ATC單片機(jī)L_E_D彩燈控制器的設(shè)計(jì)

1、摘要： 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)得到了越來越多的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)用單片機(jī)8951結(jié)合LED制作了一種新型的LED彩燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以AT-89C51單片機(jī)作為主控核心，與按鍵、顯示器等較少的輔助硬件電路相結(jié)合，利用軟件實(shí)現(xiàn)對LED彩燈進(jìn)行控制。本系統(tǒng)具有體積小、硬件少、電路結(jié)構(gòu)簡單及容易操作等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵字：LED彩燈；AT89C51單片機(jī)；彩燈控制器；模塊設(shè)計(jì) 目錄引言4第一章 設(shè)計(jì)要求及任務(wù)目的51.1設(shè)計(jì)要求51.2.任務(wù)目的：6第二章.設(shè)計(jì)內(nèi)容及總體方案62.1AT89c51單片機(jī)62.1.1：芯片介紹62.1.2主要特性：72.1.3管腳說明8第三章.硬件設(shè)計(jì)93.1AT89

2、C51單片機(jī)原理說明93.2模塊設(shè)計(jì)123.2.1主控模塊電路設(shè)計(jì)123.2.2管內(nèi)LED板模塊設(shè)計(jì)12第四章軟件設(shè)計(jì)144.1設(shè)計(jì)程序流程圖144.2主程序代碼及注釋16第五章上機(jī)調(diào)試運(yùn)行結(jié)果及分析175.1.硬件調(diào)試175.2.軟件調(diào)試18九、參考文獻(xiàn)21引言隨著人們生活水平的提高，環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場合可以看到很多彩色的霓虹燈。特別是當(dāng)今充滿競爭的時(shí)代，各地政府為吸引游客和投資者，在城市的沿街、沿道、沿河、沿線等地用霓虹燈造景，實(shí)施"亮化工程"，以美化環(huán)境、樹立城市形象。     但是目前市場上各種式樣的LED彩燈多半

3、是采用全硬件電路實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，這樣一旦制成成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據(jù)不同場合、不同時(shí)間段的需要來調(diào)節(jié)亮燈時(shí)間、模式、閃爍頻率等動(dòng)態(tài)參數(shù)。同時(shí)這種彩燈控制器結(jié)構(gòu)往往有芯片過多、電路復(fù)雜、功率損耗大等缺點(diǎn)。此外從功能上來看，亮燈模式少而且樣式單調(diào)，缺乏用戶可操作性，影響亮燈效果。因此有必要對現(xiàn)有的彩燈控制器進(jìn)行改進(jìn)。本設(shè)計(jì)提出了一種基于89C51單片機(jī)的彩燈控制方案，以實(shí)現(xiàn)對LED彩燈的控制。本方案以89C51單片機(jī)作為控制核心，與鍵盤、顯示、驅(qū)動(dòng)等模塊組成核心控制模塊。在核心控模塊里設(shè)計(jì)8個(gè)按鈕和5位七段碼LED顯示器，根據(jù)用戶需要可以編寫若干種亮燈模式，利用其內(nèi)部的定

4、時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本單位時(shí)間為3ms的定時(shí)中斷，根據(jù)各種亮燈時(shí)間的不同需要，在不同時(shí)刻輸出燈亮或燈滅的控制信號，然后驅(qū)動(dòng)各種顏色的燈亮或滅。該新型LED彩燈是上海寶山迦南塑料廠委托開發(fā)產(chǎn)品，實(shí)際應(yīng)用效果較好，亮燈模式多，用戶可以根據(jù)不同場合和時(shí)間來調(diào)節(jié)亮燈頻率和亮燈時(shí)間。與普通LED彩燈相比，具有體積小，價(jià)格低，耗能低等優(yōu)點(diǎn)。. 第一章 設(shè)計(jì)要求及任務(wù)目的1.1設(shè)計(jì)要求1.1.1：在主控模塊上設(shè)有8個(gè)按鍵和5位七段碼LED顯示器，根據(jù)需要使其燈亮1.1.2利用內(nèi)部定時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本單位時(shí)間為5 ms的定時(shí)中斷，根據(jù)各種亮燈時(shí)間的不同需要，在不同時(shí)刻輸出不同控制信號，然后驅(qū)動(dòng)各種顏

5、色的燈亮或滅。1.2.任務(wù)目的：1.2.1 熟悉相關(guān)數(shù)字芯片的功能和使用方法1.2.2通過實(shí)驗(yàn)掌握顯示的接口電路及程序設(shè)計(jì)，熟悉各種操作指令，子程序的調(diào)用以及中斷知識(shí)和計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。第二章.設(shè)計(jì)內(nèi)容及總體方案2.1AT89c51單片機(jī)2.1.1：芯片介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可 擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用

6、ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多 功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī) 為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。2.1.2主要特性：·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲(chǔ)器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)

7、數(shù)器·5個(gè)中斷源 ·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 2.1.3管腳說明 2.1.3AT89C51引腳路 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口， P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號。

8、XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.1.4振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。第三章.硬件設(shè)計(jì)3.1AT89C51單片機(jī)原理說明新型LED彩燈分為2部分，即彩燈控制器（主控模塊）和管內(nèi)LED板模塊（受控模塊）。彩燈控制器可直接與220 V交流市電相連接，經(jīng)過開關(guān)電源變換，輸出直流工作電壓，一方面為管內(nèi)LED模塊提供12 V工作電源，另一方面為主控模塊單片機(jī)系統(tǒng)（彩燈控制器）提供5 V工作電源。整個(gè)系統(tǒng)工作由軟件程序控制運(yùn)行，根據(jù)需要，用戶可以在LED彩燈工作時(shí)通過主控模塊上的按鍵來設(shè)定亮燈時(shí)間和燈光閃動(dòng)

9、頻率。上電后系統(tǒng)經(jīng)過初始化，查詢是否有功能切換鍵按下：有，則進(jìn)入用戶設(shè)定模式狀態(tài)；無，則進(jìn)入默認(rèn)缺省工作狀態(tài)。在用戶設(shè)定模式狀態(tài)下，用戶可以根據(jù)個(gè)人愛好及不同場合的需要來指定調(diào)用哪些模式，并且可以改變每種模式的時(shí)間Ti、頻率Fi參數(shù)，如果用戶想進(jìn)入缺省狀態(tài)模式，只需按一下功能切換鍵即可跳入缺省模式，程序會(huì)自動(dòng)順序調(diào)用亮燈模式；在缺省工作狀態(tài)下，LED彩燈控制器按照程序設(shè)定好的若干亮燈花樣模式程序Model_i順序調(diào)用往下走，從第Model_1模式開始工作，自Model_1到Model_2到Mod el_n為一個(gè)亮燈周期，然后再回到Model_1循環(huán)繼續(xù)工作，同樣如果想進(jìn)入用戶設(shè)定模式狀態(tài)，只需

10、按下功能切換鍵即可。整個(gè)n種亮燈模式時(shí)間可以看作一個(gè)大周期T，其中的每一種花樣工作模式Model_i（i=1，2，n）時(shí)間為小周期Ti，對于每一個(gè)模式編寫一個(gè)獨(dú)立工作子程序Model_i，其中設(shè)定了LED三色燈（紅、綠、藍(lán)）的點(diǎn)亮?xí)r刻（RED_on，GREEN_on，BLUE_on）和熄滅時(shí)刻（RED_off，GREEN_off，BLU E_off)，以及模式工作時(shí)間Ti以及該模式LED閃爍頻率Fi。5位七段碼顯示器的前2位（L1，L2）顯示當(dāng)前工作模式的序號Model_i；后3位（L3，L4，L5）七段碼 顯示三色LED的工作狀態(tài)，若該顏色燈點(diǎn)亮則對應(yīng)七段碼顯示位為“1”，反之熄滅時(shí)則顯示位

11、為“滅”即不顯示，對系統(tǒng)工作狀態(tài)起到了很好的實(shí)時(shí)監(jiān)控作用。因此在LED彩燈上電工作后，用戶可以方便地通過主控模塊上的顯示器知道LED彩燈當(dāng)前工作模式Model_i，工作時(shí)間Ti，頻率Fi等實(shí)時(shí)參數(shù)。若實(shí)際應(yīng)用需要根據(jù)不同場合和時(shí)間來改變彩燈閃亮效果，用戶可以通過主控模塊上的按鍵來設(shè)定LED不同的閃爍頻率Fi和亮燈時(shí)間Ti，以便符合實(shí)際需要。此外如果用戶對某一種模式感興趣需要仔細(xì)觀看該種亮燈模式，可以通過鍵盤選定任意選定AT89C51單片機(jī)原理圖3.2模塊設(shè)計(jì)3.2.1主控模塊電路設(shè)計(jì)主控模塊電路如圖1所示。主控模塊主要設(shè)計(jì)器件有89C51，5個(gè)七段碼LED顯示器，8個(gè)按鍵，2個(gè)穩(wěn)壓器（提供12

12、 V，5 V電壓），1個(gè)信號輸出驅(qū)動(dòng)模塊芯片(MC4049)等。通過軟件設(shè)計(jì)，使單片機(jī)P0口作為三色LED驅(qū)動(dòng)信號輸出口及移位時(shí)鐘CLOCK信號，P3口為按鍵輸入口，P2口、P1口與5位七段碼LED相接作為顯示器的輸出口。3.2.2管內(nèi)LED板模塊設(shè)計(jì)管內(nèi)LED板模塊電路見圖2。管內(nèi)LED板模塊設(shè)計(jì)主要器件有LED彩燈（紅、綠、藍(lán)）、移位觸發(fā)模塊芯片CD4076等。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用彩燈長度需要，可將不同數(shù)量的該管內(nèi)LED模塊實(shí)現(xiàn)級連，組成一個(gè)完整的LED彩燈?？紤]到功率損耗，LED板模塊之間接口處用信號正向驅(qū)動(dòng)模塊芯片MC4049連接。每個(gè)LED板模塊上均勻分布3種顏色 LED燈，在實(shí)際制作PCB

13、時(shí)采用紅、綠、藍(lán)3色互隔焊接方式，在電路板上把LED發(fā)光管按順序L1(紅)、L2(綠)、L3(藍(lán))、L4(紅)、L5(綠)、L6(藍(lán))依次均勻焊在板上成一條直線。為了得到更多的花樣模式效果，可以使紅綠2種燈從前往后驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮閃爍，藍(lán)燈從后往前驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮閃爍，這樣具有很好的動(dòng)感視覺效果。第四章軟件設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)程序流程圖新型LED彩燈控制器最大特點(diǎn)在于所有亮燈模式均由軟件控制完成。系統(tǒng)中軟件可以分為主程序和中斷服務(wù)子程序。上電后在缺省狀態(tài)以順序調(diào)用Model_i花樣亮燈模式流程為主程序，以一個(gè)單位時(shí)間5 ms的T0定時(shí)為中斷服務(wù)子程序。在這個(gè)5 ms的T0定時(shí)基礎(chǔ)上，可以根據(jù)需要來確定各種模式工作時(shí)

14、間Ti，以及確定在各種亮燈模式Mode l_i內(nèi)點(diǎn)亮和熄滅各種顏色LED燈的時(shí)刻：Red_on，Red_off，Green_on，Green_off，Blue_on，blue_off以及Clock（移位翻轉(zhuǎn)脈沖）等。整個(gè)系統(tǒng)軟件由主程序（ Main）、各個(gè)模式子程序（Model_i）、5 ms中斷服務(wù)子程序(T0 Interrupt)、鍵盤掃描處理子程序（Key Board）、顯示子程序（Display）等程序組成。利用T0定時(shí)器作為定時(shí)基本單位，根據(jù)模式需要計(jì)算好各控制信號的發(fā)生時(shí)刻，根據(jù)不同的模式Mo del_i可以設(shè)定不同的工作時(shí)間Ti和脈沖翻轉(zhuǎn)頻率Fi通過P0口輸出，使各色L ED燈的

15、驅(qū)動(dòng)時(shí)刻與移位觸發(fā)的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻步調(diào)一致，使LED彩燈按照設(shè)計(jì)的模式工作。除了T0定時(shí)中斷之外，程序的大部份時(shí)間是在處理按鍵的查詢和LED顯示的延時(shí)。8個(gè)按鍵分別為：4個(gè)參數(shù)按鍵（Fi增、減按鍵，Ti增、減按鍵），3個(gè)模式改變按鍵（模式上翻UP、模式下翻DOWN、模式保持KEEP），1個(gè)功能切換按鍵。在每次的T0定時(shí)中斷服務(wù)子程序里，需要對各個(gè)時(shí)間寄存器和模式寄存器進(jìn)行加1或者清，為主程序查詢作準(zhǔn)備，同時(shí)查詢是否已中斷6次（30 ms），若30 ms到了，則對參數(shù)按鍵查詢一次，是否有時(shí)間Ti頻率Fi增減鍵按下并進(jìn)行相應(yīng)子程序處理。主程序除了調(diào)用各種子模式子程序（Model_i），調(diào)用LED顯示子程

16、序(Display)和延時(shí)子程序(Delay)之外，還一直保持查詢是否有功能切鍵按下以及是否有模式改變按鍵按下，一旦有功能切換鍵和模式改變鍵按下，就會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的按鍵處理。 主程序流程如圖3所示。亮燈模式子程序Model_i可以編寫若干(n種)，只要控制好各色燈觸發(fā)和熄滅時(shí)刻就可以組合成各種亮燈效果。Model_i程序流程如圖4所示。 4.2主程序代碼及注釋第五章上機(jī)調(diào)試運(yùn)行結(jié)果及分析5.1.硬件調(diào)試硬件調(diào)試可分為脫機(jī)調(diào)試與聯(lián)機(jī)調(diào)試兩步進(jìn)行。脫機(jī)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)未工作時(shí)的一種硬件檢測。第一步：目測。檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點(diǎn)。目測結(jié)果：電路及各元件正常。第二步是通電檢查。通電后發(fā)現(xiàn)各

17、個(gè)交通燈均能發(fā)光，證明電路線路無誤。 聯(lián)機(jī)調(diào)試：將編好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)后進(jìn)行調(diào)試。5.2.軟件調(diào)試通過PROTEUS仿真，我們的程序能夠?qū)崿F(xiàn)想要所有功能，包括顯示到記時(shí)、交通燈循環(huán)點(diǎn)亮功能。  在仿真時(shí)，應(yīng)注意一下幾個(gè)方面的問題：1. proteus仿真和用wave軟件生成的hex文件應(yīng)保存在同一個(gè)文件夾里，否則程序不能正常執(zhí)行 2. 在運(yùn)行proteus仿真圖之前，必須先裝載文件，要不然程序也無法正常運(yùn)行。 3. 在proteus仿真過程中，硬件復(fù)位電路可能會(huì)不能實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，這對實(shí)際的硬件電路沒有影響，需要復(fù)位時(shí)直接將proteus軟件復(fù)位即可。 4. 由于我們的軟件運(yùn)

18、行時(shí)在電腦上進(jìn)行的，所以程序的精確度和電腦有關(guān)，在有些運(yùn)行比較慢或者在電腦運(yùn)行程序比較多的時(shí)候，計(jì)時(shí)會(huì)不準(zhǔn)確，這種情況應(yīng)當(dāng)考慮。 5. 程序在剛啟動(dòng)或者在暫停后繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)候，反應(yīng)比較慢，計(jì)時(shí)不準(zhǔn)，不知道此問題在實(shí)際電路中會(huì)不會(huì)出現(xiàn)。 結(jié)束語 通過對本次畢業(yè)論文的編寫，使我明白應(yīng)用主控模塊輸出的控制信號去控制燈管內(nèi)的L ED板模塊工作，使得產(chǎn)品性能穩(wěn)定，便以安裝容易操作。由于控制程序存儲(chǔ)在89C51單片機(jī) 的電可擦除Flash閃存EPROM中，如果用戶需要更改系統(tǒng)的亮燈模式Model_i，無須改變系統(tǒng)硬件電路，只需修改其中程序即可，是一種很有發(fā)展前途的彩燈控制器。通過編寫論文，使我對單片機(jī)實(shí)現(xiàn)彩燈的原理及其使用問題有了更深刻的認(rèn)識(shí)，是我從中體會(huì)到單片機(jī)原理及技術(shù)應(yīng)用的課題的重要意義，值得我們探討，使我更深的理解和學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、模擬電子電路、數(shù)字電子電路、傳感器，軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件編程技術(shù)，設(shè)計(jì)彩燈。通過設(shè)計(jì)全面地培養(yǎng)與鍛煉電子信息工程專業(yè)學(xué)生綜合運(yùn)用本專業(yè)知識(shí)分析