彩灯控制器的设计与实现.docx

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彩灯控制器的设计与实现

学士学位毕业设计（论文）

彩灯控制器的设计与实现

学生姓名：

xxx

学号：

xxx

指导教师：

xxx

所在学院：

信息技术学院

专业：

电气工程及其自动化

中国·大庆

2015年05月

摘要

本文列出了几种常用单片机并逐个分析其优、缺点。

最终根据设计题目的特点选择了AT89S52单片机作为核心处理器。

显示部分使用32个LED小灯并排列成心形，利用时钟电路延时，加入USB接口作为电源，再把它们用软件编程后发出指令，达到设计要求，实现了利用单片机控制LED小灯完成八种闪烁效果。

关键词：

单片机LED小灯

ABSTRACT

Thisarticlelistsseveralcommonmicrocontrollerandindividuallyanalyzetheiradvantagesanddisadvantages.ChosetheAT89S52microcontrollerasthecoreprocessoraccordingtothedesigncharacteristicsofthesubject.LEDdisplaysection32usingasmalllampandarrangedinheartshape.Afterthentheysendoutsoftwareprogramminginstructions,meetthedesignrequirements,wecanusetheMCUtocompletetheeightLEDsmalllightflickeringeffect.

Keywords:

SCMLEDlights

前言

现在的时代是个技术不断革新的时代，更多的科技走进了人们的生活。

在电子领域中，特别是自动化智能控制方面，以往人们熟悉的控制系统已经开始逐步被单片机控制系统替代。

这项研究非常具有实用价值。

随着国家对白炽灯的销售控制，对LED产品的财政补贴和相关政策密集出台，再加上照明终端产品的价格大幅跌落，LED照明的占有率明显有所升高，并且这样的变化在商业照明的方面上表现异常显著。

尽管商业照明对于成本并不太注重，更加注重于环境氛围的打造，所以LED很快被人们所喜爱。

随着LED在汽车装饰和室内外装饰的使用，交通用灯的和景观灯市场被迅速侵占。

包括在生活中的每个角落，大家都会见到LED彩灯的身影。

而彩灯的使用技术更加普遍的运用。

举个例子，2008的北京奥运会上，LED彩灯不仅应用于奥运会开幕式，就连各个比赛场馆都有各种彩灯，如：

水立方、鸟巢。

据统计，大概有5亿元人民币的LED彩灯产品应用于本次奥运会，是有史以来首次在奥运会中如此大规模的使用LED彩灯产品。

将此项技术发挥的淋漓尽致。

作为全球目前最受人瞩目的新一代光源，其低热量、高亮度、寿命长、可回收利用的诸多优点，在二十一世纪被人们追捧为极其具有前景的绿色照明。

世界上各个国家的大型光照领域的公司不约而同的大规模投入人力物力进行开发研讨。

在国家政策和外商的推进下，中国的LED行业已然形成了宏大的规模。

时至今日，世界最大的照明器具生产国家和世界第二的照明器具出口国都是中国的代名词。

对于专利技术方面，我国拥有众多科研院所和大量的企业正从事LED的技术开发，但我国的自主更新制造体系的不完善和资源不集中的问题再次限制了LED在中国的进步的步伐，大多数专利集中在应用方面。

而大多数的企业，研发技术仅次于欧洲发达国家，专利多集中于封装层面。

而中国现在的市场毕竟不是无限的，这就要求有大规模的出口以便消除国内的产量。

虽然成本低廉，产能较大，对比一些发展很好的行业拥有很好的产业规范，只是并不完全。

不难看出，中国目前的劣势在于：

1.国内的企业技术水平与国际差距较大，在高端客户的竞争力上远远不足。

2.国内的制造基础相对于日韩美欧较为薄弱，芯片制作的工艺、水准和核心材料的水准较低，需要更长时间的培育。

3.国内的企业规模小，大多不超过100kk/月产能，预计将来的三到五年内会有所改善。

4.中国的研制大量集中于高校和研究院，制造程序在企业，因此缺少科研结果产业化的转变效力，该方面应该参考台湾的工业研究院。

他们的技术成果授权机制，很容易加快技术成果的转化效率。

5.国内的核心专利相对缺乏，使得国内产业长期受到制约，国内的当地企业现如今仍在起步时期，并且规模略小。

由此可见，扩大规模的同事提高产品质量和技术水准是当前重要的任务。

我们认为LED的产业在国际上有良好的发展前景，原因如下：

1.在技术方

面来讲，它具备的技术增长空间较大，并且学习条件不高，使中国在该行业的科研资源和重要的经验都能够参考运用，拥有优秀的科研基本，尽管现在国内的制作基础水准较低，不过依然有一些国内的公司邀请了国外的科研人员，使得技术得以提升。

更有一些好的生产技术已经和国际水准不相上下。

2.LED方面的投资额度较小，初始要求低，进入比较便利，容易实现进步。

当然，这同样会引起不必要的恶意竞争，只是发展为相当程度时必要的资源整合。

对于市场而言有促进发展的好处。

3.国内的市场潜力巨大，市场潜力大，中档消费的市场并不集中，因此不会构成垄断，中国国内厂家的发展空间非常宽广。

4.中国的多家厂家有自己的知识产权，例如大连路美，于芯片方面的核心技术非常拥有竞争力。

对于这些厂商在技术方面上的发展会轻易的变成示范效应，促使中国内其他厂家的逐步发展。

5.技术发展较好以后，LED的安装和器件的生成也属于密集劳动型生产，但大陆偏具有这种发展空间，即为劳动力成本较低的优势。

因此，国内经过建立照明工程和产业联合，有相关的政策支持以便支持行业发展。

不过缺少核心技术专利一直都是中国企业的通病，而且随之带来的风险便是专利的侵权。

在国际市场中，其关键技术主要被日亚化学和丰田合成、及美国的科瑞还有欧洲飞利浦和欧司朗几大厂商垄断。

由此可见，拥有核心的科技才是我国的唯一出路。

本文对于彩色小灯的控制进行了详细的阐述。

1绪论

1.1课题的研究背景及意义

随着时代的潮流，大家对于生活品质的要求也越来越高。

如今的人们已不再满足于吃饱穿暖的基本条件，更多的开始注重并享受生活，越来越多的人追求着新颖。

不仅是对各种家用电器的需求，也开始在环境优雅方面有了更苛刻的要求。

就连从前简单的照明物品也同样变的多样化。

日光灯已无法满足如今人们对生活物品的要求。

走在大街小巷，随处可见各式各样的彩色灯具。

从商场到游乐场，从节日的布置到生活中的点缀，无一不需要彩灯。

既可以获得更棒的观赏效果，还能够减少能源的浪费。

这些足以证明我们对生活的要求有了提高，更说明科技在我们生活中的飞速发展。

这对于节约我国的可用资源，保护环境起到了巨大作用。

1.2基于单片机的彩色小灯特点

本设计是基于单片机的LED小灯，特点如下：

1.该系统由AT89S52单片机组成，焊接了32个LED彩色小灯，完成依次闪烁和共同闪烁。

2.将32个彩色小灯按照心形分布，外观更加美观动人。

2系统方案的论证与选择

2.1方案一

采纳现场可编程门阵列（FPGA）作为系统控制器。

FPGA可以能够完成各种各样简单和较复杂的逻辑功用，并且规模和密度都较大，可以将全部用过的器件都集中到一块芯片上，不仅减少了整体体积，而且增加了系统稳定性。

而且能够使用EDA软件来仿真和调试，方便增加多种功用。

FPGA利用的是并行输入输出的方法，大量增加了系统对于数据处理能力的速度，更适用于做规模较大的系统控制中心。

不过，因为本设计对于数据处理的速度要求不是很高，而FPGA对数据的高性能的处理优势不能很好的表现出来，并且成本较高。

与此同时，芯片的引脚过多，电路板布线较为复杂，只是加大了设计和焊接的工作。

所以并不可取。

2.2方案二

采用凌阳单片机。

凌阳单片机把单片机的作用集中化，将其控制扩大为控制处理以及数据信号处理等。

十六位的凌阳单片机就是如此设计的。

该型号单片机，内核采用了最新推出的凌阳十六位处理芯片。

大部分功能模块都是可选择的结构，也就是可以随意添加可有可无可大可小。

这样的好处很明显，也就是能够很好的适应各种场合，并能用最低廉的成本达到最强的功能。

2.3方案三

采用AT89S52单片机

随着单片机在广大领域的广泛使用，不少厂家连续推出了很多种型号的单片机。

不过，在众多单片机之中，MCS-51系列的单片机被大多数人认同。

并以其十分优秀的性能，高度的可靠性及高性价比被人们熟知。

并且飞速占领了自动化的使用市场，成为主流型号的单片机。

因为该系列的单片机较多集中了很不错的中央处理单元，并且处置数据能力很强。

并且CPU中集中了专用寄存器，这样方便于我们运用单片机提供方便。

如此一来，单片机将计算机的主要部件集中在了一块芯片之上，这就让数据的传输长度大幅度减少，提高了数据处理的速度，同时拥有了更高的可靠性和抗干扰能力。

而且因为单片机属于芯片化的微型计算机，每个零部件在芯片上的构成和布局全部达到了最优化，而且工作也比较稳定。

该型号的单片机优点是价格低廉，且I/O口多，所以，在测控系统内，该型号的单片机是较好的选择。

由于单片机属于嵌入式的系统，是较为抵挡的控制系统中最佳的元器件之一。

因为单片机对于开发人员素质要求相对低，而且软件资源丰富，开发使用的工具和开发语言大幅度简化。

因特尔公司在二十世纪八十年代研发的MSC51系列的便是最典型的单片机代表。

该型号的单片机在我国很快就得到了推行和使用。

并且成为了电子系统中非常普遍的手段。

并在交通运输、仪器仪表和家用电器等多范围内得到了较好的成绩。

许多厂家以MCS系列为主导单片机进行开发，而且推出了许多兼容性极好的CHMOS单片机，同时又增加了大量的功能。

考虑到设计成本和实际的操作便捷性，该设计采取的是方案三AT89S52单片机。

3单片机的介绍

3.1单片机的简介

单片机即单片微型计算机。

是一个很典型的嵌入式微控制器，单片机在最早的时候应用于工业上的控制领域。

单片机是由CPU的处理器发展来的。

其设计理念最早的时候是将许多的外围设备和CPU集中起来到一个芯片上。

这样能够使计算机系统减小体积。

此后，单片机便和处理器的发展分开。

起初的单片机是8位或者4位，最成功的便是因特尔公司出品的8031.因其简单的操作和可靠的性能被人喜爱。

随着工业的控制要求，逐渐出现了十六位的单片机。

只是由于性价比不高并没有被广泛应用。

随着电子产品的大力发展，单片机也随之得到了提高。

尤其是后来ARM系列产品的应用越来越广泛，32位单片机开始取代十六位单片机的地位，并成为主流选择。

以前的八位单片机性能同样得到提高，并且处理速度比以前提高了许多倍。

如今当代的单片机系统并不仅仅是在裸机环境中使用，大量的嵌入式操作的系统被应用在单片机，甚至在windows操作系统上使用。

单片机是现在世界上最大数量的计算机。

每个人的生活都离不开单片机。

电话、手机、家用电器都配有单片机。

单片机并不是完成某个功能的芯片，只是将一个计算机的系统集成到了一个小芯片上。

与计算机相比，单片机只是缺少了I/O设备。

简单的说，一个芯片就是一台小计算机。

单片机的内部也是和电脑功能有类似功能的模块。

例如CPU,并行总线，内存，以及存储器件。

只是比我们的家用电脑性能差了很多。

价钱低廉不少。

所以用它来做一些控制器件。

单片机是一种实时控制计算机，需要很强的抗干扰能力，也是和家用PC的主要差别。

3.2单片机的发展史

在1971年，因特尔公司开发出了第一个四位微处理器；该公司的霍夫研发出了世界第一块四位芯片INTEL4004，同时也标志着微处理器问世，标志着微机时代从这里开始。

霍夫也被英国的杂志列为最有影响力的七位科学家之一。

随后的1971年11月，因特尔公司又推出了MCS-4型号的微机系统。

其中的4004包含了两千多个晶体管，性能远超当年的ENIAC。

第二年的四月，霍夫与其他人又开发出了八位微处理器。

但因为8008采用的是MOS微处理器，所以还是属于第一代微处理器。

到了1973年，该公司研发出了八位微处理器8080；同年八月，以N沟道MOS取代了P沟道，从此第二代微处理器诞生了。

该处理器的主频2MHZ的8080速度比8008快了十倍左右，并可存取64kb的数据。

处理速度0.64MIPS。

随后的1975年4月，MITS研发出了第一个通用型的ALTAIR8800，带有1kb的存储器。

成为了第一台微型计算机。

因特尔公司于1976年研发了MCS-48系列的8位单片机。

ZILOG公司研发了Z80的微处理器。

并广泛应用，此时，三家公司分别占了整个微处理器领域的市场，分别是MOTOTOLA，ZILOG和INTEL。

并形成了三足鼎立的局面。

3.3单片机的工作过程

单片机的工作过程即是单片机执行每条指令的过程。

所谓的指令就是将要求单片机执行的各种要求以命令的方式写出来，这是设计人员给出的指令所决定的。

每一条指令均对应着一种不同的操作；而指令系统，就是单片机所能执行的所有指令。

而每种单片机都有不同的指令系统。

为了让单片机能够自动的完成人们下达的指令，必须要把待解决的问题编写成一条条的指令，而且必须是单片机能够识别并执行的指令。

而这些所有的指令的集合就成为了程序。

那么程序存放到哪里呢？

这就要用到了具有存储功能的器件——存储器。

存储器是由很多个的存储单元即最小的存储单位组成的。

而指令就存放于这些存储单元中。

正如人们住在楼房里一样，楼就是存储器，而每个房间就是存储单元。

每个存储单元都有自己唯一的地址号，这个地址号便被称作存储单元的地址。

这样一来，只要我们知道了存储单元地址，就能快速找到对应的存储单元，而存储在其中的指令就会被取出并被执行。

程序中的指令都是一条一条顺序放置的，所以程序通常都是被顺序执行。

而单片机在执行程序时需要将这些指令逐条取出并执行，此时就需要有一个能够追踪指令地址的部件，而实现这一功能的器件就是程序计数器PC。

在正执行程序的时候，提供给pc第一条程序指令的地址，随后便会取得每一条即将执行的命令。

而PC在中间的内容随之会自动增加，并且，增加的数量随着本条指令的长度而决定，用来指向接下来一条的指令的起始地址，以此保证本条指令的顺利执行。

3.4单片机的应用

说到单片机的应用，那范围就太广泛了。

例如家用电器、航空、仪器仪表、智能管理等。

大体上可以分为如下的几个范围：

（1）应用于智能仪器或仪表

单片机有诸多优点，比如体积较小、功耗较低、扩展性灵活、使用方便等。

所以使它广泛应用在仪器仪表的领域。

并能结合各种不同类型的传感器，能够实现例如频率、功率、电压、温湿度、速度、厚度、长度、角度等物理量的准确测量。

使用单片机控制能够使仪表仪器智能化、数字化、微型化，而且功能方面与采用的电子或者数字电路相比较，功能更加强大。

比如较精密的测量设备示波器、功率计等。

（2）在工业控制上的应用

在工业控制上，使用单片机可以构成各种各样的控制系统和数据采集系统。

举个例子，电梯的智能化控制、火灾报警系统、工厂车间流水线上的智能管理芯片，与计算机联网形成的控制系统等等。

（3）应用于家用电器

可以说，目前的家用电器大部分都采用单片机控制。

尤其是近年来流行的智能化家用电器，生产厂家全部打着电脑控制的旗号。

严格来说，单片机的确是微型计算机。

从洗衣机、电饭煲、空调、彩电到音响，包括最近两年流行的擦地机器人。

单片机无所不在。

（4）在计算机网络与通讯系统中的应用。

现在的单片机普遍都具有通讯接口，能够很方便的跟计算机进行通讯传输，为通讯设备和计算机网络间的应用提供了很好的条件。

目前的通信设备基本都实现了用单片机智能控制。

从电话机、手机、交换机到楼宇智能通信呼叫、列车通信、对讲机均有应用。

（5）应用于医疗设备领域

单片机在医疗设备上的应用同样广泛，如常见的医用呼吸机、血液化验仪、超声诊断设备以及病床旁边的呼叫设备等。

（6）应用于各种大型电器的模块中

某些专用单片机的设计是应用于实现某种特定的功能，从而应用于各种电路中的模块中。

而且使用人员不需要了解其内部构造。

比如音乐集成的单片机，虽然看似功能很简单，但是将它微缩到电子芯片中，这就需要较为复杂的类似计算机的原理。

将音乐的信号用数字的方式存放到存储器中（与ROM类似），再由微型控制器读出，并将其转化为音乐电信号，类似声卡一般。

而在大型电路中，这种模块化的应用优点就是能够简化电路，从而极大的缩小了体积，并能降低错误率，同时也方便更换。

（7）单片机应用于汽车设备领域

在汽车电子设备中，单片机的应用也很广泛。

比如汽车的发动机控制系统、ABS防抱死系统、GPS导航系统、制动系统等。

3.5几种常见的单片机

（1）STC单片机

STC单片机基于8051的内核，属于新一代的加强型单片机。

而指令代码完全兼容传统的8051，但速度方面提高了8~12倍之多，并且带有ADC和四路PWM，拥有双串口和世界唯一的ID号码，安全性高，抗干扰能力强。

（2）PIC单片机

PIC单片机是MICROCHIP公司研发的产品。

主要的特点是，功耗低，体积小，抗干扰性能好，可靠性很高，代码的保密性好，且大多数的芯片都有兼容的FLASH存储器的芯片。

（3）EMC单片机

EMC单片机是台湾义隆公司研发的产品。

其中有很大的一部分与PIC的8位单片机能够兼容。

并且，相兼容的产品资源与PIC对比来说要更多，而且价格低廉，可选的系列很多，只是抗干扰能力较差。

这是它的一个弊端。

（4）ATMEL单片机

ATMEL（51单片机），是ATMEL公司研发，其8位单片机有AT89和AT90两个系列。

其中AT89系列是8位的FLASH单片机，能够与8051系列的单片机相互兼容。

而AT90系列的单片机是增强的RISC结构，全部静态的工作方式，其内载可在线编程的FLASH单片机，又称作AVR单片机。

（5）PHLIPIS单片机

该单片机是出自PHLIPIS公司，基于80C51内核的一款单片机，并嵌入了掉电检测、片内RC振荡器等功能。

这些功能使得51LPC在低成本、低功耗和高集成度的特性中满足了许多方面的性能要求。

（6）HOLTEK单片机

HOLTEK单片机，是台湾盛扬半导体单片机，价格低廉，种类繁多，只是抗干扰能力差，适合消费类型的产品

（7）TI公司单片机

TI（51单片机）由德州仪器提供的MSP430和TMS370两个系列的通用单片机。

其中，TMS370单片机是8位的CMOS单片机，具备多种存储模式和多种外部接口模式，同时适用于多种复杂的实时控制装置。

MSP430单片机是一种功能集成度比较高，但功耗超级低的16位单片机。

尤其适用于有低功耗要求的场合。

（8）松翰单片机

SONIX，台湾松翰单片机，大多数都是8位单片机，其中一部分能够与PIC的8位单片机兼容，而且价格低廉，系统时钟的分频的可选项多，并有ADC、PMW、内部杂讯滤波和内振。

不过缺点是RAM空间比较小，不过它的抗干扰性比较好。

4系统的硬件设计

4.1系统总体框图

图1系统框图

该系统主要是AT89S52单片机控制的，并且由它完成LED小灯的亮灭控制，进而来实现各种视觉效果。

4.2单片机最小系统设计

图2AT89S52最小系统图

这就是单片机最小系统，在该系统中，晶振采用了12M的频率的无源晶振。

而由于AT89S52单片机P0口是漏极开路，所以要作为输出来控制其他的设备，就必须要加入一个上拉电阻。

该系统采用的是9脚4.7k的上拉电阻，同时将P0口的8个I0端口上拉到VCC。

接下来介绍一下AT89S52这个型号的单片机。

AT89S52单片机的微处理器出产于ATMEL公司的51单片机系列中的一种。

属于低功耗、低电压、高性能的一种8位单片机。

单片机片内含有8kbytes的可重复擦写只读程序存储器PEROM和256bytes的随机数据存储器RAM。

该器件采用了ATMEL公司的密度较高、非易失性存储技术，而且兼容标准的MCS-51指令系统。

单片机内置通用的八位CPU即中央处理器、FLASH存储单元。

除此，具有强大功能的AT89S52单片机还能够提供许多比较复杂的系统控制应用场所。

AT89S52本身具有40个引脚，有32个外部双向输入输出端口，即I/O口，同时含有两个外中断口，两个全双工的串行通信口，3个16位的可编程定时计数器和两个读写口线。

另外，AT89S52单片机可按照常规的方法进行编程，又可以在线进行编程。

再将通用的微处理器及FLASH存储器相互结合，特别是这种可重复多次擦写的FLASHI存储器，能够有效的降低开发的成本。

AT89S52的特点如下：

1.能够兼容MCS51的指令系统

2.具有32个双向的I/O口

3.有3个16位的可编程定时/计数器中断

4.1个串行中断

5.2个外部中断源

6.低功耗空闲模式和掉电模式

7.8k可重复擦写的FLASHROM

8.256*8bit内部ROM

9.时钟的频率0-33MHZ

10.可编程串行通道

11.一共有6个中断源

12.3级加密位

13.用软件设置睡眠及唤醒功能

VCC：

供电电压

GND：

接地

P0口：

P0口是一个8位的漏极开路双向I/O口，每个脚能吸收8TTL的门电流。

当P1口管脚第一次写1的时候，便被定义为高阻输入。

P0能用于外部的程序数据存储器，可以被定义为数据、地址的第八位。

当使用FLASH编程的时候，P0口便可以作为源码输入口，当用FLASH进行校验的时候，P0就会输出原码，此时的P0外部就要被拉高。

P1口：

P1口是一个能够内部提供上拉电阻8位双向I/O口。

P1口的缓冲器能够接受输出4TTL的门电流。

当P1口的管脚写入1后，内部上拉为高，可以用作输入。

当P1口被下拉为低电平时，输出电流。

由于内部上拉的原因。

P1口也可作为第八位地址接收，在FLASH进行编程和校验的时候。

P2口：

P2口是一个内部上拉电阻的双向8位I/O口。

P2口的缓冲器可接受，能够输出4个TTL的门电流，当P2口写入1的时候，管脚被内部上拉电阻拉高，并作为输入。

当因此作为输入的时候，P2口管脚被外部拉低，并输出电流，这是因为内部上拉。

当P2口用在外部程序存储器时或者16位外部数据存储器来存取时，P2口的输出地址高八位。

当给出地址1的时候，利用了内部的上拉优势，对外部八位数据存储器读写时，P2口输出特殊功能寄存器的内容。

另外，P2口在FLASH进行编程或者校验时能够接收高八位的地址信号或者控制信号

P3口：

P3口是一个管脚有八个带内部上拉电阻双向的I/O口，能够接收和输出4个TTL的门电流。

当P3口写入1的时候，被内部上拉成高电平，用作输入。

当作为输入的时候，外部下拉为低电平时，P3口输出电流是由于上拉的原因。

当然，P3口也能由于一些特殊功能的端口，具体如下：

P3.0RXD串行输入口

P3.1TXD串行输出口

P3.2/INT0外部中断0

P3.3/INT1外部中断1

P3.4T0记时器0外部输入

P3.5T1记时器1外部输入

P3.6/WR外部数据存储器写选通

P3.7/RD外部数据存储器读选通

P3口同时作为闪烁编程或编程校验接收的一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器为复位器件时，要保持RST脚的两个机器周期高电平时间。

ALE/PROG：

当用于访问外部存储器的时候，地址锁存就会允许输出电平用于锁存地址地位字节。

当FLASH编程的期间，此引脚也用于输入编程脉冲。

平时，ALE端以不变频率周期能够输出正脉冲的信号，此频率是振荡器频率的1/6。

所以它用作对外部输出的脉冲或者用于定时的目的。

要注意的是：

当用作外部数据存储器的时候，将会跳过一个ALE的脉冲。

如果想要禁止ALE的输出可将SFR8EH的地址上置0。

这时，ALE只有执行MOVX，MOVC的指令时