完整版基于单片机的霓虹灯控制器的毕业设计论文.docx

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完整版基于单片机的霓虹灯控制器的毕业设计论文

基于单片机的霓虹灯控制器的设计

摘要

本设计采用AT89C52单片机实现对霓虹灯的控制。

系统由红外遥控模块、单片机控制模块、显示模块、语音模块四部分组成。

红外遥控模块分红外发射部分和红外接收部分，通过单片机译码后，取出红外发射按钮的地址，从而实现红外遥控器对霓虹灯显示图案的远距离控制。

红外接收管也只占用一个IO口。

显示部分为16×16的点阵模块，通过单片机控制显示不同的图案以及想要的文字，并让字能够移动、暂停，以及从当前文字切换其它文字。

语音模块采用的语音芯片是ISD1730，可以录制想要的语音，通过录音可以对设计进行介绍。

语音的播放支持暂停、下一首、调节音量和复位。

由于单片机的IO口不够用，本设计采用74HC154对其扩充，将四线扩充到十六线。

该系统具有电路结构简单、易操作、成本低等优点，具有较强的实用价值。

关键词：

单片机；红外遥控；点阵；译码器；霓虹灯

论文总页数：

47页

1引言4

1.1课题背景及意义4

1.2本课题研究方法和目标4

2方案研究与主要芯片选择6

2.1总体方案原理及设计框图6

2.1.1主控电路的选择与论证6

2.1.2显示设备的选择与论证8

2.1.3控制器模块选择9

2.2主要芯片介绍11

2.2.1译码器74LS154的介绍11

2.2.2LED点阵的介绍12

2.2.3语音模块的介绍13

3硬件电路设计与调试15

3.1单片机模块单元电路设计15

3.2串口通信电路设计16

3.3译码器模块单元电路设计17

3.4点阵模块单元电路设计17

3.5红外遥控模块单元电路设计18

3.6语音模块单元电路设计19

3.7硬件仿真与调试21

4软件设计23

4.1单片机IO口分配23

4.2各模块程序23

4.2.1主程序设计23

4.2.2显示程序设计24

4.2.3红外接收程序设计26

4.2.4设定的图案和字程序28

5软硬件联调及技术改进30

5.1软硬件联调及实物演示30

5.2技术改进32

结语32

参考文献33

致谢34

声明35

附录36

1引言

1.1课题背景及意义

霓虹灯是一种冷阴极辉光放电灯，直接将电能转换成光能。

自其问世以来，历经了上百年的发展，现已成为重要的显示、装饰光源。

霓虹灯由于其外形变幻多端、加工灵活、色彩丰富，在广告业、商业、交通、建筑、室内外装饰、舞台布景、家用电器、城市美化等领域发挥了特有的作用。

单片机自问世以来，迄今已有三十多年了，其产品琳琅满目，产家也众多纷纭，功能也是五花八门。

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。

在许多基于单片机的应用系统中，通过软件编程实现对外部硬件电路的控制。

它给人们的生活带来了很多便利。

因此本文将单片机与语音芯片结合起来，设计了一款用单片机控制的霓虹灯控制系统，伴随着霓虹灯图像的变化有不同的语音效果。

流水灯在现代社会就有广泛的应用，大型电子广告牌、霓虹灯、指示牌和工业控制的控制面板等等都有流水灯的应用。

而且基于单片机的流水灯的控制系统利用了单片机的内部资源，如定时器、IO口和寄存器等，完成了单片机系统开发的基本流程，因此具有典型的代表意义，是学习和开发单片机的基本实验之一。

AT89C52单片机是可多次改写的可编程芯片，用这种芯片构成的系统简单、可靠，性价比相当高，适合成为霓虹灯程序控制器的核心部件,结合锁存器MC74HC373实现的控制器功能，时间常数易修改，使用灵活，电路易实现，成本低，控制芯片更换方便。

控制器的花样变化及速度调节能用软件方法实现，这样进一步提高了性价比。

1.2本课题研究方法和目标

本设计要求完成一个霓虹灯控制器，控制发光二极管点阵显示，要求能形成多种图案和字。

实现图案和字的左右移动、暂停、继续移动、跳转到指定字的操作。

加设语音芯片，对整个设计进行简要概况。

1、研究思路：

本设计是以AT89C52芯片的电路为基础，通过软件程序来控制单片机内部的定时器来控制16×16的矩阵贴片发光二极管的明亮，显示不同的图案花样，形成霓虹灯控制器。

实物以AT89C52为主控芯片，ISD1730语音模块、红外遥控模块构成电路，主要包括电源、控制电路、显示电路、语音电路。

对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可。

该软、硬件系统具有很好的通用性和一定的实际使用价值。

2、硬件部分：

图1.1硬件框图

本设计硬件部分分为六个模块。

（1）单片机最小系统模块，采用经典配置。

（2）为实现程序下载需要串口模块。

（3）为实现语音与图像的搭配，要搭载语音模块,每显示一个图案，发出不同的语音信息。

（4）为实现语音能适应各种场合，采用可以自己录音的芯片ISD1730。

（5）为实现图像的显示，由16×16的点阵模块，由点阵模块显示不同的图形。

（6）为实现给单片机供电，需要电源模块。

3、软件部分

在主程序下，分别编写了如下子程序：

时钟程序、红外译码程序、图像显示程序、中断程序等。

2方案研究与主要芯片选择

2.1总体方案原理及设计框图

本设计是基于STC89C52RC单片机为核心器件控制整个系统进行工作的，系统控制框图如图2.1所示。

图2.1控制系统框图

如图2.1所示，本方案具有红外遥控模块、语音模块、单片机控制模块、显示模块，共四个模块。

此外，通过主控单元电路的扩展，可添加多种附加功能。

单片机控制霓虹灯的设计以单片机STC89C52RC控制为核心，通过红外遥控器发出信号，接收头接收信号，通过单片机的中断处理，对图案的显示进行控制；在通电的同时伴随一段语音，对整个设计进行一个简要介绍；串口通信是为了帮助STC单片机实现程序的下载；点阵模块有图案显示，也有文字显示，对文字有左右滚动、速度变化、暂停、播放等操作。

根据系统框图，对单元电路控制进行设计，下面是对各部分单元电路的论证与设计。

2.1.1主控电路的选择与论证

在本设计中，主控电路有三种实现方式。

1、采用89C51单片机作为CPU。

89C51单片机是8位单片机，4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO口线，两个数据指针，两个16位定时计数器，一个5向量中断结构，一个全双工串口通信口，片内振荡器及时钟电路。

其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，工具有111条指令，与其他高位单片机相比而言，指令周期较长，运算速度太慢，而且由于其内部总线是8位的，其内部功能模块也基本上都是8位的；89C51单片机本身的电源电压是5伏，89C51有两种低功耗方式：

待机方式和掉电方式[1][2]。

2、采用LCP2138单片机作为CPU

该芯片其本身自带AD转换功能，带大容量的32KRAM和512KFLASH,内部资源丰富且系统稳定，芯片价格昂贵。

3、采用STC89C52RC单片机作为CPU

STC89C52RC是一款低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用宏晶公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52RC可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

STC89C52RC主要功能特性如表1所示，其引脚图如图2.2所示。

表2.1STC89C52RC的功能特点

STC89C52RC主要功能特性:

兼容MCS-51指令系统

8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM

32个双向IO口

4.5-5.5V工作电压

3个16位可编程定时计数器

时钟频率0-33MHz

全双工UART串行中断口线

256x8bit内部RAM

2个外部中断源

低功耗空闲和省电模式

中断唤醒省电模式

3级加密位

看门狗（WDT）电路

软件设置空闲和省电功能

灵活的ISP字节和分页编程

双数据寄存器指针

图2.2STC89C52RC引脚图[2]

STC89C52RC具有如下特点：

40个引脚，32个外部双向输入输出（IO）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），片内时钟振荡器，看门狗（WDT）电路。

此外，STC89C52RC设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求[3][4]。

由于52单片机的低功耗、高性能、高性价比、对51单片机的良好兼容等优点，，本设计选择此方案。

2.1.2显示设备的选择与论证

1、使用256个贴片发光二极管显示

图2.3贴片发光二极管

贴片发光二极管：

颜色有红、黄、绿、蓝等。

特点：

体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、环保、坚固耐用牢靠、适合量产、反应快，防震、节能、高解析度、耐震、可设计等优点。

但在布线和焊接方面较为复杂。

2、LED电子显示屏

图2.4LED点阵

LED电子显示屏是半导体发光二极管像素点均匀排列组成。

利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。

目前应用最广的是红色、绿色、黄色。

而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。

LED显示屏（LEDpanel）：

LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。

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。

LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。

图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。

LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。

它的抗静电性能优势超强：

制作环境有着严格的标准还有产品结构的绝缘设计。

LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。

考虑到布线以及焊接的简单方便以及LED显示屏的亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点，本设计选用LED显示屏。

2.1.3控制器模块选择

1、按键控制

图2.5按键开关

用按键控制显示屏图案的切换，简单、方便、经济。

但占用的单片机外围接口较多，并且不能远距离控制。

2、红外遥控控制[5]

远程遥控技术又称为遥控技术，是指实现对被控目标的遥远控制，在工业控制、航空航天、家电领域应用广泛。

红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。

红外线又称红外光波，在电磁波谱中，光波的波长范围为0.01μm~1000μm。

根据波长的不同可分为可见光和不可见光，波长为0.38μm~0.76μm的光波可为可见光，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。

光波为0.01μm~0.38μm的光波为紫外光（线），波长为0.76μm~1000μm的光波为红外光（线）。

红外光按波长范围分为近红外、中红外、远红外、极红外4类。

红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的，波长为0.76μm~1.5μm。

用近红外作为遥控光源，是因为目前红外发射器件（红外发光管）与红外接收器件（光敏二极管、三极管及光电池）的发光与受光峰值波长一般为0.8μm~0.94μm，在近红外光波段内，二者的光谱正好重合，能够很好地匹配，可以获得较高的传输效率及较高的可靠性。

红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。

发射机一般由指令键（或操作杆）、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。

当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。

接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路（机构）等几部分组成。

接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。

指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制（机构）。

由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力，所以，在设计家用电器的红外线遥控器时，不必要像无线电遥控器那样，每套（发射器和接收器）要有不同的遥控频率或编码（否则，就会隔墙控制或干扰邻居的家用电器），所以同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。

这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方便。

由于红外线为不可见光，因此对环境影响很小，再由红外光波动波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。

为实现远距离控制以及减少对单片机IO口的负担，故选择红外遥控方案。

2.2主要芯片介绍

2.2.1译码器74LS154的介绍

图2.674HC154引脚图

1、将4线二进制编码输入译成16线彼此独立的输出。

2、将数据从一个输入线分配到16线输出的任意一个而实现解调功能。

3、输入箝位二极管简化了系统设计。

4、与大部分TTL和DTL电路完全兼容。

这种单片4线—16线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。

当两个选通输入G1和G2为低时,它可将4线二进制编码的输入译成16线互相独立的输出之一。

实现解调功能的办法是：

用4线输入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。

当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高[6]。

表2.274LS154功能表（真值表）

INPUTS输入

OUTPUTS输出

G1

G2

D

C

B

A

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

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注明：

H=高电平L=低电平×=不定

2.2.2LED点阵的介绍

LED显示器件种类繁多,从简单的单个LED到LED光柱显示,字符显示再到大面积的平板显示,应有尽有。

LED之所以受到广泛重视与迅速发展,是与它具有的优点分不开的,这些优点概括起来是:

工作电压低,功耗小,小型化,易与集成电路匹配,驱动简单,寿命长,耐冲击,性能稳定。

近年来,由于半导体材料的制备和工艺逐步成熟和完善,超高亮度R、G、BLED的商品化,全色LED平板显示可以适用于室内外各种目的的应用。

1、逐行扫描原理

LED显示屏两组等距平行排列的电极分别称为行电极（扫描电极Xi）和列电极（信号电极Yj）,行与列电极相互垂直,在交叉点形成发光单元LED。

点矩阵的驱动一般采取逐行扫描方式寻址,这种方式是一次对Xi行上所有的单元点同时进行寻址,在Xi行上单元点被寻址之后,再移向Xi+1行寻址,即扫描电极是从头到尾顺序地选取,而信号电极可同时选取一个或多个以显示需要的图像。

或者说,在某一时刻给某一行电极施加扫描脉冲,其他行电极施加非扫描脉冲,同时所有列电极给出显示或非显示驱动脉冲。

接着把扫描脉冲施加到下一行电极,再给所有列电极施加显示或非显示驱动脉冲。

当扫描频率足够快时,由于人眼的视觉暂留现象,就可以在显示屏上呈现稳定的图像效果。

2、16×16点阵内部结构

16×16单色点阵共需要256个发光二极管组成，且每个二极管是放置在行线与列线的叉点上。

本设计是一种实用的汉字显示屏的制作，制作的是单色点阵。

考虑到元器件的布线的难易程度，直接采用16×16的点阵模块。

对比下面的16×16单色点阵和16×16双色点阵可以看出，其实16×16双色点阵就是两块16×16单色点阵组合在一起的。

要实现用两种颜色显示，只要在电路的设计中适当的连线就可以了。

16×16单色和双色点阵LED结构分别如下图2.7和图2.8所示。

图2.716×16单色点阵图2.816×16单色点阵

2.2.3语音模块的介绍

图2.9ISD1700引脚图

ISD1700系列芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路，该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示，双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。

芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能[7][8]。

ISD1700的独立按键工作模式录放电路非常简单，而且功能强大。

不仅有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。

这些功能仅仅通过按键就可完成。

ISD1700有如下9种操作：

1、录音操作

按下REC键，REC管脚电平变低后开始录音，直到松开按键使电平拉高或者芯片录满时结束。

录音结束后，录音指针自动移向下一个有效。

而放音指针则指向刚刚录完的那段语音。

2、放音操作

放音操作有两种模式，分别是边沿触发和电平触发，都由PLAY管脚触发。

3、快进操作

点按一下FWD按钮将FWD端拉低，会启动快进操作。

快进操作用来将播放指针移向下一段语音信息。

当播放指针到达最后一段语音处时，再次快进，指针会返回到第一段语音。

当下降沿来到FWD端时，快进操作还要决定于芯片当时的状态：

4、擦除操作

擦除操作分为单段擦除和全体擦除两种擦除方式。

5、复位操作

如果用RESET控制此管脚，建议RESET管脚与地之间连接一个0.1μF电容。

当RESET被触发，芯片将播放指针和录音指针都放置在最后一段语音信息的位置。

6、音量操作

点按一下VOL键将VOL管脚拉低会收变音量大小。

每按一下，音量会减小一档，再到达最小档后再按的话，会增加音量直到最大档，如此循环。

总共有8个音量档供用户选择，每一档会收变4dB。

复位操作会将音量档放在默认位置，即最大音量。

7、FT直通操作

将FT管脚与GND短接，持续保持在低电平会启动直通模式。

出厂设定的是在芯片空闲状态，直通操作会将语音从Analn端直接通往喇叭端或AUD输出口。

在录音期间开启FT功能，会同时录下Analn进入的语音信号。

8、提示音（SE）编辑

ISD1700S中设计了4种声音来提示当前的工作状态，分别为SE1，SE2，SE3，SE4。

9、进入SE编辑模式

（1）首先保持FWD为低3秒左右，然后LED会闪一下（若有SE1，会同时播放SE1）。

但是若当前曲目为最后一曲或没有录音则LED会闪两下（若有SE2，会同时播放SE2）。

（2）保持FWD为低，然后按下REC使之为低直到LED闪一下。

（3）LED再闪一下说明已经进入SE编辑模式；进入此模式后，当前待编辑SE为SE1。

3硬件电路设计与调试

3.1单片机模块单元电路设计

单片机最小系统电路图如图3.1所示。

图3.1单片机最小系统部分电路图[6]

如图3.1所示，单片机单元模块电路采用上电复位电路，上电复位就是接通电源后，单片机自动实现复位操作。

上电复位电路由C18、S1、R35构成，上电瞬间9脚获得高电平，随着电容C18的充电，9脚的高电平逐渐下降。

9脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就能进行复位操作。

Y4、C19、和C20构成内部时钟振荡电路，C19和C20的作用主要是稳定频率和快速起振容值为5