单片机设计-彩灯控制

广西工学院鹿山学院单片机课程设计报告题目：彩灯控制专业：电子信息工程班级：电子08学号：xxxxxxxx姓名：x x x1 前言1选题背景与意义随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快，智能度越来越高，应用范围也得到了极大的扩展。

在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域[1]。

在娱乐方面，场地的装饰离不开彩灯。

在建筑方面也采用彩灯来装饰高楼大厦。

彩灯灵活多变的点亮方式，装饰效果非常好，特别是晚上使得高楼大厦更加漂亮，是彩灯的应用才使得城市的夜景非常迷人。

随着人们生活水平的提高，环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到很多彩色的霓虹灯。

特别是当今充满竞争的时代，各地政府为吸引游客和投资者，在城市的沿街、沿道、沿河、沿线等地用霓虹灯造景，实施"亮化工程"，以美化环境、树立城市形象。

彩灯将会在人类未来的夜晚生活成为一个个重要的景观，彩灯控制器的应用也会在现实生活中得到广泛的应用。

本设计通过对彩灯的设计，训练对电气、单片机、电子技术等内容的应用能力，掌握对电子产品设计的流程以及各种要求[2]。

彩灯技术已广泛得在霓虹灯、广告彩灯、汽车车灯等领域中应用。

单片机的控制电路的设计是彩灯应用的一个瓶颈。

本次设计主要培养学生综合运用所学的知识与技能分析与解决问题的能力，并巩固和扩大学生的课堂知识。

通过设计学会查阅、使用各种专业资料和网上资源，并以严肃认真、深入研究的工作作风完成设计任务，逐步向工程技术员转变,培养我们独立完成任务的能力，体现和检验综合设计能力，大力提高毕业生的技术水平，培养新一代既有理论，又有动手能力的实用性人才，以适应国际建设和发展的需要。

了解彩灯线路的基本理论，掌握单片机编程的基本设计方法和分析方法，对能够熟练地进行彩灯应用电路的设计与制作是十分必要和重要的[3]。

由于LED彩灯克服了传统霓虹灯投资大，制作工艺复杂，使用玻璃管、高压电源及惰性气体等诸多不便，同时解决了耗电高、造价高，使用寿命短的不足，因此得到了广泛的应用。

越来越多的商家开始关注这块商机无限的市场，竞相制作生产。

但是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，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制成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。

同时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[4]。

此外从功能上来看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。

因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。

2 系统硬件设计整个系统包括AT89C51主控模块和受控模块，即发光二极管LED。

以下就分别介绍一下这两个模块的主要功能。

2.1 主控模块电路设计主控模块电路见【图1】。

主控模块主要设计器件有AT89C51，2个按钮。

通过软件设计，使单片机P0和P2作为LED驱动信号输出口，外部中断按钮作为按钮输入口。

图1主控模块硬件图2.2 主要元器件介绍2.2.1 单片机AT89C51AT89C51是主控模块的核心控制器，其芯片内含4KB ROM和128Byte RAM；系统的振荡周期为12MHz。

AT89C51具有如下特征（Features）：①与Intel MCS-51产品兼容；②内部含有4KB EEPROM，可重复擦写1000次；③支持晶振频率从0Hz到24MHz；④内部含有128*8bit的RAM；⑤32位可编程的I/O线；⑥2个16位的定时/计数器，⑦6个中断源；⑧可编程的串行口；AT89C51有40个引脚，是双列直插式芯片（DIP）[8]，引脚定义及功能见【图3】。

图3 AT89C51引脚图（1）输入输出引脚（P0、P1、P2和P3端口引脚）P0～P3是89C51与外界联系的4个8位双向并行I/O口。

本设计中P0和P1口作为LED驱动信号输出口，P2口与三位按钮连接作为按钮输入口，P3口与七段码LED相接作为显示器的输出口。

（2）AT89C51单片机的基本结构见【图5】图5 AT89C51基本结构2.2.2 中断的基本概念在CPU 与外设交换信息时，存在着一个快速的 CPU 与慢速的外设之间的矛盾。

为解决这个问题，发展了中断的概念。

单片机在某一时刻只能处理一个任务，当多个任务同时要求单片机处理时，这一要求应该怎么实现呢？通过中断可以实现多个任务的资源共享。

中断现象在现实生活中也会经常遇到，例如，你在看书——手机响了——你在书上作个记号——你接通电话和对方聊天——谈话结束——从书上的记号处继续看书。

这就是一个中断过程。

通过中断，你一个人在一特定的时刻，同时完成了看书和打电话两件事情。

用计算机语言来描述，所谓的中断就是，当 CPU 正在处理某项事务的时候，如果外界或者内部发生了紧急事件，要求 CPU 暂停正在处理工作而去处理这个紧急事件，待处理完后，再回到原来中断的地方，继续执行原来被中断的程序，这个过程称作中断。

从中断的定义我们可以看到中断应具备中断源、中断响应、中断返回这样三个要素。

中断源发出中断请求，单片机对中断请求进行响应，当中断响应完成后应进行中断返回，返回被中断的地方继续执行原来被中断的程序。

MCS-51单片机的中断源MCS-51单片机的中断源共有两类，它们分别是：外部中断和内部中断 1. 外部中断源● 外部中断0（ ）：来自 P 3.2 引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。

● 外部中断1（ ）：来自 P 3.3 引脚，采集到低电平或者下降沿时，产生中断请求。

3 系统软件设计3.1 综述本次的任务是设计一个基于单片机的LED彩灯控制器，需要循环运行四种以上预设的彩灯闪烁方案，这里的各种的方案还有显示方式都是由单片机内部的程序控制。

在这里我将16个发光二极管分别接在P0和P2口，通过程序控制这两个端口的电平高低，将16个发光二极管的正极接P0和P2口，负极接地，即P0和P1口的相应端口为高电平时LED就能被点亮。

再通过程序循环的让各个端口以不同的方式点亮来达到各种花样的效果，并且当中要有一定的延时，延时时间小于人眼视觉暂留时间，否则人眼看上去每个灯都是亮的也就没有实际效果。

设计的LED彩灯系统分为两部分，即AT89C51主控模块和发光二极管LED受控模块。

整个系统工作由软件程序控制运行，同时根据不同的需要，用户可以在LED彩灯工作时通过主控模块上的按钮来设定亮灯模式和灯光闪动频率。

模块功能：该部分主要涉及功能的实现方式，即程序编写。

程序要实现的功能包括读按键，通过对读入按键的值控制LED点亮方式。

键盘有三个按键K1、K2，K1控制LED点亮模式，K2键控制彩灯暂停。

3.2 主程序与中断程序3.2.1 主程序及流程图AT89C51通过编写程序应完成以下功能：通过P0口和P2控制发光二极管LED的亮与灭，从而实现多种闪烁方案；用16盏以上的LED小灯，实现至少4种彩灯灯光效果（不含全部点亮，全部熄灭）。

用输入按钮在几种灯光效果间转换。

按照上述要求即可写出主程序代码并绘制出主程序流程图。

void main(){Int_Init(); //外部中断初始化while(1){if(state==1)first(); //扫描状态标志，为1时，第一种效果else if(state==2)second(); //扫描状态标志，为2时，第二种效果else if(state==3)third(); //扫描状态标志，为3时，第三种效果else if(state==4)four(); //扫描状态标志，为4时，第四种效果else //其他状态，八盏灯全亮，即暂停{P0=0x00;P2=0x00;}}3.2.2 中断程序及流程图所谓中断就是指当中央处理器CPU正在处理某件事情的时候，外部发成了一件事（如这里是定时器计数溢出），请求CPU迅速去处理，CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，处理完以后，再回到原来的地方，继续原来的工作，这个过程就称为中断[16]。

图9 中断程序流程图3.3 子程序的编程思路虽然大致的流程图已经绘制完毕，但编程过程中会遇到更加具体的问题，需要编制一些子程序来解决，以下是一些主要子程序的流程图绘制思路。

3.3.1延迟子程序数码管的显示必须有足够长的时间长到肉眼能够察觉到，因此在点亮数码管时要给予其一个适当的延迟。

void Delay(unsigned int t) //延时函数{unsigned int i,j;for(i=0;i<t;i++) //用for循环嵌套来实现延时for(j=0;j<200;j++);}执行完了for(i=0;i<t;i++)，就会去执行下面一行，最终for(i=0;i<t;i++)这条代码将被执行8*200=1600就是延时。

一个机器周期包括12个时钟周期。

单片机AT89C51工作于12M晶振，它的时钟周期是1/12（微秒）。

它的一个机器周期是12*（1/12）也就是1微秒。

一共执行1000次，正好1000微秒，也就是1毫秒。

4 系统调试与仿真分析4.1 硬件选材及电路制作首先要对整个任务进行分析，基本确定该彩灯控制系统可分为两大模块：主控模块以及管内LED板模块。

然后进一步确定应该采用哪些元器件。

比如：主控模块首选就是由单片机作为主控核心，其成本很低，且功能很完善。

除此以外当然还需要一些按钮、七段码显示器等辅助器件。

在确定完所需何种功能的元器件后，就可以进行实物确定，主要通过上网搜索（比如21中国电子网），以及一些元器件手册。

其要求是元器件报价较低，且能够实际购买的到。

确定完这些元器件后通过Protel99绘制原理图及印刷板电路图。

其绘制印刷板电路的过程中必须注意元器件的尺寸及布线的合理性，尽可能减小板的体积。

随后就是通过自己动手将这些元器件焊接到印刷板上。

由于指导老师提供了做硬件的实验箱，里面涵括了硬件电路的全部元器件，且都焊接在印刷板上，为做硬件调试省去了诸如选材之类的麻烦。

我只需在实验箱里连线，接通电源，并将实验箱与计算机进行串口通信。

4.2 硬件调试硬件的调试主要是吧电路各种参数调整到符合设计要求。

先排除硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障。

一般原则是先静态后动态。

硬件静态调试主要是检测电路是否有短路、断路、虚焊等，检测芯片引脚焊接是否有错误，数码管段位是否焊接正确单片机的硬件调试和软件调试是分不开的。

经历过好多次失败后才切切实实地体会到：尽管许多硬件故障是在调试软件时才发现，但通常先要排除系统中明显的硬件故障后才能与软件结合起来调试。

调试方法：在上电前，首先用万能表、示波器根据硬件图和印刷板电路图仔细检查其连线是否正确。