基于51单片机的花样流水灯设计.docx

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基于51单片机的花样流水灯设计

基于51单片机的花样流水灯设计

第1章引言

1.1研究背景及意义

现如今，随着集成化芯片的飞速发展，分立元件或数字逻辑电路正逐步被集成电路所取代，而单片机作为一种集成电路，其价格低廉，且可靠性强、控制简单但控制方法多样。

单片机在我们的日常生活和工作中无处不在、无处不有：

家用电器中的电子表、洗衣机、电饭褒、豆浆机、电子秤；住宅小区的监控系统、电梯智能化控制系统；汽车电子设备中的ABS、GPS、ESP、TPMS；医用设备中的呼吸机，各种分析仪，监护仪，病床呼叫系统；公交汽车、地铁站的IC卡读卡机、滚动显示车次和时间的LED点阵显示屏；电脑的外设，如键盘、鼠标、光驱、打印机、复印件、传真机、调制解调器；计算机网络的通讯设备；智能化仪表中的万用表，示波器，逻辑分析仪；工厂流水线的智能化管理系统，成套设备中关键工作点的分布式监控系统；导弹的导航装置，飞机上的各种仪表等等。

有资料表明：

2007年全球单片机的产值达到151亿美元，我国单片机的销售额达到400亿元人民币，我国每年单片机的需求量达50至60亿片，是全球单片机的最大市场。

可以说单片机已经渗透到了我们生活的各个领域。

1.2国内外研究现状以及本系统的重点问题

单片机自从问世以来便得到了广泛的应用，单片机以其体积小、重量轻、功耗低、功能强、数据在芯片内部传输速度较快、可靠性高、程序运行速度快、抗干扰能力强等优势迅速得到了人们的青睐，被广泛应用于测控系统、数据采集、智能仪器仪表、机电一体化产品、智能接口电路、计算机通信和单片机多级系统等领域。

而在流水灯的控制系统中，单片机更是取代了传统流水灯的分立元件设计，成为该系统的核心部件。

传统设计的流水灯，电路复杂，且可靠性较差，并且花样单一；而单片机控制的流水灯，花样纷繁多样，且易于修改；硬件电路比分立元件的设计简单很多，成本也极为低廉。

因此，单片机控制的流水灯必将在流水灯领域掀起一场大革命。

本文中所设计的系统为基于51单片机的花样流水灯控制系统。

该系统由一块单片机通过C语言编程来实现控制功能。

可靠且灵活性高、适用范围广、且变换的花样繁多，同时也适用于霓虹灯以及交通灯等领域。

本文将详细介绍该对该系统的设计。

1.3本文章节安排

第1章介绍了论文的研究背景及意义，对主要研究的技术指标和章节安排进行了说明。

第2章对本系统的设计方案的各个设计模块进行比较论证，得到了适合本文的设计方案。

第3章提出了系统设计框图以AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设控制流水灯的模式与流水灯的快慢。

第4章根据设计方案，设计了软件设计框图，并对各个模块的主要算法进行说明。

第5章利用protues进行软硬件设计仿真，并进行实物制作，验证实物的性能指标。

第6章对本文研究的内容和工作进行总结，查找不足并作出展望。

第2章系统设计方案论证

2.1控制器模块方案论证

方案一：

使用FPGA，让第一个灯先亮，然后通过移位，依次点亮其他的灯，便形成了流水灯。

初始状态时，所有灯都不亮，每来一个时钟脉冲CLK，计数器就加1.每当判断出计数器中的数值达到25000000时，就会点亮一个灯，并进行移位，FPGA输出的数据就应该先是10000000，隔一秒就编程110000000......一直变化到11111111，这样就依次点亮所有的灯，也就形成了流水灯。

而当当8个灯都被点亮时，需要一个操作使得所有的灯都恢复为初始状态，即：

灯都不亮，然后再一次流水即可。

如果是右移位，就会出现右流水现象。

反之就是左流水。

方案二：

使用单片机，将LED的正极接电源，负极接单片机的I/O，然后当单片机的I/O口输出低电平时，即点亮LED灯，然后通过移位指令让其他LED依次点亮，即形成流水效果。

若是左移指令，即为左流水；右移指令则为右流水。

在数控方面，单片机会优于CPLD或FPGA器件，因为此处只是用于流水灯控制，不需要太高的速度以及精确度，且上述两种期间控制起来也比单片机麻烦，因此没有必要选用价格昂贵的CPLD和FPGA器件。

而单片机则不同，因为单片机在技术领域已经相当成熟，市面上流通有型号与品牌繁多的单片机，各种参考文献也非常多，且价格低廉，只需要几元人民币，因此用单片机控制会较为划算。

其次，单片机的编程方式较为多样，可选用普及度很高的C语言或汇编语言进行编程，在这一点上也优于CPLD和FPGA器件。

因此，最终决定采取单片机控制的方案。

由于单片机的高电平的电位为大于2V，低电平电位为小于0.8V，而供电的电源为5V，且一般的LED的耐压为3-4V，因此，若直接将I/O口与LED相连，有可能会烧坏LED，因此需要串联分压电阻。

阻值大约为220-300Ω。

考虑到PCB的布局布线，因此打算采用P0口和P2口来驱动LED灯。

但因为P0口的驱动能力较弱，因此需要在P0口外部提供的强上拉。

因此采取接阻值为10kΩ的排阻的方法来提供这个强上拉。

2.2键盘模块方案

方案一：

采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。

缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。

方案二：

采用标准4×4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目。

本系统只需要三个按键，分别为控制模式按键，流水灯变换速度加，流水灯变换速度减，因此本系统采用独立式按键即可满足系统要求，降低开发难度和硬件成本。

2.3电源模块方案

由于系统的单片机和LED灯的电压都只需要5V，不需要多种电压，因此直接采用市场上现有的220V转5V的电源，通过DC线连接系统的火牛头为系统供电。

第3章系统硬件设计方案

3.1系统设计框图

根据系统设计方案的论证，设计出如图3-1所示的系统设计框图，下面依次介绍各个模块的具体设计实现细节。

图3-1系统设计框图

3.2硬件电路设计

3.2.1电源电路

本设计需要用到5V供电，考虑采用USB转DC电源线接5V，1A开关电源以提供稳定的电压，加入一个6脚自锁开关控制电路通断。

单片机的40脚接至VCC，20脚接至GND，电路图如图3-2所示，图中J1为DC火牛头。

图3-2电源电路图

3.2.2单片机89C52最小系统

本系统采用的核心控制模块是常用的单片机型号：

89C52。

下面简要介绍该单片机的特点和使用方法。

3.2.2.1单片机简介

1.单片机内部结构

MCS-51结构的单片机内部采用模块式结构，其结构组成框图如图3-3所示。

由图可见，该系列单片机主要由随机数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、中央处理器（CPU）、输入输出口、串行口、内置的定时器/计数器、中断控制、总线控制、以及时钟电路通过总线连接而成。

CPU是单片机内部的核心器件，分为运算器和控制器两大部分，此外还有面向控制的未处理功能。

STC89C52中有512字节的随机数据存储器（RAM），可通过片外扩展来提升RAM容量。

存储器（ROM），是用来存储程序的存储器，在STC89C52中集成了8K字节的FLASH存储器，如果片内的容量不够，还可扩展至64KB。

中断系统：

具有5个中断源，2级中断优先权。

定时器/计数器：

片内集成了3个16位的定时器/计数器T0、T1、T2，具有四种工作方式

串行口：

一个全双工异步串行口，具有四种工作方式，可进行串口通信，扩展并行I/O口，还可以与多个单片机相连以构成多级系统。

特殊功能寄存器（SFR）：

共有26个特殊功能寄存器，用于CPU对片内各功能部件进行管理和监视。

特殊功能寄存器实际上是片内各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器，这些特殊功能寄存器映射在片内RAM区80H-FFH的地址区内。

图3-3MCS-51内部结构

2.STC89C52引脚结构

目前，STC89C52多采用DIP-40封装，即双列直插，共40个引脚的封装方式。

此外，还有44引脚的PLCC和LQFP封装（都为表贴元件）。

其中40个引脚根据功能的不能可分为3类：

（1）、电源及时钟引脚——VCC、GND；XTAL1、XTAL2。

（2）、控制引脚——PSEN非、ALE/PROG非、EA非/Vpp、RST（即复位）。

（3）、I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8为I/O口的外部引脚。

3.单片机时钟介绍

单片机执行的指令均是在CPU控制的时序控制电路的控制下进行的，各种时序均与时钟周期有关。

（1）、时钟周期

时钟周期是单片机时钟控制信号的基本时间单位。

若时钟晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc.如fosc=12MHz，Tosc=83.3ns。

（2）、机器周期

CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。

单片机中通常把执行一条指令的过程分为几个机器周期。

每个机器周期完成一个基本操作，如取指令、读或写数据等。

STC89C52单片机每12个时钟周期为一个机器周期。

即Tcy=12/fosc.若fosc=12MHz，Tcy=1us。

STC89C52单片机的一个机器周期包括12个时钟周期，分为6个状态，S1-S6。

每个状态又分为两拍：

P1和P2。

因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、...、S6P2。

（3）、指令周期

指令周期是执行一条指令所需的时间。

STC89C52单片机中指令按字节来分，可分为单字节、双字节、三字节指令，因此执行一条指令的时间也有所不同。

对于简单的单字节指令，取出指令立即执行，只需要一个机器周期的时间。

而有些复杂的指令则需要两个或多个指令周期。

从指令的执行时间看，单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期，三字节指令是双机器周期，只有乘除法指令占用4个机器周期。

3.2.2.2复位电路设计

（1）、复位操作

当STC89C52单片机进行复位操作时，PC寄存器初始化为0000H，使STC89C52单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或者操作错误使得系统处于“死锁”状态时，按复位键使得RST脚为高电平，使STC89C52单片机拜托当前状态而重启程序。

出PC寄存器外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，例如SP、Acc、PSW、DPTR等。

（2）、复位电路

复位电路就是把电路恢复到起始状态的电路。

能够在系统上电时给予复位信号，并且会一直等到系统的电源不再改变为止才会撤离所给的复位信号，这就是复位电路的功能所在。

复位后的CPU的主要特征是各IO口呈现高电平。

对于单片机而言基本的复位操作是将单片机的复位引脚RST上给定一个高电平信号并让该信号维持在2个机器周期以上，便可触发系统复位中断从而将系统复位。

单片机系统的复位方式有：

按键复位和上电复位。

首先是按键复位:

复位电路最简单的方式就是通过按键复位直接在单片机复位引脚RST上加入高电平。

单片机的复位引脚接至电阻R1一端，电阻R1另外一端接地。

电路如下所示。

常用的途径是在复位引脚端和正电压之间安装复位按键。

当给一个力使按键被压迫向下，单片机的复位方位就会保持VCC。

假如保持按下10ms即可让系统实现复位，如图3-4所示。

图3-4按键复位图3-5上电复位图3-6混合模式

第二个是上电复位：

上电复位的电路图如图3-5所示，具体实现方式如下：

系统上电瞬间单片机复位引脚RST电压时间变化曲线如图3-7所示。

从曲线上易得当系统在一刹那完成上电，根据电容工作原理特性，它两端的Uc1不可能实现迅猛的变化，故电源电压全部加到R1上，然后电容C1开始充电，时间常数T=R1*C1，此时电容电压逐渐增加，R1两端电压逐渐降低，如果R1两端电压从高电平到低电平持续时间达到2个机器周期，即可实现单片机复位。

图3-7Urst电压时间曲线

在本设计中采用了按