目錄摘要霓虹燈在現(xiàn)代社會中有廣泛的應用，但傳統(tǒng)的霓虹燈控制器利用移位寄存器的移位方式，只能實現(xiàn)幾種有限的花式，因此市場迫切需要一種低成本高性能的霓虹燈控制器。本設計采用AT89C51單片機實現(xiàn)對霓虹燈的控制。系統(tǒng)的設計由霓虹燈的硬件電路設 計和軟件設計兩部分組成。硬件設計分為發(fā)光二極管的設計、復位電路、時鐘電路、按鍵設計、外設接口設計五個模塊組成，按鍵主要功能是實現(xiàn)人為控制霓虹燈，實現(xiàn)單片機控制顯示不同的圖案以及想要的各種花樣閃爍，并能實現(xiàn)各種閃爍模式的互相切換。軟件部份是運用Keil軟件基于C語言進行編寫的程序。該系統(tǒng)具有電路結構簡單、易操作等優(yōu)點，具有較強的實用價值。并且有較強的實用性，操作簡單，擴展功能強。如需要增加功能可方便更改程序，靈活性強。該系統(tǒng)主要由單片機的主控部分、鍵盤輸入部分和LED顯示部分組成，運用I/O口輸出的信號驅動發(fā)光二極管和數(shù)碼管，使其產生有規(guī)律的閃爍和移動。該控制器電路實現(xiàn)簡單，成本低，具有較高的性價比。關鍵詞: 單片機，Keil，C語言，發(fā)光二極管 目錄第一章 設計任務與要求11.1、總體方案設計11.2、 要求完成的主要任務內容：2第二章 方案選擇32.1、控制芯片、LED恒流源模塊方案選擇32.1.1、 控制器模塊32.1.2、 LED恒流源模塊32.1.3、 時鐘模塊42.1.4、 理論分析與參數(shù)計算4第三章 系統(tǒng)設計與模塊化硬件電路設計63.1、系統(tǒng)總體設計63.2、 單元電路設計及工作原理分析63.2.1、 電路的恒流源的設計63.2.2、 復位電路83.2.3、 驅動LED燈電路103.2.4、 振蕩電路133.2.5復位控制電路143.2.6時鐘電路153.2.7、 整體單片機控制電路16第四章 軟件系統(tǒng)設計184.1 程序總體結構184.2 程序總體流程184.3 程序編寫19第五章 系統(tǒng)調試265.1測試方法與數(shù)據265.1.1 測試方案與方法265.1.2 元件清單27附錄28致謝29參考文獻30III第一章 設計任務與要求第一章 設計任務與要求前言現(xiàn)代科學技術飛速發(fā)展，日新月異。霓虹燈技術在我們國家已經發(fā)展了多年的歷史。現(xiàn)已在廣告業(yè)、商業(yè)、交通、建筑、室內外裝飾、舞臺布景、家用電器、城市美化等領域發(fā)揮了重要的作用。單片機是一種把計算機主要功能集成到一塊芯片的微型計算機。在科學技術高速發(fā)展的今天，如何用簡單便宜、性能良好的元器件制造出對人類生活有用的產品，已經成為人們研究的主要趨勢。在自動化技術中，無論是過程控制技術還是數(shù)據采集技術還是測控技術，都離不開單片機，在工業(yè)自動化的領域中，機電一體化技術發(fā)揮越來越重要的作用。這種芯片構成的系統(tǒng)簡單、可靠，性價比相當高，適合成為霓虹燈程序控制器的核心部件。所需電路簡單，制作易改變，擴展簡單；而后者由于電路已作定，控制方式可以隨意改變。然而市場上需要低成本高性能的霓虹燈控制技術。我們此次設計的霓虹燈控制系統(tǒng)就符合市場需求。1.1、總體方案設計本設計要求完成一個霓虹燈控制器，控制發(fā)光二極管點陣顯示，要求能形成多種閃亮形式。實現(xiàn)圖案和字的左右移動、暫停、繼續(xù)移動、跳轉到指定位置的操作。 本設計是以STC89C51芯片的電路為基礎，通過軟件程序來控制單片機內部的定時器來控制矩陣貼片發(fā)光二極管的點亮，顯示不同的形式，形成霓虹燈控制器。實物以STC89C51為主控芯片，主要包括電源、控制電路、時鐘電路、復位電路、顯示電路。對于不同型號的單片機只需要相應的改變一下地址即可。該軟、硬件系統(tǒng)具有很好的通用性和一定的實際使用價值。圖1-1 控制系統(tǒng)圖1.2、 要求完成的主要任務內容：本設計要求使用單片機以及相應外圍電路來實現(xiàn)簡易霓虹燈的模擬控制；設計要求通過對單片機的編程，控制開發(fā)板上的8只發(fā)光二極管分別以水滴形、拉幕形、快閃、慢閃形式點亮，每種狀態(tài)各持續(xù)10秒鐘，循環(huán)不止；在該狀態(tài)中按下K1鍵，奇數(shù)號發(fā)光二極管以1Hz的頻率閃爍報警；任何時候按下K2鍵，偶數(shù)號發(fā)光二極管以10Hz的頻率閃爍報警，直至系統(tǒng)復位。搭建相應電路并編寫程序完成該霓虹燈控制器的設計。 26 第二章 方案選擇第二章 方案選擇2.1、控制芯片、LED恒流源模塊方案選擇2.1.1、 控制器模塊采用89C51單片機控制，AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。2.1.2、 LED恒流源模塊采用大功率三極管加集成運放作為恒流源：由大功率三極管構成的電路電流較大，集成運放作為負反饋元件反饋深度高，因此電路不僅結構簡單，而且精度可靠性高，同時通過DAC能夠直接與單片機相連，通過調整數(shù)字量，能夠實現(xiàn)精密調光的功能，并且功耗低。2.1.3、 時鐘模塊采用軟件時鐘：采用軟件時鐘硬件電路簡單，軟件編程也較為容易，成本低且完全可以滿足題目要求。2.1.4、 理論分析與參數(shù)計算1.電路參數(shù)計算：由5V電源供電，NPN 型三極管驅動，輸出數(shù)字量范圍0-255，電流在0-255ma可調.為了減少電阻發(fā)熱及對電阻功率要求；也為方便后面設計計算方便，對于發(fā)光二極管電阻取值1歐姆。由發(fā)光二極管工作電流在0-255ma，因此電阻的熱功耗:P=I2R=2552 *1 =65mW （2-1）故普通1/4W電阻既可滿足設計要求，而不需要那種大體積電阻。這樣把大量線性熱功率分配到了大功率三極管，降低了電阻的負擔。2.環(huán)境檢測模塊參數(shù)計算：將LM324運放的反相輸入端與一個可調電阻相連作為運放的基準電壓，光敏電阻和可調電位器與同相輸入端相連，作為輸入端，通過調整輸入端的可調電位器阻值，可以改變運放的輸入電壓。則Ui=VCC/(RP+Rg)* Rg，輸入與基準電壓相比，大于基準電壓輸出高電平，小于基準電壓輸出低電平?；鶞孰妷簽椋篣ref=VCC/(4.7K+RP)*RP3.LED驅動電源參數(shù)計算：恒流源的供電電壓為5V,當三極管8050導通處于放大狀態(tài)時，大功率三極管TIP41C也導通，通過給集成運放不同參考電壓與電阻電壓比較控制電流大小，其電流大小由下式決定：IO=VREF/R=DACO*K/R=(5*D*K)/(255*R) （2-2）恒流源三極管的選擇：電路的電流為255mA,電流比較大，我們選擇電流和耗散功率比較大的TIP41C NPN型三極管；由于大功率三級管直流放大系數(shù)小，不利于高精度控制因此前面再加一個8050驅動。比例系數(shù)K由可調電阻調節(jié)，在這里取10k精密電位器。最大電流：Imax=VCC/R=5/10K=0.5mA。DAC選用MAX505其輸出驅動電流達20ma，完全滿足設計要求。第三章 系統(tǒng)設計與模塊化硬件電路設計第三章 系統(tǒng)設計與模塊化硬件電路設計3.1、系統(tǒng)總體設計 本系統(tǒng)采用89C51作為控制核心，通過控制芯片來采集DS1302芯片中設置的時間信號來對單片機分析處理后控制LED燈的點亮與熄滅狀態(tài)來進行操作。如圖3-1所示：圖31 方案總體的方框3.2、 單元電路設計及工作原理分析3.2.1、 電路的恒流源的設計最簡單的恒流源就是用一只恒流二極管。實際上，恒流二極管的應用是比較少的，除了因為恒流二極管的恒流特性并不是非常好之外，電流規(guī)格比較少，價格比較貴也是重要原因。最常用的簡易恒流源用兩只同型三極管，利用三極管相對穩(wěn)定的be電壓作基準。 電流數(shù)值為：I = Vbe/R1。 這種恒流源優(yōu)點是簡單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利于降低產品的成本。缺點是不同型號的管子，其be電壓不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。同時不同的工作電流下，這個電壓也會有一定的波動。因此不適合精密的恒流需求。 為了能夠精確輸出電流，通常使用一個運放作為反饋，同時使用場效應管避免三極管的be電流導致的誤差。如果電流不需要特別精確，其中的場效應管也可以用三極管代替。 電源采用自制通用電源。通過變壓器把220V市電降到雙12V，通過鎮(zhèn)流濾波經三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，最后輸出恒定的正負5伏與正9伏直流電為整個系統(tǒng)供電。如圖3-2所示：圖3-2 電源電路原理圖3.2.2、 復位電路復位電路分為上電自動復位和按鍵手動復位，RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效。上電自動復位通過電容C3和電阻R2來實現(xiàn)，按鍵手動復位如圖3-2-2所示復位鍵來實現(xiàn)的。復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。圖1所示的RC復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能，圖3為其輸入-輸出特性。但解決不了電源毛刺（A點）和電源緩慢下降（電池電壓不足）等問題 而且調整 RC 常數(shù)改變延時會令驅動能力變差。上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變，RST引腳電壓端為VR為VCC，隨著對電容的充電， RST引腳的電壓呈指數(shù)規(guī)律下降，到t1時刻，VR降為3.6V，隨著對電容充電的進行，VR最后將接近0V。為了確保單片機復位，t1必須大于兩個機器周期的時間，機器周期取決于單片機系統(tǒng)采用的晶振頻率，R不能取得太小，典型值 8.2k；t1與RC 電路的時間常數(shù)有關，由晶振頻率和R可以算出C的取值。如圖 3-3所示：圖3-3 復位電路原理圖3.2.3、 驅動LED燈電路LED概述它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結附近數(shù)微米內分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合，產生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過二極管的電流。限流電阻R可用下式計算：R=（EUF）/IF （3-1）式中E為電源電壓，UF為LED的正向壓降，IF為LED的正常工作電流。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。LED的具體結構如圖3-4所示：圖3-4 LED的結構圖首先，所謂的驅動能力，指的是輸出電流的能力。比方說，某型單片機通用IO口在高電平時的最大輸出電流是20mA，這個20mA的指標，就表征了該IO口的驅動能力。其次，如果負載過大，則負載電流有可能超過其最大輸出電流，這時我們說驅動能力不足。 再次，出現(xiàn)驅動能力不足，直接后果是輸出電壓下降，對邏輯電路來說，就是無法保持其高電平，以致出現(xiàn)邏輯混亂，不能實現(xiàn)預期的效果。這種現(xiàn)象一般是不允許出現(xiàn)的。如果想讓控制LED燈的亮的強弱，只需要改變電阻R就可以。如下圖3-5所示：圖3-5 驅動LED燈電路原理圖3.2.4、 振蕩電路外部時鐘電路，它在單片機的外部通過XTAL1、XTAL2這兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調電容，構成穩(wěn)定的自激振蕩器。本系統(tǒng)采用的為11.0592MHz的晶振，一個機器周期為1us，C1、C2為22PF。晶振，內部是電容和電阻，串聯(lián)后再并聯(lián)的。他可以在一定的時間完成充放電。有了充放電，就有了時間基準。這樣單片機就有一個標準的時間源了，實現(xiàn)計數(shù)，什么的，都可以處理。電容接地是為了穩(wěn)定，因為頻率太高，旁邊不接東西，手在附近，都可能有干擾，用這個電容下地，是個好選擇。如下圖3-6所示：圖3-6 驅動LED燈電路原理圖3.2.5復位控制電路單片機需要重置開始操作時, 重置 CPU 和其他組件在系統(tǒng)處于工作狀態(tài)決定的, 并從這種狀態(tài)開始工作。在系統(tǒng)中 , 有時還有異常顯示和不正常運行狀態(tài), 并且為了我們更加方便的調試 , 所以在單片機復位電路的設計需要 , 復位電路主要完成以下的兩個功能, 即系統(tǒng)上電復位功能, 以及系統(tǒng)在運行時用戶按鈕復位功能。在單片機的復位是由外部的電路設計完成， AT89C51 單片機復位引腳RST ，顯著性水平為高水平。如果 RST 保持高電平，單片機復位。在這一點上， ALE/PSEN ， P0 ， P1 ， P2和 P3口是一個高電平輸出。如果此時 RST 為低電平后，并且單片機退出復位狀態(tài) , 那么此時 CPU 就會開始正常工作。值得我們注意的是，復位操作將不會影響片上 RAM 工作重要內容。復位電路控制器的基本功能主要是指在上電復位信號的時候，只有當電源穩(wěn)定后從而取消復位信號控制器，單片機進入正常工作狀態(tài)。圖 3-7 展示的是基本 RC復位電路，這個電路為高電平復位的時候有效果。圖3-7 復位控制電路3.2.6時鐘電路單片機控制運行在時鐘脈沖的統(tǒng)一, 時鐘脈沖信號由單片機發(fā)出時鐘電路, 單片機時鐘生成有兩種內部時鐘和外部時鐘, 本設計采用內部時鐘。這種方式是使用振蕩器在芯片內部, 然后在別針 xtal1 和 xtal2 銷連接頻率為11.0592MHZ 晶體振蕩器, 構成了單片機自激振蕩器, 發(fā)出脈沖直接進入內部時鐘電路。外部晶體,C4 和 C5價值 15 pf - 33 pf, 電容優(yōu)化影響頻率。C4和C5的值一般會 16PF-34PF 之間選擇，而電容對頻率則有微調的作用。如圖3-8 所示，即為時鐘控制電路的電路圖。圖3-8 時鐘電路3.2.7、 整體單片機控制電路對單片機的控制，其實就是對I/O口的控制，無論單片機對外界進行何種控制，或接受外部的何種控制，都是通過I/O口進行的。51單片機總共有P0、P1、P2、P3四個8位雙向輸入輸出端口，每個端口都有鎖存器、輸出驅動器和輸入緩沖器。4個I/O端口都能作輸入輸出口用，其中P0和P2通常用于對外部存儲器的訪問。51系列單片機有4個I/O端口，每個端口都是8位準雙向口，共占32根引腳。每個端口都包括一個鎖存器(即專用寄存器P0P3)、一個輸出驅動器和輸入緩沖器。通常把4個端口籠統(tǒng)地表示為P0P3。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這4個端口的每一位都可以作為準雙向通用I/O端口使用。在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，P2口作為高8位地址線，P0口分時作為低8位地址線和雙向數(shù)據總線。如圖3-9所示：圖3-9 驅動LED燈電路原理圖第四章 軟件系統(tǒng)設計第四章 軟件系統(tǒng)設計4.1 程序總體結構為了便于管理、規(guī)范化、調試本系統(tǒng)，加快軟件開發(fā)的速度，提高軟件開發(fā)的質量。將系統(tǒng)用一個工程來進行管理，并且有一個比較清晰的結構。每個文件都有對應的包含文件.h和.c，這樣是為了調用方便。 4.2 程序總體流程霓虹燈控制器最大特點在于所有亮燈模式均由軟件控制完成。系統(tǒng)中軟件可以分為主程序和子程序。主程序的大部份時間是在處理按鍵的查詢，1個自鎖式開關實現(xiàn)模式切換和8個按鍵式開關實現(xiàn)樣式的選擇。1個功能復位按鍵。主程序除了調用各種子模式子程序，調用延時子程序之外，還一直保持查詢是否有功能切鍵按下以及是否有模式改變按鍵按下，一旦有功能切換鍵和模式改變鍵按下，就會進入相應的按鍵處理。4.3 程序編寫軟件部分，由自鎖開關實現(xiàn)兩種模式的切換。模式一，自鎖開關打開，通過if語句判斷P0.0是否為低電平。當P0.0為低電平時，通過讀取獨立式鍵盤18的信號進行判斷，檢測到哪個鍵按下，便實現(xiàn)不同樣式的選擇，且由軟件設置延遲時間，從而實現(xiàn)閃爍時間的不同。#include sbit P34=P34;sbit P32=P33;int count200=0;int arri=0;void main(void)void Timer0delay(int m);void lamu(void);/水滴void shuidi(void);/拉幕int count=0,i=0;TMOD=0 x11;/定時器0和定時器1都工作在工作模式1中TH1=0 x3c;TL1=0 xb0;TR0=1;/定時器啟動控制TR1=1;IT0=0;/外部中斷低電平觸發(fā)IT1=0;IE=0 x8d;/開中斷，定時器1中斷，外部中斷0，1IP=1;/外部中斷0為最高優(yōu)先級P1=0 x00;while(1)if(count200=200)i+;count200=0;P1=0 x00;switch(i)case 0 :shuidi();break;/水滴case 1 :Timer0delay(2);lamu();break;/拉幕case 2 :Timer0delay(1);/快閃P1=P1;break;case 3 :Timer0delay(5);/慢閃P1=P1;break;default :i=0;break;void Timer1(void) interrupt 3/用來定時0.05sTH1=0 x3c;TL1=0 xb0;count200+;/計數(shù)200次達到10s延時void Int0(void) interrupt 0/外部中斷0，K2鍵，最高優(yōu)先級while(1)P1=0 xaa;Timer0delay(20);P1=0 xff;Timer0delay(20);void Int1(void) interrupt 2/外部中斷1，K1鍵while(1)P1=0 x55;Timer0delay(2);P1=0 xff;Timer0delay(2);void Timer0delay(int m)int i=0;while(i6)arri=0;void shuidi(void)/水滴int m,n,middle=0;int psave=1;int save=0;for(m=7;m!=0;m-)if(count200=200)break;elsefor(n=0;n=m;n+)Timer0delay(1);middle=(psave | save);P1=middle;psave=(psave1);psave=1;save=middle;第五章 系統(tǒng)調試第五章 系統(tǒng)調試5.1測試方法與數(shù)據5.1.1 測試方案與方法方案：先對各模塊檢測，LED驅動電源模塊進行調試，然后再對整機進行調試，以提高調試效率。測試方法：1.焊完后先目測有沒有明顯焊錯的地方，如元件極性焊反、線路短路等;2.對照原理圖檢查線路，可以根據原理圖的線路用萬用表測量線路的連通性；3.通電測試功能，如果功能都正常，基本就測試合格。4、其次檢測模塊的調試：搭接電路前先對發(fā)光二極管進行檢測，根據測出的數(shù)據來確定發(fā)光二極管是否損壞。測完后，搭接電路，測量經過運放后的輸出，將其調整為電阻的量來對發(fā)光二極管的發(fā)光深度。使其能夠精確的發(fā)揮出其作用。5、振蕩電路和發(fā)光二極管的調試：檢查硬件接線正確無誤后，軟件測試。6、LED驅動電源模塊：檢查電路中三極管的狀態(tài)是否正確，檢查完畢后，在檢查7805穩(wěn)壓電源是否輸出正常，最后通電測量所要恒定的電流。7、整機調試：各模塊電路檢測達標后，將各模塊電路連接到一起進行調試。檢查電路連線是否正確，對軟件進行調試。軟硬件都調試完后將程序燒錄到芯片中實際演練觀察工作過程，對系統(tǒng)軟硬件反復調試。5.1.2 元件清單 見附錄I 元件清單附錄元件清單元件名稱型號數(shù)量單片機AT89C511LEDArk SM470501K3極性電容10uF1電容22pf2電阻4703電阻1K2排線 2按鍵1晶振11.0592MHz1致謝 在論文完成之際，我要特別感謝我的指導老師的熱情關懷和悉心指導。指導老師以嚴禁的治學態(tài)度、淵博的學識、獨特的學術思維、一絲不茍的工作作風、熱情待人的品質、使我滿懷敬意。每遇到困難都會努力找尋解決的方法，提高自己解決問題的能力并鞏固老師所授予的知識。增強了自己實踐操作和動手應用的能力，提高了獨立思考的能力。在此，謹向所有幫助過我的老師和同學表示我誠摯的謝意。參考文獻1 趙茂泰.智能儀器原理及應用.北京: 電子工業(yè)出版社,2004.7 :5-72 張毅剛,劉杰.MCS51單片機原理及應用.哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社,2004.6 :22-243 何立民.單片機應用技術選編.北京: 北京航天航空大學出版,2002.5 :9-104 電子線路基礎教程，科學出版社，2003年1月 :5-65 自動控制原理，國防工業(yè)出版社，1999年05月 :9-126 電動機的單片機控制，北京航空航天大學出版社，2002年5月 :10-297 李全利，遲榮強。單片機原理及接口技術。北京：高等教育出版社，2004 :26-328 李華，MCS-51系列單片機實用接口技術，北京：航空航天大學出版社，2000 :34-369 王靜霞，楊宏麗，單片機應用技術（C語言版），電子工業(yè)出版社，2009 :12-19