彩七心形流水灯设计说明书大学论文.docx
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彩七心形流水灯设计说明书大学论文
湄洲湾职业技术学院
七彩心形流水灯说明书
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实验师
2016年11月20日
目录
1．前言4
2.系统设计技术参数要求5
3.系统设计5
3.1系统设计总体框图5
3.2各模块原理说明5
3.3系统总原理图说明6
3.4系统印刷电路板的制作图11
3.5系统的操作说明12
3.6系统操作注意事项12
系统设计参考文件13
致谢词13
附录14
1.前言
随着单片机功能的飞速发展，单片机的应用领域已经广泛渗透到了国民经济的各个领域，无是无处不在影响着每个现代人的生活。
单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一次技术革命。
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。
作为将要从事单片机应用系统开发方面的技术人员，掌握单片机的应用技术是必要的。
在单片机的应用过程中，单片机只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。
当今时代是一个新技术层出不穷的时代，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，正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。
单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。
目前，一个学习与应用单片机的高潮正在工厂、学校及企事业单位大规模地兴起。
学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，次此用AT89C51单片机自制了一款简易的流水灯，重点介绍了其软件编程方法，以及给单片机初学者以启发，更快地成为单片机领域的优秀人才。
电子技术课程设计是电子技术课程的实践性环节，是对所学的电子技术基本理论知识的综合运用。
课程设计是根据某一课题技术指标或逻辑功能的要求，进行电路的独立设计，实验安装和调试，在实验板上进行电子产品的制作和写出实验总结报告。
根据这次课程设计的内容和要求，我首先进行了整体方案的构思，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、上网和综合已学机以及电子技术的知识，并考虑到电路的工作稳定性，设计成本低，电路简单，功耗低等因素，同时还留有余地用于电路的功能扩展，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。
2.系统设计技术参数要求
（1）采用单片机STC89C52RC做成最小系统来控制。
（2）利用最小系统做出跑马灯，其LED灯的闪烁间隔时间采用延时程序控制,每种模式可采用不同的延时，灵活多变。
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。
单片机接口电路主要用来连接计算机和其它外部设备。
各功能模块的选择及论证如下:
复位电路:
由电容和电阻构成,由电路图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
本设计中R=10K,C=10uF。
晶振电路:
典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）同时也可取12MHz（产生精确的微秒级时歇,方便定时操作），因设计需要，本设计采用12M晶振。
单片机:
一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机，本设计采用STC89C52RC。
接口电路:
具有人机交互接口。
具有一定的可扩展性，单片机I/O口可方便地与其他电路板连接。
3．系统设计
3.1系统设计总体框图
STC89C52
单片机
复位电路
LED显示
晶振电路
电源
3.2各模块原理说明
（1）发光二极管模块
发光二极管是由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1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）晶振模块
图3.4晶振电路图
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。
高级的精度更高。
有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
STC89C52RC使用12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20~30pF的瓷片电容。
3.3系统总原理图说明
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。
AT89C51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AT89C51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32个发光二极管的单片机最小应用系统，即为由AT89C51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机。
其具体的电路原理图组成如下所示：
单片机流水灯的电路原理图
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，其他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依次点亮、熄灭。
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，我们在控制二极管灯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。
3.4系统印刷电路板的制作图
2．2MCS-51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下图所示。
单片机的内部结构框图
从上图可知，它主要由8个部件通过片内总线连接而成。
部件有中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行输入/输出口、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。
MCS-51单片机的封装有两种形式，一种是双列直插式（DIP）封装的形式，另一种是方形封装形式。
HMOS工艺的8051单片机采用40引脚的DIP封装，而CHMOS工艺的单片机除采用DIP封装外，还采用方形封装形式，其中4个NC为空引脚。
采用40引脚DIP封装的8051单片机引脚排列如图1所示。
8051单片机是高性能的单片机，由于受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有两种功能，我们用斜线加以区分。
单片机的管脚除了电源端Vcc、接地端Vss、复位端RST、晶振接入端的XTAL1、XTAL2及通用I/O口的P1.0-P1.7外，其于的管脚都是为现实系统扩展而设置的。
用这些管脚可构成单片机的三总线形式。
它们分别是地址总线、数据总线和控制总线。
CPU由运算器、控制器和若干特殊功能寄存器（如累加器A、寄存器B、程序状态字寄存器PSW、数据指针寄存DPTR等）组成。
运算器包括算术逻辑运算部件ALU、位处理器、累加器A、寄存器B、暂存寄存器几程序状态字寄存器PSW等。
控制器是单片机的神经中枢，它是指挥控制部件。
所谓程序，就是为了完成某项工作将一系列指令有序的组合，而指令则是要求单片机执行某种操作的命令。
指令分为操作码和地址码两个部分，操作码部分规定了单片机操作类型，而地址码部分一般是直接或间接地给出了参与操作的数据的存放地址，所以地址码也可以直接称之为操作数。
存储器是组成计算机的三大部件之一，其功能是存储信息。
存储器按其存储方式可以分为两大类，一类是随机存储器（RAM），另一类是只读存储器（ROM）。
CPU在运行过程中可对RAM随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源是，RAM中所有的信息会丢失，所以RAM只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算中的结果等，RAM也因此常被称为数据存储器。
而ROM是一种写入后不能改写只能读出的存储器。
在断电后，ROM中的信息保留不变，所以ROM用来存放固定的程序和数据。
MCS-51单片机存储器可分为五类，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、特殊功能存储器和片外数据存储器。
MCS-51单片机存储器的地址空间可分为3个，在访问这3个不同的地址空间时，采用不同形式的指令。
MCS-51单片机存储器结构有两个重要的特点：
一是把数据存储器和程序存储器截然分开；二是存储器有内、外只分。
8051单片机有四个8位的双向输入/输出端口，每个端口均可按字节输入、输出，也可按位进行输入、输出，一个端口占8个引脚，共占32个引脚。
在每个端口中都包括有一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。
通常把四个端口笼统地表示为P0、P1、P2、P3。
2.4发光二极管
2.5晶体震荡器
石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：
从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：
普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。
目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）等。
第三章软件
3.1单片机应用系统的软件设计
软件设计是应用系统研制中工作量最大最重要也是最困难的任务，它可以分为两部分:
一是用于管理单片机系统工作的监控管理程序；二是用于执行完成实际具体任务的功能程序。
而功能程序通常应包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机联系程序和数据管理程序。
监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序，它的任务是：
1.在系统投入运行的最初时刻，应对系统进行自检和初始化。
当用户操作键盘时，必须对键盘操作进行解释，调用相应的功能模块，完成预定的任务，并通过显示等方式给出执行的结果，即完成处理键盘命令的任务。
2.对于具有遥控通信接口的单片机系统，监控程序还应包括通信解释程序，即具有处理接口命令的功能。
3.单片机系统在运行时也能被某些预定的条件触发而完成规定的操作，这类条件中有定时信号、外部触发信号等，监控程序也应考虑处理条件触发并完成显示的功能。
软件设计通常才用模块化程序设计、自顶向下的程序设计方法。
晶振电路
图3.4晶振电路图
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。
高级的精度更高。
有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
STC89C52RC使用12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20~30pF的瓷片电容。
3．2单片机流水灯的软件编程
单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述原理图搭建完成通电之后，我们还不能看到流水灯循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么来进行工作，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的一亮一灭。
软件编程是单片机应用系统中的一个重要的组成部分，是单片机学习的重点和难点。
下面我们以最简单的流水灯控制功能即实现32个LED灯的循环点亮，来介绍实现单片机流水灯的软件编程方法及程序：
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
//延时
voiddelay（uintk）
{
uinti,j;
for（i=k;i--;i>0）
for（j=100;j--;j>0）;
}
voidmain（）
{
uchartemp0,temp1;
ucharyi;
ucharyi0,yi1;
uinti,j,k,a,b;
j=k=a=b=3;
//全部亮
P0=P1=P2=P3=0x00;
delay（700）;
P0=P1=P2=P3=0xff;
//每个io口独自亮
for（i=2;i--;i>0）
{
P1=P0=0x00;
delay（500）;
P1=P0=0xff;
P3=P2=0x00;
delay（500）;
P3=P2=0xff;
}
//全部亮，闪三次
for（i=2;i--;i>0）
{
P0=P1=P2=P3=0x00;
delay（100）;
P0=P1=P2=P3=0xff;
delay（100）;
}
//P1、P2亮，P3、P0暗
for（i=3;i--;i>0）
{
P1=0x00,P2=0x00;P3=0xff,P0=0xff;
delay（500）;
P1=0xff,P2=0xff,P3=0x00,P0=0x00;
delay（500）;
}
//四个点的流水
while（j>0）
{
temp0=0xfe,temp1=0x7f;
P1=P3=temp0,P2=P0=temp1;
delay（100）;
for（i=7;i--;i>0）
{
temp0=_crol_（temp0,1）,temp1=_cror_（temp1,1）;
P1=P3=temp0,P2=P0=temp1;
delay（100）;
}
j--;
}
//全部亮，闪三次
for（i=3;i--;i>0）
{
P0=P1=P2=P3=0x00;
delay（300）;
P0=P1=P2=P3=0xff;
delay（300）;
}
//四个IO口同样跟踪流水
while（k>0）
{
temp0=0xfe,temp1=0x7f;
P1=P3=temp0,P2=P0=temp1;
delay（60）;
for（i=7;i--;i>0）
{
temp0=temp0<<1,temp1=temp1>>1;
P1=P3=temp0,P2=P0=temp1;
delay（60）;
}
k--;
}
P0=P1=P3=P2=0xff;
while（k<3）
{
temp0=0x7f,temp1=0xfe;
P1=P3=temp0,P2=P0=temp1;
delay（60）;
for（i=7;i--;i>0）
{
temp0=temp0>>1,temp1=temp1<<1;
P1=P3=temp0,P2=P0=temp1;
delay（60）;
}
k++;
}
P3=P2=0xff;
//两边单个从上向下流水
yi=0xfe;
P1=P0=yi;
delay（50）;
for（i=7;i--;i>0）
{
yi=_crol_（yi,1）;
P1=P0=yi;
delay（50）;
}
P1=P0=0xff;
yi=0xfe;
P3=P2=yi;
delay（50）;
for（i=7;i--;i>0）
{
yi=_crol_（yi,1）;
P3=P2=yi;
delay（50）;
}
P3=P2=0Xff;
//两边单个返回流水
for（i=7;i--;i>0）
{
yi=_cror_（yi,1）;
P3=P2=yi;
delay（50）;
}
P3=P2=0xff;
for（i=7;i--;i>0）
{
yi=_cror_（yi,1）;
P0=P1=yi;
delay（50）;
}
//全部亮，闪三次
P0=P1=P3=P2=0xff;
for（i=3;i--;i>0）
{
P0=P1=P2=P3=0x00;
delay（100）;
P0=P1=P2=P3=0xff;
delay（100）;
}
//流水灯
yi0=0xfe,yi1=0x7f;
P3=P2=yi1,P1=P0=yi0;
delay（100）;
for（i=7;i--;i>0）
{
yi0=yi0<<1,yi1=yi1>>1;
P1=P0=yi0,P3=P2=yi1;
delay（100）;
}
P1=P2=P3=P0=0xff;
delay（200）;
yi0=0x7f,yi1=0xfe;
P1=P0=yi0,P3=P2=yi1;
for（i=7;i--;i>0）
{
yi0=yi0>>1,yi1=yi1<<1;
P1=P0=yi0,P3=P2=yi1;
delay（100）;
}
//大循环跟踪流水
P1=P2=P3=P0=0xff;
for（i=8;i--;i>0）
{
P1=P1<<1;
delay（50）;
}
for（i=8;i--;i>0）
{
P3=P3<<1;
delay（50）;
}
for（i=8;i--;i>0）
{
P2=P2>>1;
delay（50）;
}
for（i=8;i--;i>0）
{
P0=P0>>1;
delay（50）;
}
//逆向大循环跟踪流水
P1=P2=P3=P0=0xff;
for（i=8;i--;i>0）
{
P0=P0<<1;
delay（50）;
}
for（i=8;i--;i>0）
{
P2=P2<<1;
delay（50）;
}
for（i=8;i--;i>0）
{
P3=P3>>1;
delay（50）;
}
for（i=8;i--;i>0）
{
P1=P1>>1;
delay（50）;
}
//全部亮，闪三次
P0=P1=P3=P2=0xff;
for（i=4;i--;i>0）
{
P0=P1=P2=P3=0x00;
delay（100）;
P0=P1=P2=P3=0xff;
delay（100）;
}
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