彩灯控制器毕业论文初稿.docx

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彩灯控制器毕业论文初稿

摘要

19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。

随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色流水灯。

LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。

但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间和变化。

本实验设计中，彩灯控制器由寄存器CD4076，晶体管ULN2003，单片机AT89C51组成，通过软件编程来控制三基色，从而达到彩灯泡发出千姿百态的色彩变化，使用与家庭、宾馆、舞厅、剧院、广告等领域，用途广泛，丰富现代社会生活。

关键词：

AT89C51单片机，彩灯控制器，模块设计

Abstract

Inthe19thcenturybytheriseofdigitalcircuit,stabilityofcongenitaladvantagein

themodernelectronictechnologyplaysmoreandmoreimportantinthecircuit.Aspeople

livingenvironmentandlandscaping,LEDlightsbecauseofitsrichlightcolor,lowcostand

simplecontrolcharacteristicsandawiderangeofapplications,withlightsdecoratingstreets

andcitybuildinghasbecomeakindoffashion.ButonthemarketatpresenteachstyleLED

lightscontrollerhardwarecircuitrealizedwiththemostcomplexstructure,function,circuit,

sowhenmakingaproductwithonlyfixedpatternaccordingtodifferentsituations,shiny,

differentperiodoftimetoadjusttoch-angesandlight.Intheexperimentaldesign,the

colorfullampscontrolleriscomposedofregisterCD4076,transistorULN2003andSCM

AT89C51.ItcancontroltheThreePrimaryColorsthroughsoftwareprogramming,thus

achievedtheeffectofvariousissuedthevariationcolorchanges,applicabletofamily,hotel,

ballroom,thertres,advertisingandotherfields,versatility,richlifeinamodernsociety.

Keywords:

AT89C51，colorfullampcontroller，ModuleDesign

1前言

1.1单片机工业控制发展与现状

单片机的全称是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。

为了用户使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：

中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、EEPROM或FLASH）、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的计算机系统。

与通用计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器（MicroControllerUnit）[1]。

单片机作为微型计算机的一个分支，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，主要分为4个阶段：

第一阶段（1974年~1978年）：

初级单片机阶段。

以Intel公司的MCS-48为代表。

这个系列的单片机在片内集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时器、计数器、RAM等。

但该系列单片机无串行I/O口，寻址范围不大于4K。

第二阶段（1978年~1983年）：

高性能单片机阶段。

此时的单片机品种多，功能强，以MCS-51系列为代表。

这个阶段的单片机均带有串行I/O口，具有多级中断处理系统，定时器、计数器为16位，片内RAM和ROM容量相对增大，且寻址范围可达64KB。

这类单片机应用领域广泛，性价比优良。

第三阶段（1983年~1990年）：

16位单片机和8位高性能单片机并行发展阶段。

此阶段单片机最大的特点是实时处理能力强，生产工艺先进，集成度高，内部功能强，而且允许用户采用工业控制的专用语言编程，如PL/M、C语言、BASIC语言等。

如Intel公司生产的MCS-96系统和ATMAL公司生产的8XC552系列。

第四阶段（1990年至今）：

单片机的全面发展阶段。

随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型、廉价的专用型单片机[2]。

单片机具有如下的特点：

（1）体积小；

（2）可靠性高，大多总线在单片机内部；

（3）电磁屏蔽功能强，实时响应速度高；

（4）I/O口直接操作，硬件设计简单；

（5）提供开发工具资料，性价比高；

（6）研制周期短。

单片机的应用范围非常广泛，大致能够分为4类：

（1）单片机在智能仪器仪表上的应用

单片机具有体积小、功耗低等特点。

所以它被广泛应用在各种仪器仪表的测量中（包括温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、角度、硬度、长度等的测量）。

引入单片机使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能大大提高。

（2）单片机在工业控制中的应用

由于基于单片机的外围设备非常丰富，故用单片机可以构成许多复杂的工业控制系统，例如用于电镀生产线控制、无线遥控系统、数据采集系统、报警系统控制等。

（3）单片机在计算机网络与通信设备中的应用

单片机所配有的通信接口为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件。

例如列车无线通信系统和无线遥控系统等。

（4）单片机在日常生活以及家电中的应用

单片机越来越广泛的应用于日常生活的智能电器产品以及家电中。

例如电子秤、银行计息电脑、电冰箱控制、彩电和洗衣机控制器等[3]。

单片机技术还在不断发展，新型的单片机还将不断涌现。

当前单片机产量占整个微机（包括一般的微处理器）产量的80%以上，在我国，抵挡8位地安排农机于20实际80年代开始应用，目前已转向高档的8位和16位单片机的应用。

当前嵌入式系统的出现给高端单片机的应用增添了新的活力。

虽然16位、32位单片机的使用已经很普遍，但作为早期的8位机，因为其功能大，体积小，价格便宜等优点仍然是应用领域中不可缺少的一部分。

单片机在工业控制、数据采集等很多方面都起了重要的作用。

这些年为适应嵌入式应用的需求，单片微控制器的应用得到了更大的发展。

70年代至今，单片机家庭发展成为一个品种齐全，功能丰富的庞大家族。

1.2彩灯控制器的研究现状及意义

19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。

随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色流水灯。

LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。

随着人们生活水平的提高，大家的生活环境也不断改善和美化。

忙碌的一天生活过去，人们往往会去娱乐场所放松一下。

节日的到来，城市中张灯结彩，举办节目来庆祝节日的到来。

LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚，但目前市场上各样式的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。

这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。

此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。

因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进[4]。

本文提出了一种基于AT89C51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。

本方案以AT89C51单片机作为主控核心，与键盘、显示、驱动等模块组成核心主控制模块。

在主控模块上设有8个按键和5位七段码LED显示器，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部定时器T0实现一个基本单位时间为5ms的定时中断，根据各种亮灯时间的不同需要，在不同时刻输出灯亮或灯灭的控制信号，然后驱动各种颜色的灯亮或灭，产品实际应用效果较好，亮灯模式多，用户可以根据不同场合和时间来调节亮灯频率和亮灯时间。

与普通LED彩灯相比，具有体积小、价格低、低能耗等优点。

2彩灯控制器系统总体设计

2.1需求分析

论文设计的系统是一个具有控制彩灯亮的顺序的控制器，它能够通过主控模块将设计好的颜色方案发送至受控模块，可以是对单个灯具的操作，也可以是分组式的操作。

控制器颜色方案的更改可以通过PC机软件更改，通过USB接口将方案下载到受控模块上，本设计是要能完成黄色，品红色，青色，白色四种颜色的灯亮，并且根据用户的需要选择运行哪种模式。

整个系统的结构图可以用图2.1表示。

图2.1彩灯控制器设计结构图

根据本系统的成本及功能要求，本系统需要有以下特点：

（1）低成本

考虑到成本的要求，系统不能有过多的原件，并且在能够满足系统要求的原件中，钻则成本较低的元件。

同时在选择解决方案的过程中，也需要选择容易实现、方便用户操作的方案，以降低设计成本。

（2）低功耗

由于系统为便携式设备，在功耗方面尤其民反，整个系统的公函有一定的限制，在选择期间时应考虑较低功耗的器件。

2.2系统设计方案

彩灯控制器的功能框图如图2.2所示。

图2.2彩灯控制器功能框图

通过本文第一张对单片机在工业控制中特点的分析可以得出，单片机系统低陈本、低功耗、小体积等优点正好符合本系统的需求，所以该系统选择单片机作为主控制器。

对于人机交换模块，为了能清晰的系那是和方便的操作，需要给系统配置七段码显示器以及按键。

2.3系统模块组成

彩灯控制器硬件结构框图如图2.3所示。

系统分为2部分，即彩灯控制器（主控模块）和管内LED板模块（受控模块）。

彩灯控制器可直接与220V交流市电相连接，经过开关电源变换，输出直流工作电压，一方面为管内LED模块提供12V工作电源，另一方面为主控模块单片机系统（彩灯控制器）提供5V工作电源。

整个系统工作由软件程序控制运行，根据需要，用户可以在LED彩灯工作时通过主控模块上的按键来设定亮灯时间和灯光闪动频率。

图2.3彩灯控制器硬件结构框图

2.4LED彩灯RGB配色原理

论文中的彩灯使用的是LED彩灯,这个彩灯由多个LED发光源组成,每个发光源中有三个LED灯头,分别是红色,绿色,蓝色的灯头,结构如图2.4所示。

图2.4全彩LED发光源结构图

通过彩灯驱动电路对这三种颜色的灯头分别驱动,只需要调整红色、绿色、蓝色的功率比例，LED彩灯就能够按照三原色配色原理显示出不同颜色。

同时，控制三种颜色灯头总功率的大小，就能够控制彩灯颜色的亮度，总功率越大，亮度越高。

LED彩灯总功率最大值为35W，红色灯头因为发光原理不同最大功率为9W，绿色和蓝色灯头的最大功率都为13W。

彩灯驱动电路可以根据这三个颜色对LED彩灯驱动，理论上能够显示出各种颜色[5]。

3彩灯控制器系统硬件设计

3.1主控模块设计

主控模块主要设计器件有单片机，5个七段码LED显示器，8个按键，2个稳压器（提供12V，5V电压），1个信号输出驱动模块芯片等。

1.电源电路

为使模块稳定工作，须有可靠电源，考虑了两种电源方案。

方案一：

采用独立的稳压电源。

此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用。

缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。

方案二：

采用单片机控制模块提供电源。

此方案的优点是系统简明扼要，节约成本。

缺点是输出功率不高。

综上所述，选择第一种方案。

2.键盘显示电路

本设计要求能手动设置灯亮时间和频率，讨论了两种方案。

方案一：

采用89C51扩展I/O口及键盘，显示等。

该方案的优点是：

使用灵活可编程，并且有RAM，计时器。

若用该方案，可提供较多I/O口，但操作起来稍显复杂。

方案二：

直接在I/O口线上接上按键开关。

因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用8个按键。

由于该系统对于LED彩灯的控制，只用单片机本身的I/O口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。

由于该系统只要求显示简单的数码字符，所以采用数码管显示就可实现，而且成本较低，操作简单。

3.单片机选择

单片机是主控制器核心，我们选择的是AT89C51。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

芯片如图3.1所示。

图3.1芯片俯视图

主要特性：

•8031CPU与MCS-51兼容

•4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

•全静态工作：

0Hz-24KHz

•三级程序存储器保密锁定

•128*8位内部RAM

•32条可编程I/O线

•两个16位定时器/计数器

•6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

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口的内部结构：

I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心。

读引脚时也就是把端口作为外部输入线时首先要通过外部指令把端口锁存器置1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出[6]。

4.主控模块硬件图

主控模块硬件图如图3.2所示。

通过软件设计，使单片机P0口作为三色LED驱动信号输出口及移位时钟CLOCK信号，P3口为按键输入口，P2口、P1口与5位七段码LED相接作为显示器的输出口。

图3.2主控模块硬件图

3.2受控模块设计

管内LED板模块设计主要器件有LED彩灯（红、绿、蓝）、移位触发模块芯片等。

根据实际应用彩灯长度需要，可将不同数量的该管内LED模块实现级连，组成一个完整的LED彩灯。

1.移位触发模块芯片的选择

考虑到成本因素，这里选择芯片CD4076。

CD4076是4位寄存器，由具有3态输出的D型触发器组成，触发器对数据的接收由STA、STB端控制，当此两输入端为低电平时，在下一时钟上升沿D输入端的数据分别装入触发器，同时也提供了ENA、ENB输入端，当其两输入端均为低电平时，负载可在输出端获得正常的逻辑电平；若其中一端口为高电平，输出呈现高组态。

CD4076提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式[7]。

推荐工作条件：

电源电压范围…………3V～15V

输入电压范围…………0V～VDD

工作温度范围

M类…………－55℃～125℃

E类………….－40℃～85℃

极限值：

电源电压…...－0.5V～18V

输入电压……－0.5V~VDD+0.5V

输入电流…………….±10mA

储存温度…………－65℃～150℃

引出端符号：

CP时钟输入端

CR清除端

1D～4D数据输入端

ENA、ENB输出使能端

1Q～4Q数据输出端

STA、STB数据输入控制端

VDD正电源

Vss地

逻辑符号如图3.3所示：

图3.3CD4076逻辑符号

引出端排列（俯视）如图3.4所示：

图3.4CD4076端排列俯视图

静态特性如表3.1所示：

表3.1CD4076静态特性

动态工作条件（TA＝25℃）如表3.2所示：

表3.2CD4076动态工作条件

2.其他芯片选择

在受控模块设计中，还使用了ULN2003。

ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。

实物如图3.5所示。

图3.5ULN2003实物图

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。

电路图如图3.6所示

图3.6ULN2003电路图

封装外形图如图3.7所示：

图3.7ULN2003外形封装图

ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。

它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。

ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。

用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。

采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。

通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。

ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。

比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。

作用：

ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。

可直接驱动继电器等负载。

输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。

该电路的特点如下:

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与T