序的一個周期內(nèi)，中

11、斷程序?qū)⑿襞葜妹髦冒盗私磺Т?，通過改變設(shè)定的初值可以改變小燈泡的亮度。4.2 硬件選擇本實驗選用AT89C52單片機、五個按鍵開關(guān)和8個發(fā)光二極管。其中AT89C52為控制核心，當5個開關(guān)的狀態(tài)改變時，單片機檢測到開關(guān)信號后就通過軟件輸出控制發(fā)光二極管。4.3 AT89C52單片機介紹AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的A

12、T89C52單片機可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線。AT89C52的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下：引腳圖如下： 引腳功能說明：P0 口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。 訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在Flash 編程時，

13、P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口：P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51 不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）， 參見表1。 Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低8 位地址。 表.P1.0和P1.1的第二

14、功能 引腳號功能特性P1.0T2，時鐘輸出P1.1T2EX（定時/計數(shù)器2） P2 口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對端口P2 寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時，P2 口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。 Flash

15、編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能 。P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖

16、存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。 對Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無效。 PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52 由

17、外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相

18、放大器的輸出端。4.4硬件連接框圖單片機從開關(guān)上提取不同輸入信號，進行相應(yīng)的軟件操作，反映輸出在發(fā)光二極管上。開關(guān)輸入AT89C52單片機流水燈4.5設(shè)計連線本實驗的連線為：開關(guān)使用唐都試驗箱上的5個開關(guān)，分別接到單片機的P2.0P2.4口，然后發(fā)光二極管分別接到單片機的P1.0P1.7口。4.6實驗仿真電路圖4.7單片機時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。在MCS-51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳X1，輸出端為引腳X2，在芯片的外部跨接晶體

19、振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 此電路采用12MHz的石英晶體。時鐘電路如下圖2-2：第五章軟件設(shè)計方案5.1 軟件設(shè)計思想一個完整的系統(tǒng)僅有硬件是不夠的，還要有軟件的配合。軟件和硬件對一個系統(tǒng)來說都是不可或缺的。本實驗采用C語言編程，在具體設(shè)計中，通過GetKey()函數(shù)來不停的掃描開關(guān)的狀態(tài)，通過KeyProcess（）來確定輸入的信號，即按鍵的位置，從而執(zhí)行不同的子程序內(nèi)容，實現(xiàn)LED燈的控制。5.2 程序流程圖第六章 調(diào)試及運行結(jié)果與存在問題6.1 調(diào)試及運行結(jié)果 通過設(shè)計和編寫程序代碼，講程序通過Keil軟件編譯后生成的hex文件寫進AT89C52中，

20、便可操作。為當撥動相應(yīng)的開關(guān)時，看LED燈的變化。調(diào)試過程中問題很多，主要原因是對單片機結(jié)構(gòu)的不熟悉，其次就是程序中的一些問題。但通過努力，都被一一解決。實際接線前我們先用protues仿真了一下實驗結(jié)果，確認無誤后接線，這樣提高了調(diào)試的時間。6.2存在的問題1、邏輯錯誤：它是由設(shè)計錯誤或加工過程中的工藝性錯誤所造成的。這類錯誤包括錯線、開路、短路等。2、元器件失效：有兩方面的原因：一是器件本身已損壞或性能不符合要求；二是組裝錯誤造成元件失效，如電解電容、集成電路安裝方向錯誤等。3、可靠性差：因其可靠性差的原因很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動；走線和布局不合理也會引起系統(tǒng)可靠性差。4、電源故障：若樣機由電源故障，則加電后很容易造成器件損壞。電源故障包括電壓值不符合設(shè)計要求，電源引線和插座不對，功率不足，負載能力差等。調(diào)試方法：包括多級調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試。在調(diào)試過程中要針對可能出現(xiàn)的故障認真分析，直至檢查出原因并排除。本次硬件調(diào)試過程中，對所出現(xiàn)的問題進行了認真的分析和改正，最后能夠很好的達到設(shè)計要求的效果?？?結(jié)經(jīng)過四次的上機