单片机---彩灯控制器

一、概述

1.1 单片机的发展

1.1.1单片机的概念

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

1.1.2单片机的发展

1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础成为单片发展史上重要的里程碑。

在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell 公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。

80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

1982年以后，16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，

并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。

九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。PIC 单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。

随后更多的单片机种蜂拥而至，MOTOROLA公司相继发布了MC68HC系列单片机，日本的几个著名公司都研制出了性能更强的产品，但日本的单片机一般均用于专用系统控制，而不象INTEL等公司投放到市场形成通用单片机。例如NEC公司生产的uCOM87系列单片机，其代表作uPC7811是一种性能相当优异的单片机。MOTOROLA公司的MC68HC05系列其高速低价等特点赢得了不少用户。

1.2 单片机的应用

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

1.在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、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。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

2.在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化芯片管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

3.在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

4.在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

5.单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

6.在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

7.单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

1.3 彩灯控制器介绍

LED彩灯在生活中已得到了广泛应用，彩灯控制器的种类也逐渐增多，可以用计算机直接控制，也可用一些逻辑电路控制，但是现在有很多使用单片机控制的，与前两种方法的比较的好处在于，它具有体积小、功耗低、易控制等特点。

二、设计要求及注意事项

2.1设计要求

彩灯控制器具体要求如下：

1.花型种类不少于四种，花型自拟；

2.可用键控制彩灯按预设的花型进行变换；

3.可用键控制分别用快/慢两种节拍实现花型变换；

4.要求做出实物。

2.2 注意事项

用89C52单片机做彩灯控制器，虽然元器件比较少，但是每个元器件对应控制的程序段不可以出错，否则与设计不符，元件之间尽量隔开一段距离，以防互相干扰，影响实验结果，与预期结果不符。再有，用到八个发光二极管，要注意连接方法，是共阴极还是共阳极，若接反，而与程序段不符，则不会得出预期结果。还要注意延时的时间，太长或太短都不易实现预期结果。

2.3设计目的

学习和掌握单片机中常用接口电路应用和设计技术，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。

三、彩灯控制设计

3.1 彩灯控制器设计思想说明

本设计简单只用两个按键即可控制彩灯的四种花色及快/慢两种节拍，程序较简单，接线方便，易于控制。具体思想如下：

1．当只按一下S20时第一种花色开始点亮，花色的变换规律是从第一个灯开始亮延时一段时间，第二个灯亮第一个灯灭，一直到第八个灯灭后停止。

2．当按两下S20时，若没有其他按键按下时，则第二种花色开始点亮，花色变换规律是18，26，37，45，37，26，18亮

3．当按三下S20时，若没有其他按键按下时，则第三种花色开始点亮，花色变换规律是单号灯都亮，然后双号灯亮

4．当按四下S20 、时，则第四种花色开始点亮，花色变换规律是先8，6，4，2号灯亮，再1，3，5，7号灯亮

5．当按下S17时，花色的变换节拍变快，否则为慢节拍变换。本设计快速时为0.1s变换一次，慢速时为0.3s变换一次。

3.2 设计优点

用一个按键控制四种彩灯花型，控制规律是按下一次S20时控制第一种花型，按下两次S20时控制第二种花型，按下三次S20时控制第三种，按下四次S20时控制第四种花型，而不是用四个键去控制花型，它比四个键控制更为确切，不易出错。当四键控制时，如果不小心按下了两个键，那么程序就会报错，不能运行，但是这种单键控制就大大降低了这种错误率。而且这样也节省了三个按键，在经济上得到了节约。

3.3电路原理图

本次设计接线简单，组成电路包括一个电源电路，和一个232串口电路，和单片机控制电路，其电路只用了两个按键，八个发光二极管。焊接简单，易于实现，具体如下所示

图3.1彩灯控制器接线图

图3.2 MAX232图

图3.3 电源电路图

按照上述电路图焊接，所需器件三个按键、八个发光二极管、两个22pF的电容、一个10uF的电容、九个1kΩ的电阻、一个12MHz的晶振、89C52单片机一个及卡座、开发板一块、MAX232一个、USB口一个。

3.4软件流程图设计

程序开始判断是否按下S0，若没按下则继续等待，若按下，判断按下几次，若按下一次，则第一种花型开始点亮，若按下两次S20，则第二种花型开始点亮，按下三次S20，则第三种花型开始点亮，若按下三四次S20 ，则第四种花型开始点亮。按下S17时，花色的变换节拍变快，否则为慢节拍变换。具体流程如图4.2所示。

图4.2彩灯控制器流程图

四、程序设计

ORG 0000H

AJMP START

ORG 0030H

START:

MOV A,#00H

MOV R1,A

SETB P3.0 ;S20

SETB P3.3 ;S17

MOV A,#0FFH

MOV P1,A

KS:

JNB P3.0,NEXT

MOV A,#0FFH

MOV P1,A

AJMP KS

NEXT:

INC R1

CJNE R1,#01H,DER2

DY1: ;只按一下S20从灯1－8

MOV R0,#8

MOV A,#0FEH

D1:

MOV P1,A

ACALL PP1

RL A

DJNZ R0,D1

AJMP DY1

DER2:

CJNE R1,#02H,DS3 ;按两下S20单号灯都亮，然后双号灯亮MOV A,#0AAH

MOV P1,A

ACALL PP1

MOV P1,#55H

ACALL PP1

AJMP DER2

DS3:

CJNE R1,#03H,DS4

MOV P1,#7EH ;按三下S20，18、26，37，45，37，26，18亮，ACALL PP1

MOV P1,#0BDH

ACALL PP1

MOV P1,#0DBH

ACALL PP1

MOV P1,#0E7H

ACALL PP1

MOV P1,#0DBH

ACALL PP1

MOV P1,#0BDH

ACALL PP1

MOV P1,#7EH

ACALL PP1

AJMP DS3

DS4:

CJNE R1,#4H,TUICHU ;按四下S20先8，6，4，2，在1，3，5，7亮MOV P1,#7FH

ACALL PP1

MOV P1,#0DFH

ACALL PP1

MOV P1,#0F7H

ACALL PP1

MOV P1,#0FDH

ACALL PP1

MOV P1,#0FEH

ACALL PP1

MOV P1,#0FBH

ACALL PP1

MOV P1,0EFH

ACALL PP1

MOV P1,#0BFH

ACALL PP1

AJMP DS4

PP1:

JNB P3.3,KSU

LCALL MSU

KSU:

LCALL YS2

RET

MSU: ;慢速延时0.3s MOV R5,#30

DD1:

MOV R6,#20

DD2:

MOV R7,#248

DJNZ R7,$

DJNZ R6,DD2

DJNZ R5,DD1

RET

YS2:MOV R5,#20 ;快速延时0.1s DD3:MOV R6,#10

DD4:MOV R7,#248

DJNZ R7,$

DJNZ R6,DD4

DJNZ R5,DD3

RET

TUICHU:

MOV R1,#00H

AJMP KS

五、设计总结

通过本次的小学期实践，学习和掌握单片机中常用接口电路的应用和设计技术，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。通过这次设计实践能够进一步加深对专业知识和理论知识学习的认识和理解，使自己的设计水平和对所学的知识的应用能力以及分析问题解决问题的能力得到全面提高。熟练掌握单片机编程对以后的就业很有帮助，编写程序时要有耐心，反复调试，反复推敲，最后达到题目的要求。

小学期遇到一些困难和问题，对进行单片机等其他电子设备开发设计时软件与硬件相互结合的重要性有了更深的理解和感触。不考虑硬件就进行程序编写时盲目的，会使整个的设计进度大大减慢，必须结合所能提供的硬件设施按照设计要求进行软件编写。小学期遇到的问题有关于主单片机与LED二极管连接的正负极关系，怎样构成单片机的最小系统等及一些程序上的一些疑问，经过请教老师和同学得到了及时解决。这次小学期锻炼了我们的动手与动脑的能力和与他人合作的能力，并且使之结合起来。

总之，这次的实习设计给我很大的感触，不仅是了解了这些知识，而且还增加了阅历，从理论到实际的飞跃使我看到了社会的飞速发展，当然在设计过程中我还发现了我的许多不足之处，比如对专业的工作不了解，以前只注重理论的学习不会去结合实际去思考，只是局限在课本的知识，这些不利我以后工作的因素在这次实践中发现，使我明白理论要结合实际去做任何事，不能光想也不能不想，只有去实际操作才能更好的发挥自己的本领，才能克服困难。所以，本次实习给了我很有价值的信息，不管是知识方面还是以后学习工作方都有一定的帮助。

在本次设计调试阶段，遇到了不少问题，在指导老师马丽老师的细心讲解下，通过了调试，得到了预期结果，在此表示衷心的感谢。

六、参考文献

[1] 高峰.单片微型计算机原理与接口技术.科学出版社，2007

[2] 高峰.单片机习题与试题解析.北京：北京航空航天大学出版社.2006

[3] 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社.2001