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部署任务及调研天3制作和调试天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.78051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.1MCS-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41.1 电路设计41.2 关键元器件介绍51.2.1 AT89c51单片机芯片介绍51.2.2 关键特征52 系统软件设计72.1 综述72.2 主程序及步骤图72.2.1 主程序72.3 子程序编程思绪82.3.1延迟子程序步骤图93 系统调试和仿真分析113.1 软件调试113.1.1 单片机C语言113.1.2 Keil uVision2113.1.3 Proteus123.2 软件仿真结果及分析133.2.1闪光效果一：单灯向里移动133.2.2闪光效果二：流水左移143.2.3闪光效果三：3灯走马右移153.2.4闪光效果三：红色流水内外移动164 致谢175 参考文件18附录 程序代码181 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（FPEROMFalsh 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RAM32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）P0P3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i0 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： 用C语言编写程序可读性强； 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； 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； 程序可分为多个不一样函数，这使程序设计结构化； 函数库丰富，数据处理能力强； 程序编写及调试时间大大缩短，开发效率远高于汇编语言； 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 uVision2C51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： 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。 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。 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 Groups 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。 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。 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 ProteusProteus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，.113 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，.74 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, .15 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 /包含单片机寄存器头文件#include 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1MSunsigned int j;for(;i0;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;j125;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;i8;i+) /设置移动7次a=ledi; 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; b0; 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; b0; 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 /*/