上海羊羽卓进出口贸易有限公司单片机节日彩灯控制器的设计Proteus仿真
节日彩灯控制器的设计
一、设计要求：
以单片机为核心，设计一个节日彩灯控制器：
K1—开始，按此键则灯开始流动（由上而下）。K2—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。K3—下，按此键则灯由下向上流动。K4—交替闪烁，按此键则奇数序号灯与偶数序号灯交替闪烁。二、方案论证：
通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我提出课两种技术方案来实现该公能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。
1 方案比较
彩灯控制器课分为两种方案实现。一种是利用数字逻辑电路装置控制，另一种是采用单片机控制。
1.1 方案一
根据任务要求介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡器、计数/时序分配电路、移位寄存器和彩灯显示五部分组成。其框图如图所示。
1.2 方案二
本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的LED彩灯循环系统的设计，来达到本设计的要求、其硬件构成框图如图所示，以单片机为核心控制，由单片机最小系统（时钟电路、复位电路、电源）、按键控制电路、LED发光二极管和5V直流电源组成。
2 方案论证
如果采用方案一，利用数字逻辑电路装置控制，其电路不是很复杂，制作相对较容易，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到设计任务要求或实现困难。而采用方案二，以单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。
3 方案选择
综上，显然方案二各方面优于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用方案二。
三、理论设计：
1、主程序设计
程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，此程序里面包含K1—K4的按键情况判断，循环检测直到有按键按下的时候，程序转去相对应的按键的彩灯显示的模块。
2、键盘扫描程序
四、电路仿真和仿真结果分析 ：
1 仿真电路
1.1 时钟电路和复位电路
1.2 按键控制电路
1.3 LED显示电路
2 仿真结果分析：
此次系统设计结果较好，经Proteus软件仿真系统的调试，可检测出仿真电路正常；对应按键按下，彩灯出现不同花型，实现了多控制、多闪烁的LED彩灯循环；经以上仿真测试证实，本设计能实现设计系统要求的预期功能。
五、心得体会：
本次作业设计以C51单片机为核心，控制电路、LED显示电路、以及单片机最小系统等模块组成的核心主控制电路，实现了由单片机对LED灯的控制。
通过对软件的仿真调试，对彩灯控制器的运行成果满意，实现了题目的要求，同时此设计具有电路简单、易操作、成本小、体积小、耗能低等优点。
但是在设计中也出现了一些问题，在程序编写过程中发现自己有的知识模块模糊，导致实验速度减缓，通过c程序的编写实验就发现自己很多地方的不足，在查阅资料和同学的帮助下才解决了困难，这都是以后要多学习的地方。单片机源程序如下:
#include <reg52.h>#define uchar unsigned char //宏定义#define uint unsigned intsbit k1=P1^2; //位定义sbit k2=P1^3;sbit k3=P1^4;sbit k4=P1^5;uchar a=0; //定义所需变量uchar b;uchar code table1[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; //从上到下流水数组uchar code table2[]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe}; //从下到上流水数组void delay_ms(uint xms) //延时函数{uint i,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}void key_scan(uchar b) //按键扫描{if(b==1) //若K1按下{while(k2==1&&k3==1&&k4==1){for(a=0;a<8;a++) //执行从上到下流水操作{P0=table1[a];delay_ms(100);}a=0;}}if(b==2) //若K2按下{while(k1==1&&k3==1&&k4==1){ //P0全部输出高电平，关闭LEDP0=0xff;}}if(b==3) //若K3按下{while(k1==1&&k2==1&&k4==1){for(a=0;a<8;a++) //执行从下到上流水操作{P0=table2[a];delay_ms(100);}a=0;}}if(b==4) //若K4按下{while(k1==1&&k2==1&&k3==1){P0=0xaa; //奇偶位分别点亮delay_ms(100);P0=0x55;delay_ms(100);}}}void main(void) //主函数{TMOD=0X01; //定时器中断初始化TH0=(65536-1000)/256;TL0=(65536-1000)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;while(1);}void T0_time() interrupt 1 //中断服务函数{TH0=(65536-1000)/256;TL0=(65536-1000)%256;if(k1==0)b=1;if(k2==0)b=2;if(k3==0)b=3;if(k4==0)b=4;key_scan(b);}复制代码
花样彩灯控制器安装、调试与维修
学习目标：
1、了解MCS——51系列单片机的性能。
2、知道MCS——51系列单片机内部结构及功能部件。
3、能看懂MCS——51系列单片机外部引脚的管脚图。
4、能看懂MCS——51系列单片机的复位电路及功能。
5、能看懂MCS——51系列单片机的时钟电路及功能。
6、知道单片机汇编语言的指令格式
7、会运用单片机的基础指令。
8、知道MCS——51系列单片机的中断系统。
9、知道MCS——51系列单片机的定时/计数器系统。
学习内容：
1、单片机的产生与发展以及应用领域。
2、MCS——51系列单片机的性能。。
3、MCS——51系列单片机内部结构及功能部件。
4、MCS——51系列单片机外部引脚的管脚图。
5、MCS——51系列单片机的复位电路及功能。
6、MCS——51系列单片机的时钟电路及功能。
7、CLR、ACALL 、SETB 、AJMP、MOV DJNZ RET END 等指令的运用
8、知道MCS——51系列单片机的有哪些中断源。
9、知道知道MCS——51系列单片机的中断优先级。
10、会对知道MCS——51系列单片机的中断系统进行初始化。
11、知道知道MCS——51系列单片机有几个特殊功能寄存器以及含义。
12、会就是MCS——51系列单片机的定时/计数器系统的计数初值。
13、会对MCS——51系列单片机的定时/计数器系统技校初始化。
14、安全培训
本课题建议学时:44 学时。
本课题的教学步骤可分为：
1、下发任务书
2、学习流程
3、引导问题
4、有关表格
5、自我测试题（评价标准、测试题）
任务书： （2个课时）
随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰 富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用 彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作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。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。此外从功能效果上看，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。 本学习情境提出了一种基于AT89C51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。本方案以AT89C51单片机作为主控核心，与键盘、显示、驱动等模块组成核心主控制模块。在主控模块上设有8个按键和5位七段码LED显示器，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部定时器T0实现一个基本单位时间为5 ms的定时中断，根据各种亮灯时间的不同需要，在不同时刻输出灯亮或灯灭的控制信号，然后驱动各种颜色的灯亮或灭。与普通LED彩灯相比，具有体积小、价格低、低能耗等优点。 硬件设计
新型LED彩灯系统包括2大部分，即LED彩灯控制器（89C51主控模块）和LED彩灯管（管内LED板模块）。前者是主控模块，具有按键、显示等功能，并利用89C51的P口输出控制信号；后者是受控模块，上面焊有三色LED彩灯和信号驱动芯片，模块置于LED的透明灯管内。
主控模块电路设计 主控模块电路如图1所示。主控模块主要设计器件有89C51，5个七段码LED显示器，8个按键，2个稳压器（提供12 V，5 V电压），1个信号输出驱动模块芯片(MC4049)等。通过软件设计，使单片机P0口作为三色LED驱动信号输出口及移位时钟CLOCK信号，P3口为按键输入口，P2口、P1口与5位七段码LED相接作为显示器的输出口。 管内LED板模块设计 管内LED板模块电路见图2。管内LED板模块设计主要器件有LED彩灯（红、绿、蓝）、移位触发模块芯片CD4076等。根据实际应用彩灯长度需要，可将不同数量的该管内LED模块实现级连，组成一个完整的LED彩灯。考虑到功率损耗，LED板模块之间接口处用信号正向驱动模块芯片MC4049连接。每个LED板模块上均匀分布3种颜色 LED灯，在实际制作PCB时采用红、绿、蓝3色互隔焊接方式，在电路板上把LED发光管按顺序L1(红)、L2(绿)、L3(蓝)、L4(红)、L5(绿)、L6(蓝)……依次均匀焊在板上成一条直线。为了得到更多的花样模式效果，可以使红绿2种灯从前往后驱动点亮闪烁，蓝灯从后往前驱动点亮闪烁，这样具有很好的动感视觉效果。
软件设计 新型LED彩灯控制器最大特点在于所有亮灯模式均由软件控制完成。系统中软件可以分为主程序和中断服务子程序。上电后在缺省状态以顺序调用Model_i花样亮灯模式流程为主程序，以一个单位时间5 ms的T0定时为中断服务子程序。在这个5 ms的T0定时基础上，可以根据需要来确定各种模式工作时间Ti，以及确定在各种亮灯模式Mode l_i内点亮和熄灭各种颜色LED灯的时刻：Red_on，Red_off，Green_on，Green_off，Blue_on，blue_off以及Clock（移位翻转脉冲）等。整个系统软件由主程序（ Main）、各个模式子程序（Model_i）、5 ms中断服务子程序(T0 Interrupt)、键盘扫描处理子程序（Key Board）、显示子程序（Display）等程序组成。利用T0定时器作为定时基本单位，根据模式需要计算好各控制信号的发生时刻，根据不同的模式Mo del_i可以设定不同的工作时间Ti和脉冲翻转频率Fi通过P0口输出，使各色L ED灯的驱动时刻与移位触发的翻转时刻步调一致，使LED彩灯按照设计的模式工作。 除了T0定时中断之外，程序的大部份时间是在处理按键的查询和LED显示的延时。8个按键分别为：4个参数按键（Fi增、减按键，Ti增、减按键），3个模式改变按键（模式上翻UP、模式下翻DOWN、模式保持KEEP），1个功能切换按键。在每次的T0定时中断服务子程序里，需要对各个时间寄存器和模式寄存器进行加1或者清，为主程序查询作准备，同时查询是否已中断6次（30 ms），若30 ms到了，则对参数按键查询一次，是否有时间Ti频率Fi增减键按下并进行相应子程序处理。 主程序除了调用各种子模式子程序（Model_i），调用LED显示子程序(Display)和延时子程序(Delay)之外，还一直保持查询是否有功能切键按下以及是否有模式改变按键按下，一旦有功能切换键和模式改变键按下，就会进入相应的按键处理。 主程序流程如图3所示。亮灯模式子程序Model_i可以编写若干(n种)，只要控制好各色灯触发和熄灭时刻就可以组合成各种亮灯效果。Model_i程序流程如图4所示。
下面以第一种模式工作为例
预备知识一：
程序结构的设计方法
1. 流程图就是用________、_______、框内必要的_______所组成的图用来描述算法，最后根据流程图用程序语言来编制程序。
2. 程序的基本算法结构有三种：_______、_______、_______。
3. 循环结构有分为_______和_______两种方式。
4. 当型循环结构是先_______，条件成则_______循环体。
5. 直到型循环结构是先_______一次，再_______，条件不成立再_______。
6. 分别画出顺序结构、分支结构、当型循环结构、直到型循环结构。
7. 简述当型循环结构和直到型循环结构的区别。
预备知识二：
MCS---51单片机的中断系统
1. 什么是中断源？
2. MCS——51单片机有几个中断源，几个外部中断，几个内部中断分别是哪些？
3. MCS——51单片机有几个标志位，分别是什么，含义是什么？
4. 5个中断源的优先级怎样排列？
5. 中断响应的条件是什么？
6. 简述中断的过程？
7. 写出每个中断源的入口地址？
8. 中断响应最短需要几个周期？
9. 对中断系统进行初始化要完成哪些工作？
预备知识三：
定时/计数器
1. MCS—51单片机有几个特殊功能的寄存器，分别是什么，含义是什么？
2. 画出定时器工作方式寄存器TMOD中各位的定义并说明代表的含义？
3. 画出定时器控制寄存器TCON中各位的定义并说明代表的含义？
4. 定时/计数器有几种工作方式，分别有什么寄存器中的那两位的二进制编码所决定？
5. MCS—51单片机的定时/计数器进行初始化要注意那两点，步骤有哪些？
6. 怎么计算计数初值？
7. 若晶振频率为6MHZ，试计算MCS—51单片机的定时/计数器的最小定时时间和最大定时时间？
8. 若单片机晶振频率为6MHZ，要求定时/计数器T0产生100ms的定时，试确定技术初值以及TMOD寄存器的内容。
流程卡： （2个课时）
操 作 流 程 卡
课题2 花样彩灯控制器
序号
操作内容
工作时间
学生： 日期： 教师：
电路板制作： （15个课时）
1.准备本项任务所需的材料、工具。
2.如果材料不全，缺哪些？
材料明细卡
序号
名称
型号
数量
单价（元）
R
碳膜电阻
560
8个
LED1
彩灯
红
1个
LED2
彩灯
绿
1个
LED3
彩灯
蓝
1个
LED4
彩灯
红
1个
LED5
彩灯
绿
1个
LED6
彩灯
蓝
1个
H0
晶振
592MHZ
1个
C1
电容
30P
C2
C2
电容
30P
C3
IC1
集成片
AT89S51
1个
IC2
集成片
CD4076
4个
IC3
集成片
MC4049
1个
S1-S9
开关
8个
.
松香、焊锡丝、绝缘胶布、万能电路板、镀银铜丝、电源线及插头、
多股软导线(400毫米)
课题2 花样彩灯控制器
参考资料提示
序号
书名
出版社
1
电工基础
中国劳动社会保障出版社
2
电子电路基础
中国劳动社会保障出版社
3
电子技术工艺基础
电子工业出版社
4
单片机原理
清华大学出版社
5
评分卡：（2个课时）
花样彩灯控制器制作（满分100分）
评 分 页
姓名
学号
序号
项目及配分
工艺标准
扣分标准
学生自评分
教师评分
1
作图
30分
1. 布局合理、紧凑。
2. 导线横平、竖直、转角成直角,无交叉。
3. 元件间连接关系和电原理图一致。
1. 布局不合理,每处扣5分。
2. 导线不平直、转角不成直角， 每处扣2分。出现交叉， 每处扣5分。
3. 连接关系错误， 每处扣10分。
2
花样彩灯控制器安装45分
1. 电阻器、二极管水平安装，离万能电路板间距5mm；色标电阻的色环标志方向一致。
2. 电容器、三极管垂直安装，元件底部离万能电路板间距8mm。
3. 按图装配,元件的位置、极性正确。
4. 焊点光亮、清洁、焊料适量。
5. 布线平直。
6. 无漏焊、虚焊、假焊、搭焊、溅锡等现象。
7. 焊接后元件引脚剪脚留头长度小于1 mm。
1. 元件安装歪斜、不对称、高度超差、色环电阻标志不一致, 每处扣1分。
2. 错装、漏装， 每处扣5分。
3. 焊点不亮、焊料过多、过少、布线不平直， 每处扣0.5分。
4. 漏焊、虚焊、假焊、搭焊、溅锡， 每处扣3分。
5. 剪脚留头长度大于1 mm, 每处扣0.5分。
3
51最小系统调试25分
1. 按调试要求和步骤正确测量。
2. 正确使用万用表。
3. 正确使用示波器观察波形。
1. 调试步骤错误，每次扣3分。
2. 测量结果错误， 每次扣5分误差大， 每次扣2分。
3. 万用表、示波器使用错误， 每次扣3分。
4
安全文明操作
1. 安全用电。不人为损坏元器件、加工件和设备等。
2. 保持操作环境整洁，秩序井然，操作习惯良好。
1. 发生安全事故，扣总分20分。
2. 违反文明操作规程,视情况扣总分5---20分。
5
工时： min
超5min扣10分。
6
合计
51花样彩灯控制器的维修（满分100分）
评 分 页
姓名
学号
序号
项目及配分
工艺标准
扣分标准
学生自评分
教师评分
1．
查找故障
正确使用电烙铁、万用表、示波器等。
电烙铁、万用表、示波器使用错误, 每次扣3分。
2．
排除故障
1. 元件的位置、极性正确。
2. 焊点光亮、清洁、焊料适量。
3. 布线平直。
4. 无漏焊、虚焊、假焊、搭焊、溅锡等现象。
5. 焊接后元件引脚剪脚留头长度小于1 mm。
6. 正确使用电烙铁、万用表、示波器等。
1. 元件安装歪斜、不对称、高度超差、色环电阻标志不一致, 每处扣1分。
2. 焊点不亮、焊料过多、过少，布线不平直， 每处扣0.5分。
3. 漏焊、虚焊、假焊、搭焊、溅锡，每处扣3分。
4. 剪脚留头长度大1 mm, 每处扣0.5分。
5. 电烙铁、万用表、示波器、直流稳压电源、毫伏表、信号发生器使用错误, 每次扣3分。
3．
安全文明操作
1. 安全用电。不人为损坏元器件、加工件和设备等。
2. 保持操作环境整洁，秩序井然，操作习惯良好。
1. 发生安全事故，扣总分20分。
2. 违反文明操作规程,视情况扣总分5---20分。
4．
工时： min
超5min扣10分。
5．
合计
工作小结： （ 个课时）
工作任务小结表
日期：
1：你所在的小组从接受任务到完成共用了多少时间？
2：你认为此花样彩灯控制器的制作可以在哪些方面进行改进？
3：对你造成最大困难的是哪些工作？
4：你通过此花样彩灯控制器的制作在哪些方面得到了提高？
5：你认为在今后的教学中是否还应按照这种教学方法来安排？
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