單片機控制流水燈

1、單片機控制流水燈前言隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場合可以看到彩色霓虹燈不斷變化閃爍。LED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。但目前市場上各式樣的LED燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，這樣一旦制作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據(jù)不同場合、不同時間段的需要來調(diào)節(jié)亮燈時間、模式、閃爍頻率等動態(tài)參數(shù)。這種彩燈控制器結(jié)構(gòu)往往有芯片過多、電路復(fù)雜、功率損耗大等缺點。此外從功能效果上看，亮燈模式少而且樣式單調(diào)，缺乏用戶可操作性，影響亮燈效果。因此有必要對現(xiàn)有的彩燈控制器進(jìn)行改進(jìn)。流水燈

2、是一串按一定的規(guī)律像流水一樣連續(xù)閃亮。流水燈控制是可編程控制器的一個應(yīng)用，其控制思想在工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域也同樣適用。流水燈控制可用多種方法實現(xiàn)，但對現(xiàn)代可編程控制器而言，利用移位寄存器實現(xiàn)最為便利。通常用左移寄存器實現(xiàn)燈的單方向移動；用雙向移位寄存器實現(xiàn)燈的雙向移動。本案例利用價格低廉的AT89C52系列單片機控制基色LED燈泡從而實現(xiàn)豐富的變化。推薦精選目 錄前言21、 課程設(shè)計的目的和要求61.1 設(shè)計目的61.2 設(shè)計要求62、 設(shè)計方案選擇63、硬件設(shè)計73.1設(shè)計思路73.2 流水燈電路原理圖73.2.1元件清單83.2.2 硬件電路模塊分析83.3 主要元件說明113.3.3 振蕩器

3、特性153.3.4 芯片擦除154、軟件設(shè)計154.1 主程序設(shè)計154.2 程序流程圖185、 使用keil、proteus軟件調(diào)試仿真說明195.1仿真過程195.2仿真結(jié)果196、 結(jié)束語197、參考文獻(xiàn)20推薦精選1、 課程設(shè)計的目的和要求1.1 設(shè)計目的近年來隨著科技的發(fā)展，單片機的應(yīng)用正在不斷走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月異更新，在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，單片機方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象點的軟件結(jié)合，加以完善。流水燈，可以更簡單、方便的使用。通過本課程設(shè)計使學(xué)生進(jìn)一步鞏固單片機原理及應(yīng)用的基本

4、概念、基本理論，分析問題的基本方法，增強系統(tǒng)地運用已學(xué)的理論知識解決實際問題的能力和查閱資料的能力。培養(yǎng)一定的自學(xué)能力和獨立分析問題、解決問題的能力，能通過獨立思考、查閱工具書、參考文獻(xiàn)，尋找解決方案。1.2 設(shè)計要求設(shè)計流水燈的基本要求：設(shè)計一個16個LED燈的流水燈，應(yīng)用AT89C51實驗開發(fā)板的定時器功能實現(xiàn)，電路開啟后LED燈在時鐘信號作用下按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換狀態(tài)。推薦精選2、 設(shè)計方案選擇 根據(jù)設(shè)計的基本要求，要實現(xiàn)其基本要求有兩種設(shè)計方案的選擇，這兩種設(shè)計方案都是基于AT89C51單片機的基礎(chǔ)上設(shè)計的。一種是使用兩片74LS138譯碼器芯片擴展成為4線16線具有16種輸出狀態(tài)，從而可以

5、控制16個LED燈；另一種是直接使用單片機的兩個端口控制，這樣也可以實現(xiàn)控制16個LED燈。比較這兩種設(shè)計方案，我們小組選用了后者。因為這個設(shè)計只是簡單的要求實現(xiàn)16個LED燈循環(huán)點亮的流水功能，不用實現(xiàn)其他的功能，即不需要考慮占用I/O口多的問題；而前者的設(shè)計方案需要外添加兩個74LS138芯片，這樣就增加了硬件電路的復(fù)雜性。3、硬件設(shè)計3.1設(shè)計思路 如果要讓接在P0.0口的LED1亮起來，那么只要把P0.0口的電平變?yōu)榈碗娖骄涂梢粤?；相反，如果要接在P0.0口的LED1熄滅，就要把P0.0口的電平變?yōu)楦唠娖剑煌?，接在P0.1P0.7和P2.0P2.7口的其他15個LED的點亮和熄滅的方

6、法同LED1。因此，要實現(xiàn)流水燈功能，我們只要將發(fā)光二極管LED1LED16依次點亮、熄滅，16只LED燈便會一亮一暗的做流水燈了。在此我們還應(yīng)注意一點，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)以及單片機執(zhí)行每條指令的時間很短，我們在控制二極管亮滅的時候應(yīng)該延時一段時間，否則我們就看不到“流水”效果了。3.2 流水燈電路原理圖推薦精選圖3-1硬件接線圖 利用單片機的P0、P2口高低電平控制LED燈的發(fā)光閃爍，再利用編程實現(xiàn)流水燈的功能。用軟件來實現(xiàn)對LED的控制，實現(xiàn)的軟硬件結(jié)合。每個LED燈接一個限流電阻，來控制流入LED發(fā)光管的電流。復(fù)位電路AT89C51核心部件閃爍系統(tǒng)振蕩系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)方框圖3.2.1元

7、件清單表3-1 元件清單名稱型號個數(shù)AT89C51122pF電容210uF電解電容1220歐姆電阻1610k電阻1晶振11.0592M1發(fā)光二極管16推薦精選連接線若干3.2.2 硬件電路模塊分析（1）核心部件89C51單片機是整個流水燈循環(huán)系統(tǒng)的核心功能的部件，其中內(nèi)部有ROM、有RAM、有并行I/O口等，在51單片機內(nèi)部有一個CPU用來運算、控制，有四個并行I/O口，分別是P0、P1、P2、P3，有ROM，用來存放程序，有RAM，用來存放中間結(jié)果，此外還有定時/計數(shù)器，串行I/O口，中斷系統(tǒng)，以及一個內(nèi)部的時鐘電路。（2）復(fù)位系統(tǒng)電路中C1、R1、VCC等組成復(fù)位電路，它的作用是將單片機內(nèi)

8、部特殊功能寄存器和端口寄存器恢復(fù)到初始狀態(tài)，從內(nèi)部FLASH存儲器的初始狀態(tài)開始執(zhí)行。如圖所示，當(dāng)要對晶片重置時，只要按此開關(guān)就能完成LED和開關(guān)的重置。復(fù)位是單片機的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機的RST管腳為主機提供了一個外部復(fù)位信號輸入口。復(fù)位信號是高電平有效，高電平有效的持續(xù)時間為2個機器周期以上。單片機的復(fù)位方式可由手動復(fù)位方式完成。RST引腳是復(fù)位信號輸入端，復(fù)位信號為高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩周期以上才能完成復(fù)位操作，若使用6MHz晶振，則需持續(xù)4S以上才能完成復(fù)位操作。圖2.10中，在通電瞬間，由于RC

9、的充電過程，在RST端出現(xiàn)一定寬度的正脈沖，只要該正脈沖保持10ms以上，就能使單片機自動復(fù)位推薦精選圖3-2 復(fù)位電路CPU在第二個機器周期內(nèi)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位操作，以后每個機器周期重復(fù)一次，直至RST端電平變低。在單片機復(fù)位期間，AlE和 信號都不產(chǎn)生。復(fù)位操作將對部分專用寄存器產(chǎn)生影響，復(fù)位后，這些內(nèi)部寄存器狀態(tài)如表2-6。表1-2 部分專用寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器 值 寄存器 值 PC 0000H ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPTR 0000H P0P3 0FFH IP XXX00000 IE 0XX00000 TMOD 00H TCON 00H TL0，TL1

10、00H TH0，TH1 00H SCON 00H SBUF 不定 PCON 0XXX0000 上電瞬間由于電容C上無儲能，其端電壓近似為零，RST獲得高電平，隨著電容器C的充電，RST引腳上的高電平將逐漸下降，當(dāng)RST引腳上的電壓小于某一數(shù)值后，單片機就脫離復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)入正常工作模式。只要高電平能保持復(fù)位所需要的時間（約兩個機器周期），單片機就能實現(xiàn)復(fù)位。（3）振蕩系統(tǒng)單片機本身如同一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下，嚴(yán)格地按規(guī)定時序工作。而時鐘電路就用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號。為LED燈循環(huán)系統(tǒng)提供穩(wěn)定頻率波在由多片單片機組成的系統(tǒng)中，為了各單片機

11、之間時鐘信號的同步，引入唯一的外部脈沖信號作為各單片機的振蕩脈沖。這時外部的脈沖信號是經(jīng)單片機89C51的XTAL2引腳注入的；在MCS51單片機片內(nèi)有一個高增益的反相放大器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，推薦精選在芯片的外部通過這兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容C1、C2形成反饋電路，可構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，振蕩頻率范圍通常是1.212MHz。晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機的運行速度也就快。由該放大器構(gòu)成的振蕩電路和時鐘電路一起構(gòu)成了單片機的時鐘方式。如圖所示 圖3-3 振蕩電路 晶體振蕩器的振蕩信號從XTAL2端送入內(nèi)部時鐘電路，它將該振蕩信號二分頻，產(chǎn)

12、生一個兩相時鐘信號A和B供單片機使用。時鐘信號的周期稱為狀態(tài)時間S，它是振蕩周期的2倍，A信號在每個狀態(tài)的前半周期有效，在每個狀態(tài)的后半周期B信號有效。CPU就是以兩相時鐘A和B為基本節(jié)拍協(xié)調(diào)單片機各部分有效工作的。 MCS-51單片機時鐘電路示意圖如圖下圖所示。 MCS-51單片機時鐘振蕩電路示意圖振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖并不直接使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用。振蕩脈沖在片內(nèi)通過一個時鐘發(fā)生電路二分頻后才作為系統(tǒng)的時鐘信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生電路實質(zhì)上是一個二分頻的觸發(fā)器，其輸入來自振蕩器，輸出為二相時鐘信號，即狀態(tài)時鐘信號，其頻率為推薦精選fosc/2；狀態(tài)時鐘三分頻后為ALE信號，其頻率為fos

13、c/6；狀態(tài)時鐘六分頻后為機器周期，其頻率為fosc/12。（4）顯示電路 如圖3-4所示，P0口控制LED燈D1D8的顯示，P2口控制LED燈D10D17的顯示。限流電阻為220歐姆，經(jīng)過的電流大概為15mA。 圖3-4 LED顯示電路3.3 主要元件說明 此電路主要元件是AT89C51單片機，單片機內(nèi)部主要包含下列幾個部件：u 一個8位CPU； u 一個時鐘電路； u 4Kbyte程序存儲器； u 128byte數(shù)據(jù)存儲器； u 兩個16位定時/計數(shù)器； u 64Kbyte擴展總線控制電路； u 四個8-bit并行I/O端口； u 一個可編程串行接口； u 五個中斷源，其中包括兩個優(yōu)先級嵌

14、套中斷。推薦精選AT89C51硬件結(jié)構(gòu)框圖3.3.1主要特性AT89C51是一種低功耗/低電壓、高性能的八位CMOS單片機，片內(nèi)有一個4KB的FLASH可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory），它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MSC51兼容。片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，片內(nèi)的存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程。因此，AT89C51是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，可方便的應(yīng)用于各種控制領(lǐng)

15、域。3.3.2主要引腳功能推薦精選1.電源引腳Vcc和Vss Vcc：電源端，接5V。 Vss：接地端。 通常在Vcc和Vss引腳之間接0.1高頻濾波電容。 2.時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，若使用外部TTL時鐘時，該引腳必須接地。 XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部TTL時鐘時，該引腳為外部時鐘的輸入端。 3.地址鎖存允許ALE 在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用。當(dāng)單片機上電正常工作后，ALE端就周期

16、性地以時鐘頻率的1/6的固定頻率向外輸出正脈沖信號，ALE的負(fù)載能力為8個LSTTL器件。 4.外部程序存儲器讀選通信號 是讀外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。CPU從外部存儲器取指令時，它在每個機器周期中兩次有效。 5.程序存儲器地址允許輸入端 /VPP 當(dāng) 為高電平時，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令，但當(dāng)PC中的值超過0FFFH時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器指令。當(dāng) 為低電平時，CPU只執(zhí)行片外程序存儲器指令。對于8031，由于其無片內(nèi)ROM，故 必須接低電平。 6.復(fù)位信號RST 該信號高電平有效，在輸入端保持兩個機器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。此外，該引腳還有掉電保護(hù)功能，

17、若在該端接5V備用電源，在使用中若Vcc掉電，可保護(hù)片內(nèi)RAM中信息不丟失。 7.輸入/輸出口引腳P0、P1、P2和P3 P0口（P0.0P0.7）：該端口為漏極開路的8位準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力位8高LSTTL負(fù)載，它為8位地址線和8位數(shù)據(jù)線的復(fù)用端口。推薦精選 P1口（P1.0P1.7）：它是一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1口的驅(qū)動能力為4個LSTTL負(fù)載。 P2口（P2.0P2.7）：它為一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P2口的驅(qū)動能力也為4個LSTTL負(fù)載。在訪問外部程序存儲器時，它作存儲器的高8位地址線。 P3口（P3.0P3.7）：P3口同樣是內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙

18、向I/O口，P3口除了作為一般的I/O口使用之外，其還具有特殊功能。3.3.3 振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度3.3.4 芯片擦除AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，

19、禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。推薦精選 4、軟件設(shè)計4.1 主程序設(shè)計 #include #define T 10 /定時器時間 T*50ms void Init_Timer0(void); unsigned char Time； void main(void) int flag = 1;/P0口先開始亮燈 Time=0; P0=0x7f; P2 = 0xff; Init_Timer0();/初始化定時器 while(1) if(flag = 1) /P0口準(zhǔn)備亮燈 if(Time=T)/0.5s移動一次 P0 = 1; P0=P0|0x80; Time=0; if(P0 =

20、0xfe)/到了P0的最后一個燈 1111 1110推薦精選 flag = 0; if(flag = 0)/P2口準(zhǔn)備亮燈 if(Time = T & P0 = 0xfe) P2 = 0x7f;/P2口開始亮燈0111 1111 P0 = 0xff;/P0口不亮燈1111 1111 Time = 0; if(Time = T) P2=1; P2=P2|0x80; Time = 0; if(P2 = 0xfe)/到了P2口的最后一個燈 1111 1110 P1 = 0x00; /調(diào)試代碼 if(Time = T) P0 = 0x7f; P2 = 0xff; flag = 1;/P0口準(zhǔn)備亮燈 T

21、ime = 0; P1 = 0xff; /調(diào)試代碼 continue;/重新循環(huán)； 推薦精選 void Init_Timer0(void) TMOD = 0x01; /選擇工作方式1 TH0 = 0x3C; /設(shè)置初始值,定時50MS TL0 = 0xB0; EA = 1; /打開總中斷 ET0 = 1; /打開定時器0中斷 TR0 = 1; /啟動定時器0 void Timer0() interrupt 1 TH0 = （65536-50000）/256; /設(shè)置初始值 TL0 = （65536-50000）%256; Time+; 此程序中加入了一個P1口用來調(diào)試代碼，這個調(diào)試代碼的主要作用就是為了觀察LED燈循環(huán)點亮后作為明顯的結(jié)束標(biāo)志。在仿真中可以看到LED燈有規(guī)律的一個一個的點亮如此循環(huán)。4.2 程序流程圖推薦精選圖4-1程序流程圖5、 使用keil、proteus軟件調(diào)試仿真說明5.1仿真過程 Proteus仿真時，單片機需要加載程序，加載程序為.HEX文件。本設(shè)計利用Keil Vision4， 在新建Keil項目時選擇AT89C51單片機作為CPU，將C語言源程序?qū)耄凇癘ptions For Target”對話窗口中，選中“Output”選項中的“Create HEX File”，編譯鏈接后就可以生成.HEX文件。在Proteus I