八路流水燈控制系統(tǒng)

1、西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 1前言在“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”與“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中，通常只介紹單元電路的設(shè)計、集成芯片的特性、功能等，而一個實用的電子系統(tǒng)通常是由多個單元電路組成的。因此，進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計時，既要考慮系統(tǒng)總體電路的設(shè)計，還要考慮系統(tǒng)各部分電路的選擇、設(shè)計及它們之間的相互連接。由于各種通用和專用的模擬、數(shù)字集成電路的大量涌現(xiàn)，所以在電子系統(tǒng)的方案框圖確定后，除少數(shù)電子電路的參數(shù)需要設(shè)計計算外，大部分只需根據(jù)電子系統(tǒng)框圖各部分要求正確選用模擬和數(shù)字集成電路的芯片。 常用電子系統(tǒng)設(shè)計通常包括：選擇總體方案框圖、單元電路設(shè)計與選擇、電子元器件的選擇

2、、單元電路之間的連接、對電子系統(tǒng)進(jìn)行電路搭試、對方案及單元電路參數(shù)進(jìn)行修改、繪制總體電路，最后寫出設(shè)計報告。 復(fù)雜的設(shè)計課題，通常需要對設(shè)計要求進(jìn)行認(rèn)真分析和研究，通過收集和查閱資料，在已學(xué)模擬和數(shù)字電子技術(shù)課程理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)思，從而提出實現(xiàn)設(shè)計要求的可能方案，并畫出相應(yīng)的框圖。實現(xiàn)同一個設(shè)計要求的方案不止一個，這時就應(yīng)對每一個設(shè)計方案的可行性及它們的優(yōu)缺點進(jìn)行比較，找出一個較為合理的設(shè)計方案。對于關(guān)鍵部分電路的可行性應(yīng)在原理上要可行，而后需進(jìn)行電路搭試，成功后才能確定電路的總體方案框圖。電子課程設(shè)計是對以前學(xué)科知識的綜合，檢驗我們掌握電子學(xué)科理論知識的程度，也是學(xué)科教學(xué)中十分重

3、要的環(huán)節(jié)。通過把理論與實踐相結(jié)合，提高理論水平，鍛煉實踐動手能力。同時，對于我們對電子學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣也是有極大的激發(fā)作用，讓同學(xué)們在自己動手制作的過程中找到樂趣，加深對學(xué)科知識的理解及消化，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。在當(dāng)今的社會里，彩燈已經(jīng)成為我們生活的一部分，能給我們帶來視覺上的享受還能美化我們的生活。三花樣彩燈控制器主要是通過電路產(chǎn)生有規(guī)律變化的脈沖信號來實現(xiàn)彩燈的各種變化。它的主要器件是寄存器?，F(xiàn)如今寄存器是數(shù)字系統(tǒng)常見的重要部件，在計算機中廣泛用于存放中間數(shù)據(jù)。本次實驗由于觸發(fā)器具有記憶的功能，將移位寄存器設(shè)計成彩燈控制電路。由于電路本身實用，如果再通過計算機仿真，可以直觀地看

4、到循環(huán)彩燈控制效果。如果稍微改動控制電路，就可以改變電路的不同工作狀態(tài)，控制彩燈變幻出不同的閃爍效果。通過這次設(shè)計培養(yǎng)了我們嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度和科學(xué)作風(fēng),為今后從事電路設(shè)計和研制電子產(chǎn)品打下初步基礎(chǔ)，檢驗我們的理論實踐能力，動手能力，動腦能力，分析和理解問題的能力，增強了大家對電子方面的學(xué)習(xí)興趣及自學(xué)能力，知道了自己在哪一方面不足，為今后的學(xué)習(xí)提供了方向，使大家有質(zhì)的提高。 1.1設(shè)計背景以前過節(jié)的時候，班上開晚會，同學(xué)們都想用彩燈烘托一下節(jié)日氣氛。通過兩年來對專業(yè)課程的理論學(xué)習(xí)和實踐，我們越發(fā)對彩燈設(shè)計產(chǎn)生了濃厚的興趣。借這次學(xué)校安排我們的課程設(shè)計，我們決定親手設(shè)計彩燈控制系統(tǒng)的程

5、序，將理論與實踐相結(jié)合，把自己在學(xué)校里面學(xué)過的東西應(yīng)用于實際，不斷深化自己在這方面的理解，并提高應(yīng)用能力，使自己所學(xué)更有意義。 1.2實施計劃首先在圖書館查詢資料，在網(wǎng)上收集相關(guān)論文，設(shè)計出彩燈控制系統(tǒng)的原理總圖和單元電路圖，再編寫仿真軟件，調(diào)試模塊和軟件，運行成功后做出電路板，加載程序，最后做出課程設(shè)計報告書。 1.3必備條件編輯說明書：Word 2003  繪制原理電路：Protel、Proteus、Altium Designer 仿真：Proteus PCB：Protel、Altium Designer2總體方案設(shè)計&

6、#160;通過查閱大量相關(guān)技術(shù)資料，并結(jié)合自己的實際知識，我主要提出了兩種技術(shù)方案來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我將首先對這兩種方案的組成框圖和實現(xiàn)原理分別進(jìn)行說明，并分析比較它們的特點，然后闡述我最終選擇方案的原因。 2.1設(shè)計方案 彩燈控制器大致可分為兩種方案實現(xiàn)。一種是利用電子電路裝置控制，另一種是采用單片機控制。 方案一： 根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求介紹的彩燈控制電路的基本組成，可以確定彩燈控制器應(yīng)由振蕩電路、計數(shù)/時序分配電路、移位位寄存器和彩燈顯示五部分組成。其框圖如圖2.1所示。振蕩電路控制電路計數(shù)器譯碼器LED顯示電路圖2.1 彩燈循環(huán)控制器硬件框圖方案二：

7、 本方案主要是通過對基于單片機的多控制、多閃爍方式的LED彩燈循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計，來達(dá)到本設(shè)計的要求。其硬件構(gòu)成框圖如圖2.2所示，以單片機為核心控制，由單片機最小系統(tǒng)（時鐘電路、復(fù)位電路、電源）、按鍵控制電路、LED發(fā)光二極管和5V直流電源電路組成。此設(shè)計方案中單片機的P0口接一按鍵控制電路，實現(xiàn)彩燈花型的切換功能；單片機的P0.1引腳接上一個按鈕開關(guān)以實現(xiàn)對彩燈閃爍頻率的控制，即實現(xiàn)了快中慢三種節(jié)拍實現(xiàn)花型的變換；單片機上的P1口接八路LED發(fā)光二極管組成彩燈電路，顯示彩燈循環(huán)情況。時鐘電路復(fù)位電路 AT89C52單片機按鍵控制電路LED彩燈直流5V電源電路圖2.2 單片機彩燈循環(huán)控

8、制系統(tǒng)硬件框圖2.2方案選擇 結(jié)合設(shè)計任務(wù)書比較以上兩種方案可知：利用電子電路裝置控制，其電路不很復(fù)雜，制作相對較容易點，成本也相對較低，但可調(diào)性差，亮燈模式少而且樣式單調(diào)，達(dá)不到設(shè)計任務(wù)要求或?qū)崿F(xiàn)困難。采用單片機控制其優(yōu)點是電路集成度高，工作原理簡單，清晰明了，自定義編程，控制的圖案花樣多，移植性好等。 綜上，顯然方案二各方面優(yōu)越于方案一，以及為了體現(xiàn)專業(yè)優(yōu)勢，本次設(shè)計采用第二種方案。3單元模塊設(shè)計 本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系；同時本節(jié)也會對相關(guān)電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以及核心器件進(jìn)行必要說明。

9、3.1直流穩(wěn)壓電源電路 對于一個完整的電子設(shè)計來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源電路的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎(chǔ)。電子設(shè)備除用電池供電外，還采用市電（交流電網(wǎng)）供電。通過變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的直流電。直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備的重要組成部分！本項目直流穩(wěn)壓電源為+5V。如下圖3.1所示： 直流穩(wěn)壓電源的制作一般有3種制作形式，分別是分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電源、線性集成穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。下圖穩(wěn)壓電源采用的是三端集成穩(wěn)壓器7805構(gòu)成的正5V直流電源。 圖3.1 三端固定式集成穩(wěn)壓電源電路圖AT89C52單片機的工作電壓范圍：4.0

10、V5.5V，所以通常給單片機外接5V直流電源。3.2單片機最小系統(tǒng) 要使單片機工作起來，最基本的電路的構(gòu)成由單片機、時鐘電路、復(fù)位電路等組成。單片機最小系統(tǒng)如下圖3.2所示。 圖3.2 單片機最小系統(tǒng)時鐘電路：本系統(tǒng)采用單片機內(nèi)部方式產(chǎn)生時鐘信號，用于外接一個12MHz石英晶體振蕩器和2個22pF微調(diào)電容，構(gòu)成穩(wěn)定的的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時鐘電路。 圖3.3 時鐘電路復(fù)位電路：確定單片機工作的起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機系統(tǒng)的復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位。本設(shè)計采用手動按鍵復(fù)位，該復(fù)位方式同樣具有上電自動復(fù)位功能。電路如圖3.4

11、所示。圖3.4 復(fù)位電路3.3 LED彩燈顯示電路 LED彩燈顯示電路(如圖所示)實際上是由8個發(fā)光二極管和8個電阻構(gòu)成的電路。發(fā)光二極管與電阻對應(yīng)串聯(lián),然后接在與之相對應(yīng)的P1口上。通過軟件編程對P1口輸出高低電平來實現(xiàn)不同的閃爍花型。由于發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓一般為1.7V以上，另外，其工作電流根據(jù)型號不同，一般為1mA到30mA，電阻選擇范圍100歐姆3千歐姆在此我們這里選用510歐姆的電阻。圖3.5 LED彩燈顯示電路3.4按鍵控制電路 按鍵控制電路(如圖3.6所示)是由2個按鍵開關(guān)構(gòu)成的。他們分別接在單片機AT89C52的P0.0接口和P0.1口,S1接在P0.0,

12、S2接在P0.1上。為了一對一的控制LED燈的閃爍方式。當(dāng)按下開關(guān)S1時, LED彩燈系統(tǒng)閃爍第一種彩燈花型。當(dāng)再次按下開關(guān)S1時, LED燈系統(tǒng)閃爍第二種閃爍方式。 當(dāng)閉合S2時，彩燈閃爍節(jié)拍變快。圖3.6 鍵盤控制電路3.5串口電路       串口電路為單片提供與PC機連接端口，為單片機提供下載程序到單片機程序存儲器中。串口原理圖如圖3.7所示。 串口也稱串行通信接口，RS-232是目前最常用的一種串行通訊接口，由于其形狀和針腳數(shù)量的原因，其接頭又被稱為DB9接頭。RS

13、-232針腳定義：2 RXD Receive Data 接收數(shù)據(jù)、3 TXD Transmit Data發(fā)送數(shù)據(jù)、5GND - System Ground 系統(tǒng)接地，一般就用到這幾個引腳。圖3.7 串口原理圖MAX232芯片是專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。 MAX23內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分： 第一部分是電荷泵電路：由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成，功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道：由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道，其

14、中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道，8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電：15腳DNG、16腳VCC（+5v）。 在此，本系統(tǒng)的硬件電路已經(jīng)全部設(shè)計完畢。4軟件設(shè)計單片機的應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成，上述硬件原理圖搭建完成上電

15、之后，我們還不能看到多控制、多閃爍方式的LED燈系統(tǒng)循環(huán)點亮的現(xiàn)象，我們還需要告訴單片機怎么樣進(jìn)行控制，即編寫程序控制單片機管腳電平的高低變化，來實現(xiàn)發(fā)光二極管的明滅。軟件編程是多控制、多閃爍方式的LED燈系統(tǒng)中的一個重要的組成部分，是本設(shè)計的重點和難點。下面,我將闡述多控制、多閃爍方式的LED燈系統(tǒng)是如何實現(xiàn)8個LED燈的循環(huán)點亮，來介紹實現(xiàn)流水燈控制的軟件編程方法。C語言仿真如圖4.1。詳細(xì)C語言程序見附錄。  圖4.1 Keil Vision4調(diào)試本設(shè)計使用的是2009年2月發(fā)布Keil Vision4軟件來進(jìn)行編程。Keil Vision4提供了包括C編譯器、宏匯編

16、、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。Keil Vision4引入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠使用多臺監(jiān)視器，并提供了視覺上的表面對窗口位置的完全控制的任何地方。新的用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個窗口，提供一個整潔，高效的環(huán)境來開發(fā)應(yīng)用程序。新版本支持更多最新的ARM芯片，還添加了一些其他新功能。主程序流程圖如下圖4.2所示。主程序程序初始化模式一模式二模式三調(diào)用亮燈模式調(diào)用亮燈頻率頻率一頻率二頻率三圖4.2 主程序流程圖本設(shè)計是以單片機AT89C52為核心控制8個發(fā)光二極管

17、3種閃爍方式的變換。硬件電路如圖附錄1所示，八個發(fā)光二極管D1D8分別接在單片機的P1.0P1.7接口上，當(dāng)給P1.0口輸出“0”時，發(fā)光二極管點亮，當(dāng)輸出“1”時，發(fā)光二極管熄滅。同理，接在P1.1P1.7口的其他7個LED的點亮和熄滅的方法同LED1。因此，要實現(xiàn)流水燈功能，我們只要將發(fā)光二極管LED1LED8依次點亮、熄滅，8只LED燈便會一亮一暗的成流水燈了。在此我們還應(yīng)注意一點，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)以及單片機執(zhí)行每條指令的時間很短，我們在控制二極管亮滅的時候應(yīng)該延時一段時間，否則我們就看不到閃爍效果。 程序設(shè)計流程如圖4.3。開始判斷有無按鍵按下當(dāng)S1按下時當(dāng)S2按下時調(diào)

18、用彩燈循環(huán)程序設(shè)定相應(yīng)的間隔時間調(diào)用延時程序圖4.3 程序設(shè)計流程圖程序啟動時跳轉(zhuǎn)到鍵盤判斷模塊程序中，此程序里面包含S1的按鍵情況判斷，循環(huán)檢測直到有按鍵按下的時候，程序轉(zhuǎn)去按鍵相對應(yīng)的彩燈顯示的花型模塊，與此同時，當(dāng)按鍵S2有閉合時，程序中調(diào)用延時程序程序時，給延時參數(shù)賦值上另一個值，是延時程序延時時間發(fā)生改變，以達(dá)到不同快慢節(jié)奏閃爍的彩燈。5系統(tǒng)調(diào)試 5.1系統(tǒng)仿真Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件件中國。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。

19、雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil

20、等多種編譯器。Proteus可仿真各種電路和IC，并支持單片機，元件庫齊全，使用方便，是不可多得的專業(yè)的單片機軟件仿真系統(tǒng)。本次實驗我們采用Proteus軟件進(jìn)行仿真。仿真電路圖如圖5.1所示。圖5.1 仿真電路圖5.2仿真調(diào)試本系統(tǒng)的調(diào)試是把在Keil里面寫好的程序通過編譯不出現(xiàn)任何錯誤后將生成的后綴名為.HEX的文件加載到AT89C52單片機中。接下來我們將在Proteus軟件進(jìn)行軟硬件結(jié)合的調(diào)試。以下是Proteus仿真時的情況。圖5.2 程序仿真6系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)根據(jù)課程設(shè)計要求，系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下功能：彩燈需3種演示花型：1、8路彩燈同時亮滅，此周期每次重復(fù)10次。2、依次循環(huán)放光（每

21、次只有一路亮，連續(xù)循環(huán)10次）。3、8路彩燈每次4路亮，4路滅，且亮滅相間，交替亮滅，此周期每次重復(fù)10次。其它要求：1、三種花型輪流顯示，但顯示的順序可設(shè)置；2、燈亮滅的時間間隔從25ms2S可調(diào)。下面是在實驗室電路板實物上的調(diào)試結(jié)果，如表6.1所示。表6.1 測試結(jié)果及狀態(tài)分析序號 測試項目測試方法測試結(jié)果行狀態(tài)分析1是否能正常工作打開仿真電路圖，加載程序，點擊開始運行。無任何錯誤提示仿真電路正常2彩燈花型控制運行仿真，按下模式選擇按鍵，觀察彩燈顯示效果。對應(yīng)按鍵按下，彩燈出現(xiàn)不同花型。本設(shè)計實現(xiàn)了多控制的LED彩燈循環(huán)。3節(jié)奏快慢控制運行仿真，按下頻率選擇按鍵。對應(yīng)按鍵按下，彩

22、燈出現(xiàn)不同閃爍頻率。本設(shè)計實現(xiàn)了多閃爍的LED彩燈循環(huán)。經(jīng)以上實驗測試證實，能實現(xiàn)本設(shè)計系統(tǒng)要求的預(yù)期的功能。7結(jié)論 本次課程設(shè)計對八路彩燈控制系統(tǒng)的運行成果感覺比較滿意，它實現(xiàn)了我們要求達(dá)到的目標(biāo)，比如能按一定時間進(jìn)行彩燈變換。并且變換不是很單一，而且能變換閃爍頻率。讓身處其中的群眾有一種酣暢淋漓的感覺。但是在設(shè)計中也出現(xiàn)了一些問題。比如控制開關(guān)電路無法控制3種輸出模式；無法順利實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換等等。電壓控制不是很穩(wěn)定，造成燈泡亮度不明顯。這些都需要以后的工作當(dāng)中需要注意并解決問題。通過這次課程設(shè)計，使我更加扎實地掌握了有關(guān)數(shù)電方面的知識。在設(shè)計過程中，雖然遇到了許多問題，但是通過查

23、資料，思考，和同學(xué)一起討論，找林老師解惑答疑，找出了解決辦法。從中也充分暴露了我們所學(xué)方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。在課程設(shè)計過程中，我們不斷地發(fā)現(xiàn)錯誤，改正錯誤，從中學(xué)到了許多東西，更具體地掌握了各種芯片的作用及連接方法，從中不斷領(lǐng)悟、獲取。在今后的社會發(fā)展和學(xué)習(xí)實踐過程中，我們也要不懈努力，遇到問題不能退縮，而是發(fā)現(xiàn)問題所在，然后逐一解決問題。只有這樣，才能在往后的道路上披荊斬棘，獲得成功，得到社會和大家的認(rèn)可。8總結(jié)與體會 在設(shè)計過程中，我們不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，還學(xué)會了許多學(xué)習(xí)方法，真是受益匪淺。同時也學(xué)到了許多書本上沒有的東西。我深深地體會到只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

24、的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才能地理解所學(xué)的知識，做到融會貫通，從而提高自己的能力。 團(tuán)結(jié)就是力量。在實驗過程中，和同學(xué)一起思考、討論，讓我們的合作更有默契。在以后的工作中，團(tuán)隊協(xié)作精神十分重要，大家一起合作，獲得成功，然后一起分享成功的喜悅！ 同時，在此感謝我們的林老師，感謝你對我們耐心的教導(dǎo)，每次都是你在我們眾多的錯誤中精確地找出核心的問題，從而使錯誤迎刃而解，我們小小成功的背后是你的大愛。9參考文獻(xiàn) 1徐學(xué)彬.電子技術(shù)試驗指導(dǎo)書.成都：西華大學(xué)電工電子試驗實習(xí)中心,2010 2康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分第五版.高等教育出

25、版社,2005 3彭軍.數(shù)字電路的設(shè)計與制作.科學(xué)出版社 4黃培根.multsim 7 &電子技術(shù)實驗.浙江大學(xué)出版社5陳永強.模擬電子技術(shù).人民郵電出版社,20136陳正義.單片機控制實習(xí)M.北京：人民郵電出版社，2006 附錄1：相關(guān)設(shè)計圖原理圖PCB板圖附錄2：程序代碼#include <reg52.h>#include <intrins.h>sbit key1=P00;sbit key2=P01; /-聲明全局函數(shù)-/void Delay10ms(unsigned int c);void delayms(unsigned int x);/延時10ms/* 函 數(shù) 名 : main* 函數(shù)功能 : 主函數(shù)* 輸 入