节日彩灯控制器的设计.docx
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节日彩灯控制器的设计
节日彩灯控制器的设计
物理与电子信息学院
单片机与接口技术课程设计报告
设计题目：
节日彩灯控制器的设计
专业：
电子信息工程
班级：
13电子
（1）班
姓名：
韩乐乐、吴旭、杨晓帆
教师评语：
成绩评阅教师日期
节日彩灯控制器的设计
摘要
随着微电子技术的发展，人民的生活水平不断提高，人们对周围环境的美化和照明已不仅限于单调的白炽灯，彩灯已成为时尚的潮流。
彩灯控制器的实用价值在日常生产实践日常生活中的作用也日益突出。
基于各种器件的彩灯也都出现，单片机因其价格低廉，使用方便，控制简单而成为控制彩灯的主要器件。
目前市场上更多用全硬件电路实现，电路结构复杂，结构单一，一旦制成成品就只能按固定模式，不能根据不同场合，不同时段调节亮度时间，模式和闪烁频率等动态参数，而且一些电路存在芯片过多，电路复杂，功率损耗大，亮灯样式单调缺乏可操作性等缺点，设计一种新型彩灯已迫不及待。
近年来，彩灯对于美化、亮化城市有着不可轻视的重要作用。
因此作为城市装饰的彩灯需求量越来越大，对与彩灯的技术和花样也越来越高。
目前市场上各种式样的LED彩灯多半是采用全硬件电路实现，存在电路结构复杂、功能单一等局限性，因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。
本文介绍了一种简易LED彩灯控制系统的软硬件设计过程，以STC-89C52单片机作为主控核心与辅助硬件电路相结合，利用软件实现对LED彩灯进行控制。
本系统具有电路结构简单、操作容易、硬件少、成本低等特点。
关键词：
LED彩灯、AT89C51单片机、彩灯控制器
ABSTRACT
Withthedevelopmentofmicroelectronicstechnology,improvepeople'slivingstandard,peopleonthesurroundingenvironment,landscapingandlightingarenotlimitedtomonotonousincandescentlightshavebecomeafashiontrend.Lanterncontrollerpracticalvalueindailyproductionpracticesindailylifehavebecomeincreasinglyprominentrole.Carnivalisalsobasedonavarietyofdeviceshaveemerged,themicrocontrollerbecauseofitslowprice,easytouse,simpletocontrolyourlightscontrollingthemaindevice.
Moreonthemarketwithallthehardwarecircuit,thecircuitstructureiscomplex,singlestructure,oncethefinishedproductscanonlybeafixedpattern,notaccordingtodifferentoccasions,adjustthebrightnessofdifferenttimeperiods,patternsandblinkingfrequencyofthedynamicparameters,andsomecircuitThechiptoomuch,circuitcomplexity,powerconsumptionlarge,LiangDengstylemonotonouslackofoperationandothershortcomings,designanewtypeoflightscannotwait.
Inrecentyears,thelanternforthelandscaping,lightingthecityhasanimportantroleshouldnotbeunderestimated.Sothecitydecoratedwithlanternsasthegrowingdemandfortechnologyandlanternshavebecomemoresophisticatedandsynchronized.CurrentlyonthemarketavarietyofstyleLEDlanternisthemosthardware-widerealizationoftheexistenceofcomplexcircuitstructure,functionsandotherlimitationsofasingle,itisessentialtothecurrentcontrollertoimprovethelantern.ThispaperintroducesasimplecontrolsystemoftheLEDlanterndesignprocessofhardwareandsoftware,withSTC-89C52single-chipmicrocomputerasthemastercoreandsupportingthecombinationofhardwarecircuitry,usingsoftwarecontroloftheLEDlanterns.Thespecialtiesofthissystemaresimplestructure,easycontrol,lesshardware,lowcost,andsoon.
Keywords:
LEDLantern、AT89C51SCM、Lanterncontroller
1单片机简介..........................................................................................................................6
致谢......................................................................................................16
第1章绪论
彩灯是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品。
彩灯艺术也就是灯的综合性的装饰艺术。
新中国成立后，彩灯艺术得到了更大的发展，特别是随着我国科学技术的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出。
而随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多节日的气氛里可以看到彩色霓虹灯，这种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。
其将电子、建筑、机械、遥控、声学、光导纤维等新技术、新工艺用于彩灯的设计制作，把形、色、光、声、动相结合，思想性、知识性、趣味性、艺术性相统一。
在当今的社会里，彩灯已经成为我们生活的一部分，能给我们带来视觉上的享受还能美化我们的生活。
1单片机简介
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳[1]。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端[1]的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
3单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可„„用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影„„它主要是作为控制部分的核心部件。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
2LED彩灯控制器概述
新型LED彩灯系统包括两大部分，即LED彩灯控制器（89C51主控模块）和LED彩灯管（管内LED板模块）。
彩灯控制器是主控模块，具有按键、显示等功能，并利用89C51的P口输出控制信号；彩灯管是受控模块，上面焊有三色LED彩灯和信号驱动芯片，模块置于LED的透明管内。
该LED彩灯控制器是一种基于STC89C51单片机的彩灯控制器，实现对LED彩灯的控制。
其以STC89C51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。
如果稍微改动控制电路，就可以改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。
3LED彩灯控制技术状况
彩灯控制电路是由单元模块电路组合而成的，主要以STC89C51单片机为控制中心，并与按键控制电路、时钟电路、复位电路在直流稳压电路的相互作用下进而控制彩灯亮灭的顺序，从而实现多控制、多闪烁方式的LED彩灯循环。
4本设计任务
以单片机为核心，设计一个节日彩灯控制器：
P1.2—开始，按此键则灯开始流动（由上而下）。
P1.3—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。
P1.4—上，按此键则灯由上向下流动。
P1.5—下，按此键则灯由下向上流动。
运用STC89C51单片机、发光二极管、电阻、电容、按键等元件组成LED节日彩灯控制电路中的按键控制电路、彩灯显示电路以及单片机最小系统等模块。
并用Proteus等软件仿真，做出其电路仿真图。
第2章总体方案设计与论证
通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。
下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。
1方案比较
彩灯控制器大致可分为两种方案实现。
一种是利用数字逻辑电路装置控制，另一种是采用单片机控制。
1.1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2-1所示。
图2-1方案一的原理框图
1.2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2-2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直流电源组成。
图2-2方案二的原理框图
方案二：
此设计方案中单片机的P1口接4路按键控制电路，实现彩灯花型的切换功能；单片机上的P2口接8路LED发光二极管组成彩灯电路，显示彩灯循环情况。
2方案论证
如果采用方案一，利用数字逻辑电路装置控制，其电路不是很复杂，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。
而采用方案二，以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。
3方案选择
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。
第3章系统硬件设计
为使该LED节日彩灯控制系统具有更加好的方便性和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。
硬件电路包括直流电源电路、单片机最小系统、LED彩灯显示电路、按键控制电路等四大模块。
STC89C51单片机的工作电压范围：
4.0V—5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。
由于时间关系，此处用3节1.5V的干电池供电。
1单片机最小系统设计
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。
单片机最小系统如图3-2所示。
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。
电路如图3-2所示。
图3-2单片机最小系统
2LED彩灯显示电路设计
LED彩灯显示电路实际上是由8个发光二极管和8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P2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。
由于发光二极管的导通电压一般为1.7V以上，另外，他的工作电流根据型号不同一般为1mA到30mA，电阻选择范围100欧姆～3千欧姆在此我们这里选用1000欧姆的电阻。
如图3-3所示。
图3-3LED彩灯显示电路
3按键控制电路设计
按键控制电路是由4个按键开关构成的。
他们分别接在单片机AT89C51的P1接口Key1—Key4接在P1.6—P1.4,为了一对一的控制LED灯的闪烁方式。
当按下开关Key1时,LED彩灯系统闪烁第一种彩灯花型。
当按下开关Key2时,LED灯系统闪烁第二种闪烁方式，以此类推。
如图3-4所示。
图3-4键盘控制电路
第4章系统的软件设计
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彩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彩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彩灯系统是如何实现8个LED彩灯的循环点亮，来介绍实现流水彩灯控制的软件编程方法。
1主程序设计
程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，此程序里面包含Key1-Key4的按键情况判断，循环检测直到有按键按下的时候，程序转去相对应按键的彩灯显示的花型模块，
图4主程序流程图
第5章系统调试与测试结果分析
5.1使用的调试工具及调试环境
1调试工具
本设计调试工具采用电脑、单片机仿真以及5V直流稳压电源。
2调试环境
地点：
3404
室温：
18℃
2系统调试
根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：
硬件调试，软件调试和软硬件联调。
由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试，最后将各模块组合后进行整体测试。
1硬件调试
对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。
通过kill软件烧录下载到硬件中验证功能。
2软件调试
软件调试采用单片机仿真器及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误。
3硬件软件联调
将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。
3测试结果及状态分析
此次系统设计结果较好，经Proteus软件仿真系统的调试，可检测出仿真电路正常；对应按键按下，彩灯出现不同花型，实现了多控制、多闪烁的LED彩灯循环；经以上仿真测试证实，本设计能实现设计系统要求的预期功能。
结论
本次课程设计以STC89C51单片机作为主控核心，按键控制电路、彩灯显示电路以及单片机最小系统等模块组成的核心主控制电路，利用软件编程烧录程序到单片机来实现对LED节日彩灯的控制。
通过软硬件的仿真调试，对彩灯控制器的运行成果感觉比较满意，它实现了我们要求达到的目标，实现了多控制、多闪烁方式的LED节日彩灯循环，并且用快慢两种节拍实现花型交换。
本系统亮灯模式多，可根据操作提示随意变换想要的闪烁方式。
同时本设计具有电路结构简单、易操作、硬件少、体积小、成本低、低能耗等优点，具有一定的实用和参考价值。
但是在设计中也出现了一些问题：
Proteus仿真软件不是很稳定，造成仿真页面奔溃，另外硬件调试程序时出现了延时问题等。
这种都是以后的工作当中需要注意并解决的问题。
参考文献
[1]刘宏.电子工艺实习，华南理工大学出版社，2011.
[2]邓奕.电子线路CAD实用教程，华中科技大学出版社，2013
[3]康华光.电子技术基础.高等教育出版社，2006.
[4]手把手教你学51单片机C语言版，宋雪松，清华大学出版社。
2010
[5]C语言程序设计，谭浩强，清华大学出版社，2010
附录1程序
ORG0000H;程序入口地址
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ORG0013H；中断入口地址
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MAIN:
SETBIT1；设置外部中断1为跳沿触发方式
SETBEX1；允许外部中断1
SETBEA；开启中断总开关
CLRF0；清标志位F0
MOVA,#0FFH；为A赋初值
S0:
MOVP2，A；设置P2为0FFH
JBF0，S1；若F0为1，则跳转S1
RRA；右移A值
SJMPS2；跳转S2
S1：
RLA；左移A值
S2：
LCALLDELA；调用延时
SJMPS0
INT1X:
JNBP1.2，LOOP1；P1.2端口为0.则跳转L
JNBP1.3，LOOP2
JNBP1.4，LOOP1
JNBPI.5，LOOP3
LOOP1：
MOVA,#0FEH；对A进行赋值
SETBFO；对标志位置1
AJMPINT；跳转至INT
LOOP2：
MOVA,#0FFH
AJMPINT
LOOP3：
MOVA,#7FH
CLRF0
AJMPINT
INT:
RETL；中断返回
DELA:
MOVR1,#50；延时子程序
MOVR3，#50
DELA1：
MOVR2，#10
DELA2：
NOP
DJNZR2，DELA2
DJNZR1，DELA1
DJNZR3，DELA1
RET；子程序返回
END；结束
附录2系统仿真电路图
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