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1、淮北師范大學(xué) 硬件課程設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制LED的閃爍學(xué) 院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 專 業(yè) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系(非師范) 學(xué) 生 姓 名 - 學(xué) 號(hào) - 指導(dǎo)教師姓名 - 2010 年 12 月 15 日目錄緒論2第一章 概述3第二章 總體方案論證與設(shè)計(jì)32.1.LED驅(qū)動(dòng)方式32.2.總體硬件組成框圖3第三章 LED系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)43.1.8*8共陰LED介紹43.2.列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)43.3.行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)43.4.掃描頻率的控制53.5.單片機(jī)最小系統(tǒng)5第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)7第五章 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果分析95.1.使用的儀器儀表95.2.系統(tǒng)調(diào)試95.3.硬件調(diào)試95.4.軟件調(diào)試95.5.測(cè)試結(jié)
2、果9參考文獻(xiàn):9附錄10附1 電路總設(shè)計(jì)原理圖10附2 PCB圖10緒論大學(xué)不知中已經(jīng)過(guò)去了兩年多的時(shí)間,大學(xué)生活已經(jīng)過(guò)了一大半,最早在大一下學(xué)期學(xué)習(xí)了一門編程語(yǔ)言(C語(yǔ)言),也是自己學(xué)的第一門編程語(yǔ)言,在大一下學(xué)期也學(xué)習(xí)了模擬電路,隨后在大二的上學(xué)期學(xué)習(xí)了數(shù)字電路,但是由于學(xué)校自身的條件限制所做的實(shí)驗(yàn)非常有限,硬件課程只是在理論上有所了解,而對(duì)于實(shí)際操作卻近乎一片空白,加之今年又學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),進(jìn)一步加深了對(duì)計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)理論的學(xué)習(xí),而在此時(shí)學(xué)校有一個(gè)硬件課程設(shè)計(jì),這次硬件課程設(shè)計(jì)應(yīng)該是對(duì)前面所學(xué)課程的總結(jié)與實(shí)踐,是一次鍛煉自己動(dòng)手能力的一個(gè)很好的機(jī)會(huì),不僅能讓自己學(xué)到硬件設(shè)計(jì)的一般步
3、驟,另外也加強(qiáng)了對(duì)理論到實(shí)踐的應(yīng)用能力,對(duì)今后的學(xué)習(xí)和工作都有著很好的借鑒意義與學(xué)習(xí)意義,或許從這一個(gè)小小的硬件課程設(shè)計(jì)中不一定能得到多少,至于能不能從一粒沙子看到世界這也是我們的能力的體現(xiàn),同時(shí)也是我們鍛煉能力的時(shí)候,又增強(qiáng)自己解決問(wèn)題的能力。關(guān)鍵詞:能力、意識(shí)、過(guò)程、步驟 第一章 概述本文介紹了以AT-89S51單片機(jī)為控制核心,采用靜態(tài)鎖存方式,制作一款左移動(dòng)態(tài)顯示0到9 ,每秒增加1,擁有亮度高、動(dòng)態(tài)影像顯示效果好、耗能少、使用壽命長(zhǎng)、顯示方式靈活、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)的簡(jiǎn)單8*8LED陣列靜態(tài)顯示屏。第二章 總體方案論證與設(shè)計(jì)2.1. LED驅(qū)動(dòng)方式a) 方案一:采用靜態(tài)鎖存方式采用靜態(tài)鎖
4、存方式,將每一個(gè)LED發(fā)光管的一端接至單片機(jī)的一個(gè)I/O口,另一端通過(guò)電阻接電源。這種方法可以直接驅(qū)動(dòng)LED,原理簡(jiǎn)單,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),LED的亮度也可以通過(guò)限流電阻調(diào)節(jié),非常方便,但此種方法浪費(fèi)單片機(jī)的I/O口,只適合于較小的系統(tǒng)。b) 方案二:采用動(dòng)態(tài)掃描方式采用動(dòng)態(tài)掃描方式,通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)并聯(lián)在一起的LED發(fā)光管的一端(共陰或共2端),LED發(fā)光管的另一腳接通用I/O口,控制其亮滅。該方法能驅(qū)動(dòng)較多的LED,控制方式較靈活,而且節(jié)省單片機(jī)的資源。比較以上兩種方案,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用方案一。2.2. 總體硬件組成框圖系統(tǒng)框圖如右圖2-1所示,系統(tǒng)主要由三大模塊組成即LED顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)
5、最小系統(tǒng)。 8*8LED顯示屏 單片機(jī)最小系統(tǒng)列掃描驅(qū)動(dòng)模塊行掃驅(qū)動(dòng)模塊 圖2-1系統(tǒng)框圖第三章 LED系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1. 8*8共陰LED介紹88LED點(diǎn)陣的外觀及引腳圖如圖3.2所示,其等效電路圖如圖3.2所示。圖8.3中只要各LED處于正偏(Y方向?yàn)?,X方向?yàn)?),則對(duì)應(yīng)的LED發(fā)光。如Y7(0)=1,X7(H)=0時(shí),則其對(duì)應(yīng)的右下角的LED會(huì)發(fā)光。各LED還需接上限流電阻,實(shí)際應(yīng)用時(shí),限流電阻即可接在X軸,也可接在Y軸。圖3.2 88點(diǎn)陣的外觀及引腳圖圖3.3 88點(diǎn)陣的等效電路3.2. 列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用ULN2803芯片, ULN2803是高電壓大電流八達(dá)林頓晶體管陣列
6、。該這列系統(tǒng)中的八個(gè)NPN達(dá)林頓連接晶體管事低邏輯電平數(shù)字電路(如TTL,CMOS或NMOS)和大電流高電壓要求的燈、繼電器和其他類似 負(fù)載間的接口的理想器件。ULN2803的管腳如右圖3.4。 3.3. 行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)顯示部分的點(diǎn)陣采用單色LED共陰點(diǎn)陣模塊,由一塊88點(diǎn)陣模塊連接成,每個(gè)發(fā)光二極管流過(guò)的電流約為10mA計(jì)算,為保證點(diǎn)陣的亮度,采用普通的三極管驅(qū)動(dòng)已經(jīng)可以滿足。行驅(qū)動(dòng)電路如圖右3.6。3.4. 掃描頻率的控制由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象,一個(gè)LED發(fā)光管如果在一秒鐘內(nèi)亮24次以上的話,人眼就感覺(jué)不到閃爍。由此,一屏畫面連續(xù)以每秒25次的頻率循環(huán)顯示時(shí),給人的感覺(jué)是穩(wěn)定的。為此
7、只要利用CPU控制行掃描速度,保證每秒400次,就可以保證畫面的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時(shí),我們使AT89C51的定時(shí)計(jì)數(shù)器T0工作于方式2(自動(dòng)重載方式AUTO-RELOAD MODEL)。此時(shí)設(shè)定M1M0為10,在方式2中16位計(jì)數(shù)器被拆為兩部分,其中TL0用作8bit Counter;TH0用于存放和保持計(jì)數(shù)初值。當(dāng)TL0計(jì)數(shù)溢出時(shí),在溢出標(biāo)志TF0置1的同時(shí),自動(dòng)的將TH0的初值重載到TL0中,因此在初始化的過(guò)程中,用軟件只需一次賦初值。其周期為:T(28-TH0初值)時(shí)鐘周期12采用11.0592MHZ的晶振時(shí),計(jì)數(shù)速率約為1MHz,輸入脈沖的周期間隔為1uS,通過(guò)計(jì)算,TH0的初值為243,即
8、為0XF3(OF3H)。采用中斷的方式控制行譯碼掃描頻率,就可以保證畫面的無(wú)閃爍顯示。3.5. 單片機(jī)最小系統(tǒng)MCS-51系列單片機(jī)芯片均為40條引腳,HMOS工藝制造的芯片用雙列直插(DIP)方式封裝,其引腳示意及功能分類如圖1.2所示。各引腳功能說(shuō)明如下:1.主電源引腳Vcc(40腳):接+5V電源正端。Vss(20腳):接+5V電源地端。2.外接晶體引腳XTAL1(19腳):接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部,它是一個(gè)反相放大器的輸入端,這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí),對(duì)于HMOS單片機(jī),該引腳接地;對(duì)于CHMOS單片機(jī),該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。XTAL2(18腳)
9、:接外部石英晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部,它是片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí),對(duì)于HMOS單片機(jī),該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端;對(duì)于CHMOS單片機(jī),該引腳懸空不接。3.輸入/輸出引腳 (1)P0口(3932腳):P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0口。在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O口時(shí),可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口時(shí),P0口分時(shí)復(fù)用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 (2)P1口(18腳):P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1口,可作為準(zhǔn)雙向I/O口使用。對(duì)于52子系列,P1.0與P1.1還有第二功能:P1.0可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2,P1.1可用作
10、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2EX。(3)P2口(2128腳):P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2口,一般可作為準(zhǔn)雙向I/O口使用;在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口且尋址范圍超過(guò)256字節(jié)時(shí),P2口用作高8位地址總線。 表3.7 P3口第二功能引 腳 第二功能P3.0 RXD 串行口輸入P3.1 TXD 串行口輸出端P3.2 INT0 外部中斷0請(qǐng)求輸入端,低電平有效P3.3 INT1外部中斷1請(qǐng)求輸入端,低電平有效P3.4 T0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.5 T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.6 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸入端,低電平有效P3.7 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信
11、號(hào)輸入端,低電平有效 (4)P3口(1017腳):P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口。除作為準(zhǔn)雙向I/O口使用外,還可以將每一位用于第二功能,而且P3口的每一條引腳均可以獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第三功能。P3口的第二功能如表2.1所示。4. 控制線 (1)ALE/PROG(30腳):地址鎖存有效信號(hào)輸入端。ALE在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出兩個(gè)脈沖。在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器期間,下降沿用于控制鎖存P0輸出的低8位地址;在不訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器期間,可作為對(duì)外輸出的時(shí)鐘脈沖或用于定時(shí)目的。但要注意,在訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間,ALE脈沖會(huì)跳空一個(gè),此時(shí)作為時(shí)鐘輸出就不妥了。對(duì)于片內(nèi)含有EPROM的機(jī)型,在編程期
12、間,該引腳用作編程脈沖PROG的輸入端。 (2)PSEN(29腳):片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端,低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間,每個(gè)機(jī)器周期該信號(hào)兩次有效,以通過(guò)數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令或常數(shù)。在訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間,PSEN信號(hào)將不再出現(xiàn)。 (3)RST/VPD引腳(9腳):RST即為RESET,VPD為備用電源。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí),該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平,就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作,使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。上電時(shí),考慮到振蕩器有一定的起振時(shí)間,該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復(fù)位。當(dāng)Vcc發(fā)生故障,降低到低電平
13、規(guī)定值或掉電時(shí),該引腳可接上備用電源VPD(+5V)為內(nèi)部RAM供電,以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。 (4)EA/Vpp(31腳):EA為片外程序存儲(chǔ)器選用端。該引腳有效(低電平)時(shí),只選用片外程序存儲(chǔ)器,否則單片機(jī)上電或復(fù)位后選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。對(duì)于片內(nèi)含有EPROM的機(jī)型,在編程期間,此引腳用作21V編程電源Vpp的輸入端。綜上所述,MCS-51系列單片機(jī)的引腳可歸納為以下兩點(diǎn):(1單片機(jī)功能多,引腳數(shù)少,因而許多引腳都有第二功能。(2)單片機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)3總線形式,由P2、P0口組成16位地址總線;由P0口分時(shí)復(fù)用為數(shù)據(jù)總線;由ALE、PSEN、RST、EA與P3口中的INT0、INT1、T0
14、、T1、WR、RD共10個(gè)引腳組成控制總線。由于是16位地址線,因此,可使片外存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá)到64KB。圖3.9 單片機(jī)最小系統(tǒng)第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件是該LED顯示屏控制系統(tǒng)的重要組成部分,在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中我們也才用了模塊化設(shè)計(jì),將系統(tǒng)的各部分功能編寫成子模塊的形式,這樣增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性。下圖4.8為系統(tǒng)流程圖,表4.7為0到9的LED編碼。位12345678000H1CH22H41H41H22H1CH00H100H40H44H7EH7FH40H40H00H200H00H66H51H49H46H00H00H300H00H22H41H49H46H00H00H400H10H
15、1CH13H7CH7CH10H00H500H00H27H45H45H45H39H00H600H00H3EH49H49H32H00H00H700H03H01H71H79H07H03H00H800H00H36H49H49H36H00H00H900H00H26H49H49H3EH00H00H圖4.10 LED編碼表NOYESNO開(kāi)始設(shè)定TIMER0啟動(dòng)TIMER0初始化載入字型延時(shí)時(shí)間10個(gè)子型?主程序TIMER0關(guān)閉TIMER0切換到RB1輸出顯示數(shù)據(jù)輸出掃描碼過(guò)8行?從第一行開(kāi)始填入定時(shí)值打開(kāi)TIMER0切換回RB0返回中斷子程序YES圖4.9 流程圖第五章 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果分析5.1. 使用的儀器儀表 數(shù)字萬(wàn)用表燒寫器雙蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源5.2. 系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分:硬件調(diào)試,軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊設(shè)計(jì)法,所以方便對(duì)各電路模塊功能進(jìn)行逐級(jí)測(cè)試:LED驅(qū)動(dòng)模塊的調(diào)試,單片機(jī)最小系統(tǒng)的調(diào)試,最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測(cè)試。5.3. 硬件調(diào)試 對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行調(diào)試,主要調(diào)試各模塊能否實(shí)現(xiàn)指定的功能。5.4. 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試采用仿真軟件Proteus 6.9 SP4,將程序調(diào)入MCS-51 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行編譯,然后調(diào)入仿真軟件Proteus 6.9 SP4中運(yùn)行,主要是檢查語(yǔ)法錯(cuò)誤,程序在硬件上的可執(zhí)行性
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