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51单片机流水灯毕业设计论文大学毕业论文
摘要
单片机的应用已经广泛的渗透到国民经济的各个领域，随着社会对单片机应用人才的需要，它已成为工科大学生的必修课程之一。
单片机技术包含有硬、软两个方面的技术。
硬件是以单片机为核心，再加以其他各元器件组成的电子电路的一个实体。
它既有单片机的技术，又有电子类专业所必须掌握的模拟、数字、高频等电子电路的综合运用。
单片机的种类繁多，目前单片机应用系统开发工具也有不少，但同一系列单片机的开发工具或实验系列基本相同。
51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一。
经过20多年的推广与发展，51系列单片机形成了一个规模庞大，功能齐全，资源丰富的产品群。
随着嵌入式系统，片上系统等概念的提出和普遍接受及应用，51单片机的发展进入了一个新的阶段。
许多专用功能芯片的内核集成了51单片机，与51系列单片机兼容的微控制器以IP核的方式不断地出现在FPGA的片上系统中。
通过本次毕业课题的设计、制作、调试，其目的是让电子信息工程专业的毕业生通过自己完全动手制作一些实际电子产品，掌握一定的电子产品设计、制作技能和调试技术，巩固电子技术的理论知识，锻炼和提高学生的动手能力和综合运用知识解决实际问题的能力及实践动手能力。
让学生完全体验电子产品开发的全过程，把学生培养成为电子信息领域内的高级应用型技术人才。
【关键词】
单片机：
STC89C51；LED数码管显示器；keilC51；矩阵电路;蜂鸣电路
前言……………………………………………………..………………………………….….3
第一章概述……………………………………………….………….……………………4
1.1目的与要求……………………………………….………….……………………4
1.2单片机的定义…………………………………………………..…………………4
1.3单片机的发展……………………………………………………..………………4
1.4单片机硬件概述…………………………………………………..………………5
1.5单片机硬件结构…………………………………………………..………………6
第二章硬件电路设计……………………………………………………..………………7
2.1电源电路………………………………………………………..………………...7
2.2复位电路……………………………………………………….…………………7
2.3晶振电路……………………………………………………….…………………8
2.4键盘电路…………………………………………………………..………….…..9
2.4.1矩阵键盘的结构与工作原理………………………………………….…....9
2.4.2矩阵式键盘的按键识别方法……………………………………….……..10
2.5流水灯电路……………………………………………………………….……..11
2.6蜂鸣器电路……………………………………………………….……………..12
2.7数码管显示……………………………………………………….……………..13
2.7.1LED数码管显示器概述…………………………………….……………...13
2.7.2数码管参数………………………………………………….……………..14
第三章软件设计……………………………………………………………………….…16
3.1KEILC软件介绍………………………………………………….………………16
3.2单片机应用系统的软件设计…………………………………….……………...16
3.3单片机流水灯程序设计…………………………………………………………17
第四章PCB板的制作…………………………………………………………………….20
4.1PROTEL99se概述……………………………………………………………..20
4.2电路原理图设计…………………………………………………………………20
4.3印制电路板设置…………………………………………………………………21
4.3.1Protel99印制电路板设计工具的应用…………………………………...21
4.3.2PCB布局布线规则………………………………………………………….22
4.3.3印制电路板设计注意事项…………………………………………………..22
4.4电路板的制作及其注意事项……………………………………………………23
第五章元器件的安装……………………...……………………………………………..25
5.1元器件的安装……………………………………………………………………25
结论…………………………………………………………………………………………..28
致谢…………………………………………………………………………………………..29
附录一设计元件清单表…………………………………………………………………..30
附录二电路原理图………………………………………………………………………..31
附录三电路板底层布线图………………………………………………………………..32
前言
单片机技术飞速发展，单片机的应用已经渗透到了国民经济的各个领域，处处影响着人们的生活，它的出现给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。
目前，单片机仍以其高可靠性、高性价比，在工业控制系统、数据采集系统、智能画仪器仪表、智能家电等诸多领域得到了广泛的应用，因此，单片机应用技术是作为将要从事单片机开发方面的技术人员所必需掌握的。
单片机是应用系统的一个核心部件，为把单片机系统应用于不同的领域，只掌握单片机的基础知识是远远不够的，要想构成一个完善的应用系统，还要熟悉执行机构及硬件接口电路的应用特性，同时，还应该掌握系统的结构布局、印刷电路板的结构布局及软件的设计技巧这些书本上学不到的知识，因此为设计出完善的应用系统，必须在实际工作中勤于实践，逐步积累这方面的经验。
现代社会新技术层出不穷，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，将很快被单片机这个后起之秀超越并取代。
单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，因此，单片机将成为智能控制系统的核心。
根据这次课程设计的内容和要求，首先进行整体方案的构思，通过在图书馆和上网查阅资料，并分析和比较，选取了一种简单而且可行性高的方案。
此方案主要由延时电路、定时计数电路、主控电路、程序译码驱动电路等组成。
通过查阅有关书籍、上网和综合已学的电子技术知识，并考虑到电路的工作稳定性，设计成本低，鉴于此选用了比较常见的元器件来构成各单元电路，选取所须的元件后，对各电路元件的参数进行了计算，然后进实验室进行电路的安装和调试。
经过几天紧张的电路安装和调试，期间还进行了部分方案的的单片修改和改进，实现了课程设计的主要任务和具体要求。
第一章概述
1.1目的与要求
本次的设计需要符合的要求有：
用矩阵键盘实现流水灯的暗灭，左循环，右循环及有暂停，停止，复位等一系列功能于一体的单片机系统。
1.2单片机的定义
单片机又称为微处理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。
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。
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）、多种I/O口（Input/OutputPorts）和中断系统、定时器/计数器等功能电路（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机的应用领域：
1.单片机在智能仪器仪表中的应用；
2.单片机在工业测控中的应用；
3.单片机在计算机网络和通讯技术中的应用；
4.单片机在日常生活及家电中的应用；
5.单片机在办公自动化方面。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
1.3单片机的发展
1971年微处理器研制成功后不久，就出现了一位的单芯片的微型计算机即单片机。
1976年Intel公司推出了第一代8位单片机的代表产品-----MCS-48系列单片机8048，它将CPU、串行口、定时器和128BRAM集成在一块芯片内，使用的是NMOS工艺。
在MCS-48成功的刺激下，出现了第二代单片机产品。
在第二代单片机中，IntelMCS-51进入中国市场最早，过渡到CMOS工艺的80C51要迟一些。
1982年以后，高速低功耗CHMOS工艺的出现，使许多公司生产与80C51兼容的单片机，并扩展了其功能。
8位单片机后，还出现了16位的单片机，1983年Intel公司推出的MCS-96系列单片机就是其中的典型代表之一。
近10年来出现的具有许多新特点的单片机，可以称之为第三代单片机。
目前单片机的内存容量可以做得相当大，I/O功能也已足够地丰富，可以不用外加扩展芯片；大多数单片机都提供可由用户编程的OTPROM型式；随着单片机程序存储空间的扩大，在空余空间可以嵌入实时操作系统等软件，以提高单片机的性能和产品开发效率；扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线，如IC总线、USB总线、CAN总线等；有的单片机集成了多个CPU，将数字信号处理器、精简指令集计算机等集成到单片机中的产品也不断出现；另外，在抗干扰、抗噪声、提高可靠性、功耗管理等方面的新技术也不断的出现。
单片机虽然种类繁多，但就其应用情况看，功能最强的16位机属于日立公司的H8/3048系列，8位机要数Intel公司的MCS-51系列。
1.4单片机的硬件概述
在单片机的应用中，以单片机芯片为核心组建的一个能完成特定应用功能的硬件组合实体，称为单片机的硬件系统。
它能在我们为它所编制的程序下完成预定的任务。
软件是相对硬件而言的，它是指由计算机硬件执行，用来完成一定任务的所有程序及数据，即为运行、管理和维护计算机所编制的程序的总和。
单片机的软件系统比较简单，它不需要复杂的操作系统来进行系统管理，只使用于管理单片机系统工作的管理程序（称为监控程序）和用于完成实际具体任务的应用程序。
而对于简单的单片机应用系统，只要有为实现控制目的而直接行的应用程序就行了。
单片机应用系统有三种编程方式：
机器语言、汇编语言和高级语言。
按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统及典型系统等。
STC89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，具有丰富的内部资源：
4kB闪存、128BRAM、32根I/O口线、2个16位定时/计数器、5个向量两级中断结构、2个全双工的串行口具有4.25～5.50V的电压工作范围和0～24MHz工作频率，使用STC89C51单片机时无须外扩存储器。
因此，本流水灯实际上就是一个带有八个发光二极管的单片机最小应用系统，即为由STC89C51单片机、7407单片机、电阻、发光二极管、晶振、复位、电源等电路和必要的软件组成的单个单片。
1.5单片机的硬件结构
89C51单片机主要特性：
与MCS-51兼容;4K字节可编程闪烁存储器;全静态工作：
0Hz-24Hz;三级程序存储器锁定;128*8位内部RAM;32可编程I/O线;两个16位定时器/计数器;5个中断源;可编程串行通道;低功耗的闲置和掉电模式;片内振荡器和时钟电路
MCS-51系列单片机的内部结构框图如图1.5.1所示。
图1.5.1MCS-51系列单片机的内部结构框图
第二章硬件电路设计
2.1电源电路
电源是每一个电子系统必不可少的组成部分，它的作用是为整个系统提供能量来源。
电源性能的好坏直接影响整个系统的工作情况。
该部分提供单片机工作所需的5V直流电源。
外接220V交流电源，经过变压器8V连接到J1端，随后整流滤波稳压，得到5V左右的直流电源，整流部分由4只普通的二极管连接为桥式整流，通过电容滤波，稳压由7805完成，7805需加散热片。
图2.1.1电源电路原理图
2.2复位电路
复位电路原理图：
2.2.1复位电路原理图
复位即是在复位端加不小于指定宽度的低电平（低电平复位）或高电平（高电平复位）信号使单片机的硬件处于初始状态。
以MCS一51系列单片机为例，复位端为RST/Vpd,高电平复位。
在振荡电路运行时，使RST引脚至少保持两个机器周期（24个振荡周期）高电平，实现一次复位动作。
CPU响应内部复位，将ALE和PSEN引脚置为输入方式，并在RST端变低以前重复执行内部复位。
复位后主要的特殊功能寄存器均被置为初值。
我们编写程序时，第一条指令总是从0000H单元开始。
若上电时或掉电后再上电不能正常复位，PC等寄存器为随机数，程序就不能正确执行，此时称为“死机”。
单片机复位电路有多种，图中是一种最简单的复位电路，该复位电路简单易行，但缺点是在遇到较强干扰或瞬间断电时，复位端电平随电容器充放电特性变化，往往电源电压低至RAM区数据不能保持时，复位端电容器上仍储有相当的电荷，致电源电压恢复时复位端不能产生复位信号，程序跑飞或造成死机。
2.3晶振电路
2.3.1晶振电路原理图
晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。
由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。
这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
石英晶片所以能做振荡电晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。
一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。
一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。
谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器，陶瓷谐振器，LC谐振器等。
晶振与谐振振荡器有其共同的交集有源晶体谐振振荡器。
路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。
如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。
一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。
但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。
其特点是频率稳定度很高。
石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC来共同作用来工作的。
振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。
振荡器比谐振器多了一个重要技术参数为：
谐振电阻（RR），谐振器没有电阻要求。
RR的大小直接影响电路的性能，也是各商家竞争的一个重要参数。
2.4键盘电路
2.4．1矩阵键盘的结构与工作原理
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。
2.4.1矩阵电路图
由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。
这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。
行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
2.4．2矩阵式键盘的按键识别方法
确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。
行扫描法行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。
1.判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
2.判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
下面给出一个具体的例子：
图仍如上所示。
8031单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到P1口的高4位。
列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0-P1.3设置为输入线，行线P1.4-P.17设置为输出线。
4根行线和4根列线形成16个相交点。
1.检测当前是否有键被按下。
检测的方法是P1.4-P1.7输出全“0”，读取P1.0-P1.3的状态，若P1.0-P1.3为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。
2.去除键抖动。
当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。
3.若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。
方法是对键盘的行线进行扫描。
P1.4-P1.7按下述4种组合依次输出：
4.P1.71110
P1.61101
P1.51011
P1.40111
在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示为“0”这一行没有键闭合，否则有键闭合。
由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须却除键释放时的抖动。
2.5流水灯电路
流水灯原理图
2.5.1流水灯原理图
从原理图中可以看出，如果要让接在P1.0口的LED1亮起来，那么只要把P1.0口的电平变为低电平就可以了；相反，如果要接在P1.0口的LED1熄灭，就要把P1.0口的电平变为高电平；同理，接在P1.1～P1.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。
因此，要实现流水灯功能，我们只要将发光二极管LED1～LED8依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗的做流水灯了。
在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到“流水”效果了。
2.6蜂鸣器电路
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
1.电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
2.压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路
蜂鸣器驱动原理图：
2.6.1蜂鸣器驱动原理图
蜂鸣器的正极接到VCC（＋5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P2.0引脚控制，当P2.0输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P2.0输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。
因此，我们可以通过程序控制P2.0脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。
程序中改变单片机P2.0引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。
另外，改变P2.0输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程实验来验证。
2.7数码管显示
2.7.1LED数码管显示器概述
1.LED数码显示器的结构与显示段码
（1）LED数码显示器的结构
LED数码显示器是一种有LED发光二极管组合显示字符的显示器件。
它使用了12个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，四个用于片选，一个用于显示小数点，故通常称之为7段发光二极管数码器。
其内部结构如下图所示。
2.7.1LED数码显示器的结构
LED数码显示器有两种连接方法如下。
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，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
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。
每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。
（2）LED数码显示器的显示段码。
为了显示字符，要为LED显示器段码（或称字形代码），组成一个8字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的显示段码为1个字节。
各段码位的对应关系如下表所示.十六进制数及空白字符与P的显示段码.
2.7.2数码管参数
8字高度：
8字上沿与下沿的距离。
比外型高度小。
通常用英寸来表示。
范围一般为0.25-20英寸。
长*宽*高：
长——数码管正放时，水平方向的长度；宽——数码管正放时，垂直方向上的长度；高——数码管的厚度。
时钟点：
四位数码管中，第二位8与第三位8字中间的二个点。
一般用于显示时钟中的秒。
注：
即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏。
怎样测量数码管引脚，分共阴和共阳?
找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电
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