基于单片机的跑马灯系统的设计与实现.doc

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《单片机及控制系统设计》

课程设计报告

题目：

基于单片机的跑马灯系统的设计与实现

院（系）：

机电与自动化学院

专业班级：

电气自动化技术0901

学生姓名：

詹志鹏

学号：

20092822006

指导教师：

汪媛

2011年12月26日至2012年1月10日

华中科技大学武昌分校

目录

1设计题目及要求………………………………………………………………………1

1.1设计题目…………………………………………………………………………1

1.2设计目的………………………………………………………………………1

1.3控制要求…………………………………………………………………………1

2硬件设计………………………………………………………………………………2

2.1单片机简介………………………………………………………………………2

2.1.1单片机的引脚………………………………………………………………2

2.1.2单片机的内部结构…………………………………………………………3

2.2电源电路…………………………………………………………………………4

2.3时钟电路……………………………………………………………………4

2.4复位电路……………………………………………………………………5

2.5EA/VPP（31脚）的功能和接法………………………………………………6

2.6P0口外接上拉电阻……………………………………………………………6

2.7发光二级管………………………………………………………………………7

2.8显示电路部分……………………………………………………………………8

2.9AT89C51单片机最小系统………………………………………………………9

3软件设计……………………………………………………………………………10

3.1源程序与注释…………………………………………………………………10

3.2软件编译、调试与烧入……………………………………………………11

总结………………………………………………………………………………16

附录实物图……………………………………………………………………………17

参考文献………………………………………………………………………………18

1.设计题目及要求

1.1设计题目

单片机小系统版控制LED灯

1.2设计目的

1.单片机最小应用系统的硬件设计技能训练；

2.ASM语言或C51语言软件编程与调试技能训练；

3.“下载及烧录（固化）程序”开发技能训练；

4.Protell软件应用技能训练；

1.3控制要求

按键及外部中断控制二级管灯（自右向左）

1.按键控制8个LED灯循环自右向左依次点亮

2.间隔时间可以自行设计

3.单号灯亮双号灯灭

7→5→3→1→7→5→3→1……

1.外部中断控制8个LED灯循环自右向左依次点亮

2.间隔时间可以自行设计

3.双号灯亮单号灯灭

8→6→4→2→8→6→4→2……

2.硬件设计

2.1单片机简介

2.1.1单片机的引脚

（1）电源：

40号引脚VCC是芯片电源，接+5V。

20号引脚VSS为电源接地端。

（2）时钟引脚：

XTAL2（18号脚）采用内部时钟电路时，外接晶体振荡器；采用外部时钟电路时，此引脚接地。

XTAL1（19号脚）采用内部时钟电路时，外接晶体振荡器；采用外部时钟电路时，此引脚接外部时钟源。

（3）控制引脚：

ALE/为地址锁存允许信号，用来把低8位地址锁存到外部地址锁存器。

ALE引脚以不变的1/6振荡频率周期性地发出正脉冲信号，可用做对外输出的时钟信号。

（4）I/O口线：

P0口（32～39号脚）为双向输入/输出端口。

P1口（1～8号脚）为准双向输入/输出端口。

P2口（21～28号脚）为准双向输入/输出端口。

P3口（10～17号脚）为准双向输入/输出端口。

2.1.2单片机的内部结构

51系列单片机主要包括CPU、程序存储器、数据存储器以及接口电路等各组成部分。

单片机内部结构框图

单片机的内部结构:

①1个8位的CPU。

②时钟电路。

③程序存储器。

④数据存储器。

⑤定时器/计数器。

⑥4个并行口。

⑦1个全双工串行口。

⑧5个中断源。

2.2电源电路

电源模块通过7805稳压之后稳定的输出5v电压，以供整个系统工作。

7805系列为三端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。

内含过流、过热和过载保护电路。

带散热片时，输出电流可达1A。

虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。

主要特点：

输出电流可达1A，输出电压有：

5V，过热保护，短路保护，输出晶体管SOA保护。

2.3时钟电路

在设计时钟电路之前，让我们先了解下51单片机上的时钟管脚：

　　XTAL1（19脚）：

芯片内部振荡电路输入端。

　　XTAL2（18脚）：

芯片内部振荡电路输出端。

　　XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。

图中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。

一般来说晶振可以在1.2～12MHz之间任选，甚至可以达到24MHz或者更高，但是频率越高功耗也就越大。

在本实验套件中采用的11.0592M的石英晶振。

和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。

当采用石英晶振时，电容可以在20～40pF之间选择（本实验套件使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30～50pF之间。

通常选取33pF的陶瓷电容就可以了。

2.4复位电路

在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。

　　MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位操作通常有两种基本形式：

上电自动复位和开关复位。

图中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。

上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。

随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。

并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。

一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。

图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，也可自行计算RC充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。

2.5EA/VPP（31脚）的功能和接法

　　51单片机的EA/VPP（31脚）是内部和外部程序存储器的选择管脚。

当EA保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当EA保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。

　　对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器（一般为flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。

在本实验套件中，EA管脚接到了VCC上，只使用内部的程序存储器。

2.6P0口外接上拉电阻

　　51单片机的P0端口为开漏输出，内部无上拉电阻。

所以在当做普通I/O输出数据时，由于V2截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。

P0端口的1位结构

　　另外，避免输入时读取数据出错，也需外接上拉电阻。

在这里简要的说下其原因：

在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。

例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q＝0，Q＝1，场效应管V1开通，端口线呈低电平状态。

此时无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。

又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器Q＝1,Q＝0,场效应管V1截止。

如外接引脚信号为低电平，从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。

所以当P0口作为通用I/O接口输入使用时，在输入数据前，应先向P0口写“1”，此时锁存器的Q端为“0”，使输出级的两个场效应管V1、V2均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。

总结来说：

为了能使P0口在输出时能驱动NMOS电路和避免输入时读取数据出错，需外接上拉电阻。

在本实验套件中采用的是外加一个10K排阻。

此外，51单片机在对端口P0—P3的输入操作上，为避免读错，应先向电路中的锁存

器写入“1”，使场效应管截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。

2.7发光二极管

发光二级管是由III-IV族化合物半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。

如图所示：

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，在与空穴复合发光。

除了这种复合发光外，还有些电子被非发光中心捕获，而后在与空穴复合。

每次释放的能量不大，不可能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光的复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散去内发光的，所以光线仅在靠近PN结面数um以内产生。

发光二极管的特性有极限参数的意义、电参数的意义。

极限参数的意义有允许功耗、最大正向直流电流、最大反向电压和工作环境。

电参数的意义有光谱分布和峰值波长、发光强度、光谱半宽度、半直角和视角、正向工作电流、正向工作电压和V-I特性。

发光二极管的应用：

由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。

由于发光二极管具有最大正向电流、最大反向电压的限制，使用时，应保证不超过此值。

发光二极管被广泛应用于各种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。

红外发光二极管被常用于电视机、录象机等的遥控中。

2.8显示电路部分

显示部分主要是由八个LED和两个七段数码管组成，八个LED由限流电阻限流后接入p1口，p0