基于单片机的LED灯光控制器的设计说明Word文件下载.docx
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分为经营性灯会和公益性（非经营性）灯会。
灯会这种特殊的造型和视觉语言，不仅仅用于灯会中观赏，还可以引入其他领域走向发展，进入人们生活的方方面面。
比如：
人居环境、城市美化、亮化的点缀物；
彩灯雕塑，称为灯雕，可以丰富人居环境，城市美化的艺术形式；
还可以用彩灯的制作语言，巧妙结合现代广告、招贴画、海报、商业装修，运用形色生光动，达到更为强烈的视觉效果。
彩灯不仅是过年、节庆活动的需要，它也成为城市建设、美化、亮光工程不可缺少的部分，并且以彩灯的形式，可以短、平、快、不断更新、变化，作为文化的消费，始终遵循一种归律，永远在追求变化，满足人们不断更新的精神文化审美需要。
在今后的彩灯制作和工艺流程上，由于观众品位的提升以及审美要求的不断提高、要求从事彩灯行业的设计师和能工巧匠更加专业化，会自然的形成一种与彩灯产品相关的可持续性发展的，分工更为明细的专业彩灯文化生态，从而保证彩灯的质量。
在国外，微控制系统主要采用单片机作为控制核心。
单片机技术发展至今，掌握最先进技术的仍然是国外的几大公司。
如Intel公司发展的MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8ｘC451、8ｘC452,还包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机[6]。
新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，可连接一些外部接口功能单元如A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）﹑WDT（监视定时器）﹑高速I/O口、计数器的捕获/比较逻辑等。
这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。
Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线——CAN（ControllerAreaNetworkBUS）[7]。
2基本容和技术方案
2.1基本容：
1.采用AT89C52单片机作为主控制器，彩灯控制器包括缺省模式和用户模式，通过键盘可以切换模式，用户模式下可以随意设定亮灯时间和闪烁频率参数，要求每种模式下都能实时的在数码管显示出模式号，时间和频率，合理选择系统方案，简述其工作原理；
2.完成系统硬件设计，画出电路原理图；
3.完成系统软件设计，可采用C语言和汇编语言混合编程；
4.完成LED彩灯控制器的设计与制作，要求初始化后运行在缺省模式下，需要此模式下循环运行四种以上预设的彩灯闪烁方案；
技术方案：
本方案以AT89C52单片机作为主控核心，与键盘、显示等模块组成核心主控制模块。
在主控模块上设有3个按键和1位七段码LED显示器，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其部定时器T0实现一个基本单位时间为1ms的定时中断，根据各种亮灯时间的不同需要，在不同时刻输出灯亮或灯灭的控制信号，然后驱动各种颜色的灯亮或灭。
该方案的优点是系统体积小、功耗小、可靠性高、调节灵活、多功能、多花案、使用灵活方便。
用户模式下可以随意设定亮灯的闪烁频率参数，并且每种模式下都能实现在数码管上显示出模式号。
初始化后运行在缺省模式下，在此模式下可以循环运行9种预设的彩灯闪烁方案。
主程序中默认执行左右来回闪烁，在中断服务程序中，首先读取按键状态，然后延时10ms，再次读取按键状态。
把两次获得的按键状态比较，如果不同，就表示是抖动，退出中断；
否则，就去判断是哪个按键按下。
如果是K1，就执行下一个闪烁方案；
如果是K2，就执行加速；
如果是K3，就执行减速。
采用置标志位的方法，即在主程序中设定两个标志位，一个闪烁模式标志位，一个闪烁速度标志位。
不断的对这两个标志进行查询：
如果模式标志为状态0，就执行方案0，Mode_0；
如果是状态1，就执行方案1，Mode_1，依次类推。
闪烁速度标志默认值为500，对应延时值为500ms。
而在中断服务程序中，只需要进行如下工作：
去抖动，键盘识别，改变标志位。
3统硬件设计
整个系统包括AT89C51主控模块和受控模块，即发光二极管LED。
以下就分别介绍一下这两个模块的主要功能。
3.1主控模块电路设计
主控模块电路见【图1】。
主控模块主要设计器件有AT89C51，1个数码管显示器，3个按钮。
通过软件设计，使单片机P0和P1作为LED驱动信号输出口，P2口与三位按钮相接作为按钮输入口，P3口与二极管LED相接作为显示器的输出口。
图1主控模块硬件图
3.2受控模块电路设计
LED板模块设计主要器件有LED彩灯（红，绿，蓝，黄）、限流电阻。
根据实际应用彩灯长度需要，可将不同数量的LED模块实现级连，组成一个完整的LED彩灯。
考虑到视觉效果，可以将不同颜色的LED混合搭配，即将LED发光管按顺序L0（红）、L1（绿）、L2（蓝）、L3（黄）、L4（红）、L5（绿）、L6（蓝）……依次均匀摆放在一条直线上。
通过软件设计的各种方案，运行起来就会具有很好的动感视觉效果。
3.3主要元器件介绍
3.3.1单片机AT89C51
AT89C51是主控模块的核心控制器，其芯片含4KBROM和128ByteRAM；
系统的振荡周期为12MHz。
AT89C51具有如下特征（Features）：
与IntelMCS-51产品兼容；
部含有4KBEEPROM，可重复擦写1000次；
支持晶振频率从0Hz到24MHz；
部含有128*8bit的RAM；
32位可编程的I/O线；
2个16位的定时/计数器，
6个中断源；
可编程的串行口；
AT89C51有40个引脚，是双列直插式芯片（DIP）[8]，引脚定义及功能见【图2】。
图2AT89C51引脚图
振荡电路
单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机部已集成了振荡器，接18、19号引脚（XTAL1和XTAL2）[9]。
AT89C51使用12MHz晶振，两电容的电容大小均为22pF。
引脚XTAL1和XTAL2见【图3】。
图3晶振电路图4复位电路
3.3.2LED彩灯限流电阻的确定
设计管LED板模块时还需注意彩灯限流电阻的确定。
限流电阻过小会导致彩灯烧坏。
红绿蓝三色灯，它们的额定电流相同，都为20mA，而额定电压有差异，红灯与黄灯为2V，绿灯与蓝灯为2.2V。
所有彩灯的正极都与＋5V工作电源相连接，于是它们的限流电阻可根据如下计算得到：
红灯与黄灯：
R==150
（2）
蓝灯与绿灯：
R==140
（3）
3.3.3数码管结构及工作原理
数码管由七个发光二极管组成，此外，还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。
通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。
数码管中的发光二极管共有两种连接方法：
图7数码管模型及实物图
共阴极接法：
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地,这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。
共阳极接法：
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接＋5V。
这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。
本次设计显示器采用共阳极接法[14]。
为了显示数字或符号，要为显示器提供代码，因为这些代码是为显示字形的，因此称之为字形代码。
七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。
因此提供给显示器的字形代码正好一个字节。
若a、b、c、d、e、f、g、dp8个显示段依次对应一个字节的低位到高位，即D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，则用共阳极数码管显示十六进制数
时所需的字形代码如【表4】所示[15]。
表4共阳极数码管字形代码
字形
共阳极代码
0xC0
6
0x82
C
0xC6
1
0xF9
7
0xF8
D
0xA1
2
0xA4
8
0x80
E
0x86
3
0xB0
9
0x90
F
0x8E
4
0x99
A
0x88
灭
0xFF
5
0x92
B
0x83
4系统调试与仿真分析
4.1硬件选材及电路制作
首先要对整个任务进行分析，基本确定该彩灯控制系统可分为两大模块：
主控模块以及管LED板模块。
然后进一步确定应该采用哪些元器件。
主控模块首选就是由单片机作为主控核心，其成本很低，且功能很完善。
除此以外当然还需要一些按钮、七段码显示器等辅助器件。
在确定完所需何种功能的元器件后，就可以进行实物确定，主要通过上网搜索（比如21中国电子网），以及一些元器件手册。
其要元器件报价较低，且能够实际购买的到。
确定完这些元器件后通过Protel99绘制原理图及印刷板电路图。
其绘制印刷板电路的过程中必须注意元器件的尺寸及布线的合理性，尽可能减小板的体积。
随后就是通过自己动手将这些元器件焊接到印刷板上。
由于指导老师提供了做硬件的实验箱，里面涵括了硬件电路的全部元器件，且都焊接在印刷板上，为做硬件调试省去了诸如选材之类的麻烦。
我只需在实验箱里连线，接通电源，并将实验箱与计算机进行串口通信。
4.2硬件调试
硬件的调试主要是吧电路各种参数调整到符合设计要求。
先排除硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障。
一般原则是先静态后动态。
硬件静态调试主要是检测电路是否有短路、断路、虚焊等，检测芯片引脚焊接是否有错误，数码管段位是否焊接正确单片机的硬件调试和软件调试是分不开的。
经历过好多次失败后才切切实实地体会到：
尽管许多硬件故障是在调试软件时才发现，但通常先要排除系统中明显的硬件故障后才能与软件结合起来调试。
调试方法：
在上电前，首先用万能表、示波器根据硬件图和印刷板电路图仔细检查其连线是否正确。
核对各元器件的型号、规格以及安装的方向是否正确。
其中重点检查电源走线，以避免电源之间短路。
单片机AT89C51是系统的核心，利用万用表检测单片机电源VCC（40脚）是否为+5V、晶振是否正常工作（可用示波器测试，也可以用万用表检测，两引脚电压一般为1.8V～2.3V之间）、复位引脚RST（复位时为高电平，工作时为低电平）。
尤其要注意单片机插座上的电位，由于单片机电源仅5V，因此如果有高电压，联机时会损坏模拟器。
4.3软件仿真结果及分析
完成单片机系统仿真电路图设计后，即可开始仿真运行单片机绑定的程序文件，双击单片机，打开单片机属性窗口（也可以先在单片机上单击右键，再单击左键，或者选中单片机后按下（Ctrl+E组合键），在“ProgramFiles”项中选择对应的HEX文件。
在仿真电路和程序都没有问题时，直接单击Proteus主窗口下的“运行”（Play）按钮，即可仿真运行单片机系统，在运行过程中如果希望观察存、24C0X、温度寄存器、时钟芯片等部数据可在运行时单击“单步”（Step）或“暂停”（Pause）按钮，然后再“调试”（Debug）菜单中打开相应设备。
如果要观察仿真电路中某些位置的电压或波形等，可向电路中添加相应的虚拟仪器，例如，电压表、示波器等。
（一个灯亮从左到右跑）程序及仿真结果：
voidMode_0（void）
{
LEDShow（0x0001<
<
LEDIndex）;
LEDIndex=（LEDIndex+1）%16;
}
图8仿真图
5总结
经过一学期的学习，我对单片机的使用有了不同于以往的认识。
从书本上的理论到现实中的硬件电路制作、软件编制以及软硬件调试，难度大增加。
但是通过这一过程我对单片机的认识更加深刻。
这对我今后从事该方面的学习工作是一个很好的基础。
通过这次的课程设计，让我受益匪浅，让我了解和掌握了一些编程思想和对I/O口的使用和应用的条件的思考，对单片机的各个管脚功能的理解和掌握。
实现了软件和硬件的有效结合，缺一不可。
设计让我把单片机的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论的是实践的基础，实践有能检验理论的正确性，更激发了我对专业知识的渴求，这些对我以后参加工作或者继续学习都会有很大的帮助和影响。
参考文献
[1]伟.单片机C语言程序设计实训100例[M]．：
电子工业，2009．
[2]楼然苗.单片机课程设计指导[M].：
航空航天大学出版,2007．
[3]MuhammadAliMazidi,JaniceGillispieMazidiandRolinD.McKinlay.The8051MicrocontrollerandEmbeddedSystems[M],American:
PrenticeHall,2000．
[4]何政.单片机原理与应用[M]．：
科学技术，1992．
[5]志宗等．89C51单片机控制的可编程霓虹灯控制器[J]．电子技术，1997年第10期．
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