基于單片機的LED燈光控制器的設(shè)計

1、 目 錄1目的及意義12基本內(nèi)容和技術(shù)方案22.1基本內(nèi)容：23系統(tǒng)硬件設(shè)計33.1 主控模塊電路設(shè)計33.2 受控模塊電路設(shè)計43.3 主要元器件介紹43.3.1 單片機AT89C5143.3.2 LED彩燈限流電阻的確定73.3.3 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及工作原理74 試與仿真分析84.1 硬件選材及電路制作84.2 硬件調(diào)試94.3 軟件仿真結(jié)果及分析95總結(jié)10參考文獻11推薦精選 基于單片機的LED燈光控制器的設(shè)計1目的及意義1.1背景：隨著計算機、微電子、信息技術(shù)的快速進步，智能化技術(shù)的開發(fā)速度越來越快 ,智能度越來越高 ,應(yīng)用范圍也得到了極大的擴展。在海洋開發(fā)、宇宙探測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、

2、社會服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域。在娛樂方面，場地的裝飾離不開彩燈。在建筑方面也采用彩燈來裝飾高樓大廈。彩燈又靈活多變的點亮方式，裝飾效果非常好，特別時晚上使得高樓大廈更加漂亮。是彩燈的應(yīng)用才使得城市的夜景非常迷人。節(jié)日彩燈將會在人類未來的夜晚生活成為一個個重要的景觀，節(jié)日彩燈控制器的應(yīng)用也會在現(xiàn)實生活中得到廣泛的應(yīng)用。 1.2意義:本設(shè)計通過對彩燈的設(shè)計，訓(xùn)練對電氣、單片機、電子技術(shù)等內(nèi)容的應(yīng)用能力，掌握對電子產(chǎn)品設(shè)計的流程以及各種要求。彩燈技術(shù)已廣泛得在霓虹燈、廣告彩燈、汽車車燈等領(lǐng)域中應(yīng)用。單片機的控制電路的設(shè)計是彩燈應(yīng)用的一個瓶頸。課程設(shè)計主要培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的知識與技能分析與解決問題的能

3、力，并鞏固和擴大學(xué)生的課堂知識。通過課程設(shè)計學(xué)會查閱、使用各種專業(yè)資料和網(wǎng)上資源，并以嚴(yán)肅認真、深入研究的工作作風(fēng)完成設(shè)計任務(wù)，逐步向工程技術(shù)員轉(zhuǎn)變,培養(yǎng)學(xué)生獨立完成任務(wù)的能力，體現(xiàn)和檢驗綜合設(shè)計能力，大力提高大學(xué)生的技術(shù)水平，培養(yǎng)新一代既有理論、又有動手能力的實用性人才，以適應(yīng)國際建設(shè)和發(fā)展的需要。了解彩燈線路的基本理論，掌握單片機編程的基本設(shè)計方法和分析方法，對能夠熟練地進行彩燈應(yīng)用電路的設(shè)計與制作是十分必要和重要的。中國彩燈從開始發(fā)展到現(xiàn)在，已有上千年的歷史，發(fā)展到今天的燈會，已經(jīng)是作為節(jié)日慶典的形式了以傳統(tǒng)節(jié)慶文化為背景，在特定的時間、地點，主題下舉辦，是一項綜和性的群眾文化活動。分為

4、經(jīng)營性燈會和公益性（非經(jīng)營性）燈會。燈會這種特殊的造型和視覺語言，不僅僅用于燈會中觀賞，還可以引入其他領(lǐng)域走向發(fā)展，進入人們生活的方方面面。比如：人居環(huán)境、城市美化、亮化的點綴物；彩燈雕塑，稱為燈雕，可以豐富人居環(huán)境，城市美化的藝術(shù)形式；還可以用彩燈的制作語言，巧妙結(jié)合現(xiàn)代廣告、招貼畫、海報、商業(yè)裝修，運用形色生光動，達到更為強烈的視覺效果。彩燈不僅是過年、節(jié)慶活動的需要，它也成為城市建設(shè)、美化、亮光工程不可缺少的部分，推薦精選并且以彩燈的形式，可以短、平、快、不斷更新、變化，作為文化的消費，始終遵循一種歸律，永遠在追求變化，滿足人們不斷更新的精神文化審美需要。在今后的彩燈制作和工藝流程上，由

5、于觀眾品位的提升以及審美要求的不斷提高、要求從事彩燈行業(yè)的設(shè)計師和能工巧匠更加專業(yè)化，會自然的形成一種與彩燈產(chǎn)品相關(guān)的可持續(xù)性發(fā)展的，分工更為明細的專業(yè)彩燈文化生態(tài)，從而保證彩燈的質(zhì)量。在國內(nèi)外，微控制系統(tǒng)主要采用單片機作為控制核心。單片機技術(shù)發(fā)展至今，掌握最先進技術(shù)的仍然是國外的幾大公司。如Intel公司發(fā)展的MCS-51系列的新一代產(chǎn)品，如8C152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8C451、8C452,還包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色與80C51兼容的單片機

6、6。新一代的單片機的最主要的技術(shù)特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)Microcomputer完善的控制功能為己任，可連接一些外部接口功能單元如A/D、PWM、PCA(可編程計數(shù)器陣列)WDT(監(jiān)視定時器)高速I/O口、計數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機80C51系列8C592單片機引入了具有較強功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線CAN(Controller Area Network BUS)7。2基本內(nèi)容和技術(shù)方案2.1基本內(nèi)容：1. 采用AT89C52單片機作為主控

7、制器，彩燈控制器包括缺省模式和用戶模式，通過鍵盤可以切換模式，用戶模式下可以隨意設(shè)定亮燈時間和閃爍頻率參數(shù)，要求每種模式下都能實時的在數(shù)碼管顯示出模式號，時間和頻率，合理選擇系統(tǒng)方案，簡述其工作原理；2. 完成系統(tǒng)硬件設(shè)計，畫出電路原理圖；推薦精選3. 完成系統(tǒng)軟件設(shè)計，可采用C語言和匯編語言混合編程；4. 完成LED彩燈控制器的設(shè)計與制作，要求初始化后運行在缺省模式下，需要此模式下循環(huán)運行四種以上預(yù)設(shè)的彩燈閃爍方案；技術(shù)方案：本方案以AT89C52單片機作為主控核心，與鍵盤、顯示等模塊組成核心主控制模塊。在主控模塊上設(shè)有3個按鍵和1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

8、用其內(nèi)部定時器T0實現(xiàn)一個基本單位時間為1 ms的定時中斷，根據(jù)各種亮燈時間的不同需要，在不同時刻輸出燈亮或燈滅的控制信號，然后驅(qū)動各種顏色的燈亮或滅。該方案的優(yōu)點是系統(tǒng)體積小、功耗小、可靠性高、調(diào)節(jié)靈活、多功能、多花案、使用靈活方便。用戶模式下可以隨意設(shè)定亮燈的閃爍頻率參數(shù)，并且每種模式下都能實現(xiàn)在數(shù)碼管上顯示出模式號。初始化后運行在缺省模式下，在此模式下可以循環(huán)運行9種預(yù)設(shè)的彩燈閃爍方案。主程序中默認執(zhí)行左右來回閃爍，在中斷服務(wù)程序中，首先讀取按鍵狀態(tài)，然后延時10ms，再次讀取按鍵狀態(tài)。把兩次獲得的按鍵狀態(tài)比較，如果不同，就表示是抖動，退出中斷；否則，就去判斷是哪個按鍵按下。如果是K1，

9、就執(zhí)行下一個閃爍方案；如果是K2，就執(zhí)行加速；如果是K3，就執(zhí)行減速。采用置標(biāo)志位的方法，即在主程序中設(shè)定兩個標(biāo)志位，一個閃爍模式標(biāo)志位，一個閃爍速度標(biāo)志位。不斷的對這兩個標(biāo)志進行查詢：如果模式標(biāo)志為狀態(tài)0，就執(zhí)行方案0， Mode_0；如果是狀態(tài)1，就執(zhí)行方案1， Mode_1，依次類推。閃爍速度標(biāo)志默認值為500，對應(yīng)延時值為500ms。而在中斷服務(wù)程序中，只需要進行如下工作：去抖動，鍵盤識別，改變標(biāo)志位。3 統(tǒng)硬件設(shè)計整個系統(tǒng)包括AT89C51主控模塊和受控模塊，即發(fā)光二極管LED。以下就分別介紹一下這兩個模塊的主要功能。3.1 主控模塊電路設(shè)計主控模塊電路見【圖1】。主控模塊主要設(shè)計器

10、件有AT89C51，1個數(shù)碼管顯示器，3個按鈕。通過軟件設(shè)計，使單片機P0和P1作為LED驅(qū)動信號輸出口，P2口與三位按鈕相接作為按鈕輸入口，P3口與二極管LED相接作為顯示器的輸出口。推薦精選圖1 主控模塊硬件圖3.2 受控模塊電路設(shè)計LED板模塊設(shè)計主要器件有LED彩燈（紅，綠，藍，黃）、限流電阻。根據(jù)實際應(yīng)用彩燈長度需要，可將不同數(shù)量的LED模塊實現(xiàn)級連，組成一個完整的LED彩燈?？紤]到視覺效果，可以將不同顏色的LED混合搭配，即將LED發(fā)光管按順序L0(紅)、L1(綠)、L2(藍)、L3(黃)、L4（紅）、L5(綠)、L6(藍)依次均勻擺放在一條直線上。通過軟件設(shè)計的各種方案，運行起來

11、就會具有很好的動感視覺效果。3.3 主要元器件介紹3.3.1 單片機AT89C51AT89C51是主控模塊的核心控制器，其芯片內(nèi)含4KB ROM和128Byte RAM；系統(tǒng)的振蕩周期為12MHz。AT89C51具有如下特征（Features）：推薦精選 與Intel MCS-51產(chǎn)品兼容； 內(nèi)部含有4KB EEPROM，可重復(fù)擦寫1000次； 支持晶振頻率從0Hz到24MHz； 內(nèi)部含有128*8bit的RAM； 32位可編程的I/O線； 2個16位的定時/計數(shù)器， 6個中斷源； 可編程的串行口；AT89C51有40個引腳，是雙列直插式芯片（DIP）8，引腳定義及功能見【圖2】。 圖2 AT

12、89C51引腳圖推薦精選 振蕩電路單片機是一種時序電路，必須提供脈沖信號才能正常工作，在單片機內(nèi)部已集成了振蕩器，接18、19號引腳（XTAL1和XTAL2）9。AT89C51使用12MHz晶振，兩電容的電容大小均為22pF。引腳XTAL1和XTAL2見【圖3】。 圖3 晶振電路 圖4 復(fù)位電路3.3.2 LED彩燈限流電阻的確定設(shè)計管內(nèi)LED板模塊時還需注意彩燈限流電阻的確定。限流電阻過小會導(dǎo)致彩燈燒壞。紅綠藍三色燈，它們的額定電流相同，都為20mA，而額定電壓有差異，紅燈與黃燈為2V，綠燈與藍燈為2.2V。所有彩燈的正極都與5V工作電源相連接，于是它們的限流電阻可根據(jù)如下計算得到：紅燈與黃

13、燈：R= = 150 （2） 藍燈與綠燈：R= =140 （3）3.3.3 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及工作原理數(shù)碼管由七個發(fā)光二極管組成，此外，還有一個圓點型發(fā)光二極管（在圖中以dp表示），用于顯示小數(shù)點。通過七段發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其它符號。數(shù)碼管中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法：推薦精選 圖7 數(shù)碼管模型及實物圖 共陰極接法：把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時公共陰極接地,這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入低電平的則不點亮。 共陽極接法：把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。使用時公共陽極接5V。這樣陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，

14、而輸入高電平的則不點亮。本次設(shè)計顯示器采用共陽極接法14。為了顯示數(shù)字或符號，要為顯示器提供代碼，因為這些代碼是為顯示字形的，因此稱之為字形代碼。七段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計八段。因此提供給顯示器的字形代碼正好一個字節(jié)。若a、b、c、d、e、f、g、dp 8個顯示段依次對應(yīng)一個字節(jié)的低位到高位，即D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，則用共陽極數(shù)碼管顯示十六進制數(shù) 時所需的字形代碼如【表4】所示15。 表4 共陽極數(shù)碼管字形代碼字形共陽極代碼字形共陽極代碼字形共陽極代碼00xC060x82C0xC610xF97 0xF8D0xA120xA480x80E0x8630xB09

15、0x90F0x8E40x99A0x88滅0xFF推薦精選50x92B0x834系統(tǒng)調(diào)試與仿真分析4.1 硬件選材及電路制作首先要對整個任務(wù)進行分析，基本確定該彩燈控制系統(tǒng)可分為兩大模塊：主控模塊以及管內(nèi)LED板模塊。然后進一步確定應(yīng)該采用哪些元器件。比如：主控模塊首選就是由單片機作為主控核心，其成本很低，且功能很完善。除此以外當(dāng)然還需要一些按鈕、七段碼顯示器等輔助器件。在確定完所需何種功能的元器件后，就可以進行實物確定，主要通過上網(wǎng)搜索（比如21中國電子網(wǎng)），以及一些元器件手冊。其要求是元器件報價較低，且能夠?qū)嶋H購買的到。確定完這些元器件后通過Protel99繪制原理圖及印刷板電路圖。其繪制印

16、刷板電路的過程中必須注意元器件的尺寸及布線的合理性，盡可能減小板的體積。隨后就是通過自己動手將這些元器件焊接到印刷板上。由于指導(dǎo)老師提供了做硬件的實驗箱，里面涵括了硬件電路的全部元器件，且都焊接在印刷板上，為做硬件調(diào)試省去了諸如選材之類的麻煩。我只需在實驗箱里連線，接通電源，并將實驗箱與計算機進行串口通信。4.2 硬件調(diào)試硬件的調(diào)試主要是吧電路各種參數(shù)調(diào)整到符合設(shè)計要求。先排除硬件電路故障，包括設(shè)計性錯誤和工藝性故障。一般原則是先靜態(tài)后動態(tài)。硬件靜態(tài)調(diào)試主要是檢測電路是否有短路、斷路、虛焊等，檢測芯片引腳焊接是否有錯誤，數(shù)碼管段位是否焊接正確單片機的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分不開的。經(jīng)歷過好多次失

17、敗后才切切實實地體會到：盡管許多硬件故障是在調(diào)試軟件時才發(fā)現(xiàn)，但通常先要排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障后才能與軟件結(jié)合起來調(diào)試。調(diào)試方法：推薦精選在上電前，首先用萬能表、示波器根據(jù)硬件圖和印刷板電路圖仔細檢查其連線是否正確。核對各元器件的型號、規(guī)格以及安裝的方向是否正確。其中重點檢查電源走線，以避免電源之間短路。單片機AT89C51是系統(tǒng)的核心，利用萬用表檢測單片機電源VCC（40腳）是否為+5V、晶振是否正常工作（可用示波器測試，也可以用萬用表檢測，兩引腳電壓一般為1.8V2.3V之間）、復(fù)位引腳RST（復(fù)位時為高電平，工作時為低電平）。尤其要注意單片機插座上的電位，由于單片機電源僅5V，因此如果

18、有高電壓，聯(lián)機時會損壞模擬器。4.3 軟件仿真結(jié)果及分析 完成單片機系統(tǒng)仿真電路圖設(shè)計后，即可開始仿真運行單片機綁定的程序文件，雙擊單片機，打開單片機屬性窗口（也可以先在單片機上單擊右鍵，再單擊左鍵，或者選中單片機后按下（Ctrl+E組合鍵），在“Program Files”項中選擇對應(yīng)的HEX文件。在仿真電路和程序都沒有問題時，直接單擊Proteus主窗口下的“運行”（Play）按鈕，即可仿真運行單片機系統(tǒng)， 在運行過程中如果希望觀察內(nèi)存、24C0X、溫度寄存器、時鐘芯片等內(nèi)部數(shù)據(jù)可在運行時單擊“單步”（Step）或“暫?！保≒ause）按鈕，然后再“調(diào)試”（Debug）菜單中打開相應(yīng)設(shè)備。如果要觀察仿真電路中某些位置的電壓或波形等，可向電路中添加相應(yīng)的虛擬儀器，例如，電壓表、示波器等。（一個燈亮從左到右跑）程序及仿真結(jié)果：void Mode_0(void)LEDShow(0x0001<<LEDIndex);LEDIndex = (LEDIndex+1)%16; 推薦精選 圖8 仿真圖 5 總結(jié)經(jīng)過一學(xué)期的學(xué)習(xí)，我對單片機的使用有了不同