基于单片机喷泉控制电路的设计与仿真毕设论文Word下载.docx
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1.2综述国内外有关本选题的研究动态
近年来随着我国科技、经济、社会的发展，城市道路、广场绿化的建设、水晶工程在各地得到迅猛发展，音乐喷泉的开发与研制工作蒸蒸日上，以往的城市建筑、水晶园林、艺术小品中常见的溪流、假山、瀑布等，已经不能满足人们的需求。
社会的发展和科技的进步，人们的物质、精神生活的质量都在不断提高，因此音乐喷泉的兴起并不是偶然，其不仅能给人精神的享受，艺术的熏陶，而且它也并不局限在户外的广场和公园的湖泊，它可以应用于室内厅堂，甚至一般家庭生活环境，人们一方面追求新奇多变和快节奏，另一方面则追求回归大自然。
因此以高新技术为主的各种新型水景工程：
现代雕塑、音乐喷泉、激光水幕电影、超高喷泉、超大瀑布、百米跑泉、跳跳泉等，都在我国相继出现，产品也走向了市场。
我国喷泉技术的发展，可以说是形势好、速度快、前景乐观，在这个领域有巨大的潜力和市场。
1.3本论文的主要内容
（1）系统设计与论证
（2）系统硬件电路设计
（3）遥控控制电路的设计
（4）系统软件设计
1.4系统论正与设计
1.4.1设计任务及要求
设计并制作一个以AT89S52单片机作主控制的喷泉控制电路，并通过按键与无线遥控进行控制，系统实现的功能及要求如下：
（1）用发光二极管来代替成喷泉的喷泉头，发光二极管亮表示喷泉喷的状态，反之为停止状态。
（2）用AT89S52单片机作主控制，运行YJ1602LCD显示、按键控制、遥控控制的程序代码。
（3）通过四个按键实现至少四组不同花样要求的喷泉控制电路，转换稳定，操作简便。
（4）所实现的几组花样控制电路可以手动切换，也可以自动切换，切换成通过四键遥控来控制，能在100米内进行控制。
1.4.2方案比较、选择与论证
1）主控制模块
方案一：
采用PLC控制器。
虽然它是集成了单片机的控制器，而且也是模仿原继电器控制原理发展的，可以适应各种恶劣的环境，目前广泛代替了传统的继电器控制方式，在工业生产上应用广泛，作为喷泉的控制器而言，设计简单，灵活，控制方便可靠，但价格高，体积相对较大，不适宜用在研究开发过程中。
方案二：
采用51系列单片机。
喷泉的控制系统可采用可编程序控制器PLC作为控制核心，也可采用工控机作控制核心。
但是对于小型音乐喷泉最适合的应是单片机作为控制核心。
适合于一般城市小广场和普通住宅小区的小型音乐喷泉，由于其控制要求简单，使用单片机完全可以满足要求。
其最大特点是内部8KBFlashROM，而且价格低廉。
用FlashROM在开发过程中十分容易对程序进行修改，大大缩短系统开发周期。
而且因其也可实现自动控制功能，并成本低、体积小，更易于普及，是未来音乐喷泉的发展趋势。
综上所述决定采用方案二。
2）驱动方式
直接采用功率管驱动。
在大型广场或景区的喷泉控制系统中，应用单片机控制原理，通过可控硅作为功率开关元件，完成对潜水泵间歇工作的控制，可实现各种花样的喷水，但是这种控制系统在实践中存在以下缺点：
由于可控硅承受过电压、过电流的能力差，因而不能长时间运行；
需要配置较多的保护电路；
程序的增减、修改和运行监视不灵活；
抗干扰能力差；
功率因数较低等。
采用固态继电器驱动。
它利用电子元器件的电，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单向可控硅和双向可控硅等器件的开
关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。
而且寿命高、灵敏度高、控制功率小，可以快速进行转换，电磁干扰小。
正因为其控制功率小，对其驱动功率低，基本上跟驱动一个发光二极管一样，所以在这里用发光二极管来代替固态继电器。
为了为了充分利用单片机已有资源，尽可能简化硬件电路，这里采用线选法扩展I／O口来扩展输出寄存器74HC573。
2技术基础
2.1喷泉控制电路的结构
图2-1喷泉控制电路的总体设计方框图
2.2喷泉控制电路的工作原理
系统由按键控制，利用单片机管脚输出电平来和所选择的输出寄存器实现发光二极管的亮与灭，与普通二极管一样，发光二极管也是由半导体材料制成的，也具有单向导电的性质，即只有接对极性才能发光。
通过按键来选择发光二极管的亮灭方式，从而把它看作是喷泉的喷水方式，每次按键代表一种喷水方式，至于亮灭方式可以通过编程进行任意修改。
当切换键按下时，控制方式由系统本身的键盘转换到四键遥控来控制，这样对系统可以远距离的操作。
同时，系统每检测到有键按下，就会通过LCD1602反映信息的变化，即将随之进行的喷水方式通过信息显示出来。
当自动键按下时，系统就会自动运行预先设好的一组或几组喷水方式。
这样使得喷泉的控制更加人性化了。
3系统的硬件设计
3.1主控电路的设计
控制核心芯片采用ATMEL公司的89系列单机AT89S52，是一个低功耗，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ATMEL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AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
如图3.1，由复位电路、晶振及ISP下载线接口电路组成（ISP在线下载便于程序更新，有利于系统的维护，ISP下载线配合KEILC51软件能很方便把程序下载到52单片机）。
完成情况：
……。
所得收获：
图3.1单片机复位、晶振、ISP下载接口电路
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
如图3.2为51系列单片机的引脚结构图。
图3.2单片机引脚结构图
VCC：
电源
GND：
接地
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
P1引脚的第二功能
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在系统编程用）
P1.6MISO（在系统编程用）
P1.7SCK（在系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
P3引脚的第二功能
P3.0RXD（串行输入）
P3.1TXD（串行输出）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.3INT0（外部中断0）
P3.4T0（定时器0外部输入）
P3.5T1（定时器1外部输入）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器写选通）
RST:
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN：
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP：
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
3.2输出寄存器74HC573与发光二极管组成的模拟喷泉电路
为了更多更好地利用单片机的资源，系统采用片选法扩展I/O口来控制更多的发光二极管，这里就运用了74HC573来扩展了。
如图3.3所示。
图3.374HC573与发光二极管组成的模拟喷泉电路
（1）74HC573
74HC573为八进制3态非反转透明锁存器，是高性能硅门CMOS器件，跟LS/AL573的管脚一样。
器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；
加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。
具有高阻态，即输出既不是高电平，也不是低电平，在这种状态下，可以多个芯片并联输出；
具有数据锁存功能，当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持；
具有数据缓冲，能加强驱动能力。
当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。
当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上操作电压范围：
2.0V~6.0V。
管脚分布如图3.4所示：
图3.474HC573引脚图
这个器件带有保护电路，以免被高的静态电压或电场损坏。
然而，对于高阻抗电路，必须要采取预防以免工作在任何高于最大值范围的条件下工作。
VIN和VOUT应该被约束在GND≤（VIN或VOUT）≤VCC。
不用的输入管腿必须连接总是连接到一个适合的逻辑电压电平（也就是GND或者VCC）。
不用的输出管腿必须悬空。
真值表如下：
表3.174HC573真值表
Dn
LE
OE
On
H
L
X
Q0
Z
OE：
output_enable，输出使能；
LE：
latch_enabl，数据锁存使能，latch是锁存的意思；
Dn：
第n路输入数据；
On：
第n路输出数据。
表中的值表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。
当OE＝1是，无论Dn、LE为何，输出端为高阻态；
当OE＝0、LE＝0时，输出端保持不变；
当OE＝0、LE＝1时，输出端数据等于输入端数据。
（2）发光二极管
发光二极管简称为LED。
由镓（GA）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；
常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
结构如图3.5所示：
图3.5发光二级管实物图
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
限流电阻R可用下式计算：
R＝（E－UF）／IF
式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。
发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。
有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。
与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：
工作电压很低（有的仅一点几伏）；
工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；
抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；
通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。
由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。
把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
3.3图表1错误！
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键盘模块
键盘模块设置了四个按键：
KEY1、KEY2、KEY3、KEY4。
其中用KEY1来控制喷泉喷水的花样；
用KEY2来控制喷水花样的切换；
KEY3键来控制喷泉控制电路自动运行喷水花样；
KEY4键用来切换遥控功能。
如图3.6所示：
电路连接如图所示。
四个上拉电阻可以保证在没有按键输入时，进入单片机四个I/O口的按键状态均为高电平，防止干扰产生；
当有按键按下时，相应的口线被拉低。
2.4LCD1602显示电路
本控制电路运用LCD1602显示每种方式运行的状态，让人随时都清楚明了地知道喷泉的情况。
显示原理如图3.7所示：
图3.71602原理图系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。
LCD1602可以显示2行16个字符，具有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、E三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光设置。
管脚功能如下表：
表3.2LCD1602引脚功能表
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为地电源
第2脚：
VDD接5V正电源
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
要其显示首先就得对其进行数据指针设置，然后读数据和写数据，在这之前还得对液晶进行初始化设置，让数据指针和所有显示都清零。
读操作和写操作要严格按照其时序图来进行，以下是读操作时序图和写操作时序图：
4遥控电路的设计
4.1PT2262/PT2272无线模块工作原理
PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编/解码电路，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别最常用的芯片之一。
PT2262/2272最多可有12位（A0-A11）三态（悬空,接高电平,接低电平）地址设定管脚,任意组合可提供531441个地址码。
PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚（Dout）串行输出，可用于无线遥控发射电路。
图4.1PT2262和PT2272的引脚排列图
PT2262和PT2272的引脚排列见图2。
对于编码器PT2262，A0～A5共6根线为地址线，而A6～A11共6根线可以作为地址线，也可以作为数据线，这要取决于所配合使用的解码器。
若解码器没有数据线，则A6～A11作为地址线使用，这种情况下，A0～A11共12根地址线，每线都可以设置成“1”、“O”、“开路”三种状态之一，因此共有编码数312＝531441种；
但若配对使用的解码器的A6～A11是数据线，例如PT2272，
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