1、河北工程技术学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目： LED 彩灯控制器的设计与实现 系 （部） 信息技术学院 专业班级 电子信息工程技术专业 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 2017 年 3 月 1 日LED 彩灯控制器的设计与实现摘要： 本文介绍了一种简易 LED 彩灯控制系统的软硬件设计过程，本方案以AT89C51 单片机作为主控核心，按键控制电路、彩灯显示电路以及单片机最小系统等模块组成的核心主控制电路。利用软件编程烧录程序到单片机来实现对 LED 彩灯进行控制，本系统亮灯模式多，用户根据操作提示可以随意变换想要的闪烁方式和控制彩灯的闪烁频率。本系统具有电路结构简单、易操作、硬件少
2、、体积小、成本低、低能耗等优点，具有一定的实用和参考价值。关键词： LED 彩灯 彩灯控制系统 单片机目录摘 要一、前言 .1（一）单片机的概况和基本结构 .1（二）彩灯控制器的研究现状及意义 .3二、彩灯控制器系统总体设计 .4（一）方案分析 .4三、彩灯控制器系统硬件设计 .5（一）单片机选择 .5（二）单片机最小系统 .8（三） LED 彩灯显示电路 .9（四）受控模块硬件电路图 .10四、软件设计 .10（一）设计介绍 .10（二）程序流程图 .11五、彩灯控制器的焊接与调试 .12（一）组装成品焊接 .12（二）电路的调试 .13（三）设计中存在的问题及解决方案 .14六、结束语 .
3、14（一）论文总结 .14（二）工作展望 .15参 考 文 献 .16致 谢 .17附 录（一） .18PCB 板 .18附 录（二） .19LED 彩灯控制器的设计与实现一、前言（一）单片机的概况和基本结构单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit） ，常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统） ，和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。
4、它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。单片机的全称是单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。为了用户使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器（CPU） 、数据存储器（RAM） 、程序存储器（ROM、EPROM、EEPROM 或 FLASH） 、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的计算机系统。与通用计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器（Micro Controller
5、Unit） 1在日新月异的 21 世纪里，家用电子产品得到了迅速发展。许多家电设备都趋于人性化、智能化，这些电器设备大部分都含有 CPU 控制器或者是单片机。单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统、通讯设备、日常消费类产品和玩具等。并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各个方面，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器（冰箱、空调、彩电）等。用单片机来控制的小型家电产品具有便携实用，操作简单的特点。基本结构1.运算器运算器由运算部件算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称 AL
6、U） 、累加器和寄存器等几部分组成。ALU 的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个 8 位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU 能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数 6 和 7 相加，在相加之前，操作数 6 放在累加器中，7 放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果 13 存入累加器，取代累加器原来的内容 6。运算器有两个功能：(1) 执行各种算术运算。(2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一
7、个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。2.控制器控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构” ，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：(1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。(2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。(3) 指挥并控制 CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通过内部总线把 ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线 DB、地址总线 AB 和控制总线 CB。通过
8、输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。3.主要寄存器（1）累加器 A累加器 A 是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。（2）数据寄存器 DR数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。（3）指令寄存器 IR 和指令译码器 ID指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的
9、指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。（4）程序计数器 PCPC 用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入 PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。（5）地址寄存器 AR地址寄存器用于保存当前 CPU 所要访问的内存单元或 I/O 设备的地址。由于内存与 CPU 之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。显然，当 CPU 向存储
10、器存数据、CPU 从内存取数据和 CPU 从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当 CPU 和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。 1（二）彩灯控制器的研究现状及意义19 世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色流水灯。LED 彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。随着人们生活水平的提高，大家的生活环境也不断改善和美化。忙碌的一
11、天生活过去，人们往往会去娱乐场所放松一下。节日的到来，城市中张灯结彩，举办节目来庆祝节日的到来。LED 彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚，但目前市场上各样式的 LED 彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间 、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制器进行
12、改进 4。本文提出了一种基于 AT89C51 单片机的彩灯控制方案，实现对 LED 彩灯的控制。本方案以 AT89C51 单片机作为主控核心，与键盘、显示、驱动等模块组成核心主控制模块。在主控模块上设有 8 个按键和 5 位七段码 LED 显示器，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部定时器 T0 实现一个基本单位时间为 5 ms 的定时中断，根据各种亮灯时间的不同需要，在不同时刻输出灯亮或灯灭的控制信号，然后驱动各种颜色的灯亮或灭，产品实际应用效果较好，亮灯模式多，用户可以根据不同场合和时间来调节亮灯频率和亮灯时间。与普通 LED 彩灯相比，具有体积小、价格低、低能耗等优点。二、彩灯
13、控制器系统总体设计（一）方案分析彩灯控制器大致可分为两种方案实现。一种是利用电子电路装置控制，另一种是采用单片机控制。方案一：根据设计任务要求介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡电路、计数/时序分配电路、移位位寄存器和彩灯显示五部分组成。其框图如图 1-1所示。振荡电路控制电路译码器LED 显示电路计数器图 1-1 彩灯循环控制器硬件框图方案二：本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的 LED 彩灯循环系统的设计，来达到本设计的要求。其硬件构成框图如图 1-2 所示，以单片机为核心控制，由单片机最小系统（时钟电路、复位电路、电源） 、按键控制电路、LED 发光二极
14、管和 5V直流电源电路组成。AT89C51单片机时钟电路复位电路按键控制电路直流 5V 电源电路供电 信号LED彩灯图 1-2 单片机彩灯循环控制系统硬件框图此设计方案中单片机的 P1 口接 5 路按键控制电路，实现彩灯花型的切换功能；单片机的 P3.7 引脚接上一个按钮开关以实现对彩灯闪烁频率的控制，即实现了快慢两种节拍实现花型的变换；单片机上的 P2 口接八路 LED 发光二极管组成彩灯电路，显示彩灯循环情况。(二)方案选择结合设计任务书比较以上两种方案可知：利用电子电路装置控制，其电路不很复杂，制作相对较容易点，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到设计任务要求或实现
15、困难。采用单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。综上，显然方案二各方面优越于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用第二种方案。三、彩灯控制器系统硬件设计（一）单片机选择单片机是主控制器核心，我们选择的是 AT89C51。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令
16、集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。芯片如图 3.1所示。图 3.1 芯片俯视图主要特性： 8031 CPU 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程 FLASH 存储器(寿命：1000 写/擦循环) 全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8 位内部 RAM 32 条可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 6 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路管脚说明：VCC：供电电压。GND
17、：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1
18、口作为第八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电
19、阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程
20、校验接收一些控制信号。I/O 口的内部结构： I/O 口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器 CPU 将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心。读引脚时也就是把端口作为外部输入线时首先要通过外部指令把端口锁存器置 1 然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置 1 端口锁存器原来的状态有可能为 0Q 端为 0Q为 1
21、 加到场效应管栅极的信号为 1 该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为 1 也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的 1 信号读入后不一定是 1 若先执行置 1 操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类 I/O 口被称为准双向口 89C51 的 P0/P1/P2/P3 口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了 P1 口外 P0P2P3 口都还有其他的功能。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：
22、当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PS
23、EN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（VPP） 。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出 6。（二）单片机最小系统单片机最小系统图如图 3.2 所示。通过软件设计，使单片机 P0 口作为三色 LED 驱动信号输出口及移位时钟 CLOCK 信号，P3 口为按键输入口，P2 口、P1 口与 LED 相接作为显示器的输出口。
