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1、课设终极版电子元器件认识与系统设计报告指导教师评语考勤（10）守纪（10）报告（30）作品（30）答辩（20）总成绩（100）专 业： 自动控制 班 级： 控 1103 姓 名： 陈存伟 学 号： 201108933 指导教师： 赵 斌 兰州交通大学自动化与电气工程学院2013 年 7月11日 基于单片机的LED流水灯系统设计1设计题目本次单片机原理及系统课程设计是基于单片机的LED流水灯系统设计，主要介绍了基于单片机的LED流水灯的硬件组成以及程序汇编组成。利用51单片机本身的时钟电路，再结合软件控制让接在单片机口线上的LED灯呈现多种有规律的闪烁，产生不同的视觉效果，本次课程设计我设计的流

2、水灯具有8种不同的闪烁方式。2设计目的（1）通过本次课程设计完成LED流水灯系统的设计，以达到理论与实际更好的结合、进一步提高综合运用所学知识和设计能力的目的。（2）学习利用Proteus Design Suit 7和Keil C51 软件对设计程序进行调试和仿真，提高独立思考解决问题的能力3 设计方案及原理 总体设计方案 AT89C51内部产生时钟脉冲信号作为时钟源，通过软件控制单片机的8个口线以一定的规律在口线上输出低电平信号。发光二极管的正极接电源，负极接到单片机口线上，口线上的低电平信号所对应的发光二极管就会随着信号闪亮，信号变高则熄灭，有规律的低电平信号就会让发光二极管有规律的闪亮，

3、形成流水灯的效果。 时钟产生部分 AT89系列单片机内部集成有RC振荡电路，所以本次流水灯的系统设计可以不用在单片机外部加晶振电路，直接利用51单片机内部的RC振荡产生的时钟信号作为时钟源。闪烁时间间隔控制51单片机在闪烁间隔时间问题上，一般有两种方法可以采用：一是利用单片机内部的定时（计数）器产生一定的时间延迟，从而控制LED灯的闪烁快慢。这种控制方式的优点是只要不超过单片机内部定时器四种定时方式的最大定时时间（在系统时钟频率为12MHz时,单片机定时器工作方式0最大定时时间约为8毫秒，工作方式1最大定时时间约为65毫秒，方式2和方式三最大定时时间相同，约为256微秒），闪烁时间间隔可以随意

4、确定。缺点是定时时间到后会产生中断，这给程序设计带来一定的麻烦，需要设计者有较高的程序设计能力；二是利用延时程序产生时间差。这种方法优点是简单清楚，产生延时只是让CPU执行一些无用的指令，并无中断产生，降低了程序设计的要求水平。缺点是不能做到准确的时间间隔，只能产生一个大体值，而且因为CPU要做很多无用指令以产生时间延迟，大大降低了CPU的使用效率 。本次课程设计因为要产生8种不同的闪烁方式，如果采用方式一利用定时器产生延迟，大量的中断服务程序对初学者而言难度很大，加之LED流水灯的延时时间只要能满足一定的视觉效果要求，对时间准确性要求不是很严格，所以综合考虑，这次的流水灯课程设计我采用的是方

5、式二，利用延时程序控制LED灯闪烁间隔时间。 LED灯显示部分利用发光二极管的单向导通特性，在二极管的正极连接电源产生高电平，这时只要在二极管的负极加低电平就可以导通二极管使其点亮，而51单片机就可以通过软件的方法调整口线的高低电平，结合延时程序的产生时间间隔，就可以让8个LED灯以一定的规律闪烁系统组成系统组成图如图所示， 硬件设计本次课程设计我采用的是内部本身具有RC振荡电路的AT89C51单片机，所以外围并没有晶振电路，只需要在单片机外部一组口线上接八个发光二极管就可以，硬件连接图如下图所示软件设计 需要通过软件控制单片机口线上的电平以一定规律显示高低电平，汇编语言指令可以直接将寄存器中

6、的8位二进制数输出到单片机一组8位口线上，二进制数的0表示低电平，1表示高电平，所以控制口线的高低电平问题可以化简为调整寄存器中的8位二进制数中0和1的位置问题，这样所有问题都将归到程序设计这一个模块上。课程设计要求8个LED灯需要有8种不同的显示方式，汇编语言中的左右循环指令就可以让寄存器中的数值循环移位，反映到LED灯上就可以让流水灯呈现出流水的效果，但这种处理方法只能有8种不同的显示，而且一味的利用循环指令在流水灯的显示效果上会产生审美疲劳，所以这次的流水灯设计我采用4种不同显示的循环指令，而其他4种我利用查表指令来实现。查表指令相对循环可以实现的LED的显示方式更多，几乎可以实现任何一

7、种设计者想要实现的LED灯显示花样，然而缺点是在一个程序里面只能有一个查表子程序，而且表中的差值只限8位，使分支程序入口地址的分布范围受到限制。 在解决了LED灯显示方式后还有一个问题就是显示间隔，本次课程设计我采用延时程序产生时间差，在振荡频率为11MHz时延时时间可以达到约250微秒。具体的源程序见附录A，程序流程图见附录B。系统仿真及实际调试电路仿真图如下所示总结本次课程设计不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多以前在课本上没有学到过的知识，掌握了一种系统的研究方法，通过对程序的调试和仿真，不断的查找错误、修改程序。在这个过程中我对编写程序有了一个比较深刻的体会：程序编写不仅要求对课

8、本上的基础知识要很好的掌握，而且在一些具体问题上程序设计者必须要理论联系实际，甚至有时还必须提出自己独立的构思，程序形式可以模仿，可程序中包含的设计者对一些算法的思维方式是模仿不来的。这次课程设计，我选择的题目是基于51单片机的LED流水灯的设计，虽然设计系统比较简单，但这是我第一次将软件和硬件联系起来做一件东西，所以对我而言这次课设还是一个不小的挑战，就单单是程序而言，8种不同的显示方式就让我在程序设计上产生了很大茫然，还好通过查资料我慢慢地由浅到深的了解了整个系统的结构以及工作原理，在真正了解了再写程序自然得心应手。虽然在以后的程序代码的编写上也遇到不少难题，但经过一步一步的修改总算实现了

9、设计要求的所有显示功能，自己也感觉很有成就感。总之，这次的课程设计让我深刻体会到了理论联系实际的重要性，也让我深深感受到了实际操作的重要意义。参考文献（1） 张毅坤 陈善久，单片微型计算机原理及应用 西安电子科技大学出版社（2） 周向红，51单片机课程设计 华中科技大学出版社（3） 张毅刚，彭西元，单片机原理与应用设计 电子工业出版社， 3设计方案 由555定时器组成一个单稳态触发电路，当水银开关导通时，闭合开关S1，此时555芯片2脚和6脚都输入低电平，芯片输出端3脚输出高电平，使9561音乐芯片产生音频信号输出，经VT3放大电路放大后驱动扬声器发声，同时电源经R2给C1充电，当C1两端的电

10、压高于2/3Vcc时，断开水银开关，555芯片6脚输入高电平，2脚处电压也高于1/3Vcc，输入高点平,555芯片3脚输出低电平，9561音乐芯片停止报警，处于待报警状态。同时555芯片的放电管导通，给C1放电，使得C1两端的电压降到低于2/3Vcc。若报警器受到振动，水银开关内水银随之振动而导通时，则2脚和6脚同时输入低电平信号，9561音乐芯片输出音频信号开始报警，此时即使水银开关断开，报警器也会保持报警状态，达到报警的目的。4市场调研这次市场调研，先通过网上了解元件的大概市场情况，然后在本地的西北电子商贸城和南关电子市场进行调研的。国内的几个电子元器件邮购商家单个元器件比较便宜，但都不包

11、邮，比如9561音乐芯片，淘宝电子商城卖0.45元而邮费却是12元，而本地的西北电子商贸城单价虽然贵一点，9561芯片售价为5元，因为没有运费，所以总体算下来还是本地的电子市场比较划算。5设计原理本设计的核心元件是IC1(9561)和IC2(555)，前者为四声报警音乐集成电路，当接通电源后，便可产生四种不同的报警音频信号，此次设计中设定成警车声。音频信号经VT1放大后，驱动扬声器发音；IC2则是555时基电路，这款电路应用非常广泛，根据不同的接法，可形成多谐振荡器、单稳态电路、双稳态电路。5.1实验电路本次设计中555时基电路设计为单稳态电路，电路图如图1所示。图 1 电路原理图5.2主要元

12、件介绍555定时器是一种多功能的数字模拟混合集成电路，利用它进行不同的组合可方便地构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活，方便，所以555定时器在波形的产生与变换，测量与控制，家用电器，电子玩具等许多领域中都得到了应用。555时基电路的内部原理图如图2所示。设V11是比较器C1的输入端，也称阈值端，V12是比较器C2的输入端，C1和C2的参考电压(电压比较的基准)设为VR1和VR2由VCC经三个电阻5K欧电阻分压给出，在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=2/3VCC，VR2=1/3VCC，如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO，VR2=1/2VCO。 RST端是置零输入端

13、，只要在该端加上低电平，输入端VO便立即被置成低电平，不受其它输入端的影响，正常工作时必须使之处于高电平。图2中的数码18为器件引脚。图 2 555定时器内部原理图由图2可知，当V11大于VR1，V12大于VR2时，比较器C1的输出为0，比较器C2输出VC2=1。基本RS触发器被置0，TD导通，同时VO为低电平，可得到555芯片功能，如表2所示。表2 555芯片功能表输入输出RSTV11V22VOTD状态0低导通12/3Vcc1/3Vcc低导通12/3Vcc1/3Vcc不变不变12/3Vcc1/3Vcc高截止12/3Vcc1/3Vcc高截止9561集成音乐IC能产生枪声、警车警报声、消防车声、

14、救护车声等四种声音，声音逼真，工作电压3V，加一个NPN晶体三极管，如9031可推动8欧扬声器。四种声音的接法如表3所示。表3 9561芯片接法F1F2声效不接不接警车声接正极不接火警声接负极不接救护车声无关接正极机枪声芯片外部接线图如图3所示。水银开关是利用水银做导体，它采用玻璃外壳或金属外壳封装，主要用在报警器等产品中。水银开关可分为单向性和万向型。图3 9561芯片外围接线图水平报警系统：当水银开关处于水平状态时水银开关内水银将两触点接通，倾斜到一定程度时将设备停止同时产生报警。 正置报警系统：水银开关竖直安装在一设备上，当水银开关是垂直状态时，两触点是断开的，当水银开关倾后开关内水银将

15、触点接通。在电路中主要用到的是三极管的截止和导通功能，三极管的三支管脚C、E和B。如果B极上的电流没有达到三极管规定的导通电流IB，C极和E极之间就截止。反之，C极和E极就会导通。6元器件清单 通过对电子元器件的网上了解和实地市场调研, 终于购齐了此次电子系统设计制作所需要的全部电子元件，元器件清单如表4所示。7焊接与调试 本次设计制作的555震荡报警器原理比较简单, 就是在电路元器件的焊接安装方面存在一些困难。由于9561报警发生电路没有引脚引出，所以在制作时须用管脚将其引出方能安装于电路板上，设计中9561芯片与线路板的连接，用9013三极管的管脚来完成。将三极管的基极(中间的脚)剪断后直

16、接焊于音乐片9561上，然后将另外两脚穿出音乐电路，另一边也在9561芯片上焊牢。二根穿出的引脚用于焊接在线路板上。电阻R3也直接焊接于音乐片上，这样VT3和R3便与音乐电路9561装于一体，报警电路与主电路板相连，完成了电路的焊接制作。接下来要进行调试，主要是调水银开关的角度，开关中的水银置于根部时，开关接通，位于顶部时则开关断开，当报警器水平放置时，将水银开关调整到水平向下倾斜30度左右，让水银开关中的水银位于玻璃管的顶部，当有振动时，里面的水银上下窜动，从而接通开关。玻璃管的倾斜角度大小，直接影响到报警器的灵敏度，经过多次调试后，才发现焊接的板子在上面所述的角度下可以实现设计的全部功能。

17、除此之外，对整体电路系统也进行了调试，通过调试对整个电路的系统结构和元器件的功能运用有了一个更为清晰的认识。调试是整个计过程中最重要也最有挑战性的步骤, 在设计过程中由于马虎装反了三极管而花费了大量时间进行调试, 不过最终通过测量了端子间电压发现这个问题，及时进行了修正。表4 元器件清单及市场调研名称符号规格价格（元）数量调研地点9561芯片52西北电子商贸城555芯片22西北电子商贸城三极管Vt3901312南关电子市场扬声器BL80 0.5W11南关电子市场六脚开关31西北电子商贸城复位开关AN112南关电子市场电池盒GB3V41西北电子商贸城实验电板21西北电子商贸城水银开关S222南关

18、电子市场电阻R1270k2南关电子市场R2150k2南关电子市场R3200k2西北电子商贸城电解电容C147uf11西北电子商贸城C310uf11南关电子市场瓷片电容C210322南关电子市场焊锡11西北电子商贸城导线11南关电子市场芯片座0.21南关电子市场8设计总结 这次电子元件市场调研与系统设计，锻炼了我实践动手操作的能力，提高了分析思考和解决问题的能力，尤其是领会到了团队协作的魅力。在题材选择上，我充分利用课本上学到的知识，并把它们运用到想要实现的电路功能上，真正理解了理论知识的重要性，就是那些我平常看着没什么用处的“本本主义”一步步引导着我们不断尝试，不断进步，每个组员都在为了一个目

19、标而努力，不论是组内探讨还是找其他资料，只要有一个人提出一个可实行的方法，我们都由衷的发出一股喜悦之情，就这样，掺杂着困难，汗水，喜悦，我们设计出了我们的功能电路。而安装过程同样也是因为团队协作才得以快速的完成。整个制作过程，我收获的不仅是知识上的财富，还有精神上的财富，我理解了团队协作精神，锻炼了独立的能力，为我以后的学习和工作做了很重要的准备工作。 虽然我完成了设计制作工作，也取得了一些对我而言十分宝贵的经验，然而同时也反映出了很多问题。首先是我对知识掌握的不够牢固，在设计过程中，有些问题以及所涉及的知识我们是在课堂上学过的，可是突然要拿出来用我却显得有些不知所措，反而要重新拿出课本再复习相关的知识，比如在设计555定时器单稳态电路时，我对单稳态电路的概念都很模糊，放在课本习题中我可能很快就能做出来，可突然要我用这个实现警报控制功能，我都不知道该怎么实现，这可能跟我平时的学习习惯有关，不求深究，没能深入地理解所学的知识，在以后的学习中，这个不良习惯一定要改掉。 总之，这次的设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，也让我理解了团队的重要性，对我以后自身的发展而言是一次很有意义的经历。9 实物图片经过几天紧张的设计与焊接工作，终于完成了这次的电路设计任务，实现了我们当初设计电路的全部功能，完成后的 555振荡报警器系统的实物图如图4所示。 图4 555振荡报警器