彩灯控制器电路设计报告

西安科技大学高新学院

毕业设计（论文）

题目彩灯控制器电路设计

院（系、部) 机电信息学院

专业及班级电专1202班

姓名张森

指导教师田晓萍

日期 2015年5月28日

摘要

随着微电子技术的发展，人民的生活水平不断提高，人们对周围环境的美化和照明已不仅限于单调的白炽灯，彩灯已成为时尚的潮流。彩灯控制器的实用价值在日常生产实践，日常生活中的作用也日益突出。基于各种器件的彩灯也都出现，单片机因其价格低廉、使用方便、控制简单而成为控制彩灯的主要器件。

目前市场上更多用全硬件电路实现，电路结构复杂，结构单一，一旦制成成品就只能按固定模式，不能根据不同场合，不同时段调节亮度时间，模式和闪烁频率等动态参数，而且一些电路存在芯片过多，电路复杂，功率损耗大，亮灯样式单调缺乏可操作性等缺点，设计一种新型彩灯已迫不及待。

近年来，彩灯对于美化、亮化城市有着不可轻视的重要作用。因此作为城市装饰的彩灯需求量越来越大，对于彩灯的技术和花样也越来越高。目前市场上各种式样的LED彩灯多半是采用全硬件电路实现，存在电路结构复杂、功能单一等局限性，因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。

关键词：LED彩灯；STC-89C52单片机；彩灯控制器。

目录

1前言 (1)

1.1设计目的 (1)

1.2设计要求 (1)

1.3总体方案设计与选择的论证 (2)

2节日彩灯控制器的设计 (4)

2.1核心芯片及主要元件功能介绍 (4)

2.1.1 AT89S52芯片 (4)

表1 (5)

2.1.2 74HC377芯片 (5)

2.1.3 74HC138芯片 (6)

2.2硬件设计 (7)

2.2.1直流电源电路 (7)

2.2.2按键电路 (8)

2.2.3时钟复位电路 (8)

2.2.4 LED显示电路 (9)

2.2.5硬件调试 (9)

2.3软件设计 (10)

3 总结 (15)

3.1实验方案设计的可行性、有效性 (15)

3.2设计内容的实用性 (15)

3.3心得 (16)

附录 (16)

参考文献 (18)

致谢 (19)

1前言

由于国内生活水平不断提高，人民向往较佳的生活质素，对灯具灯饰也不断提出了新要求，近年内地灯饰市场有以下情况：功能细分：人们要求灯具能符合不同场合，不同照光功能的需求日高，因此适用于各种使用要求的灯具逐应运而生，如学生灯、书写灯、应急灯、日光灯、霞光灯、晚餐灯以及不同高度的落地灯等新品叠出。高技术化：由于电子技术被广泛用于灯具的制造，适应不同的电压，使可调节亮度的第三代照光灯具多起来。无频闪灯、3种波长色谱可调灯，放射远红外光灯等具备保护视力功能的灯具也开始推出市场。国际灯具行业现代化产品设计的潮流是：减少产品的尺寸，以减少材料的投入；现代社会对产品的开以制造最重要的着眼点是“经济”和“环境保护”。照明产品最好能体现这一潮流的是紧凑荧光灯，细管径，超细管径直管荧光灯和无汞的射频(RF)或微波(MW)激发的硫灯。紧凑型荧光灯直径和尺寸，它们的形式多种多样用途也十分广泛。一般来说，它们有5倍于白炽灯的光效和8倍于白炽灯的寿命。因此，它们是绿色照明工程的推荐产品，使用紧凑型荧光灯的灯具也日益多见。

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霓虹灯。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。因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。本文提出了一种基于AT89S52单片机的彩灯控制方案，实现对彩灯的控制。本方案以AT89S52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,可以显示不同的花样。

1.1设计目的

1、了解节日彩灯控制器的工作原理

2、掌握按键输入的消抖处理程序和延时程序的编写

3、掌握独立电源设计方法及原理

4、掌握电路板的实物焊接

1.2设计要求

设计4个按键K1，K2，K3,K4，

K1—上，按此键则灯由上向下流动。

K2—下，按此键则灯由下向上流动。

K3—全亮，按此键则灯全亮。

K4—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。

1.3总体方案设计与选择的论证

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霓虹灯。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、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，影响彩灯效果，因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。

（一）设计方案

彩灯控制器大致可分为两种方案实现。一种是利用电子电路装置控制，另一种是采用单片机控制。

方案一：

根据设计任务要求介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡电路、计数/时序分配电路、移位位寄存器和彩灯显示五部分组成。其框图如图1-1所示。

图1-1 彩灯循环控制器硬件框图

方案二：

本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的LED彩灯循环系统的设计，来达到本设计的要求。其硬件构成框图如图1-2所示，以单片机为核心控制，由单片机最小系统（时钟电路、复位电路、电源）、按键控制电路、LED 发光二极管和5V直流电源电路组成。

供电信号

图1-2 单片机彩灯循环控制系统硬件框图

此设计方案中单片机的P1口接5路按键控制电路，实现彩灯花型的切换功能；单片机的P1口引脚接上四个按钮开关以实现对彩灯闪烁频率的控制，即实现了快慢两种节拍实现花型的变换；单片机上的P2口接二十四路LED发光二极管组成彩灯电路，显示彩灯循环情况。

（二）方案选择

结合设计任务书比较以上两种方案可知：利用电子电路装置控制，其电路不很复杂，制作相对较容易点，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到设计任务要求或实现困难。采用单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。

综上，显然方案二各方面优越于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用第二种方案。

2节日彩灯控制器的设计

2.1核心芯片及主要元件功能介绍

2.1.1 AT89S52芯片

管脚说明：如图3所示：

(1)P0口

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，能驱动8个TTL逻辑门电路。对端口写“1”时，被定义为高阻输入。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻.

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

（2）P1口

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某

)。

个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(I

IL

图2-1 单片机89S52管脚图

在Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。如表1

表1

2.1.2 74HC377芯片

输出接口扩展通常用74HC377芯片来实现。该芯片是一个带允许端的8D锁存器

（1）芯片的引脚如图2-2所示

图2-2 74HC377引脚图

（2）各相关引脚的功能如下：

◇D0～D7为8位数据输入端；

◇Q0～Q7为8位数据输出端；

◇G为使能控制端；

◇CLK为时钟信号，上升沿锁存数据。

（3）74HC377真值表如下

表2 74HC377真值表

2.1.3 74HC138芯片

74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL （LSTTL）系列。

（1）74HC138引脚

74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC138特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。

图 2-3 74HC138引脚图

（2）74HC138的功能如下

74HC138 作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的，在数据传输系统高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时,译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间,这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。HC138 按照三位二进制输入码和赋能输入条件,从8 个输出端中译出一个低电平输出。两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器,扩展成24 线译码器不需外接门;扩展成32 线译码器,只需要接一个外接倒相器。在调节器应用中,赋能输入端可用作数据输入端。

2.2硬件设计

2.2.1直流电源电路

对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源电路的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。电子设备除用电池供电外，还采用市电（交流电网）供电。通过变压、整流、滤波和稳压后，得到稳定的直流电。直流稳压电源是电子设备的重要组成部分！本项目直流稳压电源为+5V。如下图所示：

直流稳压电源的制作一般有3种制作形式，分别是分立元件构成的稳压电源线性集成稳压电源和开关稳压电源。下图稳压电源采用的是三端集成稳压器

7805构成的正5V直流电源。

图2-4 三端集成稳压器7805构成的正5V直流电源

2.2.2按键电路

按键控制电路(如图8所示)是由4个按键开关构成的。他们分别接在单片机AT89S52的P1接口

K1—上，按此键则灯由上向下流动。

K2—下，按此键则灯由下向上流动。

K3—全亮，按此键则灯全亮。

K4—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。

图2-5 按键电路

2.2.3时钟复位电路

要使单片机工作起来，最基本的电路的构成由单片机、时钟电路、复位电路等组成

时钟电路：本系统采用单片机内部方式产生时钟信号，用于外接一个12MHz 石英晶体振荡器和2个30pF微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。

复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机系

统的复位方式有上电自动复位和手动按键复位。本设计采用手动按键复位，该复位方式同样具有上电自动复位功能。电路如下图所示。

图2-6 时钟复位电路

2.2.4 LED显示电路

LED彩灯显示电路(如图所示)实际上是由24个发光二极管和24个电阻构成的电路。发光二极管与电阻对应串联,然后接在与之相对应的74HC377口上。通过软件编程对P2口输出高低电平来实现不同的闪烁花型。

2.2.5硬件调试

（1）调试：根据原理图将应该焊接好，用Altium Designer6.9软件下载Keil 生成的HEX文件到单片机中，再给单片机上电，程序开始运行。

（2）故障及解决：完成硬件焊接后，接上电程序并不能下载到单片机中，对比原理图的连线，一步一步检查，最终找到故障所在，74HC138使能端未接地/高电平，74HC377未接地，这些问题解决后在老师那可以烧进去程序，但是回到自己那后还是烧不进去程序，再次查询电路时发现，单片机接地端未接地，单片机的31管脚接地了，实际上应该接+5V，这些问题浪费了很长时间，所以在做设计时一定要认真仔细，故障排除后能够正常运行。

2.3软件设计

单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能看到多控制、多闪烁方式的LED灯系统循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么样进行控制，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明灭。软件编程是多控制、多闪烁方式的LED灯系统中的一个重要的组成部分，是本设计的重点和难点。下面,我将阐述多控制、多闪烁方式的LED灯系统是如何实现24个LED灯的循环点亮，来介绍实现流水灯控制的软件编程方法。

本设计是以单片机AT89S52为核心控制24个发光二极管4种闪烁方式的变换。

K1—上，按此键则灯由上向下流动。

K2—下，按此键则灯由下向上流动。

K3—全亮，按此键则灯全亮。

K4—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。

流程图如下：

图2-7 主程序流程图

程序如下：

K1 EQU P1.0

K2 EQU P1.1

K3 EQU P1.2

K4 EQU P1.3

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0030H

MAIN:MOV R2,#49H

MOV R3,#92H

MOV R4,#24H

CLR C

L: JNB K1 ,LOOP JNB K2 ,LOOP1 JNB K3 ,LOOP2 JNB K4 ,G1

MOV DPTR,#5FFFH MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#7FFFH MOV A, #00H

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#9FFFH MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A

LJMP L

G1:LJMP LOOP3 LOOP: JNB K2 ,LOOP1 JNB K3 ,LOOP2 JNB K4 ,LOOP3 MOV DPTR,#5FFFH MOV A,R2

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#7FFFH MOV A,R3

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#9FFFH MOV A,R4

MOVX @DPTR,A

MOV A,R4

RLC A

MOV R4,A

MOV A,R3

RLC A

MOV R3,A

MOV A,R2

RLC A

MOV R2,A

ACALL DEL_500mS AJMP LOOP

LOOP1: JNB K1 ,LOOP JNB K3 ,LOOP2 JNB K4 ,LOOP3 MOV DPTR,#5FFFH MOV A,R2

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#7FFFH MOV A,R3

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#9FFFH MOV A,R4

MOVX @DPTR,A

MOV A,R2

RRC A

MOV R2,A

MOV A,R3

RRC A

MOV R3,A

MOV A,R4

RRC A

MOV R4,A

LCALL DEL_500ms

LJMP LOOP1

LOOP2:JNB K1 ,LOOP

JNB K2 ,LOOP1

JNB K4 ,LOOP3

MOV DPTR,#5FFFH

MOV A,#0FFH

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#7FFFH

MOV A, #0FFH

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#9FFFH

MOV A,#0FFH

MOVX @DPTR,A

LJMP LOOP2

LOOP3: JNB K1 ,LOOP

JNB K2 ,LOOP1

JNB K3 ,LOOP2

MOV DPTR,#5FFFH

MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#7FFFH

MOV A, #00H

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#9FFFH

MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A

LJMP LOOP3

DEL_15ms:MOV 40H,#30

D11: MOV 41H,#250

D22: DJNZ 41H,D22

DJNZ 40H,D11

RET

DEL_500mS:MOV R5,#4

D12: MOV R6,#100

D21: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D21 DJNZ R5,D12

RET

3 总结

3.1实验方案设计的可行性、有效性

与市面上大多数的彩灯相比，该种彩灯具有更好的灯光装饰效果，性价比更高，与普通的全硬件彩灯相比具有更好的经济效益。应用主控模块输出的控制信号去控制灯管内的板模块工作，使得产品性能稳定，便以安装容易操作。由于控制程序存储在89C51单片机的电可擦除Flash闪存EPROM中，如果用户需要更改系统的亮灯模式，无须改变系统硬件电路，只需修改其中程序即可，是一种很有发展前途的彩灯控制器。

由于国内生活水平不断提高，人民向往较佳的生活质素，对灯具灯饰也不断提出了新要求，近年内地灯饰市场有以下情况：

功能细分－人们要求灯具能符合不同场合，不同照光功能的需求日高，因此适用于各种使用要求的灯具逐应运而生，如学生灯、书写灯、应急灯、日光灯、霞光灯、晚餐灯以及不同高度的落地灯等新品叠出。

高技术化－由于电子技术被广泛用于灯具的制造，适应不同的电压，使可调节亮度的第三代照光灯具多起来。无频闪灯、3种波长色谱可调灯，放射远红外光灯等具备保护视力功能的灯具也开始推出市场。

多功能化－符合当前的消费时尚、集多种功能于一体的灯如床头兼作光敏电话自控灯、带八音盒台灯等，是近年另一需求特点。

节能环保－新推出的高科技无频闪书写灯，光线平稳并可节能源50%，这种灯具很受消费者的欢迎。环保是灯具生产技术的崭新主题，显示人们对居室生态环境的重视，这亦是未来家居照明的主要发展方向。

国际灯具行业现代化产品设计的潮流是:减少产品的尺寸,以减少材料的投入;现代社会对产品的开以制造最重要的着眼点是“经济”和“环境保护”。照明产品最好能体现这一潮流的是紧凑荧光灯，细管径，超细管径直管荧光灯和无汞的射频(RF)或微波(MW)激发的硫灯。紧凑型荧光灯直径和尺寸，它们的形式多种多样用途也十分广泛。一般来说，它们有5倍于白炽灯的光效和8倍于白炽灯的寿命。因此，它们是绿色照明工程的推荐产品，使用紧凑型荧光灯的灯具也日益多见。

3.2设计内容的实用性

与市面上大多数的彩灯相比，该种彩灯具有更好的灯光装饰效果，性价比更高，与普通的全硬件彩灯相比具有更好的经济效益。产品性能稳定，便以安装容易操作。由于控制程序存储在89C51单片机的电可擦除Flash闪存EPROM中，如果用户需要更改系统的亮灯模式，无须改变系统硬件电路，只需修改其中程序即可，是一种很有发展前途的彩灯控制器。

3.3心得

本次设计考虑到了我们大学所学的所有知识，既要求我们对知识掌握的牢固，又要求我们对知识能够灵活运用。从所涉及的知识面来说，它不仅要求我们运用所学过的知识还要求我们去查找，学习，借鉴其他科目或门类的知识。从时间上来说，这次设计的时间是最长的，因此我们有足够的时间去重新温习学过的知识，更有充足的时间去搜集学习一些我们没有涉猎过的知识。这样不仅锻炼了我们学习新知识的能力，同时也拓宽了我们的知识面。并且我们还有足够时间去修改我们的设计中的缺陷，这也是对我们将来走入社会独立完成一项课题的考验。

我与同组人员经过将近两周的努力，终于完成的小学期的单片机课程设计，过程虽是辛苦的，但从中我却学到了很多东西。首先巩固了课上学习的理论知识，对于计算机汇编语言的系统化整体化有了更深的认识。在编写程序的过程中遇到了很多困难经过我们两人反复修改不断修正最终才能得以执行。但最难的部分焊接实物部分，实验要求二十四个二极管是共阴极接法，我们先改了我们的程序，接下来焊接的过程中遇到的问题有，电解电容正负接反，开关使用方法不正确焊接虚焊等等，经过与同组人员讨论，向其他人请教和老师的指导才焊接成功。整个设计过程最大的收获就是意识到理论知识扎实的重要性，实践是建立在理论之上的，平时基础知识学的好的同学做起来就是娴熟。另外就是合作的重要性，每个人都有他的特长一个人难免有疏漏，只有大家共同努力才能顺利的完成任务。

在经过两周的不懈努力中，终于完成了设计任务。通过本设计锻炼了我们的实践能力，也是对以后我们实际工作能力的训练和考察过程。现在是一个高科技的时代，单片机的应用无处不在，这更坚定了我要学好单片机的决心。

通过本次课程设计，提高了我们多方面的能力。提高了我们的自学能力，在设计过程中我们查阅了很多图书馆的书籍；提高了理论联系实际的能力，吧自己所学应用到实验中，对所用到的硬件有了更加深刻的理解；同时我们更加明白团结合作、分工合作的重要性，提高了团结合作的能力与做事效率。提高了我们克服困难的信心与决心，刚开始学习单片机时毫无头绪到现在完成设计，我们明白了只要我们努力，没有克服不了的困难。

附录