单片机节日彩灯控制器课程设计报告.docx
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单片机节日彩灯控制器课程设计报告
单片机节日彩灯控制器课程设计报告
单片机原理及接口技术
课程设计报告
单片机节日彩灯控制器设计彩灯控制器
姓名：
学号：
指导教师：
学院：
机电工程学院
专业：
机械设计制造其自动化
完成日期：
2014年6月27日
第1章．绪论----------------------------------------------------1
1.1课题的国内外现状-----------------------------------------1
1.2课题的发展趋势-------------------------------------------1
1.3课题研究的主要内容 -------------------------------------1
第2章.节日彩灯控制器的设计--------------------------------------3
2.1设计目的-------------------------------------------------3
2.2设计要求------------------------------------------------3
2.3总体方案设计与选择的论证--------------------------------3
2.4核心芯片及主要功能介绍----------------------------------4
2.4.1AT89S52芯片----------------------------------------4
2.4.274HC377芯片---------------------------------------7
2.4.374HC138芯片---------------------------------------7
2.5硬件设计--------------------------------------------8
2.5.1直流电源电路----------------------------------------8
2.5.2按键电路-------------------------------------------9
2.5.3时钟复位电路---------------------------------------9
2.5.4LED显示电路----------------------------------------10
2.5.5硬件调试---------------------------------------------10
2.6软件设计-------------------------------------------------10
第3章.总结-----------------------------------------------------15
3.1实验方案设计的可行性、有效性-----------------------------15
3.2设计内容的实用性-----------------------------------------15
3.3实习心得------------------------------------------------15
附录一：
总体电路图----------------------------------------------19
附录二：
元器件清单----------------------------------------------20
参考文献--------------------------------------------------------21
致谢------------------------------------------------------------21
第1章绪论
一：
课题的国内外现状
由于国内生活水平不断提高，人民向往较佳的生活质素，对灯具灯饰也不断提出了新要求，近年内地灯饰市场有以下情况：
功能细分：
人们要求灯具能符合不同场合，不同照光功能的需求日高，因此适用于各种使用要求的灯具逐应运而生，如学生灯、书写灯、应急灯、日光灯、霞光灯、晚餐灯以及不同高度的落地灯等新品叠出。
高技术化：
由于电子技术被广泛用于灯具的制造，适应不同的电压，使可调节亮度的第三代照光灯具多起来。
无频闪灯、3种波长色谱可调灯，放射远红外光灯等具备保护视力功能的灯具也开始推出市场。
多功能化：
符合当前的消费时尚、集多种功能于一体的灯如床头兼作光敏电话自控灯、带八音盒台灯等，是近年另一需求特点。
节能环保：
新推出的高科技无频闪书写灯，光线平稳并可节能源50%，这种灯具很受消费者的欢迎。
环保是灯具生产技术的崭新主题，显示人们对居室生态环境的重视，这亦是未来家居照明的主要发展方向。
国际灯具行业现代化产品设计的潮流是：
减少产品的尺寸，以减少材料的投入；现代社会对产品的开以制造最重要的着眼点是“经济”和“环境保护”。
照明产品最好能体现这一潮流的是紧凑荧光灯，细管径，超细管径直管荧光灯和无汞的射频（RF）或微波（MW）激发的硫灯。
紧凑型荧光灯直径和尺寸，它们的形式多种多样用途也十分广泛。
一般来说，它们有5倍于白炽灯的光效和8倍于白炽灯的寿命。
因此，它们是绿色照明工程的推荐产品，使用紧凑型荧光灯的灯具也日益多见。
二：
课题的发展趋势
彩灯的发展趋势有：
（1）向高效节能方向发展首先是采用节能光源，然后是按照节能光的尺寸、形状，精心设计灯具的光学系统，真正提高灯光的有效利用率。
如在射灯中，选用光色好的高强度气体放电灯，可造成一个光线弥散、均匀柔和的照明环境，且灯具的保护角小、效率高，能较好地显示建筑物结构。
（2）向集成可调化方向发展技术的迅速发展各种集成化装置和电子算机控制系统对灯具和照明系统的应用取得了显著的进步，如应用电子镇流器对灯具及照明系统进行调光、遥控、控制光色。
（3）向多功能小型化发展随着紧凑型光源的发展镇流器等灯用电器配件的超小、超薄、各种新技术、新工艺的不断采用，现代灯具正在向小型、实用和多功能方向发展。
（4）向装配系列化转现代灯具的选型追求简洁明快淘汰了过去一味追求表面华美
的造型及过分装饰的风格。
既强调个性，又强调与背景环境的协调，还注重表现灯具材料的质感。
为了保证照明条件和视觉的舒适感，灯具大都配有各种系列成套的配件选择，以使用户根据需要自我调整。
三：
本文研究的主要内容
彩灯控制是以彩灯为主，从调光灯、触摸灯和延迟灯电子控制器到节能灯、遥控灯和自控方便灯电子控制器的专用设备，种类繁多。
这是一种传统的灯具方式，虽然彩灯成本较低，但由于采用接触式控制彩灯方式显示花样信息，因此，受干扰较大，甚至不会显示信息，目前灯具的设计观念未能与时俱进，零配件质量很差。
工业照明、公共照明等大型高附加值、高档次或新型灯具产品很少。
灯具产品科技含量低、档次不高将在一定程度上削弱了未来我灯具产品的竞争力。
灯具样式缺乏特色， 存在安全隐患。
设计中主要依据彩灯控制电路，电路最大的特点是稳压和整流装置，只顾按键、二极管、按钮及很少的阻容器件便能实现各种花样等自然的变换，并能即按即变，永久保存。
在国外已经得到了广泛地应用，国内的应用正在渗透到传统的家电领域、通信领域、装饰领域及待开发的领域。
在装饰领域方面，采用彩灯控制电路，加强了人机联系，如会显示数字和汉字的大型彩灯组，从而有效的提高审美观念，方便了使用者；更为人们所熟悉。
大至工业领域，小到玩具、彩灯据此本文介绍了用新偏控制的方式，通过单片机AT89S52和地址锁存器做成得彩灯控制器。
因为AT89S52在片内含有Flash存储器，而地址锁存器可将片内信息存于闪烁存储器中，而且有自动变换花样高质量、自然的还原技术。
另外，它内置微控制器串行通信接口，可通过单片机AT89S52实现其所有功能。
要制作彩灯控制器，需要将单片机与彩灯芯片的控制端口进行连接，并对单片机进行编程，使其实现相应的功能；还要将单片机的输出口连接键盘和显示器，使其控制相应的功能并得到显示。
随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。
彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
但目前市场上各式样的彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。
这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。
此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。
因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。
本文提出了一种基于AT89S52单片机的彩灯控制方案，实现对彩灯的控制。
本方案以AT89S52单片机作为主控核心，与键盘、显示、驱动等模块组成核心主控制模块,可以显示不同的花样。
第2章节日彩灯控制器的设计
一：
设计目的
1、了解节日彩灯控制器的工作原理
2、掌握按键输入的消抖处理程序和延时程序的编写
3、掌握独立电源设计方法及原理
4、掌握电路板的实物焊接
二：
设计要求
设计4个按键K1，K2，K3,K4
K1—上，按此键则灯由上向下流动。
K2—下，按此键则灯由下向上流动。
K3—全亮，按此键则灯全亮。
K4—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。
三：
总体方案设计与选择的论证
随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。
LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。
这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。
此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响彩灯效果，因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。
（一）设计方案
彩灯控制器大致可分为两种方案实现。
一种是利用电子电路装置控制，另一种是采用单片机控制。
方案一：
根据设计任务要求介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡电路、计数/时序分配电路、移位位寄存器和彩灯显示五部分组成。
其框图如图1-1所示。
振荡电路
控制电路
译码器
LED显示电路
计数器
图1 彩灯循环控制器硬件框图
方案二：
本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的LED彩灯循环系统的设计，来达到本设计的要求。
其硬件构成框图如图1-2所示，以单片机为核心控制，由单片机最小系统（时钟电路、复位电路、电源）、按键控制电路、LED发光二极管和5V直流电源电路组成。
AT89C51单片机
时钟
电路
复位
电路
按键控制电路
直流5V电源电路
供电
信号
LED
彩灯
图2 单片机彩灯循环控制系统硬件框图
此设计方案中单片机的P1口接5路按键控制电路，实现彩灯花型的切换功能；单片机的P1口引脚接上四个按钮开关以实现对彩灯闪烁频率的控制，即实现了快慢两种节拍实现花型的变换；单片机上的P2口接二十四路LED发光二极管组成彩灯电路，显示彩灯循环情况。
（二） 方案选择
结合设计任务书比较以上两种方案可知：
利用电子电路装置控制，其电路不很复杂，制作相对较容易点，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到设计任务要求或实现困难。
采用单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。
综上，显然方案二各方面优越于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用第二种方案。
四：
核心芯片及主要元件功能介绍
（一）AT89S52芯片
管脚说明：
管脚图如图3所示：
（1）P0口
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，能驱动8个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”时，被定义为高阻输入。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻.
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
（2）P1口
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I
）。
图3单片机89S52管脚图
在Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
部分端口还有第二功能,如表1所示:
端口引脚
第二功能
P1.5
MOSI（用于ISP编程）
P1.6
MISO（用于ISP编程）
P1.7
SCK（用于ISP编程）
表1P1口部分引脚第二功能
（3）P2口
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I
）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据寄存器（例如执行MOVX@Ri指令）时,P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容）,在整个访问期间不改变。
在Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。
（4）P3口
P3口是一个带有内部上拉电阻的双向8位I/O口,P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写“1”时,它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入口使用时,被外部信号拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I
）。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如表2所示:
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3.3
（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
表2P3口引脚第二功能
（5）RST复位输入
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平时间将使单片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
（6）ALE/
:
当访问外部存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部寄存器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
值得注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（
）。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只要一条MOVX和MOVC指令才会激活ALE。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
（7）
：
程序存储允许（
）输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时,每个机器周期两次
有效,即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器时,没有两次有效的
信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需要注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端保持高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程期间，该引脚用于施加+12V编程电压（VPP）。
（8）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入端。
（9）XTAL2：
反向振荡放大器器的输出端。
（二）74HC377芯片
输出接口扩展通常用74HC377芯片来实现。
该芯片是一个带允许端的8D锁存器
（1）芯片的引脚如图4所示
图474HC377引脚图
（2）各相关引脚的功能如下：
◇D0～D7为8位数据输入端；
◇Q0～Q7为8位数据输出端；
◇G为使能控制端；
◇CLK为时钟信号，上升沿锁存数据。
（3）74HC377真值表如下
E
CLK
功能
1
X
保持
X
O
保持
0
上升沿
锁存
表374HC377真值表
（三）74HC138芯片
74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
（1）74HC138引脚
74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0,A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。
74HC138特有3个使能输入端：
两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。
除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。
利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。
任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。
图574HC138引脚图
（2）74HC138的功能如下
74HC138作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的，在数据传输系统高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统的效率。
将快速赋能电路用于高速存贮器时,译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间,这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。
HC138按照三位二进制输入码和赋能输入条件,从8个输出端中译出一个低电平输出。
两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器,扩展成24线译码器不需外接门;扩展成32线译码器,只需要接一个外接倒相器。
在调节器应用中,赋能输入端可用作数据输入端。
（3）74HC138特性
复合使能输入，轻松实现扩展兼容JEDEC标准no.7A存储器芯片译码选择的理想选择低有效互斥输出ESD保护HBMEIA/JESD22-A114-C超过2000VMMEIA/JESD22-A115-A超过200V温度范围-40～+85℃-40～+125℃多路分配功能
五：
硬件设计
（1）直流电源电路
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，
电源电路的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。
电子设备除用电池供电外，还采用市电（交流电网）供电。
通过变压、整流、滤波和稳压后，得到稳定的直流电。
直流稳压电源是电子设备的重要组成部分！
本项目直流稳压电源为+5V。
如下图所示：
直流稳压电源的制作一般有3种制作形式，分别是分立元件构成的稳压电源
线性集成稳压电源和开关稳压电源。
下图稳压电源采用的是三端集成稳压器7805构成的正5V直流电源。
图6三端集成稳压器7805构成的正5V直流电源。
（2）按键电路
按键控制电路（如图8所示）是由4个按键开关构成的。
他们分别接在单片机AT89S52的P1接口
K1—上，按此键则灯由上向下流动。
K2—下，按此键则灯由下向上流动。
K3—全亮，按此键则灯全亮。
K4—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。
图7按键电路
（3）时钟复位电路
要使单片机工作起来，最基本的电路的构成由单片机、时钟电路、复位电路等组成
时钟电路：
本系统采用单片机内部方式产生时钟信号，用于外接一个12MHz石英晶体振荡器和2个30pF微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。
复位电路：
确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。
单片机系统的复位方式有上电自动复位和手动按键复位。
本设计采用手动按键复位，该复位方式同样具有上电自动复位功能。
电路如下图所示。
图8时钟复位电路
（4）LED显示电路
LED彩灯显示电路（如图所示）实际上是由24个发光二极管和24个电阻构成的电路。
发光二极管与电阻对应串联,然后接在与之相对应的74HC377口上。
通过软件编程对P2口输出高低电平来实现不同的闪烁花型。
（5）硬件调试
（1）调试：
根据原理图将应该焊接好，用AltiumDesigner6.9软件下载Keil生成的HEX文件到单片机中，再给单片机上电，程序开始运行。
（2）故障及解决：
完成硬件焊接后，接上电程序并不能下载到单片机中，对比原理图的连线，一步一步检查，最终找到故障所在，74HC138使能端未接地/高电平，74HC377未接地，这些问题解决后在老师那可以烧进去程序，但是回到自己那后还是烧不进去程序，再次查询电路时发现，单片机接地端未接地，单片机的31管脚接地了，实际上应该接+5V，这些问题浪费了很长时间，所以在做设计时一定要认真仔细，故障排除后能够正常运行。
六：
软件设计
单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能看到多控制、多闪烁方式的LED灯系统循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么样进行控制，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的明灭。
软件编程是多控制、多闪烁方式的LED灯系统中的一个重要的组成部分，是本设计的重点和难点。
下面,我将阐述多控制、多闪烁方式的LED灯系统是如何实现24个LED灯的循环点亮，来介绍实现流水灯控制的软件编程方法。
本设计是以单片机AT89S52为核心控制24个发光二极管4种闪烁方式的变换。
K1—上，按此键则灯由上向下流动。
K2—下，按此键则灯由下向上流动。
K3—全亮，按此键则灯全亮。
K4—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。
流程图如下：
判断有无按键按下
Y
N
开始
当K1—K4有键按下时
调用延时程序
调用彩灯循环程序
图9 主程序流程图
程序如下：
K1EQUP1.0
K2EQUP1.1
K3EQUP1.2
K4EQUP1.3
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0030H
MAIN:
MOVR2,#49H
MOVR3,#92H
MOVR4,#24H
CLRC
L:
JNBK1,LOOP
JNBK2,LOOP1
JNBK3,LOOP2
JNBK4,G1
MOVDPTR,#5FFFH
MOVA,#00H
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