基于单片机的霓虹灯控制器设计.docx
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基于单片机的霓虹灯控制器设计
第1章绪论
1.1选题的背景与意义
霓虹灯是一种冷阴极辉光放电灯，直接将电能转换成光能。
自其问世以来，历经了上百年的发展，现已成为重要的显示、装饰光源。
霓虹灯由于其外形变幻多端、加工灵活、色彩丰富，在广告业、商业、交通、建筑、室内外装饰、舞台布景、家用电器、城市美化等领域发挥了特有的作用。
单片机自问世以来，迄今已有三十多年了，其产品琳琅满目，产家也众多纷纭，功能也是五花八门。
单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。
在许多基于单片机的应用系统中，通过软件编程实现对外部硬件电路的控制。
它给人们的生活带来了很多便利。
因此本文将单片机与芯片结合起来，设计了一款用单片机控制的霓虹灯控制系统，伴随着霓虹灯图像的变化有不同的效果。
流水灯在现代社会就有广泛的应用，大型电子广告牌、霓虹灯、指示牌和工业控制的控制面板等等都有流水灯的应用。
而且基于单片机的流水灯的控制系统利用了单片机的内部资源，如定时器、I/O口和寄存器等，完成了单片机系统开发的基本流程，因此具有典型的代表意义，是学习和开发单片机的基本实验之一。
AT89C52单片机是可多次改写的可编程芯片，用这种芯片构成的系统简单、可靠，性价比相当高，适合成为霓虹灯程序控制器的核心部件,结合锁存器MC74HC373实现的控制器功能，时间常数易修改，使用灵活，电路易实现，成本低，控制芯片更换方便。
控制器的花样变化及速度调节能用软件方法实现，这样进一步提高了性价比。
第2章系统总体设计
2.1方案的选择
本设计要求完成一个霓虹灯控制器，控制发光二极管点阵显示，要求能形成多种图案和字。
实现图案和字的左右移动、暂停、继续移动、跳转到指定字的操作。
本设计是以STC89C52芯片的电路为基础，通过软件程序来控制单片机内部的定时器来控制256×256的矩阵贴片发光二极管的明亮，显示不同的图案花样，形成霓虹灯控制器。
实物以STC89C52为主控芯片，红外遥控模块构成电路，主要包括电源、控制电路、显示电路。
对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可。
该软、硬件系统具有很好的通用性和一定的实际使用价值。
2.2系统总体设计
本设计是基于STC89C52RC单片机为核心器件控制整个系统进行工作的，系统控制框图如图2-1所示。
图2-1控制系统框图
如图2-1所示，本方案具有红外遥控模块、单片机控制模块、显示模块，共三个模块。
此外，通过主控单元电路的扩展，可添加多种附加功能。
单片机控制霓虹灯的设计以单片机STC89C52RC控制为核心，通过红外遥控器发出信号，接收头接收信号，通过单片机的中断处理，对图案的显示进行控制；串口通信是为了帮助STC单片机实现程序的下载；点阵模块有图案显示，也有文字显示，对文字有左右滚动、速度变化、暂停、播放等操作。
根据系统框图，对单元电路控制进行设计。
2.2.1串行输入并行输出74HC595的介绍
74HC595引脚图如图2-2所示：
图2-274HC595引脚图
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
数据在SHcp（移位寄存器时钟输入）的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp（存储器时钟输入）的上升沿输入到存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。
三态。
其真值表表2-1所示。
表2-174HC595功能表（真值表）
输入
输出
功能
SHCP
STCP
OE
MR
DS
Q7’
Qn
×
×
L
↓
×
L
NC
MR为低电平时仅仅影响移位寄存器
×
↑
L
L
×
L
L
空移位寄存器到输出寄存器
×
×
H
L
×
L
Z
清空移位寄存器，并行输出为高阻状态
↑
×
L
H
H
Q6
NC
逻辑高电平移入移位寄存器状态0，包含所有的移位寄存器状态移入
×
↑
L
H
×
NC
Qn’
移位寄存器的内容到达保持寄存器并从并口输出
↑
↑
L
H
×
Q6’
Qn’
移位寄存器内容移入，先前的移位寄存器的内容到达保持寄存器并出
2.2.2LED点阵的介绍
LED显示器件种类繁多,从简单的单个LED到LED光柱显示,字符显示再到大面积的平板显示,应有尽有。
LED之所以受到广泛重视与迅速发展,是与它具有的优点分不开的,这些优点概括起来是:
工作电压低,功耗小,小型化,易与集成电路匹配,驱动简单,寿命长,耐冲击,性能稳定。
近年来,由于半导体材料的制备和工艺逐步成熟和完善,超高亮度R、G、BLED的商品化,全色LED平板显示可以适用于室内外各种目的的应用。
1、逐行扫描原理
LED显示屏两组等距平行排列的电极分别称为行电极（扫描电极Xi）和列电极（信号电极Yj）,行与列电极相互垂直,在交叉点形成发光单元LED。
点矩阵的驱动一般采取逐行扫描方式寻址,这种方式是一次对Xi行上所有的单元点同时进行寻址,在Xi行上单元点被寻址之后,再移向Xi+1行寻址,即扫描电极是从头到尾顺序地选取,而信号电极可同时选取一个或多个以显示需要的图像。
或者说,在某一时刻给某一行电极施加扫描脉冲,其他行电极施加非扫描脉冲,同时所有列电极给出显示或非显示驱动脉冲。
接着把扫描脉冲施加到下一行电极,再给所有列电极施加显示或非显示驱动脉冲。
当扫描频率足够快时,由于人眼的视觉暂留现象,就可以在显示屏上呈现稳定的图像效果。
2、256×256点阵内部结构
256×256单色点阵共需要256个发光二极管组成，且每个二极管是放置在行线与列线的叉点上。
本设计是一种实用的汉字显示屏的制作，制作的是单色点阵。
考虑到元器件的布线的难易程度，直接采用256×256的点阵模块。
对比下面的256×256单色点阵和256×256双色点阵可以看出，其实256×256双色点阵就是两块256×256单色点阵组合在一起的。
要实现用两种颜色显示，只要在电路的设计中适当的连线就可以了。
256×256单色和双色点阵LED结构分别如下图2-3和图2-4所示。
图2-3256×256单色点阵
图2-4256×256双色点阵
第3章硬件设计
3.1硬件选型
3.1.1主控电路的选择与论证
在本设计中，主控电路有三种实现方式。
1、采用89C51单片机作为CPU。
89C51单片机是8位单片机，4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量中断结构，一个全双工串口通信口，片内振荡器及时钟电路。
其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，工具有111条指令，与其他高位单片机相比而言，指令周期较长，运算速度太慢，而且由于其内部总线是8位的，其内部功能模块也基本上都是8位的；89C51单片机本身的电源电压是5伏，89C51有两种低功耗方式：
待机方式和掉电方式。
2、采用LCP2138单片机作为CPU
该芯片其本身自带A/D转换功能，带大容量的32KRAM和512KFLASH,内部资源丰富且系统稳定，芯片价格昂贵。
3、采用STC89C52RC单片机作为CPU
STC89C52RC是一款低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用宏晶公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52RC可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
STC89C52RC主要功能特性如表1所示，其引脚图如图3-1所示。
表3-1STC89C52RC的功能特点
STC89C52RC主要功能特性:
兼容MCS-51指令系统
8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM
32个双向I/O口
4.5-5.5V工作电压
3个16位可编程定时/计数器
时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线
256x8bit内部RAM
2个外部中断源
低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式
3级加密位
看门狗（WDT）电路
软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程
双数据寄存器指针
图3-1STC89C52RC引脚图
STC89C52RC具有如下特点：
40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），片内时钟振荡器，看门狗（WDT）电路。
此外，STC89C52RC设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
由于52单片机的低功耗、高性能、高性价比、对51单片机的良好兼容等优点，本设计选择此方案。
3.1.2显示设备的选择与论证
1、使用65536个贴片发光二极管显示
图3-2贴片发光二极管
贴片发光二极管：
颜色有红、黄、绿、蓝等。
特点：
体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、环保、坚固耐用牢靠、适合量产、反应快、防震、节能、高解析度、耐震、可设计等优点。
但在布线和焊接方面较为复杂。
2、LED电子显示屏
图3-3256*256点阵屏
LED电子显示屏是半导体发光二极管像素点均匀排列组成。
利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色。
而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。
LED显示屏（LEDpanel）：
LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。
图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。
LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。
它的抗静电性能优势超强：
制作环境有着严格的标准还有产品结构的绝缘设计。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
3.1.3控制器模块选择
1、按键控制
图3-4按键开关
用按键控制显示屏图案的切换，简单、方便、经济。
但占用的单片机外围接口较多，并且不能远距离控制。
2、红外遥控控制
远程遥控技术又称为遥控技术，是指实现对被控目标的遥远控制，在工业控制、航空航天、家电领域应用广泛。
红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。
红外线又称红外光波，在电磁波谱中，光波的波长范围为0.01μm~1000μm。
根据波长的不同可分为可见光和不可见光，波长为0.38μm~0.76μm的光波可为可见光，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。
光波为0.01μm~0.38μm的光波为紫外光（线），波长为0.76μm~1000μm的光波为红外光（线）。
红外光按波长范围分为近红外、中红外、远红外、极红外4类。
红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的，波长为0.76μm~1.5μm。
用近红外作为遥控光源，是因为目前红外发射器件（红外发光管）与红外接收器件（光敏二极管、三极管及光电池）的发光与受光峰值波长一般为0.8μm~0.94μm，在近红外光波段内，二者的光谱正好重合，能够很好地匹配，可以获得较高的传输效率及较高的可靠性。
红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。
发射机一般由指令键（或操作杆）、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。
当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。
接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路（机构）等几部分组成。
接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。
指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制（机构）。
由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力，所以，在设计家用电器的红外线遥控器时，不必要像无线电遥控器那样，每套（发射器和接收器）要有不同的遥控频率或编码（否则，就会隔墙控制或干扰邻居的家用电器），所以同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。
这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方便。
由于红外线为不可见光，因此对环境影响很小，再由红外光波动波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。
为实现远距离控制以及减少对单片机IO口的负担，故选择红外遥控方案。
3.2硬件电路设计
3.2.1硬件部分
系统的硬件框图如图3-5所示：
图3-5硬件框图
本设计硬件部分分为四个模块。
（1）单片机最小系统模块，采用经典配置。
（2）为实现程序下载需要串口模块。
（3）为实现图像的显示，由256×256的点阵模块，由点阵模块显示不同的图形。
（4）为实现给单片机供电，需要电源模块。
3.2.2单片机最小系统电路图
单片机最小系统部分电路图如图3-6所示：
图3-6单片机最小系统部分电路图
如图3-6所示，单片机单元模块电路采用上电复位电路，上电复位就是接通电源后，单片机自动实现复位操作。
上电复位电路由C18、S1、R35构成，上电瞬间9脚获得高电平，随着电容C18的充电，9脚的高电平逐渐下降。
9脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就能进行复位操作。
Y4、C19、和C20构成内部时钟振荡电路，C19和C20的作用主要是稳定频率和快速起振容值为5-30pF,典型值为30pF。
为方便与计算机通信晶振的频率选用11.0592MHz。
3.2.4点阵驱动模块单元电路设计
点阵驱动模块单元电路如图3-7所示：
图3-74线-16线译码器电路图
由于单片机的外围接口有限，为了增加单片机的外围接口，故采用74HC595做驱动。
芯片的串行输入端接到单片机P0口的前四位。
由于单片机的P0口没有内置上拉电阻，于是外接上拉排阻。
译码器的使能控制端G1、G2低电平有效，故直接接地。
3.2.5点阵模块单元电路设计
点阵模块单元电路如图3-8所示：
图3-8点阵电路图
图3-9字模提取
如图3-9，字模提取软件能方便地提取出想要的图案和字。
当编辑好想要的图案或输入相应的字后，按一下提取字模按钮，就会在下方提取出代码。
字模提取的顺序还可以通过右上方自行选择。
3.2.6红外遥控模块单元电路设计
图3-10红外遥控器
该遥控器的标准发射距离为8米，配国产1838接收头。
夜晚户外测试，在黑暗环境无任何阻挡物的情况下，遥控有效距离大于8米。
应用时实际距离还完全取决于遥控接收头的灵敏度、电路设计可靠性、中间阻挡物（如隔膜或玻璃或透明材料）以及使用的环境因素。
图3-11遥控器键位码
每个按键都有对应的用户码和键位码，每个遥控板的用户码是固定的，本设计用的遥控器的用户码是00FF。
每个按键的键位码是不同的，按下按键后发射的红外光波也是不同的，单片机接收到不同的键位码，显示不同的图案和字。
发射的一帧码含有一个引导码，16位的用户编码和8位的键数据码、键数据码的反码也同时被传送。
码型结构如下：
图3-12编码方式
引导码由一个9ms的载波波形和4.5ms的关断时间构成，它作为随后发射的码的引，这样当接收系统是由微处理器构成的时候，能更有效地处理码的接收与检测及其它各项控制之间的时序关系。
编码采用脉冲位置调制方式（PPM）。
利用脉冲之间的时间间隔来区分“0”和“1”。
每次8位的码被传送之后，它们的反码也被传送，减少了系统的误码率。
3.2.7红外遥控接收模块单元电路设计
本设计采用IRM38AT，如图3-13所示。
图3-13红外接收头
1、描述：
IRM38AT内含高速PIN光电二极管和全制程前置放大
IC，采用内屏蔽，在红外遥控系统中作为接收器使用。
2、主要特性：
*模块封装，标准外形；*宽工作电压，2.4-6V；*工作距离最远达到30米；*强抗干扰能力；*输出匹配TTL、CMOS电平，低电平有效;*上电短延时（低于1ms）；
3、应用：
家电遥控。
第4章软件设计
4.1系统流程
在主程序下，分别编写了如下子程序：
时钟程序、红外译码程序、图像显示程序、中断程序等。
本设计采用C语言进行编程，相比汇编语言简单、方便，提高编程的速度。
4.1.1主程序设计
图4-1主程序流程图
程序开始后，执行I/O口初始化、中断初始化、定时器初始化，等待中断，接受中断后通过译码，得到相应的按键码，显示对应的图案。
4.1.2单片机I/O口分配
由于本设计需要实现功能较多，所以设计了较多的模块，因此利用了单片机全部32个I/O口中的大部分端口，结合电路原理图，为程序编写的方便，给单片机分配端口如表4-1所示。
表4-1程序中单片机端口分配
P0.0
译码器的输入端A位
P1.7
点阵引脚7
P0.1
译码器的输入端B位
P2.0
点阵引脚8
P0.2
译码器的输入端C位
P2.1
点阵引脚9
P0.3
译码器的输入端D位
P2.2
点阵引脚10
P1.0
点阵引脚0
P2.3
点阵引脚11
P1.1
点阵引脚1
P2.4
点阵引脚12
P1.2
点阵引脚2
P2.5
点阵引脚13
P1.3
点阵引脚3
P2.6
点阵引脚14
P1.4
点阵引脚4
P2.7
点阵引脚15
P1.5
点阵引脚5
P3.2
外部中断
P1.6
点阵引脚6
P3.5
时钟复位
4.2各模块程序
4.2.1红外接收程序设计
图4-2红外接收程序流程图
红外遥控器向红外接收头发射红外波，当红外接收头接收到红外波，产生中断，单片机译码出相应的按键码。
4.2.2显示程序设计
图4-3显示程序流程图
当产生中断时，译码得到红外波的按键码，不同的按键码变换不同的图案。
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