单片机优秀课程设计彩灯控制器的设计.doc

黄河科技学院课程设计任务书
工 学院 机械 系 机械设计制造及其自动化 专业 09 级 1 班
学号 姓名 朱施泽 指导老师 郭晓君
题目: 彩灯控制器设计
课程: 单片机课程设计
课程设计时间 12月21 日 至1 月3日 共 2 周
课程设计工作内容和基础要求(设计要求、设计任务、工作计划、所需相关资料)（纸张不够可加页）
1．设计要求
利用AT89C51单片机作为微控制器，用16盏以上LED小灯，实现最少4种彩灯灯光效果（不含全部点亮，全部熄灭）；能够用输入按钮在多个灯光效果间切换；能够经过按钮暂停彩灯效果，使小灯全亮，再次按下相同按钮后继续之前效果。

2. 设计任务和要求
2.1系统硬件电路设计
依据该系统设计功效要求选择所用元器件，设计硬件电路。要求用Proteus绘制整个系统电路原理图。
2.2软件设计
依据该系统要求功效进行软件设计，绘制整个系统软件步骤图；依据步骤图编写程序并汇编调试经过；列出软件清单，软件清单要求逐条加以注释。
2.3 Proteus仿真
用Proteus对系统进行仿真并进行软硬件调试。
2.4 编写设计说明书
内容包含任务书、设计方案分析、硬件部分设计、软件部分设计、调试结果整理分析、设计调试心得体会等，字数不少于4000字；硬件部分设计要绘制整个系统电路原理图，对各部分电路设计原理做出说明；软件设计部分要绘制整个系统及各部分软件步骤图，列出程序清单，逐条加以注释，并在各功效块前加程序功效注释。
3．工作计划

序号
设计内容
所用时间
1
部署任务及调研
４天
3
制作和调试
８天
4
撰写设计汇报书
2天

合 计
14天
4．关键参考资料
单片机课程设计指导书 皮大能 北京理工大学出版社 .7
8051单片机实践和应用 吴金戎 清华大学出版社 .8
单片机技术基础教程和实践 夏路易 电子工业出版社　 .1
MCS-51单片机原理接口及应用 王质朴 北京理工大学出版社.11
基于Proteus单片机系统设计和仿真实例 蒋辉平 机械工业出版社 .7

指导老师签字:
日 期:

目 录
1 系统硬件设计 4
1.1 电路设计 4
1.2 关键元器件介绍 5
1.2.1 AT89c51单片机芯片介绍 5
1.2.2 关键特征 5
2 系统软件设计 7
2.1 综述 7
2.2 主程序及步骤图 7
2.2.1 主程序 7
2.3 子程序编程思绪 8
2.3.1延迟子程序步骤图 9
3 系统调试和仿真分析 11
3.1 软件调试 11
3.1.1 单片机C语言 11
3.1.2 Keil uVision2 11
3.1.3 Proteus 12
3.2 软件仿真结果及分析 13
3.2.1闪光效果一：单灯向里移动 13
3.2.2闪光效果二：流水左移 14
3.2.3闪光效果三：3灯走马右移 15
3.2.4闪光效果三：红色流水内外移动 16
4 致谢 17
5 参考文件 18
附录 程序代码 18

1 系统硬件设计

整个系统以AT-89C51单片机作为主控关键，和发光二极管LED等较少辅助硬件电路相结合，利用软件实现对LED彩灯进行控制。本系统含有体积小、硬件少、电路结构简单及轻易操作等优点。

1.1 电路设计

彩虹灯控制器电路见【图1】。其关键设计器件有AT89C51，复位电路，时钟电路，5个按钮（其中一个为检测按钮）。经过软件设计，使单片机P0和P1作为LED驱动信号输出口，4个外部按钮作为按钮输入口。

图1 彩虹灯控制器电路图
1.2 关键元器件介绍

1.2.1 AT89c51单片机芯片介绍
AT89C51是一个带4K字节闪烁可编程可擦除只读存放器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机可擦除只读存放器能够反复擦除100次。该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造，和工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一个高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案。

1.2.2 关键特征
·和MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存放器
寿命：1000写/擦循环
数据保留时间：
·全静态工作：0Hz-24Hz
·三级程序存放器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中止源
·可编程串行通道
·低功耗闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路；

1.2.3引脚定义及功效见【图2】。

图2 AT89C51引脚图
（1） 输入输出引脚（P0、P1和P2端口引脚）
P0～P3是89C51和外界联络4个8位双向并行I/O口。
本设计中P0和P1口作为LED驱动信号输出口，P2口和4个按钮连接作为按钮输入口，控制4中彩虹灯效果。
（2） AT89C51单片机基础结构见【图3】

图3 AT89C51基础结构
2 系统软件设计
2.1 综述
此次任务是设计一个基于单片机LED彩灯控制器，需要循环运行四种以上预设彩灯闪烁方案，这里多种方案还有显示方法全部是由单片机内部程序控制。在这里我将16个发光二极管分别接在P0和P1口，经过程序控制这两个端口电平高低，将16个发光二极管负极接P0和P1口，正极接外部高电平，即P0和P1口对应端口为低电平时LED就能被点亮。再经过程序循环让各个端口以不一样方法点亮来达成多种花样效果，而且当中要有一定延时，延时时间小于人眼视觉暂留时间，不然人眼看上去每个灯全部是亮也就没有实际效果。
设计LED彩灯系统分为两部分，即AT89C51主控模块和发光二极管LED受控模块。整个系统工作由软件程序控制运行，同时依据不一样需要，用户能够在LED彩灯工作时经过主控模块上按钮来实现4种彩灯灯光效果（不含全部点亮，全部熄灭）。
模块功效：该部分关键包含功效实现方法，即程序编写。程序要实现功效包含读按键，经过对读入按键值控制LED点亮方法。键盘有5个按键，其中K1、K2、K3、K4控制LED点亮模式。
2.2 主程序及步骤图
2.2.1 主程序
AT89C51经过编写程序应完成以下功效：
经过P0口和P1控制发光二极管LED亮和灭，从而实现多个闪烁方案；
用16 盏以上LED小灯，实现最少4种彩灯灯光效果（不含全部点亮，全部熄灭）。用输入按钮在多个灯光效果间转换。
根据上述要求即可写出主程序代码并绘制出主程序步骤图。

2.2.2 主程序步骤图

开始

扫描按键

按钮一

否
按钮二

是 否
按钮三

效果一
是 否
效果二

按钮四

是
效果三
否
是
效果四

2.3 子程序编程思绪

即使大致步骤图已经绘制完成，但编程过程中会碰到愈加具体问题，需要编制部分子程序来处理，以下是部分关键子程序步骤图绘制思绪。

2.3.1延迟子程序步骤图

数码管显示必需有足够长时间长到肉眼能够觉察到，所以在点亮数码管时要给 开始
予其一个合适延迟。

触发时间i>0
·
否

调用
是

计时
j <125
否

是
输出信号0

一个机器周期包含12个时钟周期。单片机AT89C51工作于12M晶振，它时钟周期是1/12（微秒）。它一个机器周期是12*（1/12）也就是1微秒。一共实施1000次，恰好1000微秒，也就是1毫秒。

2.3.2按键扫描子程序

按键扫描子程序用来检测并识别外部输入按钮输入信号。
void KeyScan()
{
if(P2==0xf7)
{
ys1ms(100);
if(P2==0xf7)
{
flag=0xf7;
}
}

if(P2==0xfb)
{
ys1ms(100);
if(P2==0xfb)
{
flag=0xfb;

}
}

if(P2==0xfd)
{
ys1ms(100);
if(P2==0xfd)
{
flag=0xfd;

}
}

if(P2==0xfe)
{
ys1ms(100);
if(P2==0xfe)
{
flag=0xfe;
}
}
}
其中状态标志分别为：0xfe为按键1标志 ，0xfd为按键2标志 ，0xfb为按键3标志，0xf7为按键4标。
3 系统调试和仿真分析
3.1 软件调试
此次全部软体程序均采取C51语言编写，程序写完后要对其编译，在Proteus软件里实现硬件电路仿真。下面分别简单介绍单片机C语言和这两款软件。

3.1.1 单片机C语言
单片机C语言程序设计不一样于通用计算机应用程序设计，它必需针对具体微控制器及外围电路来完成，为了便于学习单片机应用程序设计和系统开发，很多企业退出了单片机试验箱、仿真器和开发板等，这些硬件设备可用于验证单片机程序，开发和调试单片机应用系统。开发8051单片机系统时，使用C语言会使开发周期大为缩短，开发效率大幅提升，程序可读性好且易于移植，所以使用C语言开发单片机系统已经成为肯定趋势。C语言在单片机系统开发中优势：
⑴ 用C语言编写程序可读性强；
⑵ 在不了解单片机指令系统而仅熟悉8051单片机存放结构时就能够开发单片机程序；
⑶ 寄存器分配和不一样存放器寻址及数据类型等细节可由编译器管理；
⑷ 程序可分为多个不一样函数，这使程序设计结构化；
⑸ 函数库丰富，数据处理能力强；
⑹ 程序编写及调试时间大大缩短，开发效率远高于汇编语言；
⑺ C语言含有模块化编程技术，已编写好通用程序模块很轻易植入新程序，这深入提升了程序开发效率。

3.1.2 Keil uVision2
C51单片机支持HEX文件，我采取编译器是Keil uVision2软件，该软件是美国Keil Software 企业开发，相关8051系列MCU开发工具，是现在世界上最好51单片机开发工具之一。软件本身支持数百种51系列单片机芯片，能够用来编译C源码，汇编源程序和二者混合编程代码，连接重定位目标文件和库文件，创建HEX文件，调试目标程序等，是一个集成化文件管理编译环境。
使用步骤以下：
⑴ 建立一个项目，开启Keil，单击“Project菜单/New”选项，从弹出窗口中选择要保留路径，并输入项目文件名“彩灯.uv2”，然后保留。这时会弹出一个选择CPU型号对话框，依据所使用单片机来选择，我用单片机是AT89C51。
⑵ 创建程序文件，单击“File菜单/New”选项，输入C51语言源程序，单击“File菜单/Save”并输入程序文件名“彩灯.C”，保留。
⑶ 程序文件添加到项目中，右键点击“Target 1”前面“+”，展开里面内容“Source Group 1”，右键单击“Source Group 1”弹出一个右键菜单，单击“Add File to Group’s Source Group 1”，从弹出窗口中选择之前保留文件“彩灯.C”添加到项目中去。
⑷ 设置目前项目标目标选项，右键单击“Target 1”，从弹出右键菜单中单击“Option for Target”选项，从弹出“Options”窗口中选择“Target”标签栏，在“Create HEX File”前面打钩。
⑸ 运行编译，右键单击“Target 1”，从弹出右键菜单中单击“Build target”选项，此时若源程序没有语法错误，Keil就会生成HEX文件，并自动保留在之前设置路径里。

3.1.3 Proteus
Proteus是英国Labenter electronics企业开发电路分析和实物仿真软件，是现在最好模拟单片机外围器件工具，它能够仿真、分析多种模拟电路和集成电路，软件提供了大量模拟和数字元器件及外部设备，多种虚拟仪表（如电压表、电流表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等），尤其是它含有对单片机及其外围电路组成综合系统交互仿真功效。
现在，Proteus仿真系统支持主流单片机有ARM7（LPC21xx）、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列等，它支持第三方软件开发、编译和调试环境有Keil uVision2/3、MPLAB等[18]。
Proteus关键由ISIS和ARES两部分组成，ISIS关键功效是原理图设计及电路原理图交互仿真，ARES关键用于印制电路板设计。
ISIS提供Proteus VSM（Virtual System Modelling）实现了混合式SPICE电路仿真，它将虚拟仪器、高级图表应用、单片机仿真、第三方程序开发和调试环境有机结合，在搭建硬件模型之前即可在PC上完成原理图设计、电路分析和仿真及单片机程序实时仿真、测试及验证。
Proteus操作很简单，开启“ISIS.exe”。在设计原理图时，依据目前电路复杂程度和特定要求，选择合适模块进行设计，打开模块式需要单击“文件/新建设计”（File/New Design）菜单，打开“创建新设计”（Create New Design）对话框，然后选择对应模块。
创建空白文件后，先将DSN文件保留到指定位置，接下来就能够开始在图纸中添加元件了，单击模式工具上元件模式（Component Mode）图标，对象选择窗口上会出设备（Device），这时单击“P”按钮，打开元件选择窗口，在元件库选择硬件电路所需要元器，合理摆放位置，然后按要求连接好电路图。

3.2 软件仿真结果及分析

完成单片机系统仿真电路图设计后，即可开始仿真运行单片机绑定程序文件，双击单片机，打开单片机属性窗口（也能够先在单片机上单击右键，再单击左键，或选中单片机后按下（Ctrl+E组合键），在“Program Files”项中选择对应HEX文件。
在仿真电路和程序全部没有问题时，直接单击Proteus主窗口下“运行”（Play）按钮，即可仿真运行单片机系统， 在运行过程中假如期望观察内存、24C0X、温度寄存器、时钟芯片等内部数据可在运行时单击“单步”（Step）或“暂停”（Pause）按钮，然后再“调试”（Debug）菜单中打开对应设备。

3.2.1闪光效果一：单灯向里移动

即按键1彩虹灯光效果：上下两排各8个led二极管自两端向里依次点亮再返回，单次两端各亮两盏，以此循环。能够用输入按钮在灯光效果间切换。

3.2.2闪光效果二：流水左移
即按键2彩虹灯光效果：上下两排各8个led二极管自两端单向挨个点亮直至全明，点亮后不熄灭，最终回到初始状态，以此循环。能够用输入按钮在灯光效果间切换。

3.2.3闪光效果三：3灯走马右移

即按键3彩虹灯光效果：上下两排各8个led二极管自左端点亮右移，上下两排最多各点亮三盏，以此循环。能够用输入按钮在灯光效果间切换。

3.2.4闪光效果三：红色流水内外移动

即按键4彩虹灯光效果：上下两排各8个led二极管自两端挨个点亮向内移动，最终全部点亮，出现渐亮效果；接着上下两排二极管自内侧挨个点亮向外移动，最终全部点亮并出现渐暗效果，以此循环。能够用输入按钮在灯光效果间切换。

4 致谢
在这里首先要感谢我导师郭晓君老师。郭老师平日里工作繁重，日理万机，但从协调选题，到确定最终任务书，再到最终程序调试，我无时无刻不感受着郭晓君老师细致而无私关心和帮助。本人课程设计“彩灯控制器设计”是此次众多选题中较为棘手一个，鄙人并不扎实专业知识更是为之雪上加霜。不过面对如此低级甚至有些反复问题，郭老师却诲人不倦，耐心、认真地为我一一解答。郭老师高超专业素养，严谨治学态度和甘为人师奉献精神深深地影响了我，也并将继续主动地影响我以后工作和学习生活。郭老师，谢谢您！
其次我还想感谢和我一起肩并肩奋斗在此次单片机课程设计第一线09机电各位同学们。是你们陪我一起努力，给我鼓劲儿，才使我能在硕士考试后有限时间里快速地投入，高效地完成，并最终确保了整个设计任务按时按量顺利地完成。
最终，经过此次课程设计，我对“厚积薄发”有了更深刻了解——做学问是一个过程而不是一个结果，关键不是出成绩某一下，而是平日里积累点点滴滴，分分秒秒。所以，我要感谢大学四年来关心和教育过我领导们、老师们、同学们，是你们为我指明了做人方向，扎实了专业基础，分享了绚丽而多彩青春！！
祝福你们！
祝你们身体健康，生活愉快，工作顺利，新年吉祥！！！

5 参考文件

[1] 吴金戎． 8051单片机实践和应用[M]． 北京：清华大学出版社, .8
[2] 王质朴． MCS-51单片机原理接口及应用[M] 北京：北京理工大学出版社，.11
[3] 皮大能． 单片机课程设计指导书[M]． 北京：北京理工大学出版社，.7
[4] 夏路易． 单片机技术基础教程和实践[M]． 北京：电子工业出版社, .1
[5] 蒋辉平． 基于Proteus单片机系统设计和仿真实例[M]． 北京：机械工业出版社, .7
附录 程序代码
#include<reg51.h> //包含单片机寄存器头文件
#include <intrins.h>

unsigned char flag=0xff;//状态标志
void ys1ms(unsigned int i);
void KeyScan();
rzy();
rlszy();
rsdzmyy();
rlsnwyd();
rjl();
rja();
zkb(unsigned char d);

/*****************************
函数功效：主函数
*****************************/
void main(void)
{

while(1)
{
KeyScan();
switch(flag)
{
case 0xfe:rzy();break;//扫描状态标志，为1时，第1种效果
case 0xfd: rlszy(); break;//扫描状态标志，为2时，第2种效果
case 0xfb:rsdzmyy(); break;//扫描状态标志，为3时，第3种效果
case 0xf7:rlsnwyd();break; //扫描状态标志，为4时，第4种效果
// default:P1=0x00;
}
}
}
/*****************************
延时程序
*****************************/

void ys1ms(unsigned int i) //延时程序,i是形式参数,i为1时 延时约1MS
{
unsigned int j;
for(;i>0;i--) //变量i由实际参数传入一个值,所以i不能赋初值
for(j=0;j<125;j++) //j由0自增到125 所用时间大约是1MS
{;}
}

/*****************************
按键扫描 状态标志
0xfe按键1标志 0xfd按键2标志 0xfb按键3标志 0xf7按键4标志
*****************************/
void KeyScan()
{
if(P2==0xf7)
{
ys1ms(100);
if(P2==0xf7)
{
flag=0xf7;
}
}

if(P2==0xfb)
{
ys1ms(100);
if(P2==0xfb)
{
flag=0xfb;

}
}

if(P2==0xfd)
{
ys1ms(100);
if(P2==0xfd)
{
flag=0xfd;

}
}

if(P2==0xfe)
{
ys1ms(100);
if(P2==0xfe)
{
flag=0xfe;
}
}
}

/*****************************
按键1效果程序：单灯向里移动
*****************************/
rzy()

{

P0=0x7e;//01111110
P1=0x7e;
ys1ms(90);
P0=0xbd;//10111101
P1=0xbd;
ys1ms(90);
P0=0xdb;//11011011
P1=0xdb;
ys1ms(90);
P0=0xe7;//11100111
P1=0xe7;
ys1ms(90);
P0=0xff;
P1=0xff;
ys1ms(300);
P0=0xe7;
P1=0xe7;
ys1ms(90);
P0=0xdb;
P1=0xdb;
ys1ms(90);
P0=0xbd;
P1=0xbd;
ys1ms(90);
P0=0x7e;
P1=0x7e;
ys1ms(90);
P0=0xff;
P1=0xff;

}

/*****************************
按键2效果程序：流水左移函数
*****************************/
rlszy()
{
unsigned char a,b,i,led,led1; //申明无字符整形变量a,i,led,led1
led=0xfe; //左移初始值定位
led1=0x7f;
P0=led; //输出
P1=led1;
ys1ms(120); //延时
for(i=1;i<8;i++) //设置移动7次
{
a=led<<i;//灯左移i位
P0=a; //依次点亮
b=led1>>i;
P1=b;
ys1ms(150);
}
}

/*****************************
按键3效果程序：3灯走马右移函
*****************************/
rsdzmyy()
{
P0=0x1f;//00011111
P1=0xff;
ys1ms(80);
P0=0x8f;
P1=0xfe;
ys1ms(80);
P0=0xc7;
P1=0xfc;
ys1ms(80);
P0=0xe3;
P1=0xf8;
ys1ms(80);
P0=0xf1;
P1=0xf1;
ys1ms(80);
P0=0xf8;
P1=0xe3;
ys1ms(80);
P0=0xfc;
P1=0xc7;
ys1ms(80);
P0=0xfe;
P1=0x8f;
ys1ms(80);
P0=0xff;
P1=0x1f;
ys1ms(80);

}

/*****************************
按键4效果程序：红色流水内外移动函数（灯光渐暗渐明）
*****************************/
rlsnwyd()
{
P0=0xe7;
P1=0xe7;
ys1ms(90);
P0=0xc3;
P1=0xc3;
ys1ms(90);
P0=0x81;
P1=0x81;
ys1ms(90);
P0=0x00;
P1=0x00;
rjl();
ys1ms(500);
P0=0x7e;
P1=0x7e;
ys1ms(90);
P0=0x3c;
P1=0x3c;
ys1ms(90);
P0=0x18;
P1=0x18;
ys1ms(90);
P0=0x00;
P1=0x00;
rja();

}

/****************************************************************************/

rjl() //渐亮函数
{
unsigned char a, b;//a控制延时长度　b控制循环周期
P0 = 0xff;
P1=0xff;
a = 0;
for (b=250; b>0; b--) //循环周期设置
{
a++;
zkb (a); //延时长度随a而改变
P0 = 0xff;
P1 = 0xff;
a = ~a; //a值取反，决定灯灭时占空比
zkb (a);
P0 = 0x00;
P1 =0x00;
a = ~a; //a值取反　使a回到原值继续循环
}
}

/****************************************************************************/
rja() //渐暗函数
{
unsigned char a, b;//a控制延时长度　b控制循环周期
P0 = 0x00; //亮起LED
P1=0x00;
a = 0;
for (b=250; b>0; b--)
{
a++;
zkb (a);
P0 = 0x00;
P1 = 0x00;
a = ~a;
zkb (a);
P0 = 0xff;
P1=0xff;
a = ~a;
}
}

/****************************************************************************/
zkb(unsigned char d) //占空比函数，由d决定延时长度
{
unsigned char i;
while( --d != 0)
{
for(i = 0; i < 1; i++); //占空比时间设置
}
}
/****************************************************************************/