單片機(jī)控制流水燈課件

1、單片機(jī)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(chǎng)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(jià)以及控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，用彩燈來(lái)裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時(shí)尚。但目前市場(chǎng)上各式樣的LED燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實(shí)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(chǎng)合、不同時(shí)間段的需要來(lái)調(diào)節(jié)亮燈時(shí)間、模式、閃爍頻率等動(dòng)態(tài)參數(shù)。這種彩燈控制器結(jié)構(gòu)往往有芯片過(guò)多、電路復(fù)雜、功率損耗大等缺點(diǎn)。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(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)，但對(duì)現(xiàn)代可編程控制器而言，利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)最為便利。通常用左移寄存器實(shí)現(xiàn)燈的單方向移動(dòng)；用雙向移位寄存器實(shí)現(xiàn)燈的雙向移動(dòng)。本案例利用價(jià)格低廉的AT89C52系列單片機(jī)控制基色LED燈泡從而實(shí)現(xiàn)豐富的變化。目 錄前言21、 課程設(shè)計(jì)的目的和要求61.1 設(shè)計(jì)目的61.2 設(shè)計(jì)要求62、 設(shè)計(jì)方案選擇63、硬件設(shè)計(jì)73.1 設(shè)計(jì)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(shuō)明113

3、.3.3 振蕩器特性153.3.4 芯片擦除154、軟件設(shè)計(jì)154.1 主程序設(shè)計(jì)154.2 程序流程圖185、 使用keil、proteus軟件調(diào)試仿真說(shuō)明195.1仿真過(guò)程195.2仿真結(jié)果196、 結(jié)束語(yǔ)197、參考文獻(xiàn)201、 課程設(shè)計(jì)的目的和要求1.1 設(shè)計(jì)目的近年來(lái)隨著科技的發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月異更新，在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來(lái)使用，單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象點(diǎn)的軟件結(jié)合，加以完善。流水燈，可以更簡(jiǎn)單、方便的使用。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)使學(xué)生進(jìn)一步鞏固單片機(jī)原理及應(yīng)

4、用的基本概念、基本理論，分析問(wèn)題的基本方法，增強(qiáng)系統(tǒng)地運(yùn)用已學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)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(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，能通過(guò)獨(dú)立思考、查閱工具書、參考文獻(xiàn)，尋找解決方案。1.2 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)流水燈的基本要求：設(shè)計(jì)一個(gè)16個(gè)LED燈的流水燈，應(yīng)用AT89C51實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板的定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)，電路開(kāi)啟后LED燈在時(shí)鐘信號(hào)作用下按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換狀態(tài)。2、 設(shè)計(jì)方案選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)的基本要求，要實(shí)現(xiàn)其基本要求有兩種設(shè)計(jì)方案的選擇，這兩種設(shè)計(jì)方案都是基于AT89C51單片機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。一種是使用兩片74LS138譯碼器芯片擴(kuò)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(gè)LED燈；另一種是直接使用單片機(jī)的兩個(gè)端口控制，這樣也可以實(shí)現(xiàn)控制16個(gè)LED燈。比較這兩種設(shè)計(jì)方案，我們小組選用了后者。因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)只是簡(jiǎn)單的要求實(shí)現(xiàn)16個(gè)LED燈循環(huán)點(diǎn)亮的流水功能，不用實(shí)現(xiàn)其他的功能，即不需要考慮占用I/O口多的問(wèn)題；而前者的設(shè)計(jì)方案需要外添加兩個(gè)74LS138芯片，這樣就增加了硬件電路的復(fù)雜性。3、硬件設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)思路  如果要讓接在P0.0口的LED1亮起來(lái)，那么只要把P0.0口的電平變?yōu)榈碗娖骄涂梢粤耍幌喾?，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

6、個(gè)LED的點(diǎn)亮和熄滅的方法同LED1。因此，要實(shí)現(xiàn)流水燈功能，我們只要將發(fā)光二極管LED1LED16依次點(diǎn)亮、熄滅，16只LED燈便會(huì)一亮一暗的做流水燈了。在此我們還應(yīng)注意一點(diǎn)，由于人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)以及單片機(jī)執(zhí)行每條指令的時(shí)間很短，我們?cè)诳刂贫O管亮滅的時(shí)候應(yīng)該延時(shí)一段時(shí)間，否則我們就看不到“流水”效果了。3.2 流水燈電路原理圖圖3-1硬件接線圖 利用單片機(jī)的P0、P2口高低電平控制LED燈的發(fā)光閃爍，再利用編程實(shí)現(xiàn)流水燈的功能。用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的控制，實(shí)現(xiàn)的軟硬件結(jié)合。每個(gè)LED燈接一個(gè)限流電阻，來(lái)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

7、框圖3.2.1元件清單表3-1 元件清單名稱型號(hào)個(gè)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(jī)是整個(gè)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(jī)內(nèi)部有一個(gè)CPU用來(lái)運(yùn)算、控制，有四個(gè)并行I/O口，分別是P0、P1、P2、P3，有ROM，用來(lái)存放程序，有RAM，用來(lái)存放中間結(jié)果，此外還有定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行I/O口，中斷系統(tǒng)，以及一個(gè)內(nèi)部的時(shí)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

8、單片機(jī)內(nèi)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(chǔ)器的初始狀態(tài)開(kāi)始執(zhí)行。如圖所示，當(dāng)要對(duì)晶片重置時(shí)，只要按此開(kāi)關(guān)就能完成LED和開(kāi)關(guān)的重置。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。單片機(jī)的RST管腳為主機(jī)提供了一個(gè)外部復(fù)位信號(hào)輸入口。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，高電平有效的持續(xù)時(shí)間為2個(gè)機(jī)器周期以上。單片機(jī)的復(fù)位方式可由手動(dòng)復(fù)位方式完成。RST引腳是復(fù)位信號(hào)輸入端，復(fù)位信號(hào)為高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)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，

9、由于RC的充電過(guò)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(jī)自動(dòng)復(fù)位圖3-2 復(fù)位電路CPU在第二個(gè)機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位操作，以后每個(gè)機(jī)器周期重復(fù)一次，直至RST端電平變低。在單片機(jī)復(fù)位期間，AlE和 信號(hào)都不產(chǎn)生。復(fù)位操作將對(duì)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(wú)儲(chǔ)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(jī)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(shí)間（約兩個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)復(fù)位。（3）振蕩系統(tǒng)單片機(jī)本身如同一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下，嚴(yán)格地按規(guī)定時(shí)序工作。而時(shí)鐘電路就用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)。為L(zhǎng)ED燈循環(huán)系統(tǒng)提供穩(wěn)定頻率波在由多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，為了各單片機(jī)

11、之間時(shí)鐘信號(hào)的同步，引入唯一的外部脈沖信號(hào)作為各單片機(jī)的振蕩脈沖。這時(shí)外部的脈沖信號(hào)是經(jīng)單片機(jī)89C51的XTAL2引腳注入的；在MCS51單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)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，在芯片的外部通過(guò)這兩個(gè)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(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就快。由該放大器構(gòu)成的振蕩電路和時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。如圖所示 圖3-3 振蕩電路   晶體振蕩器的振蕩信號(hào)從XTAL2端送入內(nèi)部時(shí)鐘電路，它將該振

12、蕩信號(hào)二分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘信號(hào)A和B供單片機(jī)使用。時(shí)鐘信號(hào)的周期稱為狀態(tài)時(shí)間S，它是振蕩周期的2倍，A信號(hào)在每個(gè)狀態(tài)的前半周期有效，在每個(gè)狀態(tài)的后半周期B信號(hào)有效。CPU就是以兩相時(shí)鐘A和B為基本節(jié)拍協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分有效工作的。 MCS-51單片機(jī)時(shí)鐘電路示意圖如圖下圖所示。 MCS-51單片機(jī)時(shí)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(guò)一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生電路二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二分頻的觸發(fā)器，其輸入來(lái)自振蕩器，輸出為二相時(shí)鐘信號(hào)，即狀態(tài)時(shí)鐘信號(hào)，其頻率為fosc/2；狀態(tài)時(shí)鐘三分頻后為ALE信號(hào)，其頻率

13、為fosc/6；狀態(tài)時(shí)鐘六分頻后為機(jī)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(guò)的電流大概為15mA。 圖3-4 LED顯示電路3.3 主要元件說(shuō)明 此電路主要元件是AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部主要包含下列幾個(gè)部件：u       一個(gè)8位CPU； u       一個(gè)時(shí)鐘電路； u      

14、4Kbyte程序存儲(chǔ)器； u       128byte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； u       兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器； u       64Kbyte擴(kuò)展總線控制電路； u       四個(gè)8-bit并行I/O端口； u       一個(gè)可編程串行接口； u    &

15、#160;  五個(gè)中斷源，其中包括兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷。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(jī)，片內(nèi)有一個(gè)4KB的FLASH可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)單元，片內(nèi)的存儲(chǔ)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(chǔ)器編程。因此，AT89C51是一種功能強(qiáng)、靈活

16、性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便的應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。3.3.2主要引腳功能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(shí)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(shí)鐘時(shí)，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(shí)鐘時(shí)，該引腳為外部時(shí)鐘的輸入端。 3.地址鎖存允許ALE 在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用

17、。當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，ALE端就周期性地以時(shí)鐘頻率的1/6的固定頻率向外輸出正脈沖信號(hào)，ALE的負(fù)載能力為8個(gè)LSTTL器件。 4.外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) 是讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，低電平有效。CPU從外部存儲(chǔ)器取指令時(shí)，它在每個(gè)機(jī)器周期中兩次有效。 5.程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端 /VPP 當(dāng) 為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng)PC中的值超過(guò)0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。當(dāng) 為低電平時(shí)，CPU只執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。對(duì)于8031，由于其無(wú)片內(nèi)ROM，故 必須接低電平。 6.復(fù)位信號(hào)RST 該信號(hào)高電平有效，在輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成

18、復(fù)位操作。此外，該引腳還有掉電保護(hù)功能，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(kāi)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。 P1口（P1.0P1.7）：它是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1口的驅(qū)動(dòng)能力為4個(gè)LSTTL負(fù)載。 P2口（P2.0P2.7）：它為一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P2口的驅(qū)動(dòng)能力也為4個(gè)LSTTL負(fù)載。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它作存儲(chǔ)器的高8位地址線。 P3口（P3.0P3.7）：P3

19、口同樣是內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，

20、保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 4、軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì) #include<reg51.h> #define T 10 /定時(shí)器時(shí)間 T*50ms void Init_Timer0(void); unsigned char Time； void main(void) int flag = 1;/P0口先開(kāi)始亮燈 Time=0; P0=0x7f; P2 = 0xff; Init_Timer0();/初始化定時(shí)器 while(1) if(flag = 1) /P0口準(zhǔn)備亮燈 if(Time=T)/0.5s移動(dòng)一次 P0 >&g

21、t;= 1; P0=P0|0x80; Time=0; if(P0 = 0xfe)/到了P0的最后一個(gè)燈 1111 1110 flag = 0; if(flag = 0)/P2口準(zhǔn)備亮燈 if(Time = T && P0 = 0xfe) P2 = 0x7f;/P2口開(kāi)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(gè)燈 1111 1110 P1 = 0x00; /調(diào)試代碼 if(Tim

22、e = T) P0 = 0x7f; P2 = 0xff; flag = 1;/P0口準(zhǔn)備亮燈 Time = 0; P1 = 0xff; /調(diào)試代碼 continue;/重新循環(huán)； void Init_Timer0(void) TMOD = 0x01; /選擇工作方式1 TH0 = 0x3C; /設(shè)置初始值,定時(shí)50MS TL0 = 0xB0; EA = 1; /打開(kāi)總中斷 ET0 = 1; /打開(kāi)定時(shí)器0中斷 TR0 = 1; /啟動(dòng)定時(shí)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(gè)P1口用來(lái)調(diào)試代碼，這個(gè)調(diào)試代碼的主要作用就是為了觀察LED燈循環(huán)點(diǎn)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(gè)一個(gè)的點(diǎn)亮如此循環(huán)。4.2 程序流程圖圖4-1程序流程圖5、 使用keil、proteus軟件調(diào)試仿真說(shuō)明5.1仿真過(guò)程 Proteus仿真時(shí)，單片機(jī)需要加載程序，加載程序?yàn)?HEX文件。本設(shè)計(jì)利用Keil Vision4， 在新建Keil項(xiàng)目時(shí)選擇AT89C51單片機(jī)作為CPU，將C語(yǔ)言源程序?qū)?，在“Options For Target