2023年基于单片机的霓虹灯控制系统设计.doc

目 录 0. 前言 1 1. 总体方案设计 1 2. 硬件电路的设计 2 2.1 单片机系统 2 2.2 LED概述 3 2.3 外部时钟方式电路 4 2.4 手动复位电路 4 2.5 霓虹灯控制电路 5 3 软件设计 5 3.1中断效劳流程 5 3.2霓虹灯控制电路流程 6 4.联合调试 6 5. 课设小结及进一步设想 7 参考文献 8 附录I 元件清单 9 附录II 整体电路图 10 附录III 源程序清单 11 基于单片机的霓虹灯控制系统设计 ：本文主要设计一个基于单片机的霓虹灯控制系统。以AT89C51单片机为控制核心电路，应用片内定时器实现对霓虹灯的控制。该系统由单片机的控制局部和显示局部组成，运用中断定时器控制发光二极管〔或LED〕，使其产生有规律的闪烁和移动。 关键字：单片机；发光二极管；定时中断 0. 前言 随着时代的进步，人们对物质生活的迫切追求，使周边环境发生翻天覆地的变化。从钻木取火走到今天灯火阑珊，各种繁华夜景层出不穷，让人叹为观止。这些辉煌景象都离不开电子技术。事实证明电子技术对社会的开展产生了深远的影响。随着电子技术和计算机技术的开展，特别是单片机的开展，使传统的测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面发生了巨大的变化，形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器——智能仪器。智能仪器是以微处理器为核心的电子仪器，它不仅要求设计者熟悉电子仪器的工作原理，而且还要求其掌握微型计算机硬件和软件的原理。目前，有很多的传统电子仪器已有相应的替代产品，而且还出现不少全新的仪器类型和测试系统体系。在科学技术高速开展的今天，如何用简单廉价、性能良好的元器件制造出对人类生活有用的产品，已经成为人们研究的主要趋势。在自动化技术中，无论是过程控制技术还是数据采集技术还是测控技术，都离不开单片机，在工业自动化的领域中，机电一体化技术发挥越来越重要的作用。 1. 总体方案设计 在本次设计中，硬件局部由单片机系统、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。复位电路局部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470Ω的电阻分压。 软件局部，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，不能到达要求的闪烁频率。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。 单 片 机 LED 显示 电路 复位电路 时钟电路 图1 单片机的霓虹灯控制电路原理图 2. 硬件电路的设计 2.1 单片机系统 标准型89系列单片机是与MCS-51系列单片机兼容的。在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000次擦写操作。全静态工作为0~33MHz，有3级程序存储器加密锁定，内含有128~256字节的RAM、32条可编程的I/O端口、2~3个16位定时器/计数器，6~8级中断，此外有通用串行接口、低电压空闲模式及掉电模式。AT89C51相当于将8051中的4KB ROM换成相应数量的Flash存储器，其余结构、供电电压、引脚数量及封装均相同，使用时可直接替换。AT89C51在内部采用40条引脚的双列直插式封装，引脚排列如图2所示，内部结构原理图如图3所示。 图2 AT89C51芯片引脚 I/O 存储器 EPROM/ROM 定时/计数器 运算器 控制器 中断 CPU 片内振荡器 RAM/SFP 并行口 存储器扩展控制器 串行口 XTAL 图3 AT89C51内部结构原理图 本设计中AT89C51使用11.0592MHz晶振。 XTAL1〔19脚〕和XTAL2〔18脚〕：外接晶体引脚，XTAL1和XTAL2分别接外部晶振一端。 RST：即为RESET，该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。在此设计中接正常模式按扭。 P1.0、P1.1、P1.2：用来控制LED显示器的显示控制。 2.2 LED概述 LED〔Light Emitting Diode〕，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三局部组成，一局部是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。由于具有容易控制、低压直流驱动、组合后色彩表现丰富、使用寿命长等优点，广泛应用于城市各工程中、大屏幕显示系统。LED可以作为显示屏，在计算机控制下，显示色彩变化万千的视频和图片。 LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体。 近十几年来，为了开发蓝色高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入。而商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管LED及激光二级管LD的应用无不说明了III－V族元素所蕴藏的潜能。在目前商品化LED之材料及其外延技术中，红色及绿色发光二极管之外延技术大多为液相外延成长法为主，而黄色、橙色发光二极管目前仍以气相外延成长法成长磷砷化镓GaAsP材料为主。LED的具体结构如图4所示： 图4 LED的结构图 2.3 外部时钟方式电路 外部时钟电路如图5所示，它在单片机的外部通过XTAL1、XTAL2这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，构成稳定的自激振荡器。本系统采用的为11.0592MHz的晶振，一个机器周期为1us，C1、C2为22PF。 图5 外部时钟方式电路图 2.4 手动复位电路 复位电路分为上电自动复位和按键手动复位，RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。上电自动复位通过电容C3和电阻R2来实现，按键手动复位是图6中复位键来实现的。 图6 手动复位电路 2.5 霓虹灯控制电路 霓虹灯控制电路用红色、绿色、黄色LED发光二极管，分别与三个470Ω的分压电阻相串联，分别与单片机的P1.0，P1.1，P1.2口相连，如图7所示： 图7 霓虹灯控制电路 3 软件设计 3.1中断效劳流程 调用中断子程序，设定中断返回地址，中断响应时，执行中断效劳程序；手动复位后，返回主程序。 中断响应 设置中断返回地址 中断返回 图8 中断效劳程序流程图 3.2霓虹灯控制电路流程 Red led=flicker Red led=flicker Y N TH0,TL0装初值 开中断，启动T0 开始 0≤n<20 Red led=flicker Y N 20≤n<40 Green led=flicker Y N 40≤n<60 Yellow led=flicker TMOD初始化 图9 霓虹灯控制电路主程序流程图 4.联合调试 在protues上进行仿真实验。首先使用Keil uVsion 2将编写完成的程序编译生成HEX文件，将HEX文件烧录到单片机中，进行仿真实验，结果如图10所示，可以看到，LED已经选择性的闪烁。 图10 仿真图 5. 课设小结及进一步设想 通过这次紧张的课程设计，我收获颇多，每天面对着，翻阅各种相关资料，也亲自动手焊接硬件，体会颇深。在这次课设中，加深了单片机相关知识的理解，也接触了烧录器。 在课设开始的前期，也遇到了麻烦，比方说，LED闪烁时间不符合要求，C语言编程不太熟练，很感谢徐涛老师的耐心教导，他的幽默让我们觉得亲切，他的认真负责让我们折服。在繁忙的一个学期即将结束之时，我的思想成熟了，这次的课设让我找到了方向，让我懂得了很多，有知识方面的，但大局部还是人格方面的。我相信，只要不放弃，只要努力，就一定可以！ 由于时间紧促，自身水平有限，本论文还有许多局部未能详细分析，在此仅作简单了解和认识。 参考文献 [1] 赵茂泰.智能仪器原理及应用.北京: 电子工业出版社,2023.7 [2] 张毅刚,刘杰.MCS—51单片机原理及应用.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2023.6 [3] 何立民.单片机应用技术选编.北京: 北京航天航空大学出版,2023.5 [4] 张军,梅丽凤.单片机原理接口技术.北京交通大学出版社,2023.5 [5] 张婧武,周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真.北京: 电工出版社,2023.4 [6] 周佩玲,彭虎.微机原理与接口技术.北京: 电子工业出版社,2023.4 [7] 李群芳,张士军.单片微型计算机与接口技术.北京: 电子工业出版社,2023.5 附录I 元件清单 元件名称 型号 数量 单片机 AT89C51 1 LED Ark SM470501K 3 极性电容 10uF 1 电容 22pf 2 电阻 470Ω 3 电阻 1K 2 排线 2 按键 1 晶振 11.0592MHz 1 附录II 整体电路图 附录III 源程序清单 #include <reg52.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit RED_LED = P1^0; //端口定义。 sbit GREEN_LED = P1^1; sbit YELLOW_LED = P1^2; uint flicker,i,n; void int0() { TMOD=0x01; TH0=0x3C; TL0=0xAF; TR0=1; //启动定时器。 ET0=1;