單片機原理及接口技術(shù)課程設(shè)計（論文）霓虹燈控制器

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 單片機原理及接口技術(shù) 課程設(shè)計（論文）題目： 霓 虹 燈 控制器院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 自動化082 學(xué) 號： 0 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 教授 起止時間：11-07-08至11-07-15課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：信息科學(xué)與工程學(xué)院 教研室：自動化學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級自動化082課程設(shè)計（論文）題目霓虹燈控制器設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù) 設(shè)計背景：以某節(jié)日彩燈控制為對象，設(shè)計一個霓虹燈控制。該霓虹燈控制系統(tǒng)組成如下：1、 彩燈由16個不同顏色的發(fā)光二極管組成。2、 能輸出4種花型，并能由按鍵進行花型的選擇與切換。3、 花型變化速度可

2、改變；按+鍵一次，速度略加快一點。按 鍵一次，速度略減慢一點。4、 在顯示器上顯示相應(yīng)的花型號：1、2、3、4。5、 4種花型：10000000，00000001 ； 11000000，00000011 右循環(huán) 左循環(huán) 右循環(huán) 左循環(huán) 10100000，00000101 ； 11110000，00001111 右循環(huán) 左循環(huán) 交替 交替設(shè)計任務(wù)：1、 完成單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計。2、 完成彩燈控制電路設(shè)計。3、 完成按鍵電路的設(shè)計。4、 完成顯示電路的設(shè)計。5、 完成軟件流程圖設(shè)計。指導(dǎo)教師評語及成績成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目 錄第1章 霓虹燈控制器設(shè)計方案.11.1 概述.11.2

3、 霓虹燈控制系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu).1第2章 霓虹燈控制器設(shè)計內(nèi)容.3 2.1 at89c51單片機最小系統(tǒng)設(shè)計.32.2 控制器功能電路設(shè)計.62.3 霓虹燈控制系統(tǒng)硬件電路原理圖設(shè)計.102.4 軟件流程圖設(shè)計.112.5 軟件程序設(shè)計.15第3章 霓虹燈控制器設(shè)計總結(jié).18參考文獻.19第1章 霓虹燈控制器設(shè)計的方案1.1 概述隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。led彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單等特點而得到了廣泛的應(yīng)用，用彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時尚。霓：有時在虹的外側(cè)還能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫內(nèi)紅，與虹相反

4、。 虹：原意也是一種自然現(xiàn)象，就是彩虹，也是七彩的，色序從外至內(nèi)分別為：赤、橙、黃、綠、藍、靛、紫。 霓虹燈：夜間用來吸引顧客，或裝飾夜景的彩色燈，所以用“霓虹”這兩種美麗的東西來作為這種燈的名字。燈光是現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分，對燈光進行多樣化及時精確的控制顯得尤為重要。本次設(shè)計在控制成本的前提下，設(shè)計了一款方便、簡單而且可同時控制16盞燈四種花樣并能由四個按鍵進行花型的選擇與切換的亮燈方式系統(tǒng)，而且花型變化速度可改變，按“+”鍵一次，速度略加快一點。按“”鍵一次，速度略減慢一點。該系統(tǒng)以at89c51為控制核心，采用一個主體查詢程序和四個子程序共同組成的具有四種花樣展示的匯編程序。本課題

5、軟件硬件設(shè)計簡單，穩(wěn)定，可靠，能達到設(shè)計要求，在現(xiàn)代生活中無所不在，有良好的應(yīng)用前景。1.2 霓虹燈控制系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)為完成上述系統(tǒng)功能，選擇和設(shè)計由6個按鍵組成的按鍵電路、時鐘電路、復(fù)位電路、顯示電路組成霓虹燈控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖如圖1.1.1所示：復(fù)位電路時鐘電路按鍵電路單片機led顯示電路霓虹燈控制電路圖1.1 系統(tǒng)總體框圖各部分功能電路的作用：1.復(fù)位電路：防止cpu發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。2.時鐘電路：單片機可以看成是在時鐘驅(qū)動下的時序邏輯電路,單片機在工作過程中,所有工作都是在時鐘信號控制下進行的,每執(zhí)行一條指令,cpu的控制器都要發(fā)出一系列特定

6、的控制信號。基于單片機結(jié)構(gòu)和課題設(shè)計要求，采用12mhz晶振頻率crystal，以及兩個30pf的電容。此電路兩引腳分別接單片機xtal1 ,和xtal2引腳。3.led顯示電路：在顯示器上顯示相應(yīng)的花型號：1、2、3、4。4.霓虹燈控制電路：由16個不同顏色的發(fā)光二極管組成，能輸出4種花型。5.按鍵電路：由按鍵進行花型的選擇與切換。按鍵k1：輸出第一種花型，顯示器上顯示相應(yīng)的花型號：1；按鍵k2：輸出第二種花型，顯示器上顯示相應(yīng)的花型號：2；按鍵k3：輸出第三種花型，顯示器上顯示相應(yīng)的花型號：3；按鍵k4：輸出第四種花型，顯示器上顯示相應(yīng)的花型號：4；按鍵k5：速度略加快一點；按鍵k6：速度

7、略減慢一點。第2章 霓虹燈控制器設(shè)計內(nèi)容2.1 at89c51單片機最小系統(tǒng)設(shè)計1.單片機選擇單片機采用了at89c51，at89c51是一個低電壓，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)內(nèi)含4k字節(jié)flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個i/o口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。at89c51的引腳圖如圖2.1所示。 圖2.1 at89c51的引腳圖at89c51單片機主要性能參數(shù)為：（1）與mcs-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；（2）4k字節(jié)可重擦寫flash閃速存儲器；（3）1000次擦寫周期；（4）全靜態(tài)操作：0hz24hz

8、；（5）三級加密程序存儲器；（6）1288字節(jié)內(nèi)部ram；（7）32個可編程i/o口線；（8）2個16位定時/計數(shù)器；（9）6個中斷源；（10）可編程串行uart通道；（11）低功耗空閑和掉電模式。引腳功能如下：（1）vcc：電源電壓；（2）gnd：地；（3）p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i/o口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸

9、出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。（4）p1口：p1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉倒高電平，此時可做輸入口。做輸入口輸入時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil）。flash編程和程序校驗期間，p1接收低8位地址。（5）p2口：p2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路，對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉倒高電平，此時可做輸入口，做輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引

10、腳被外部信號拉低時會輸入一個電流（iil）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movxdptr指令）時，p2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8為地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行movxr1指令）時，p2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器sfr區(qū)中r2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。flash編程或校驗時，p2亦接受高位地址和其它控制信號。（6）p3口：p3口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p3口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端。作輸入端時，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流（iil

11、）。p3口除了作為一般的i/o口線外，更重要的用途是它的第二功能：p3.0：rxd(串行輸入口)；p3.1：txd(串行輸出口)；p3.2：（外部中斷0）；p3.3：（外部中斷1）；p3.4：t0（定時/計數(shù)器0）；p3.5：t1（定時/計數(shù)器1）；p3.6：（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）；p3.7：（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）p3口還接收一些用于flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。（7）rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。（8）ale/：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖可用于鎖存地址的低八位字節(jié)。即使不訪問外

12、部存儲器，ale仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale脈沖。對flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作。該位置置位后，只有一條movx和movc指令ale才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ale無效。（9）：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)at89c51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次編程脈沖有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部

13、數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號不出現(xiàn)。（10）/vpp：外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部數(shù)據(jù)存儲器（地址為0000hffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被編成，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。flash存儲器編程時，該引腳加上+12v的編程允許電源vpp，當(dāng)然這必須是該器件使用12v編程電壓vpp。（10）xtal1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。（11）xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。2.時鐘電路設(shè)計時鐘電路有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式，這里選用內(nèi)部時鐘方式。時鐘電路如圖2

14、.2所示。圖2.2 時鐘電路基于單片機結(jié)構(gòu)和課題設(shè)計要求，采用12mhz晶振頻率crystal，以及兩個30pf的電容。此電路兩引腳分別接單片機xtal1 ,和xtal2引腳。3.復(fù)位電路設(shè)計單片機在啟動時都需要復(fù)位，以使cpu及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復(fù)位信號是從rst引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果rst引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則cpu就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位電路有手動按鍵復(fù)位、上電復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、按鍵脈沖復(fù)位，這里選用手動按鍵復(fù)位。復(fù)位電路如圖2.3所示。

15、圖2.3 復(fù)位電路復(fù)位電路工作原理：采用10uf電解電容，10k歐電阻以及+5v電源。此電路兩引腳分別接單片機rst和ea引腳。vcc上電時，c充電，在10k電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復(fù)位；幾個毫秒后，c充滿，10k電阻上電流降為0，電壓也為0，使得單片機進入工作狀態(tài)。工作期間，按下s，c放電。s松手，c又充電，在10k電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復(fù)位。幾個毫秒后，單片機進入工作狀態(tài)。2.2 控制器功能電路設(shè)計1.鍵盤電路設(shè)計 按鍵的功能：按鍵k1：輸出第一種花型，顯示器上顯示相應(yīng)的花型號：1；按鍵k2：輸出第二種花型，顯示器上顯示相應(yīng)的花型號：2；按鍵k3：輸出第三種花型，顯示器上顯示相應(yīng)的花

16、型號：3；按鍵k4：輸出第四種花型，顯示器上顯示相應(yīng)的花型號：4；按鍵k5：速度略加快一點；按鍵k6：速度略減慢一點。獨立按鍵設(shè)計圖如圖2.4所示。圖2.4 獨立按鍵設(shè)計圖2. 顯示電路設(shè)計（1）霓虹燈控制電路設(shè)計霓虹燈控制電路的功能：發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。led的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由三部分組成，一部分是p型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是n型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子，中間通常是1至5個周期的量子阱。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子和空

17、穴就會被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是led發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成p-n結(jié)的材料決定的。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。由于具有容易控制、低壓直流驅(qū)動、組合后色彩表現(xiàn)豐富、使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于城市各工程中、大屏幕顯示系統(tǒng)。led可以作為顯示屏，在計算機控制下，顯示色彩變化萬千的視頻和圖片。霓虹燈控制電路如圖2.5所示。圖2.5 霓虹燈控制電路采用+5v電源，16個紅色led二極管作為輸出顯示，且16個led采用共陰接法，高電平控制顯示

18、。此電路16個引腳分別接單片機p0、p1口共16個引腳。（2）led顯示電路設(shè)計led顯示電路如圖2.6所示。圖2. led顯示電路使用串入/并出移位存儲總線寄存器cd4094擴展并行輸出口的接口電路。cd4094 移位存儲總線寄存器:cd4094是帶輸出鎖存和三態(tài)控制的串入/并出高速轉(zhuǎn)換器，具有使用簡單、功耗低、驅(qū)動能力強和控制靈活等優(yōu)點。cd4094的引腳定義如圖2.7所示。圖2. cd4094的引腳圖其中(1)腳為鎖存端，(2)腳為串行數(shù)據(jù)輸入端，(3)腳為串行時鐘端。(1)腳為高電平時，8位并行輸出口q1q8在時鐘的上升沿隨串行輸入而變化；(1)腳為低電平時，輸出鎖定。利用鎖存端可方便

19、地進行片選和級聯(lián)輸出控制。(15)腳為并行輸出狀態(tài)控制端，(15)腳為低電平時，并行輸出端處在高阻狀態(tài)，在用cd4094作顯示輸出時，可使顯示數(shù)碼閃爍。(9)腳qs、(10)腳qs是串行數(shù)據(jù)輸出端，用于級聯(lián)。qs端在第9個串行時鐘的上升沿開始輸出，qs端在第9個串行時鐘的下降沿開始輸出。當(dāng)cd4094電源為5v時，輸出電流大于32ma，灌電流為1 ma。串行時鐘頻率可達25mhz。2.3霓虹燈控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件電路原理圖設(shè)計霓虹燈控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖2.8 所示。圖2.8 霓虹燈控制系統(tǒng)硬件電路圖2.4軟件流程圖設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，進行軟件流程圖設(shè)計。主體程序流程圖如圖2.9所示。

20、開始置p1為輸入鍵按下？ny調(diào)用去抖動程序n鍵按下？y鍵值存入b查鍵號jmpa+dptr功能鍵k1(花型1)處理程序功能鍵k2(花型2)處理程序功能鍵k3(花型3)處理程序功能鍵k4(花型4)處理程序功能鍵k5（加速）處理程序功能鍵k1（減速）處理程序圖2.9 主體程序流程圖按鍵k1（花型1）、k2（花型2）、k3（花型3）程序流程圖如圖2.10所示。開始控制字1送到r0控制字2送到r1r0送到aa左循環(huán)1位a送到p0a送到r0控制字3送到a調(diào)用延時子程序mov r2，#200串行口模式0初始化r1送到aa右循環(huán)1位a送到p2a送到r1a送到sbuf啟動串行輸出結(jié)束控制字：按鍵k1（花型1）:

21、控制字1：01h；控制字2：80h；控制字3：01h；按鍵k2（花型2）:控制字1：03h；控制字2：0c0h；控制字3：02h；按鍵k3（花型3）控制字1：05h；控制字2：0a0h；控制字3：03h；圖2.10 按鍵k1-k3程序流程圖開始控制字1送到r0控制字2送到r1r0送到aa取反a送到p0a送到r0控制字3送到a調(diào)用延時子程序mov r2，#100串行口模式0初始化r1送到aa取反a送到p2a送到r1a送到sbuf啟動串行輸出結(jié)束按鍵k4（花型4）程序流程圖如圖2.11所示。控制字：按鍵k4（花型4）:控制字1：0fh；控制字2：0f0h；控制字3：04h；圖2.11 按鍵k4程序

22、流程圖按鍵k5（加速）、k6（減速）程序流程圖如圖2.12所示。開始sub r2，#50中斷服務(wù)保護現(xiàn)場斷點地址由堆棧彈入pc關(guān)中斷中斷返回開中斷保護現(xiàn)場關(guān)中斷開中斷開始add r2，#50中斷服務(wù)保護現(xiàn)場斷點地址由堆棧彈入pc關(guān)中斷中斷返回開中斷保護現(xiàn)場關(guān)中斷開中斷 按鍵k5（加速） 按鍵k6（減速） 圖2.12 按鍵k5（加速）、k6（減速）程序流程圖2.5軟件程序設(shè)計 org 0000h ljmp start org 0003h ljmp key5 org 0013h ljmp key6 org 0500hstart: mov p1,#0ffh mov a,p1 cpl a jz sta

23、rt jb acc.0, sub0 jb acc.1, sub1 jb acc.2, sub2 jb acc.3, sub3 jb acc.4, sub4 jb acc.5, sub5 jb acc.6, sub6 ljmp start org 0600hsub0: ajmp key0sub1: ajmp key1sub2: ajmp key2sub3: ajmp key3sub4: ajmp key4sub5: ajmp key5sub6: ajmp key6key1: mov scon,#00h clr es mov a,#01h mov sbuf,a mov ro,#01h mov r1

24、,#80hloop1: mov a,ro rl a mov p0,a mov r0,a mov a,ro rr a mov p0,a mov r0,a mov r2,#100 ljmp loop1retkey2: mov scon,#00h clr es mov a,#02h mov sbuf,a mov ro,#03h mov r1,#0c0hloop2: mov a,ro rl a mov p0,a mov r0,a mov a,ro rr a mov p0,a mov r0,a mov r2,#100 ljmp loop2 retkey3: mov scon,#00h clr es mo

25、v a,#03h mov sbuf,a mov ro,#05h mov r1,#0a0hloop3: mov a,ro rl a mov p0,a mov r0,a mov a,ro rr a mov p0,a mov r0,a mov r2,#100 ljmp loop3 retkey4: mov scon,#00h clr es mov a,#04h mov sbuf,a mov ro,#0fh mov r1,#0f0hloop4: mov a,ro swap a mov p0,a mov r0,a mov a,ro swap a mov p0,a mov r0,a mov r2,#100ljmp loop4retkey5: clr eapush accpush dphpush dplsetb eaadd r2，#50clr eapop dplpop dphpop accsetb ear