彩灯电路设计.doc

1、 北京经济管理职业技术学院毕 业 设 计（论 文）题 目 彩灯电路设计 姓 名 XXX 专业班级 0906251 学 号 02 指导教师 XXX 日 期 2012 年 5 月 25 日 摘 要本次课程设计主题是基于 ATMEL 公司生产的 AT89S52 单片机为核心设计一个彩灯系统。系统由模拟电路部分与数字电路部分组成，模拟电路由驻极体麦克风、运算放大器、二极管峰值包络检波器，实现对音频信号进行转换、滤波、放大等处理。数字电路由 A/D 转换器、AT89S52 单片机及发光二级管组成，单片机将 A/D 转换后的信号对 LED 的亮灭进行控制，LED 的亮灭情况由音频信号的强度进行控制，点亮的

2、 LED 的数目随音频音量的增大而增加，随音频音量的减小而减少，实现了一个简单的音乐彩灯控制系统。关键词：AT89S52 单片机；发光二极管； A/D 转换器；运算放大器；驻极体麦克风；目录前言 .31 设计任务要求 .32 方案设计与选择 .32.1 方案一 使用 MISC 采集声音用 LM386 放大电路 .32.2 方案二采 用 数 字 芯 片 构 成 的 声 控 彩 灯 电 路 .42.3 方案三以 AT89S52 为 核 心 的 单 片 机 声 控 彩 灯 系 统 .42.4 方案选择 .53 相关新片介绍 .63.1 AT89S52.63.1.1 芯片介绍 .63.1.2 主要特性

3、 .63.1.3 引脚说明 .73.2 ADC0809.93.2.1 芯片介绍 .93.2.2 主要特性 .93.2.3 引脚说明 .104 硬件设计 .114.1 模拟电路 .114.1.1 模拟电路原理 .114.1.2 电路仿真 .114.1.3 模拟电路部分原理图 .145 软件设计 .205.1 设计软件流程图 .205.2 主程序代码及注释 .215.3 软件调试过程及遇到的问题和解决方法 .24参考文献 .25附录一 .25附录二 .26附录三 .27前言随 着 科 学 技 术 发 展 ， 彩 灯 艺 术 更 是 花 样 翻 新 ， 奇 招 频 出 ， 传 统 的 制灯 工 艺

4、和 现 代 科 学 技 术 紧 密 结 合 ， 将 电 子 、 建 筑 、 机 械 、 遥 控 、 声 学等 新 技 术 、 新 工 艺 用 于 彩 灯 的 设 计 制 作 ， 把 形 、 色 、 光 、 声 、 动 相 结合 ， 思 想 性 、 知 识 性 、 趣 味 性 、 艺 术 性 相 统 一 ， 音 乐 彩 灯 的 出 现 使 人们 既 得 到 了 视 觉 与 听 觉 上 得 享 受 ， 同 时 也 给 人 们 紧 张 的 现 代 生 活 带 来新 鲜 的 色 彩 与 活 力 。1 设计任务要求(1)写 出 你 考 虑 该 问 题 的 基 本 思 路 ， 画 出 一 个 实 现 电

5、路 功 能的 大 致 框 图 。(2)设 计 出 框 图 中 各 部 分 逻 辑 电 路 ， 可 用 中 、 小 规 模 集 成 电路 ， 也 可 用 中 规 模 集 成 电 路 连 接 而 成 。 对 各 部 分 电 路 的 工 作 原 理应 作 出 说 明 。(3)最 后 ， 画 出 整 个 设 计 电 路 的 原 理 电 路 图 ， 并 说 明 电 路 工作 原 理 。(4)图 用 仿 真 软 件 画 出 并 仿 真 ， 各 功 能 引 脚 应 有 标 号 。 画 出印 制 电 路 版 图 。2 方案设计与选择通过书本上知识与一些相关书籍和网上的资料，我总共设计了三种方案如下。2.1 方

6、案一 使用 MISC 采集声音用 LM386 放大电路使 用 MIC 采 集 声 音 之 后 用 LM386 放 大 ， 之 后 通 过 比 较 器 ， 最 后交 给 AT89S52 分 析 处 理 来 驱 动 LED 发 光 。 设 计 框 图 如 图 1.1 所示 。图 1.12.2 方案二采 用 数 字 芯 片 构 成 的 声 控 彩 灯 电 路音 频 在 电 信 号 中 表 现 为 多 个 正 弦 波 叠 加 而 成 。 音 乐 的 大 小 就 表 现 为声 音 的 强 弱 起 伏 ， 它 在 音 频 信 号 中 表 现 为 正 弦 波 的 波 峰 和 波 谷 ， 所 以在 它 到 达

7、 波 峰 时 就 说 明 它 的 音 量 大 ， 在 波 谷 时 音 量 就 小 ， 根 据 这 个 原理 ， 可 以 采 用 一 个 触 发 电 路 控 制 彩 灯 在 音 量 大 的 时 候 发 光 ， 音 量 小 的时 候 就 熄 灭 。 综 合 考 虑 ， 可 以 选 择 一 个 NE555 时 基 电 路 中 的 单 稳态 电 路 ， 触 发 后 驱 动 LED 发 光 ， 由 于 音 频 电 压 过 小 ， 还 需 要 设 一 个放 大 电 路 。 设 计 框 图 如 下 图 1.2 所 示 。图 1.22.3 方案三以 AT89S52 为 核 心 的 单 片 机 声 控 彩 灯

8、系 统 此 控 制 系 统 以 AT89S52 为 控 制 器 ， 通 过 单 片 机 的 I/O口 进 行 读 操 作 ， 将 外 部 经 过 音 频 信 号 转 换 而 成 的 电 压 信 号 读 取 进 来 ，再 进 行 分 析 计 算 ， 对 外 部 的 发 光 二 级 管 进 行 控 制 ， 编 程 控 制 灵 活 。 能灵 活 根 据 音 频 信 号 的 强 弱 范 围 来 控 制 发 光 二 级 管 亮 灭 的 数 目 ， 达 到 声音 控 制 灯 亮 灭 的 效 果 。 设 计 框 图 如 下 如 1.3。MIC 采集 LM386 放大比较器 单片机控制电路发光LED图 1.3

9、2.4 方案选择方案一中,电路相对简单，制作相对较容易点，成本也相对较低。但LM386 放大倍数最多只有 200 倍，实现困难。方案二中，虽然电路比较简单，但是最终的硬件电路功能单一，不方便进行功能的修改与升级，控制不够人性化。时钟电路AT89S52程序下载端口发光二极管复位电路驻极体麦克风麦克风两级放大电路A/D 转换器麦克风方案三中，以 AT89S52 为控制核心，AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器, 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，控制灵活方便，使得 AT89S52 在众多控制应用

10、系统中得到广泛应用。因此本次课题选用方案三。3 相关新片介绍3.1 AT89S523.1.1 芯片介绍AT89S52 是 一 种 低 功 耗 、 高 性 能 CMOS8 位 微 控 制 器 ， 具 有8K 在 系 统 可 编 程 Flash 存 储 器 。 使 用 Atmel 公 司 高 密 度 非 易 失性 存 储 器 技 术 制 造 ， 与 工 业 80C51 产 品 指 令 和 引 脚 完 全 兼 容 。 片上 Flash 允 许 程 序 存 储 器 在 系 统 可 编 程 ， 亦 适 于 常 规 编 程 器 。 在 单 芯片 上 ， 拥 有 灵 巧 的 8 位 CPU 和 在 系 统

11、可 编 程 Flash， 使 得AT89S52 为 众 多 嵌 入 式 控 制 应 用 系 统 提 供 高 灵 活 、 超 有 效 的 解 决 方 案 。AT89S52 具 有 以 下 标 准 功 能 ： 8k 字 节 Flash， 256 字 节RAM， 32 位 I/O 口 线 ， 看 门 狗 定 时 器 ， 2 个 数 据 指 针 ， 三 个16 位 定 时 器 /计 数 器 ， 一 个 6 向 量 2 级 中 断 结 构 ， 全 双 工 串 行 口 ，片 内 晶 振 及 时 钟 电 路 。 另 外 ， AT89S52 可 降 至 0Hz 静 态 逻 辑 操作 ， 支 持 2 种 软 件

12、 可 选 择 节 电 模 式 。 空 闲 模 式 下 ， CPU 停 止 工 作 ，允 许 RAM、 定 时 器 /计 数 器 、 串 口 、 中 断 继 续 工 作 。 掉 电 保 护 方 式 下 ，RAM 内 容 被 保 存 ， 振 荡 器 被 冻 结 ， 单 片 机 一 切 工 作 停 止 ， 直 到 下 一 个中 断 或 硬 件 复 位 为 止 。3.1.2 主要特性与 MCS-51 单片机产品兼容8K 字节可在系统中编程 Flash 存储器1000 次擦写周期静 态 操 作 0Hz 33Hz 三 级 加 密 程 序 存 储 器32 个 可 编 程 I/O 线 口3 个 16 位 定

13、时 器 /计 数 器掉 电 中 断 可 唤 醒双 数 据 指 针看 门 狗 定 时 器掉 电 标 识 符全 双 工 UART 串 行 通 道八 个 中 断 源低 功 率 空 闲 和 掉 电 模 式3.1.3 引脚说明图 3.1VCC： 电 源 电 压 输 入 端GND： 电 源 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 /

14、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 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

15、校 验 时 ， P1 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

16、 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 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

17、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 除 了 作 为 普 通 I/O 口 ， 还 有 第 二 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（ T0 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 ）P3.5 T1（ T1 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 ）P3.6 /WR（ 外 部 数 据 存

18、储 器 的 写 选 通 ）P3.7 /RD（ 外 部 数 据 存 储 器 的 读 选 通 ）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 。 89C51 的 P0、 P1、 P2、 P3 口 作 为 输 入 时 都 是 准

19、 双 向 口 。除 了 P1 口 外 P0、 P2、 P3 口 都 还 有 其 他 的 功 能 。RST： 复 位 输 入 端 ， 高 电 平 有 效 。 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： 地 址 锁 存 允 许 /编 程 脉 冲 信 号 端 。 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 低 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

20、 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 ，

21、 置 位 无 效 。PSEN： 外 部 程 序 存 储 器 的 选 通 信 号 ， 低 电 平 有 效 。 在 由 外部 程 序 存 储 器 取 指 期 间 ， 每 个 机 器 周 期 两 次 /PSEN 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： 外 部 程 序 存 储 器 访 问 允 许 。 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 ， /

22、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 。XTAL1、 XTAL2:片 内 振 荡 器 反 相 放 大 器 和 时 钟 发 生 器 的 输入 、 输 出 端 。3.2 ADC08093.2.1 芯片介绍ADC 0809 它 是 CMOS 器 件 ， 不 仅 包 括 一 个 8 位 的 逐 次逼 近 型 的 ADC 部 分 ， 而 且 还 提 供 一 个 8 通 道 的 模 拟 多 路 开 关和 通 道 寻 址 逻 辑 ，

23、 因 而 有 理 由 把 它 作 为 简 单 的 “数 据 采 集系 统 ”。 利 用 它 可 直 接 输 入 8 个 单 端 的 模 拟 信 号 分 时 进 行A/D 转 换 ， 在 多 点 巡 回 检 测 和 过 程 控 制 、 运 动 控 制 中 应 用 十 分 广泛 。 3.2.2 主要特性ADC0809 内 部 带 有 输 出 锁 存 器 ， 可 以 与 AT89S51 单片 机 直 接 相 连 。 初 始 化 时 ， 使 ST 和 OE 信 号 全 为 低 电 平 。 送 要 转 换 的 哪 一 通 道 的 地 址 到 A， B， C 端 口 上 。 在 ST 端 给 出 一 个

24、至 少 有 100ns 宽 的 正 脉 冲 信 号 。 是 否 转 换 完 毕 ， 我 们 根 据 EOC 信 号 来 判 断 。 当 EOC 变 为 高 电 平 时 ， 这 时 给 OE 为 高 电 平 ， 转 换 的数 据 就 输 出 给 单 片 机 了 。3.2.3 引脚说明图 3.2 （1）IN0IN78 路模拟输入，通过 3 根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC 来选通一路。（2）D7D0A/D 转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8 位排列顺序是 D7 为最高位，D0 为最低位。（3）ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号，ADDA 为低

25、位，ADDC 为高位。地址信号与选中通道对应关系如表 11.3 所示。（4）VR(+)、VR(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC 电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。（5）ALE地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C 三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和 START 信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动 A/D 转换。（6）STARTA/D 转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始 A/D 转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。（7）EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在 A/D 转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被 CPU 查询的状态信号，也可作为对 CPU 的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC 也可作为启动信号反馈接到 START 端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。（8）OE输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0808/0809 的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是 CPU 发出的中断请求响应信号。