霓虹燈模擬控制系統(tǒng)

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：霓虹燈模擬控制系統(tǒng)院系：電氣工程系學(xué)生班級(jí)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：前言：

單片機(jī)是一個(gè)單芯片形態(tài)、面向控制對(duì)象的嵌入式應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計(jì)算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。從此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在兩個(gè)重要領(lǐng)域——通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在深深地改變著我們的社會(huì)。所謂單片機(jī)，即把組成微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件，如中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、輸入/輸出接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通信接口等集成在一塊芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。因此單片機(jī)早期的含義為單片微型計(jì)算機(jī)直接譯為單片機(jī)，并一直沿用至今。由于單片機(jī)面對(duì)的是測(cè)控對(duì)象，突出的是控制功能，所以它從功能和形態(tài)上來說都是應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的要求而誕生的。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它在芯片內(nèi)集成了許多面對(duì)測(cè)控對(duì)象的接口電路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM、WDT等。這些對(duì)外電路及外設(shè)接口已經(jīng)突破了微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer）傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，所以更為確切反映單片機(jī)本質(zhì)的名稱應(yīng)是微控制器。由于單片機(jī)功能的飛速發(fā)展，它的應(yīng)用范圍日益廣泛，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)科學(xué)的領(lǐng)域。小到玩具、信用卡，大到航天器、機(jī)器人，從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過程控制、模糊控制等智能系統(tǒng)到人類的日常生活，到處都離不開單片機(jī)。

其主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下：（1）在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，單片機(jī)可以用于構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。例如，工業(yè)上的鍋爐控制、電機(jī)控制、車輛檢測(cè)系統(tǒng)、水閘自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床及軍事上的雷達(dá)、導(dǎo)彈系統(tǒng)等。（2）在智能化儀器儀表中的應(yīng)用，單片機(jī)應(yīng)用于儀器儀表設(shè)備中促使儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化和綜合化等方向發(fā)展。單片機(jī)的軟件編程技術(shù)使長(zhǎng)期以來測(cè)量?jī)x表中的誤差修正、線性化的處理等難題迎刃而解。（3）在機(jī)電一體化中的應(yīng)用，單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合使傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，控制走向智能化，構(gòu)成新一代的機(jī)電一體化產(chǎn)品。這是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的方向。（4）在智能接口中的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特別是較大型的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制管理，單片機(jī)與主機(jī)并行工作，可大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。例如，在大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用單片機(jī)對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。如數(shù)字濾波、誤差修正、線性化處理等。霓虹燈的來源，霓：有時(shí)在虹的外側(cè)還能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫內(nèi)紅，與虹相反。虹：原意也是一種自然現(xiàn)象，就是彩虹，也是七彩的，色序從外至內(nèi)分別為：赤、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。霓虹燈：夜間用來吸引顧客，或裝飾夜景的彩色燈，所以用“霓虹”這兩種美麗的東西來作為這種燈的名字。霓虹是英文NEON的音譯。1、功能要求：

霓虹燈模擬控制系統(tǒng)，用8051輸出控制8個(gè)發(fā)光二極管（模擬霓虹燈）的亮滅。要求實(shí)現(xiàn)：首先從燈L0開始，8個(gè)燈循環(huán)點(diǎn)亮一次，即L0點(diǎn)亮1秒后熄滅。L7點(diǎn)亮1秒后熄滅。然后間隔閃爍3次，即L0、L2、L4、L6點(diǎn)亮1秒后熄滅，L1、L3、L5、L7點(diǎn)亮1秒后熄滅，重復(fù)三次。循環(huán)上述過程。

2、方案論證：

眾所周知，霓虹燈是依靠燈光兩端電極頭在高壓電場(chǎng)下將燈管內(nèi)的惰性氣體擊燃，它不同于普通光源必須把鎢絲燒到高溫才能發(fā)光。具有：高效率溫度低、使用不受氣候限制、低能耗、壽命長(zhǎng)、制作靈活，色彩多樣、動(dòng)感強(qiáng)，效果佳，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。霓虹燈是一種冷陰極輝光放電管，其輻射光譜具有極強(qiáng)的穿透大氣的能力，色彩鮮艷絢麗、多姿，發(fā)光效率明顯優(yōu)于普通的白熾燈，它的線條結(jié)構(gòu)表現(xiàn)力豐富，可以加工彎制成任何幾何形狀，滿足設(shè)計(jì)要求，通過電子程序控制，可變幻色彩的圖案和文字受到人們的歡迎。霓虹燈的亮、美、動(dòng)特點(diǎn)，是目前任何電光源所不能替代的。然而我這里要做的是模擬霓虹燈控制系統(tǒng)，說到模擬當(dāng)然達(dá)不到霓虹燈那絢麗燈光的要求，用8個(gè)發(fā)光二極管的亮滅來模擬了。霓虹燈模擬控制主要分兩部分，一是8個(gè)二極管順序亮點(diǎn)控制，間隔一秒；二是閃爍控制，8個(gè)二極管分兩批交替閃爍，間隔一秒，重復(fù)三次。亮點(diǎn)控制中8個(gè)二極管只有一個(gè)亮，其他七個(gè)都不亮，并且8個(gè)的機(jī)關(guān)按順序從右向左輪流亮。用左移位循環(huán)指令RL，還有一個(gè)延時(shí)子程序，用來延時(shí)一秒。交替閃爍控制中交替循環(huán)可用邏輯循環(huán)指令中取反指令，循環(huán)三次可用條件轉(zhuǎn)移指令來進(jìn)行循環(huán)控制，用“DJNZRn，標(biāo)號(hào)”指令來實(shí)現(xiàn)。再次控制中也用到一秒的延時(shí)子程序按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由主控模塊、兩個(gè)顯示模塊共3個(gè)模塊組成，電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示主控芯片使用51系列AT89C51單片機(jī)。3、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì):圖6是霓虹燈模擬控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)原理圖。電路主要由AT89C51單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路、流水燈電路、閃爍燈電路、電源等部分組成。單片機(jī)平時(shí)都處于低功耗空閑狀態(tài)。下圖2是8051的引腳排列圖。

3.1、AT89C51霓虹燈模擬控制系統(tǒng)的主芯片采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能，一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器CMOM8處理器，是8051的的一種，引腳一致。2.7V——6V的電源使用電壓、128*8位的內(nèi)部RAM，兩個(gè)16為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，直接LED驅(qū)動(dòng)輸出以及空閑和點(diǎn)方式等功能。3.2、復(fù)位電路該單片機(jī)的RST引腳是復(fù)位信號(hào)的引入端，復(fù)位信號(hào)為高電平有效，其所需時(shí)間在2個(gè)機(jī)器周期以上。復(fù)位操作還會(huì)把ALE和變?yōu)闊o效狀態(tài)，即ALE=0,=1。但是復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM單元的內(nèi)容。單片機(jī)復(fù)位的方式有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用上電自動(dòng)復(fù)位，如圖3所示，上電自動(dòng)復(fù)位是通過電容充電來實(shí)現(xiàn)的。通過選擇適當(dāng)?shù)腞和C的值，就能夠使RST引腳上的高電平保持兩個(gè)機(jī)器周期以上，以實(shí)現(xiàn)在上電的同時(shí)，完成單片機(jī)的復(fù)位。鍵手動(dòng)復(fù)位又分為按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位兩種，通過RST經(jīng)電阻與電源相連接或利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位的。3.3、晶振電路晶振就是根據(jù)壓電效應(yīng)研制而成，石英晶體若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。在該次設(shè)計(jì)中，由兩個(gè)22pF的電容C1、C2和12MHz的晶振構(gòu)成，電路圖如圖4所示。晶體的選擇，對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，晶體的選擇非常重要，尤其設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒(往往用低電壓以求低功耗)的系統(tǒng)。這是因?yàn)榈凸╇婋妷菏固峁┙o晶體的激勵(lì)功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時(shí)并不特別明顯，原因時(shí)上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時(shí)，電路的擾動(dòng)要比上電時(shí)小得多，起振變得很不容易。

在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(lì)(容易振到高次諧波上)也不能欠激勵(lì)(不容易起振)。晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點(diǎn)，負(fù)載電容，激勵(lì)功率，溫度特性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性。3.4、點(diǎn)亮流水電路P3口接8個(gè)發(fā)光二極管D7—D0構(gòu)成流水燈似的循序點(diǎn)亮結(jié)構(gòu)，R0—R7為限流電阻。如圖5所示。3.5、閃爍電路P1口同樣接上述8個(gè)發(fā)光二極管D7—D0構(gòu)成閃爍電路結(jié)構(gòu)，R0—R7為限流電阻，8個(gè)發(fā)光二極管分成兩組，即L0、L2、L4、L6一組，L1、L3、L5、L7一組，兩組交替閃爍一秒且重復(fù)三次結(jié)束。其電路圖與圖5類似，不同的是P1口