基于单片机控制发光二极管课程设计

单片机原理及应用

题目基于单片机控制发光二极管

院（系）信息工程学院

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目录

1 综述 (4)

1.1基于单片机控制发光二极管的过去发展。 (4)

1.2基于单片机控制发光二极管的现在发展。 (4)

1.3基于单片机控制发光二极管的未来发展。 (4)

1.4基于单片机控制发光二极管的国内发展 (7)

1.5基于单片机控制发光二极管的国外发展 (8)

2 搭建平台 (10)

2.1概述 (10)

2.2 Proteus (11)

2.3 Keil (12)

2.4 STC_ISP (13)

3 硬件技术介绍 (14)

3.1系统总体设计 (14)

3.2最小系统电路图设计 (15)

3.3按键电路设计 (15)

3.4 LCD电路设计 (17)

4 功能实现 (18)

4.1整体仿真电路图 (18)

4.2 流程图 (18)

4.3 源程序 (19)

5 测试结果及分析 (26)

5.1硬件测试 (26)

5.2软件测试 (26)

5.3实验截图 (27)

5.4焊接中的问题 (27)

*致谢 (28)

*参考文献 (28)

1 综述

1.1基于单片机控制发光二极管的过去发展。

1971年intel公司研制出世界上第一个4位微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理芯片Intel4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。由此单片机器件的发展过程：1976年，Intel推出MCS-48系类单片机，1980年Intel公司推出了性能较完善的MCS-51系列单片机，直到1982年Intel推出了微控制器化阶段的MCS-96系类单片机。

1.2基于单片机控制发光二极管的现在发展。

处于对低功耗的普遍需求，目前各大厂商推出的各类单片机产品都采用了CHMOS工艺，随着集成电路技术的快速发展，很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如A/D、D/A、PWM以及LCD驱动器等集成到芯片内部，尽量做到单片化。同时单片机的种类越来越多，Intel、Motorola、Philip、EMC等公司设计和开发了多种功能不同的产品。

1.3基于单片机控制发光二极管的未来发展。

单片机作为一个完整的数字处理系统具备了构成计算机的几乎全部主要单元部件，在这个意义上称之为单片微机毫不过份，正所谓“麻雀虽小，五脏俱全”。通过学习和应用单片机入计算机

硬件之门可收事半功倍之效。选择单片机作为接近PC机硬件的首选机种，不必从一开始就为众多外围芯片及相互间的配合弄得头晕脑胀，这对揭开计算机神秘的面纱，无疑是一条捷径。

从应用的角度看，单片机本姓“单”，它自成一体，不过是一片大规模集成电路而已，大量对于其它微处理器必需的外部器件和连线早已在单片机内部完成，各种信息传递的时序关系变得简单，易于理解和接受。用单片机实现某个特定的控制功能十分方便，“边学边用，学用结合”，很容易“立竿见影”。

从设计思想看，单片机的应用意味着“从以硬件电路设计为主的传统设计方法向对单片机内部资源及外部引脚功能加以利用的以软件设计为主的方法的转化”。从而使硬件成本大大降低，设计工作变得异常灵活。往往只需改动一下程序就可以使设备增加功能，提高性能，岂不妙哉。

工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一，在测控系统、过程控制、机电一体化设备中主要利用单片机实现逻辑控制、数据采集、运算处理、数据通信等用途。单独使用单片机可以实现一些小规模的控制功能，作为底层检测、控制单元与上位计算机结合可以组成大规模工业自动化控制系统。特别在机电一体化技术中，单排年级的结构特点使其更容易发挥其集机械、微电子和计算机技术于一体的优势。

内部含有点片剂的仪器系统称为智能仪器，也称为微机化仪器。这类仪器大多采用单片机进行信息处理、控制及通信，与非智能

化仪器相比，功能得到了强化，增加了诸如数据存储、故障诊断、联网集控等功能。以单片机作为核心组成智能仪器表已经是自动化仪表发展的一种趋势。

单片机功能完善、体积小、价格廉、易于嵌入，非常适合于对家用电器的控制。嵌入单片机的家用电器实现了智能化，是传统型家用电器的更新换代，现已广泛应用于洗衣机、空调、电视机、视盘机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种试听设备等。

信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，其中许多功能的完成都离不开单片机的参与。这里最具代表性和应用最广的产品就是移动通信设备，例如手机内的控制芯片就是属于专用型单片机。另外在计算机外部设备中，如键盘、打印机中也离不开单片机。新型单片机普遍具备通信接口，可以方便地和计算机进行数据通信，为计算机和网络设备之间提供连接服务创造了条件。

现在办公自动化设备中大多数嵌入了单片机控制核心。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机及电话等。通过单片机控制不但可以完成设备的基本功能，还可以实现与计算机之间的数据通信。

在商业营销系统中单片机已广泛应用于电子秤、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等。

单片机在医疗设施及医用设备中的用途亦相当广泛，例如在医用呼吸机、各种分析仪、医疗监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系

统中都得到了实际应用。

现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器等装置中都离不开单片机。特别是采用现场总线的汽车控制系统中，以单片机担当核心的节点通过协调、高效的数据传送不仅完成了复杂的控制功能，而且简化了系统结构。

汽车家庭化是我国未来十年的一个热点。而单片机应用则是提高汽车质量的一项重要支撑技术。目前，在高档乘用车中已普遍有二三十片单片机被用于空调、音响、仪表盘、自动窗、遥控门、自控前后盖、空气质量监测、反射镜角度调整、自动灭火、防盗报警等项控制。而更重要的应用则是在控制发动机、传动器、制动器、安全气囊、车载全球定位系统（GPS）等方面。目前，国产汽车在此领域的开发应用尚不能满足需求，这正是电子技术人员可以大展拳脚的领域。

1.4基于单片机控制发光二极管的国内发展

单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高靠性的新

技术：EFT技术，低噪声布线技术及驱动技术，采用低频时钟。同时单片机在目前在国内的发展形势下还表现出可靠性及应用越来越水平高和互联网连接，所集成的部件越来越多，功耗越来越低和模拟电路结合越来越多等发展趋势。

1.5基于单片机控制发光二极管的国外发展

现在可以说单片机是百花齐放的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势。MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗,电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看

门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路。以往单片机内的ROM为1KB～4KB,RAM 为64～128B。但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。目前,单片机内ROM 最大可达64KB,RAM 最大为2KB。另外单片机进一步改变CPU的性能,加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术,可以

大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS(Million Instruction Per Seconds,即兆指令每秒),并加强了位处理、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10 倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度,可以使用软件模拟其I/O 功能,由此引入了虚拟外设的新概念。在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP(One Time Programble)及各种特殊类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I2C、SPI 等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。

2 搭建平台

2.1概述

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。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。随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管

他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器(Microcontroller)，由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：低功耗CMOS化、微型单片化、主流与多品种共存。

2.2 Proteus

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA 工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

2.3 Keil

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编

语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

2.4 STC_ISP

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

3 硬件技术介绍

3.1系统总体设计

在本次设计中，硬件部分由单片机系统、LED发光二极管组成。原理图如图1所示。单片机选用的是AT89C51单片机，利用其中的一个定时器设定灯光闪烁的时间，时钟电路选用的是11.0592M 的晶振。复位电路部分采用的是上电复位和手动复位两种复位方式。由于考虑到单片机I/O端口的带载能力，LED发光二极管采用共阳极的接法，用1Ｋ电阻分压。软件部分，由于采用的是11.0592M晶振的时钟电路，单片机定时器的最大定时时间为65.536ms，不能达到要求的闪烁频率。所以采用定时50ms，10个定时中断灯光进行一次亮灭的跳变。并在每一次跳变时记录下灯闪烁的次数，通过对闪烁次数的判断，来进行对不同LED灯的亮灭的整体时序循环控制。系统框图如下：

3.2最小系统电路图设计

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，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。电源电路中接入了电源指示LED。复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合"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.

一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。

3.3按键电路设计

按键电路设计需要使用按键复位电路，按键复位是单片机的初始化操作，其主要红能是把程序计数器PC内容初始化为0000H，也就是使单片机从0000H单元开始执行程序，同时使CPU和系统

中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。8051单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为手动按键复位。

单片机复位的条件是：必须使RST/VPD 或RST引（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。上电复位电路是通过外部复位电路的电容充电来实现的，在电源Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。手动按键复位要求在电源接通的条件下，用按键开关操作使但单片机复位，如图2-1所示

图2-1

3.4 LCD电路设计

4 功能实现

4.1整体仿真电路图

4.2 流程图

4.3 源程序

#include

sbit key0=P1^0;

sbit key1=P1^1;

sbit key2=P1^2;

sbit key3=P1^3;

void delay()

{

unsigned char i,j;

for(i=0;i<220;i++)

for(j=0;j<220;j++);

}

unsigned char keyscan()

{

unsigned char keyscan_num,temp;

P1=0xff;

temp=P1;

if(~(temp&0xff))

{

if(key0==0)

{

keyscan_num=0;

}

else if(key1==0)

{

keyscan_num=1;

}

else if(key2==0)

{

keyscan_num=2;

}

else if(key3==0)

{

keyscan_num=3;

}

else

{

keyscan_num=1;

}

return keyscan_num;

}

}