1、第 0 页 共 15 页摘 要 随着微电子技术的发展，人民的生活水平不断提高，人们对周围环境的美化和照明已不仅限于单调的白炽灯，彩灯已成为时尚的潮流。彩灯控制器的实用价值在日常生产实践日常生活中的作用也日益突出。基于各种器件的彩灯也都出现，单片机因其价格低廉，使用方便，控制简单而成为控制彩灯的主要器件。 目前市场上更多用全硬件电路实现，电路结构复杂，结构单一，一旦制成成品就只能按固定模式，不能根据不同场合，不同时段调节亮度时间，模式和闪烁频率等动态参数，而且一些电路存在芯片过多，电路复杂，功率损耗大，亮灯样式单调缺乏可操作性等缺点，设计一种新型彩灯已迫不及待。 近年来，彩灯对于美化、亮化城市有
2、着不可轻视的重要作用。因此作为城市装饰的彩灯需求量越来越大，对与彩灯的技术和花样也越来越高。目前市场上各种式样的LED彩灯多半是采用全硬件电路实现，存在电路结构复杂、功能单一等局限性，因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。本文介绍了一种简易LED彩灯控制系统的软硬件设计过程，以STC-89C51单片机作为主控核心与辅助硬件电路相结合，利用软件实现对LED彩灯进行控制。本系统具有电路结构简单、操作容易、硬件少、成本低等特点。 关键词：LED彩灯 STC-89C51单片机 彩灯控制器第 1 页 共 15 页前 言现在这个时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立
3、元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。目前，一个学习与应用单片机的高潮正在工厂、学校及企事业单位大规模地兴起。学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，本文是作者用自制了一款简易的流水灯，重点8贡献。 随着人们生活环境的不断改善和变化 ，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。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广泛应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。目前彩灯种类繁多， 但有一种趋势， 冷光源、低功耗、寿命长的已渐成主流。在照明工
4、程中推广和普及使用，将为节约我国宝贵的资源，保护我们的环境发挥出巨大的作用。本文根据单片机原理设计的一种彩灯电路。本文侧重对彩灯的闪烁频率，亮灯时间及模式进行设计。导向是软硬件兼使软件为主硬件为辅，很容易实现对彩灯的控制。本电路没有复杂的结构，更容易让人理解接受。操作起来更加简单、方便，当然效率也更高。1 单片机的介绍1.1单片机的简介 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，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片
5、中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅
6、速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。1.2单片机的发展史19
7、71年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功第 2 页 共 15 页世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一 。1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器 ）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。1972年4月，霍夫等人开发出第一
8、个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second）。1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一
9、台微型计算机。1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。2 节日彩灯控制器设计内容2.1 设计要求单片机为核心，设计一个节日彩灯控制器：P1.2开始，按此键则灯开始流动（由上而下）。P1.3停止，按此键则停止流动
10、，所有灯为暗。P1.4上，按此键则灯由上向下流动。P1.5下，按此键则灯由下向上流动。2.2 元件清单元件序号 元件说明 数量 备注AT89C51 单片机芯片 1R1、R3、R4、R5 、R6、R7、 R8、R9限流电阻 9 1K第 3 页 共 15 页R2 限流电阻 1 10KLED 发光二极管 8KEY 按键开关 5C3 电解电容 1 10ufC1-C2 电容 2 30ufRYSTAL 晶闸管 1电气元件应用介绍：(1)限流电阻：在每个发光二极管一端添加一个限流电阻减小流过发光二极管的电流，防止损坏LED 灯。(2)发光二极管：半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。由按键控制功能的流水
11、灯，LED 工作的方式通过键盘的扫描实现。其中的 LED 采取共阳极接法，通过依次向连接LED 的/口送出低电平，可实现题目要求的功能。发光二极管与是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由N 区注入到 P 区的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。发光二极管的反向击穿电压大于 5 伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。(3)按键开关：按键开关在节日彩灯中的作用是通过按键控制功能的流水灯，LED 工作的方式通过键盘的扫描实现。(4)电解电容
12、：在节日彩灯电路中用于稳定电压,它的容量大,便宜。隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路。滤波：将整流以后的锯齿波变为平滑的脉动波，接近于直流。储能：储存电能，用于必须要的时候释放。 (5)电容：定时：用在节日彩灯定时电路中的电容器称为定时电容。在需要通过电容充电、放电进行时间控制的电路中使用定时电容电路，电容起控制时间常数大小的作用。2.3 设计思路第 4 页 共 15 页1)以 80C51 单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，运用 LED 彩灯、按键等组成电路，实现
13、彩灯在开启时满足不一样的闪亮方法。按键可以在彩灯使用的时候选择不同的亮法，使彩灯流动的方向改变，键一可以使彩灯由上而下开始流动，键二可以使彩灯停止，三号键可以使彩灯由上而下流动，四键则可以使彩灯由下而上流动。通过按键能方便使用者选择节日彩灯的开启、流动方向和停止2)利用模电原理设计，电路用数字电路完成。结构复杂，以 RY169 电路为核心，加上发光二极管的特性以及继电器的原理构成，故障系数大，不易调试，成本可能较高。3)利用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式代替了数字电路的复杂性，所以电路结构简单、调试也相对方便，经济实惠。与第二种方案比较优点是非常明显的。此彩灯精度较高、造价低廉、装调
14、容易。4)由按键控制功能的流水灯，LED 工作的方式通过键盘的扫描实现。其中的 LED 采取共阳极接法，通过依次向连接 LED 的/口送出低电平，可实现题目要求的功能。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。经过比较考证后我们选第四种方案来完成本次设计。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 彩灯循环控制器硬件框图第 5 页 共 15 页2.4 电路设计（Proteus 仿真通过）本节日彩灯控制器电路原理图，如下图所示，各按键功能与实验设计要求相同：（手绘图记得空格）2
15、.5 代码设计:程序设计是指设计、编制、调试程序的方法和过程。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。把一个程序分成具有多个明确任务的程序模块，分别编制、调试后再把它们连接在一起形成一个完整的程序，这样的程序设计方法称为模块化程序设计。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能，并相对独立的程序段，这种程序设计方法称为模块程序设计法。代码使用 keil uvision
16、4 软件编辑，并编译为 HEX 文件。ORG 0000H 下一条指令的代码的偏移地址为 0000HAJMP START 是跳转到 START 标号的地址 ORG 0030HORG 0030H INT0 中断子程序起始地址 START: MOV P0,#0FFH 初始化 P0 口MOV A,#0FEH A 置初值，只有最左边或最右边灯亮JNB P1.2,LOOP 判断 P1.2 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP，推测接按键，按键按下就跳转.JNB P1.3,LOOP1 判断 P1.3 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP1，推测接按键，按键按下就跳转.JNB P1.4,LOOP2 判断 P1
17、.4 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP2，推测接按键，按键按下就跳转.JNB P1.5,LOOP3 判断 P1.2 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP3，推测接按键，按键按下就跳转.AJMP START 跳至主程序 STARTLOOP: MOV P0,A 读取 P0 口的状态第 6 页 共 15 页LCALL DELJNB P1.3,LOOP1 判断 P1.3 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP1，推测接按键，按键按下就跳转.RL A 循环左移 1 AJMP LOOP PC 指针就会一直很听话的在原地等定时器 0 的中断申请，处理完中断的服务程序后再跑会那里等下一次的中断申请LOOP1
18、: MOV P0,#0FFH 初始化 P0 口JNB P1.4,LOOP2 判断 P1.4 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP2，推测接按键，按键按下就跳转.JNB P1.5,LOOP3 判断 P1.5 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP3，推测接按键，按键按下就跳转.AJMP LOOP1 PC 指针就会一直很听话的在原地等定时器 1 的中断申请，处理完中断的服务程序后再跑会那里等下一次的中断申请LOOP2: JNB P1.2,LOOP 判断 P1.2 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP，推测接按键，按键按下就跳转.JNB P1.3,LOOP1 判断 P1.3 是否为 0，为 0 跳转到
19、 LOOP1，推测接按键，按键按下就跳转.JNB P1.5,LOOP3 判断 P1.5 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP3，推测接按键，按键按下就跳转.MOV P0,A 读取 P0 口的状态LCALL DELRL AAJMP LOOP2 PC 指针就会一直很听话的在原地等定时器 2 的中断申请，处理完中断的服务程序后再跑会那里等下一次的中断申请LOOP3: JNB P1.2,LOOP 判断 P1.2 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP，推测接按键，按键按下就跳转.JNB P1.3,LOOP1 判断 P1.3 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP1，推测接按键，按键按下就跳转.JNB P1
20、.4,LOOP2 判断 P1.4 是否为 0，为 0 跳转到 LOOP2，推测接按键，第 7 页 共 15 页按键按下就跳转.MOV P0,A 读取 P0 口的状态LCALL DELRR A 循环右移，LOOP 点亮下一个AJMP LOOP3 PC 指针就会一直很听话的在原地等定时器 3 的中断申请，处理完中断的服务程序后再跑会那里等下一次的中断申请DEL: MOV R5,#02HDEL1: MOV R6,#0F0HDEL2: MOV R7,#0F0HDEL3: DJNZ R7, DEL3DJNZ R6, DEL2DJNZ R5, DEL1RETEND3 AT89C51 单片机结构AT89C5
21、1 是一种低功耗/低电压、高性能的八位 CMOS 单片机，片内有一个 4KB 的FLASH 可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory），它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MSC51 兼容。片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和FLASH 存储单元，片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。因此，AT89C51 是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用于各种控制领域。3.1 主要特性(1)与 MCS-5
22、1 产品指令系统兼容 (2)4K 字节可编程闪烁存储器 (3)寿命：1000 写/擦循环(4)数据保留时间：10 年第 8 页 共 15 页(5)全静态工作：0Hz-24Hz(6)三级程序存储器锁定(7)128*8 位内部 RAM(8)32 可编程 I/O 线(9)两个 16 位定时器/计数器(10)6 个中断源 (11)可编程串行通道(12)低功耗的闲置和掉电模式另外，AT89C51 是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到零并提供两种软件的省电方式-空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU 停止工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内 RAM
23、 中的内容，直到下次硬件复位为止。3.2 管脚说明VCC（40）：供电电压，其工作电压为 5V。GND（20）：接地。P0 端口（P0.0-P0.7）：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 端口（P1.0-P1.7）：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
24、门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高电平，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 口作为第八位地址接收。 P2 端口（P2.0-P2.7）：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
25、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 端口（P3.0-P3.7）：P3 口管脚是一个带有内部上拉电阻的 8 位的双向 I/O 端口，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。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（I LL）。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 1 所示。表 1 P3 端口引脚兼用功能表第 9 页 共 15 页端口引脚P 3 . 0P 3 . 1P 3 . 2P 3
26、. 3P 3 . 4P 3 . 5P 3 . 6P 3 . 7第二功能R X D （ 串行输入口 ）T X D （ 串行输出口 ）( 外中断 0 ）T 1 ( 定时 / 计数 1 )( 外部数据存储器写选通 )( 外部数据存储器读选通 )( 外中断 1 ）T 0 （ 定时 / 计数 0 )_IN_WRDP3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。复位 RST(9)：复位输入。在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51 芯片便循环复位。复位后P3.0-P3.7 口均置 1，引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄
27、存器 SFR 全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM 的 00H 处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM 有所影响。ALE/ (30)：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PROG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
28、。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。(29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周PSEN期两次 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号将不出现。PSENEA/VPP(31)：当 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-_A_EAFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， 将内部锁定为 RESET；_A当 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(19)：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XT
29、AL2(18)：来自反向振荡器的输出。其引脚图如图 2.2 所示。第 10 页 共 15 页图 2.2 AT89C51 引脚图4 Proteus 仿真加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件“keil-1.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率为 12MHz。启动仿真如下页图所示:P1.2开始，按此键则灯开始流动（由上而下）。第 11 页 共 15 页P1.3停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。P1.4上，按此键则灯由上向下流动。第 12 页 共 15 页P1.5下，按此键则灯由下向上流动。第 13 页
30、共 15 页5 结论这次设计是基于单片机 STC89C51 的彩灯控制器设计，从本次的设计中，我对STC89C51 有了进一步的了解和关注，学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，现在我把单片机彩灯设计作为一份论文，需要更深的去了解单片机的很多功能，努力的去查找资料，当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。通过这次设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。而安排论文
31、设计的基本目的，是在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟和领悟力。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并
32、在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。课程设计促进了我系人才培养计划的完善和课程设置的调整。课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手说，这应该是个警示，在剩下的大学生活里，我应该好好珍惜，好好学习各方面的知识。在单片机方面也是了解了一些些，我相信这次课程设计会对我以后的工作通过这次单片机课程设计，我不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为自己的东西。第 14 页 共 15 页参考文献1何立民单片机与嵌入式系统应用J 基于 HCS12 的小车智能控制系统设计2007，(3) ：51-53,57 2滕志军今日电子J基于超声波检测的倒车雷达设计2006,(9):15-173刘湘涛, 江世明单片机原理与应用M 北京：电子工业出版社 ,2006：1-44何立民单片机初级教程M 北京: 北京航空航天大学出版社，1999：25-32 5 周航慈单片机程序设计基础M 北京: 北京航空航天大学出版社，2004：2606 张俊谟, 单片机中级教程原理与应用J 北京航空航天大学出版社 2007,45-12
