花样流水灯毕业设计.docx

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花样流水灯毕业设计

摘要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。

正文首先介绍本课题的背景、研究意义及完成的任务功能；接着简单描述设计过程中所用的一些主要元器件、方案的论证，以及介绍了系统硬件工作原理，并且附以系统硬件设计框图；其次阐述了ＰＣＢ板的画质、制作、实物的完成、程序的编写和调试；最后对本设计进行了总结。

本次毕业设计根据设计要求，基本达到预期的目的。

即通过ATmega16单片机来控制16x8的贴片发光二极管矩阵显示，以中、明字符为例，分别可以实现‘全亮’到字模‘中’再到字模‘明’到‘全暗’的循环显示。

用户可以按照自己的喜好选择不同的字模、显示方式。

关键词：

单片机ATmega16发光二极管霓虹灯

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,SCMapplicationsarecontinuallydeepening,whilethetraditionalcontroltestdriverapidupdates.Inreal-timedetectionandcontrolofthemicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenusedasacorecomponent,JinZhiShiMCUsideisnotenough,HaiyinggenjuspecifichardwarestructureandapplicationspecificcharacteristicsofthesoftwareDuixiangJieHe,tobeperfect.

Thetextintroducesthesubjectofthisissuebackground,significance,andcompletefunctionality.Abriefdescriptionofthedesignprocessusedinsomeofthemajorcomponentsofthedemonstrationprogram,andintroducedtheprincipleofthesystemhardware,andattachedtothesystemhardwaredesignblockdiagram;secondsectiondescribesthePCBboardofthedefinition,production,physicalcompletionofthepreparationprocessanddebugging;Finally,asummaryofthedesign.

Thegraduationprojectaccordingtosetrequirements,achievesthedesiredpurpose.ATmega16microcontrollertocontrolthroughtheSMDLEDs16x8matrixdisplaytotheMingcharacter,forexample,wereabletoachieve'fulllight'tothefont'in'thenfont'out'to'alldark'cycleofdisplay.Userscanfollowtheirownpreferencestoselectadifferentfont,display

Keywords:

microcontrollerATmega16LBDNeon

第一章绪论……………………………………………………………………1

1.1课程研究背景……………………………………………………………1

1.2课程研究的意义…………………………………………………………1

1.3课程研究的任务…………………………………………………………2

第二章系统总体方案设计·········································

2·1总体设计目标···········································

2·2方案选择与比较·········································

第三章基本原理………………………………………………………………7

3.1总体设计思路……………………………………………………………7

3.2电源模块的选择…………………………………………………………9

第四章设计过程………………………………………………………………10

4.1单元电路设计……………………………………………………………10

4.1.1控制部分电路………………………………………………………10

4.1.2显示部分电路………………………………………………………11

4·2系统硬件设计··············································

4·2·1系统硬件介绍········································

4·2·2系统输入输出点分配··································

4·2·3系统梯形图设计······································

第五章遇到的问题及调试···········································

5.1遇到的问题及解决方法…………………………………………………18

5.2调试步骤··················································

总结及体会·······················································

参考文献·························································

第一章绪论

§1.1课程研究背景

电子计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路到大（超大）规模集成电路弓四个阶段，既通常所说的第一代、第二代、第三代和第四代计算机。

现在广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术的产物，因此它属于第四代计算机，而单片机则是微型计算机的一个分支。

随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，单片机的应用越来越广泛，并逐渐发展成为一门关键的技术学科。

单片机亦称微控制器,顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。

因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。

它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。

现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。

各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能微电脑型”，如智能型热水器等。

计算机是人类制造的用于信息处理的机器。

这种机器只能在人的控制下，将输入的数据信息，按照人们的要求进行存储、分类、整理、判断、计算、决策和处理等操作。

目前，微型计算机主要用在以下几个方面：

数值计算、数据处理与信息加工、计算机辅助功能、人工智能、计算机通信、多媒体、计算机检测和过程控制等。

微型计算机在检测和过程控制方面的应用具有简便、快捷、准确、可靠等优点，便于实现各种生产过程自动化。

在改造传统产业、节约能源、提高产品质量和生产效率、改善生产者劳动条件等方面，具有十分重要的作用。

单片机具有一些突出优点：

体积小、重量轻、耗电少、电源单一、功能强、价格低、运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高，所以在通信、家电、工业控制、仪器仪表、汽车等产品中都可以看到单片机的身影。

§1.2课程研究的意义

流水灯在现代社会就有广泛的应用，大型电子广告牌、霓虹灯、指示牌和工业控制的控制面板等等都有流水灯的应用。

而且基于单片机的流水灯的控制系统利用了单片机的内部资源，如定时器、I/O口和寄存器等，完成了单片机系统开发的基本流程，因此具有典型的代表意义，是学习和开发单片机的基本实验之一。

ATmega16单片机是可多次改写的可编程芯片，内部有16K的FlsahRAM,含有32个通用I/O口线，用这种芯片构成的系统简单、可靠，性价比相当高，适合成为霓虹灯程序控制器的核心部件,结合锁存器MC74HC373实现的控制器功能，时间常数易修改，使用灵活，电路易实现，成本低，控制芯片更换方便。

控制器的花样变化及速度调节能用软件方法实现，这样进一步提高了性价比。

ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案.

§1.3课程研究的任务

1.把实验箱的电源及各个输入端的拨动按钮置于“OFF”位，即向下拨动，再用AB接口的USB连线把PLC与电脑链接起来，然后给PLC上电

2.启动CX-P软件，新建工程，进入CX-P软件编程环境

3.根据实验内容在CX-P软件编程环境里进行编程，然后进行相关操作。

4.程序运行调试并修改。

5.保存好文件，做好各项记录。

6.把实验箱的电源及各个输入端的拨动按钮置于“OFF”位，切断点实验箱的电源，盖好实验箱的盖子。

第二章系统总体方案设计

§2.1总体设计目标

结合C语言编程，使心形环绕LED流水灯实现21种不同形式的闪烁功能，由快到慢再由快到慢，再循环往复不断的变化中，给人带来美的体验。

§2.2方案选择与比较

主控制器芯片主要是负责控制LED灯的不同变化速度快慢以及变化效果。

主控制器作为整个系统的控制核心部分，要求其功耗低、数据转换速率快。

方案一：

采用STC89C52单片机系统。

STC89C52单片机是一种低耗、可编程。

高性能8微控制处理器，其内部包括微处理器、具有8K在系统可编程Flash储存器、看门狗定时器、输入/输出口、中断系统等，其具有价格低廉、技术承受、操作简单等特点，满足本系统的要求。

方案二：

选择T1公司生产的MSP430F149系列单片机系统。

此款单片机具有低电压、超低功耗的特点，工作电压在3.6-1.8V之间，具有强大的功能和高效的运算处理能力。

方案选择：

由于STC89C52价格便宜，支持在线下载程序而且变成简单而MSP430F149系列单片机的功能已经远远高于我们本系统，操作不便，综合考虑我们选择方案一。

第三章基本原理

§3.1总体设计思路

利用AVRATmega16单片机设计一个霓虹灯控制器，控制128个发光二极管，利用二极管的闪烁形成各种图案和花样。

控制部分主要由单片机完成，显示部分由单片机输出的信号经过放大后驱动二极管发光，形成图案。

为了整体布局美观，实物采用印制PCB版，显示部分由128个贴片发光二极管组成16x8的矩阵.

本产品采用以ATmega16单片机为核心芯片的电路来实现，主要由ATmega16芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路、16x8LBD点阵5部分组成，电路框图如图4-2所示。

其中，ATmega16是一种带16kB闪烁可编程可擦除只读存储器（FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory，FPEROM）的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。

其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1000次写／擦循环。

他是一种高效微控制器，为很多嵌人式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

时钟电路由ATmega16的7，8脚的时钟端（XTAI1及XTAL2）以及12MHz晶振X、电容C4、C6组成，采用片内振荡方式。

复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻R12，电容C5，开关S1组成，分别接至ATmega16的RST复位输人端。

LED点阵显示屏采用16x8的发光二极管点阵，可通过万用表检测发光二极管的方法测试判断出该点阵的引脚分布。

我们把行列总线接在单片机的I/O口，然后把上面分析到的扫描代码送入总线，就可以得到显示的图像了。

我们在实际应用中是将LBD点阵的8条列线通过驱动电路接在PD口8条行线通过限流电阻接在PA、PC口，考虑到PD口必需设置上拉电阻，我们采用1k排电阻作为上拉电阻。

图像显示的基本过程是这样的：

通电后由于电阻R12，电容C5的作用，使单片机的RST复位脚电平先高后低，从而达到复位；之后，在C4、C6、X以及单片机内部时钟电路的作用下，单片机ATmega16按照设定的程序在PA、PC、PD接口输出与内部图像对应的代码电平送至LBD点阵的行列线（高电平驱动），从而选中相应的LBD点发光，并利用人眼的视觉暂留特性合成图像的显示。

电路总体方框图如图3-1。

图3-1电路总体方框图

3.2电源模块的选择

线性电源的原理：

线性电源主要包括工频变压器，，输出整流滤波器，控制电路，保护电路，如图3-2-3所示。

线性电源是先将交流点经过变压器变压，在经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调节输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，纹波也很小，而且没有开关电源具有的干扰和噪。

图3-2-3线性电路原理图

由显示部分共128个放光二极管，每个LBD的工作电流为10~15毫安，则当二极管全部工作时，大约需要1.2~2A。

所以选用9V1A的直流电源作为工作电源，采用市场上出售的成品，不再另行设计。

图3-2-1寄存器扩展的电路图

§4.1单元电路的设计

4.1.1控制部分电路

控制部分主要是有单片机最小系统完成。

采用了1个ATmega16单片机，2个74HC373锁存器，12M晶振和电阻、插座等等。

驱动部分的8个8050三极管也在此部分内。

单片机的PD0~7作为行的选通信号，PA0~7和PC0~7的16个输出信号作为列的控制信号，经过74HC373与二极管矩阵链接。

输出信号经8050放大后驱动发光二极管。

时钟电路

ATmega16单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。

系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。

晶振频率选择12MHZ，C4、C6的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。

时钟电路图如图4-11所示

图4-11时钟电路

复位电路

单片机有多种复位电路，本系统采用电平式开关复位与上电复位方式，电路如图4-12所示。

当上电时，C5相当于短路，使单片机复位，在正常工作时，按下复位键时单片机复位。

在有时碰到干扰时会造成错误复位，但在大多数条件下，不会出现单片机错误复位，而可能会引起内部某些寄存器错误复位，如果在复位端加一个去耦电容，则会得到很好的效果

图4-12复位电路

由于ATmega16相对89S51来说，已经有了内部的时钟电路和复位电路，那么，在焊机的时候，复位电路和时钟电路的原件不比标记上，但是为了区别以及提醒他们的相关作用，在画电路和绘制PCB板时，仍然标出电路。

4.1.2显示部分电路

显示部分主要由128个贴片发光二极管组成8x16的矩阵。

每行16个LED的阳极连接在一起引出8行输出分别接单片机I/O口的PD0～PD7口；每列8个LED的阴极连接在一起引出16列输出分别接单片机PA0～PA7和PC0～PC7口。

从结构上可知，它的每一列共用一根列线，每一行共用一根行线。

当相应的行接高电平，列接低电平时，对应的发光二极管被点亮。

在显示过程中，多采用扫描方式，利用人的视觉暂停效应，只要刷新速率不小于25帧/秒，就不会有闪烁的感觉。

点阵显示的原理就对点阵的每一列（或者每一行）进行快速的扫描（起到选择的作用），然后对相应的行或列进行赋值，如果在速度很慢的情况，可以看到列相应的点亮或灭，但当延时的时间足够短，人因视觉的上惰性，只看到就是一个个汉字的显示了电路图

4.2系统硬件设计

4.2.1系统硬件介绍

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是:

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC已经具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

在可预见的将来，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位，是其他控制技术无法取代的。