EDA课程设计论文通信与电子信息工程

EDA课程设计论文

题目呼吸效果流水灯

学院通信学院

专业班级电子 083

学生姓名 xxx

指导教师发哥

2011年12月11日

EDA课程设计论文

摘要

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。学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，本次用单片机自制了一款呼吸效果的流水灯。

关键词：单片机循环点亮呼吸效果

I

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Abstract

Today is a new technology emerge in endlessly era, in the electronic field especially automation intelligent control field, the traditional division components or digital logic circuit consists of the control system, is unprecedented speed is single chip microcomputer intelligent control system is replaced. SCM has small, strong function, the cost is low, the wide application advantages, such as, say, intelligent control and automatic control is the core of the single chip microcomputer. At present, a study and application of the climax of the single chip microcomputer is factory, schools and enterprises and institutions rise on a large scale. The most effective method of learning single chip microcomputer is both theory and practice, this with single-chip computer make a breath of the effect of flowing water light.

Keywords:Single-chip microcomputer Circulation light Principle diagram

II

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目录

摘要.........................................................................................................................................I Abstract .....................................................................................................................................II 第1章绪论. (1)

1.1 概述 (1)

1.2 设计目的 (1)

1.3 本文研究的意义 (1)

第2章设计基本理论分析 (2)

2.1 单片机技术 (2)

2.1.1 51系列单片机 (2)

2.1.2 STC系列单片机 (2)

2.2PWM技术 (2)

2.2.1 PWM技术简介 (2)

2.2.2 PWM技术实现原理 (3)

2.2.3 PWM技术实现过程 (3)

2.2.4 PWM技术的优点 (3)

第3章系统的硬件设计 (4)

3.1 方案论证 (4)

3.1.1 方案一 (4)

3.1.2方案二 (4)

3.1.3 方案三 (4)

3.2 单元模块 (4)

3.2.1 主控芯片 (4)

3.2.2晶振电路 (5)

3.2.3复位电路 (6)

3.2.4呼吸灯效果电路 (6)

第4章系统的软件设计 (8)

4.1 程序总流程 (8)

4.2 PWM程序流程图 (8)

第5章总原理图和仿真图 (10)

5.1电路总原理图 (10)

5.2仿真图 (10)

III

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结论 (12)

参考文献 (13)

附录1 (14)

致谢 (22)

IV

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第1章绪论

1.1 概述

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，本次用单片机自制了一款呼吸效果的流水灯。

1.2 设计目的

利用单片机设计具有呼吸效果的LED发光二级管利用单片机控制LED点亮熄灭，并且在点亮前对小灯状态即电平进行检测，从而达到控制点亮的效果，还利用程序增加了几组不同的点亮组合。

本设计是在传统的流水灯的基础上利用单片机产生一系列的PWM脉冲占空信号从而控制流通每个发光二极管的电流来控制他们的亮暗程度实现一种类似于“呼吸”的效果。

1.3 本文研究的意义

目前，在自行设计的前提下提供完整的程序清单和电路原理图。采了实际应用项目实例，力求理论和实践相结合，同时锻炼解决工程实际问题和综合应用的能力。通过设计单片机控制的具有呼吸效果的LED灯，有助于我动手能力的培养和锻炼。

使灯光可以线性的变化使得可以变换出更多的效果，若传统的彩灯采用这种方式会给人们一种焕然一新的感觉。不需要增加多少成本而使得传统的彩灯“增值”。

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第2章设计基本理论分析

2.1 单片机技术

单片机技术就是利用单片机实现各种功能的一种技术。单片机即单片微型计算机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来，单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大智能性也更高。

2.1.1 51系列单片机

51单片机是单片机家族中的一种，也是最常见的，在全世界使用率最高的单片机之一。51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。

2.1.2 STC系列单片机

STC是在深圳的一家8051单片机设计生产公司。STC系列的单片机现在在中国的51单片机市场上占有较大比例。STC公司现已成长为全球最大的8051单片机设计公司。STC89C系列单片机有很多优点。最高工作频率80M，FLASH程序储存4K-64K，RAM 数据储存512B－1280B，内部集成EEPROM 2K－16K及看门狗和专用复位电路，带A/D功能，8-10位高速A/D转换及硬件WDT。有ISP和IAP功能，强抗干扰和降低EMI性能。

2.2PWM技术

2.2.1 PWM技术简介

脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从

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测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

2.2.2 PWM技术实现原理

脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制电流的目的。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。

2.2.3 PWM技术实现过程

所谓的脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，STC公司的90C52内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；

2.2.4 PWM技术的优点

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

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第3章系统的硬件设计

3.1 方案论证

3.1.1 方案一

方案一计划用SINO WEALTH单片机作为主控芯片，利用UC3842专用PWM控制芯片产生PWM信号控制LED灯的呼吸效果。此方案的优点是使用专用PWM芯片UC3842，这是一款高精度开关电源专用芯片，所以产生的PWM信号非常纯正和精密，PWM信号误差范围小。

3.1.2方案二

方案二计划用STC90C52作为主控芯片，此芯片属于8051架构，编程非常容易，而且这款芯片本身还自带PWM发生器，可以直接在P3口输出PWM信号，而且这款芯片属于STC中的1T芯片，芯片速度为一个机器中期，执行速度非常快，可同时执行比较复杂的大型任务。

3.1.3 方案三

方案三计划用STC89C52RC+单片机作为主控芯片，这款芯片没有自带的PWM信号发生器，所以考虑用程序进行模拟PWM信号。和以上方案对比，此方案只需要一款单片机省去专用控制芯片可以节约设计成本，而且此设计中的灯光呼吸效果也不需要特别精密的PWM信号，与方案二对比虽然方案二也是一个主控芯片，但是方案二中的单片机属于比较高级的单片机价位比较高，而且PWM控制器还限定了产生PWM信号的数目，所以综合决定采用方案三。

3.2 单元模块

3.2.1 主控芯片

本设计中使用的主控芯片为STC89C52RC+单片机。“单片机”就是将计算机的基本部件集成到一块芯片上，包括CPU、ROM、RAM、并行口、串行口、定时器／计数器、中断系统、系统时钟等。

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XTAL2

18

XTAL1

19

ALE 30EA

31

PSEN 29RST

9

P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD

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P3.6/WR 16P3.5/T115U1

80C51

图3.2-1 主控芯片

3.2.2 晶振电路

单片机的晶振电路多使用外部时钟方式。外部时钟电路，是由一个12MHz 晶振和两个瓷片电容组成，为单片机提供标准时钟，其中两个瓷片电容起微调作用，外接晶振频率精确度直接影响电子钟计时的准确性。外部时钟方式是把外部已经有的时钟信号引入到单片机内部。时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间。

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图3.2-2 晶振电路

3.2.3 复位电路

当VCC 超过4.75V 低于5.25V 以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，单片机电路开始正常工作。本设计中我们使用的是STC89C52单片机，此款单片机具有上电自动复位功能所以在仿真中我们加入复位电路但是在实物中并没有加入复位电路。

图3.2-3 复位电路

3.2.4 呼吸灯效果电路

采用八个发光二极管共阳连接方式，通过一个1K 的排阻把这些发光二极管的阳极端连接在一起，阴极段连接单片机的P0口。因为51单片机的驱动能力很弱不足以驱动发光二极管20MA 的电流，所以采用这种拉电流的方式。

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图3.2-4 呼吸灯效果电路

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第4章系统的软件设计

4.1 程序总流程

本设计是控制一组循环的呼吸效果流水灯，所以程序部分是一个循环并且没有条件判断，所以程序流程比较简略。程序开始后一直执行程序中设定的循环代码没执行一次代码就执行一个PWM控制灯光的呼吸效果，程序流程图见图4.1-1。

开始

流水左移

PWM控制

流水右移

PWM控制

花样变换

PWM控制

图4.1-1 程序流程图

4.2 PWM程序流程图

本设计中比较重要的一个环节就是PWM的控制，PWM的产生在本设计中试完全用软件模拟产生的，程序流程图见图4.2-1。

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图4.2-1 PWM 流程图

开始

定时器设初值

送P0口关闭

打开定时器

计数溢出？

变量自加

IO 取反清空变量

结束

是

否

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第5章总原理图和仿真图

5.1电路总原理图

本设计在方案阶段使用protell DXP设计了电路总原理图，见图5.1-1。

图5.1-1 总原理图

5.2仿真图

使用proteus进行了仿真，分别截取了电路运行的几个时间段的照片，仿真结果如下图。

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5.2-1

效果图1

5.2-2 效果图2

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结论

当上述程序之一编写好以后，我们需要使用编译软件对其编译，得到单片机所能识别的二进制代码，然后再用编程器将二进制代码烧写到STC89C52单片机中，最后连接好电路通电，我们就看到LED1～LED8的“流水”效果了。本次设计呼吸效果流水灯我查阅了很多资料，学到了很多知识，例如51单片机的定时器的设计、PWM信号的原理以及用软件仿真模拟的产生方法、电路的焊接、电路板的布局规划等。设计期间也遇到了很多问题所给程序实现的功能比较易于实现，今后希望在这次基础上扩展更复杂的流水灯控制，比如键盘控制流水花样、控制流水灯显示数字或图案等等。

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参考文献

[1] 催用明．数字电子技术．兰州大学出版社，2006.7

[2] 谭浩强．C语言技术．清华大学出版社，2002.6

[3] 张毅刚、彭喜元《单片机原理与应用设计》电子工业出版社,1998, 19(5)：20-30．

[4] 张志良《单片机原理与控制技术》第二版国防工业出版社，2001，45（5）：31-40．

[5] 顾栤、赵伟军、王泰《单片机计算机原理开发应用》高等教育出版社，2000，15（7）：7-21．

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附录1

程序部分

main() //

{

EA=1;//打开中断,使用中断方便调试查看模式

EX0=1; //允许外部中断0中断

EX1=1; //允许外部中断1中断

PX0=1; // 外部中断0位高优先级

while(1) //无限循环

{

rdlszy(); //倒流水左移

rja(); //渐暗

P0=0xff;

ys1ms(300); //延时0.3秒

//rdlsyy(); // 倒流水右移

//P0=0xff;

//ys1ms(300);

rzmyy(); //走马右移

P0=0xff;

ys1ms(300);

rzmzy(); //走马左移

P0=0xff;

ys1ms(300);

rjl(); //渐亮

rja(); //渐暗

P0=0xff;

ys1ms(300);

rzmnwyd(); //走马内外移动

P0=0xff;

ys1ms(300);

rlszy(); //流水左移

rja(); //渐暗

ys1ms(300);

rlsyy(); //流水右移

rja(); //渐暗

ys1ms(300);

rsdzmyy(); //3灯走马右移

P0=0xff;

ys1ms(300);

rsdzmzy(); //3灯走马右移

P0=0xff;

ys1ms(300);

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rlsnwyd(); //流水内外移动

P0=0xff;

ys1ms(300);

rtbyd(); //跳变7种模式

P0=0xff;

ys1ms(300);

}

}

rzmyy() //走马拖尾右移函数

{

P0=0x7f;

ys1ms(60);

P0=0xbf;

if(P0_7==1)

{

unsigned int a;

for(a=0;a<350;a++)//调节点亮时间

{

unsigned char i;

P0_7 = 0;

for(i = 0; i < 15; i++); //调节亮度高低

P0_7 = 1;

for(i = 0; i < 50; i++);

}

}

P0=0xdf;

if(P0_6==1)

{

unsigned int a;

for(a=0;a<350;a++)//调节点亮时间

{

unsigned char i;

P0_6 = 0;

for(i = 0; i < 15; i++); //调节亮度高低

P0_7 = 0;

for(i = 0; i < 1; i++); //调节亮度高低

P0_6 = 1;

P0_7 = 1;

for(i = 0; i < 50; i++);

}

}

P0=0xef;

if(P0_5==1)

{

unsigned int a;

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