1、基于单片机控制的霓虹灯控制器第 1 页 共 23 页毕业设计基于单片机控制的霓虹灯控制器摘要：本设计采用 AT89S51单片机实现对霓虹灯的控制。系统由单片机控制部分和显示部分组成。显示部分的 128个发光二极管成 8行 16列矩阵式分布。单片机 I/O口输出的信号经三极管放大驱动二极管发光。不同的控制信号使发光二极管以不同的方式和花样显示。关键字：单片机 发光二极管 矩阵式基于单片机控制的霓虹灯控制器第 2 页 共 23 页Neon Light Controller Based on SinglechipAbstract: This design adopts singlechip AT89
2、S51 to control the neon light. The system is made up of the part of singlechip controller and the part of show. The part of show is 8 lines of 16 row matrix types. Signal from singlechip is enlarged by triode transistor to drive the LBD. The different control signal makes LBD to give out light with
3、the pattern in different way.Keyword: singlechip LBD matrix基于单片机控制的霓虹灯控制器第 3 页 共 23 页目录第一章 绪论 .41.1 霓虹灯发展历史 .41.2 霓虹灯的原始模型 .41.3 霓虹灯在我国的发展历程 .51.4 单片机概述 .51.5 MCS-51的引脚说明： .7第二章 系统设计 .92.1 设计要求 .92.2 总体设计方案 .92.2.1 设计思路 .92.2.2 方案论证与比较 .92.2.3 系统组成 .10第三章 单元电路设计 .113.1 显示部分电路 .113.2 控制部分电路 .11第四章 软件
4、设计 .134.1 程序流程图 .134.2 程序清单 .13第五章 结论 .14参考文献 .15附录 1 元器件明细表 .16附录 2 程序清单 .17基于单片机控制的霓虹灯控制器第 4 页 共 23 页第一章 绪论1.1 霓虹灯发展历史可以说霓虹灯的问世是建立在真空及气体放电的技术发展之上的。回顾霓虹灯的发展历史追溯到中世纪时期。1643 年意大利物理学家托里切利首先完成了人类历史的第一次真空试验，继后，德国物理学家盖里克于 1650年发明了真空的获得成为现实，为真空中的气体放电现象研究奠定了基础。1838 年英国科学家法拉弟关注真空中放电现象的研究的真正转折点是 19世纪后半叶兴起的，1
5、858 年 J.普吕克发表了真空管中的荧光作用论述，英国科学家克鲁克斯和希托夫等人先后开展了真空中放电现象的系统研究。这一时期，在欧洲一些早期工业革命的国家对气体放电现象的研究十分活跃，特别对气体放电的丰富色彩纷纷进行应用性研究，这就是霓虹灯能够得心出现的历史背景。1.2 霓虹灯的原始模型可以说霓虹灯的问世是建立在真空及气体放电的技术发展之上的。回顾霓虹灯的发展历史追溯到中世纪时期。1643 年意大利物理学家托里切利首先完成了人类历史的第一次真空试验，继后，德国物理学家盖里克于 1650年发明了真空的获得成为现实，为真空中的气体放电现象研究奠定了基础。1838 年英国科学家法拉弟关注真空中放电
6、现象的研究的真正转折点是 19世纪后半叶兴起的，1858 年 J.普吕克发表了真空管中的荧光作用论述，英国科学家克鲁克斯和希托夫等人先后开展了真空中放电现象的系统研究。这一时期，在欧洲一些早期工业革命的国家对气体放电现象的研究十分活跃，特别对气体放电的丰富色彩纷纷进行应用性研究，这就是霓虹灯能够得心出现的历史背景。到 19世纪末叶，大约是在1893年以后，在欧洲一些城市分别流行着被称之为“摩尔” （Moll）霓虹灯和“盖塞拉”(Geissler)霓虹灯的原始模型的霓虹灯。在维多利亚皇后 60寿辰的庆典上就采用了盖塞拉霓虹灯管作为节日气氛的装饰照明使用。这种原始模型霓虹灯采用石墨材料作电极，在管
7、径为 45mm的透明玻璃管内充入氮气和二氧化碳气。前者发粉红色光、后者发白色光，弯成螺旋或文字图案，也很明亮。由于充入的气体化学性质活泼，容易和电极起化学反应，石墨电极溅射率高，很快在玻璃管壁形成一层薄膜，吸收了填充的气体，使管内气压下降，因此这种霓虹灯的寿命很短，没有什么实用价值。为了寻求早期霓虹灯寿命极短的解决办法，英、法的物理学家和化学家对惰性气体的研究作出了杰出的贡献。1894 年伦敦大学教授拉姆齐与雷利一起证明了氩的存在，并通过分馏空气得到氩；1895 年鉴定了氦的化学性质；1898 年拉姆齐教授又与 M.特拉弗斯发现空气中存在氖，同年还用液态空气分馏法制取了氪、氡。直到 1902年
8、法国科学家克洛德（Claude）发明用绝热膨胀法使空气液化，并用此法进行氖的工业分离，从此，开创了惰基于单片机控制的霓虹灯控制器第 5 页 共 23 页性气体的工业提取法。用惰性气体代替活泼气体作为霓虹灯的填充气，不仅使霓虹灯的寿命提到了很大的延长，同时霓虹灯的色彩也更加丰富，这是霓虹灯发展进程中的一项重大技术突破。1.3 霓虹灯在我国的发展历程霓虹灯在我国的第一次出现是 1926年在上海最繁华的商业街-南京东路上的伊文思图书公司橱窗内陈列的英文“皇家牌”打字机霓虹灯广告。1927 年由上海远东化学制造厂-我国第一家霓虹灯制造厂为上海中央大旅社制作安装的中英文对照的霓虹灯招牌。1930年自制成
9、功霓虹灯电源变压器；1945 年制成荧光粉；1951 年试制出氩、氖等惰性气体，从此实现了霓虹灯用全部原料、器件的国产化。 9 O n+ A! h1 V1 F霓虹灯的兴旺发展总是和国家的兴旺繁荣联系在一起，同步出现的。90 年代在上海南京路已建成了一条霓虹灯十里长街；南京市和上海闸北区都在实施不夜城计划；大连市金州开发区为改善投资环境，通过举办全国霓虹灯大奖赛建成了一座五彩城。如今天津、重庆、深州等大小城市也建成了以霓虹灯为主体装饰照明的商业、旅游城。1.4 单片机概述单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控
10、制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过 1、2、3、3 代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的 CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。MCS-51单片机内部结构8051是 MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线
11、和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8位数据宽度的处理器，能处理 8位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)8051内部有 128个 8位用户数据存储单元和 128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，基于单片机控制的霓虹灯控制器第 6 页 共 23 页所以，用户能使用的 RAM只有 128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。图 1程序存储器(ROM)
12、：8051共有 4096个 8位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8051有两个 16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有 4组 8位 I/O口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2级的优先级别选择。时钟电路：805
13、1内置最高频率达 12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL 的 MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16位的 MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是 MCS-51系列单片机的内部结构示意图 2。基于单片机控制的霓虹灯控制器第 7 页 共 23 页图 21.5 MCS-51 的引脚说明：MCS-51系列单片机
14、中的 8031、8051 及 8751均采用 40Pin封装的双列直接 DIP结构，右图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组 8位共 32个 I/O口，中断口线与 P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的 8031、8051 及 8751均采用 40Pin封装的双列直接 DIP结构，右图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组 8位共 32个 I/O口，中断口线与 P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图 3图 3Pin9:RESET
15、/Vpd复位信号复用脚，当 8051通电，时钟电路开始工作，在 RESET引脚上出现 24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器 PC指向基于单片机控制的霓虹灯控制器第 8 页 共 23 页0000H，P0-P3 输出口全部为高电平，堆栈指针写入 07H，其它专用寄存器被清“0” 。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的状态，8051 的初始态。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图 4。此外，RESET/Vpd 还是一复用脚，Vcc 掉电其间，此脚可接上备用电
16、源，以保证单片机内部 RAM的数据不丢失。图 4Pin30:ALE/ 当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE 端将有一个 1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE 会跳过一个脉冲。如果单片机是 EPROM，在编程其间， 将用于输入编程脉冲。Pin29: 当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC 的 16位地址数据将出现在 P0和 P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0口上，由 CPU读入并执行。Pin31:EA/Vpp程序
17、存储器的内外部选通线，8051 和 8751单片机，内置有 4kB的程序存储器，当 EA为高电平并且程序地址小于 4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如 EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的 8031,EA端必须接地。在编程时，EA/Vpp 脚还需加上 21V的编程电压。基于单片机控制的霓虹灯控制器第 9 页 共 23 页第二章 系统设计2.1 设计要求1.基本功能：设计一个霓虹灯控制器，控制 128个 LBD，要求能控制形成多种图案或花样。2.扩展功能：红外遥控不同显示方案间的转换，加设语音芯片和音乐盒，在
18、显示不同图案的同时发出不同的音乐和语音信息。2.2 总体设计方案2.2.1 设计思路题目要求设计一个霓虹灯控制器，控制的灯数 128个，并要形成多种图案和花样。设计中控制部分由单片机完成，显示部分的 LBD由单片机的输出控制信号经放大后驱动，形成不同的图案。2.2.2 方案论证与比较1. 显示部分设计方案论证与选择方案一、采用移位寄存器扩展 I/O口。利用 74HC595扩展单片机的输入输出口来接发光二极管，实现串行输入并行输出。电路图如 1.1.1所示。此方案可扩展受控制的发光二极管的数量，但要控制 128个 LBD需要 16个移位寄存器，需要芯片多，且 PCB布局和布线不方便。方案二、采用
19、矩阵式分布。利用单片机的 p1口做行选信号，p2 和 p0口做列选信号，128个 LBD构成 8行，16 列的矩阵。详细电路图见单元电路设计中。此方案能单独控制每一个 LBD，也可单独控制每行或每列的 LBD，可形成丰富的图案或花样，显示部分不需要格外的芯片，形成的电路简单，PCB 的布局和布线也较容易和美观。综上所述，考虑到要求控制的 LBD不是太多，又矩阵式能形成较丰富的图案，PCB 板的布局和布线也较美观，选择方案二。驱动部分设计方案论证与选择方案一、三极管一级驱动。由 1个 9012驱动一行 16个 LBD。正常发光时每个 LBD的工作电流为 1015毫安，16(1015) =1602
20、40毫安, 这样大的电流一个三极管就能提供。当一行同时亮时能满足发光工作要求。当一个灯亮时，由于亮的时间非常短不会对 LBD的工作造成影响。方案二、功率放大芯片。可以很好的实现放大和驱动，性能稳定，效果好，但价格较三极管高，电路较方案一也明显复杂。综上所述，三极管驱动电路简单，性价比高，又能很好完成驱动作用，选择方案一。基于单片机控制的霓虹灯控制器第 10 页 共 23 页Q1 1Q2 2Q3 3Q4 4Q5 5Q6 6Q7 7Q0 15Q7 9/SCLR10 SCK11RCLK12/G13SER14 Q?74HC595Q1 1Q2 2Q3 3Q4 4Q5 5Q6 6Q7 7Q0 15Q7 9
21、/SCLR10 SCK11RCLK12/G13SER14 Q?74HC595L1 L2 L3 L4L5 L6 L7 L8L1 L2 L3 L4L5 L6 L7 L8R110K R210KR310KR410KR510KR610KR710KR810KR2510KR2610KR2710KR2810KR2910KR3010KR3110KR3210KDATAN1N2N3图 2.1.1 寄存器扩展的电路图2.2.3 系统组成系统总方框图如图 1.2.3 所示。图 2.2.3 系统总方框图单片机控制矩阵式排布的 LBD按顺序循环显示。系统共设计了 7种显示图案或花样，分别是：（1）由里到外和由外到里按圈依次亮（2）奇次列和偶次列交错亮（3）以一列为轴顺时针扫射（4）以中间两列为轴分别向两边合拢（5）四种不同颜色的灯交错亮（6）单个灯以螺旋方式从最里圈向外亮（7）以相邻四列及相对的四列为一组交错亮。显示部分单片机
