八路流水灯控制系统

1前言

在“模拟电子技术基础”与“数字电子技术基础”课程中，通常只介绍单元电路的设计、集成芯片的特性、功能等，而一个实用的电子系统通常是由多个单元电路组成的。因此，进行电子系统设计时，既要考虑系统总体电路的设计，还要考虑系统各部分电路的选择、设计及它们之间的相互连接。由于各种通用和专用的模拟、数字集成电路的大量涌现，所以在电子系统的方案框图确定后，除少数电子电路的参数需要设计计算外，大部分只需根据电子系统框图各部分要求正确选用模拟和数字集成电路的芯片。

常用电子系统设计通常包括：选择总体方案框图、单元电路设计与选择、电子元器件的选择、单元电路之间的连接、对电子系统进行电路搭试、对方案及单元电路参数进行修改、绘制总体电路，最后写出设计报告。

复杂的设计课题，通常需要对设计要求进行认真分析和研究，通过收集和查阅资料，在已学模拟和数字电子技术课程理论的基础上进行构思，从而提出实现设计要求的可能方案，并画出相应的框图。实现同一个设计要求的方案不止一个，这时就应对每一个设计方案的可行性及它们的优缺点进行比较，找出一个较为合理的设计方案。对于关键部分电路的可行性应在原理上要可行，而后需进行电路搭试，成功后才能确定电路的总体方案框图。电子课程设计是对以前学科知识的综合，检验我们掌握电子学科理论知识的程度，也是学科教学中十分重要的环节。通过把理论与实践相结合，提高理论水平，锻炼实践动手能力。同时，对于我们对电子学科的学习兴趣也是有极大的激发作用，让同学们在自己动手制作的过程中找到乐趣，加深对学科知识的理解及消化，为以后的学习和工作打下良好的基础。

在当今的社会里，彩灯已经成为我们生活的一部分，能给我们带来视觉上的享受还能美化我们的生活。三花样彩灯控制器主要是通过电路产生有规律变化的脉冲信号来实现彩灯的各种变化。它的主要器件是寄存器。现如今寄存器是数字系统常见的重要部件，在计算机中广泛用于存放中间数据。本次实验由于触发器具有记忆的功能，将移位寄存器设计成彩灯控制电路。由于电路本身实用，如果再通过计算机仿真，可以直观地看到循环彩灯控制效果。如果稍微改动控制电路，就可以改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。

通过这次设计培养了我们严肃认真的工作态度和科学作风,为今后从事电路设计和研制电子产品打下初步基础，检验我们的理论实践能力，动手能力，动脑能力，分析和理解问题的能力，增强了大家对电子方面的学习兴趣及自学能力，知道了自己在哪一方面不足，为今后的学习提供了方向，使大家有质的提高。

1.1设计背景

以前过节的时候，班上开晚会，同学们都想用彩灯烘托一下节日气氛。通过两年来对专业课程的理论学习和实践，我们越发对彩灯设计产生了浓厚的兴趣。借这次学校安排我们的课程设计，我们决定亲手设计彩灯控制系统的程序，将理论与实践相结合，把自己在学校里面学过的东西应用于实际，不断深化自己在这方面的理解，并提高应用能力，使自己所学更有意义。

1.2实施计划

首先在图书馆查询资料，在网上收集相关论文，设计出彩灯控制系统的原理总图和单元电路图，再编写仿真软件，调试模块和软件，运行成功后做出电路板，加载程序，最后做出课程设计报告书。

1.3必备条件

编辑说明书：Word2003

绘制原理电路：Protel、Proteus、Altium Designer

仿真：Proteus

PCB：Protel、Altium Designer

2总体方案设计

通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并

分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。

2.1设计方案

彩灯控制器大致可分为两种方案实现。一种是利用电子电路装置控制，另一种是采用单片机控制。

方案一：

根据设计任务要求介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡电路、计数/时序分配电路、移位位寄存器和彩灯显示五部分组成。其框图如图2.1所示。

图2.1 彩灯循环控制器硬件框图

方案二：

本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的LED彩灯循环系统的设计，来达到本设计的要求。其硬件构成框图如图2.2所示，以单片机为核心控制，由单片机最小系统（时钟电路、复位电路、电源）、按键控制电路、LED发光二极管和5V直流电源电路组成。

此设计方案中单片机的P0口接一按键控制电路，实现彩灯花型的切换功能；单片机的P0.1引脚接上一个按钮开关以实现对彩灯闪烁频率的控制，即实现了快中慢三种节拍实现花型的变换；单片机上的P1口接八路LED发光二极管组成彩灯电路，显示彩

灯循环情况。

图2.2 单片机彩灯循环控制系统硬件框图

2.2方案选择

结合设计任务书比较以上两种方案可知：利用电子电路装置控制，其电路不很复杂，制作相对较容易点，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到设计任务要求或实现困难。采用单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。

综上，显然方案二各方面优越于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用第二种方案。

3单元模块设计

本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。

3.1直流稳压电源电路

对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源电路的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。电子设备除用电池供电外，还采用市电（交流电网）供电。通过变压、整流、滤波和稳压后，得到稳定的直流电。直流稳压电源是电子设备的重要组成部分！本项目直流稳压电源为+5V。如下图3.1所示：直流稳压电源的制作一般有3种制作形式，分别是分立元件构成的稳压电源、线性集成稳压电源和开关稳压电源。下图稳压电源采用的是三端集成稳压器7805构成的正5V直流电源。

图3.1 三端固定式集成稳压电源电路图

AT89C52单片机的工作电压围：4.0V—5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。

3.2单片机最小系统

要使单片机工作起来，最基本的电路的构成由单片机、时钟电路、复位电路等组成。单片机最小系统如下图3.2所示。

图3.2 单片机最小系统

时钟电路：本系统采用单片机部方式产生时钟信号，用于外接一个12MHz石英晶体振荡器和2个22pF微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入部的时钟电路。

图3.3 时钟电路

复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机系统的复位方式有上电自动复位和手动按键复位。本设计采用手动按键复位，该复位方式同样具有上电自动复位功能。电路如图3.4所示。

图3.4 复位电路

3.3 LED彩灯显示电路

LED彩灯显示电路(如图所示)实际上是由8个发光二极管和8个电阻构成的电路。发光二极管与电阻对应串联,然后接在与之相对应的P1口上。通过软件编程对P1口输出高低电平来实现不同的闪烁花型。由于发光二极管的导通电压一般为1.7V以上，另外，其工作电流根据型号不同，一般为1mA到30mA，电阻选择围100欧姆～3千欧姆在此我们这里选用510欧姆的电阻。

图3.5 LED彩灯显示电路

3.4按键控制电路

按键控制电路(如图 3.6所示)是由2个按键开关构成的。他们分别接在单片机AT89C52的P0.0接口和P0.1口,S1接在P0.0,S2接在P0.1上。为了一对一的控制LED 灯的闪烁方式。当按下开关S1时,LED彩灯系统闪烁第一种彩灯花型。当再次按下开关S1时,LED灯系统闪烁第二种闪烁方式……。

当闭合S2时，彩灯闪烁节拍变快。

图3.6键盘控制电路

3.5串口电路

串口电路为单片提供与PC机连接端口，为单片机提供下载程序到单片机程序存储器中。串口原理图如图3.7所示。

串口也称串行通信接口，RS-232是目前最常用的一种串行通讯接口，由于其形状和

针脚数量的原因，其接头又被称为DB9接头。RS-232针脚定义：2 RXD ←Receive Data 接收数据、3 TXD →Transmit Data发送数据、5GND - System Ground 系统接地，一般就用到这几个引脚。

图3.7串口原理图

MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

MAX23部结构基本可分三个部分：

第一部分是电荷泵电路：由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成，功能是产生+12v 和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道：由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道，其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道，8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电：15脚DNG、16脚VCC（+5v）。

在此，本系统的硬件电路已经全部设计完毕。

4软件设计

单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能看到多控制、多闪烁方式的LED灯系统循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么样进行控制，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的明灭。软件编程是多控制、多闪烁方式的LED灯系统中的一个重要的组成部分，是本设计的重点和难点。下面,我将阐述多控制、多闪烁方式的LED灯系统是如何实现8个LED灯的循环点亮，来介绍实现流水灯控制的软件编程方法。

C语言仿真如图4.1。详细C语言程序见附录。

图4.1 Keil μVision4调试

本设计使用的是2009年2月发布Keil μVision4软件来进行编程。Keil μVision4提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。KeilμVision4引入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器，并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个整洁，高效的环境来开发应用程序。新版本支持更多最新的ARM

芯片，还添加了一些其他新功能。主程序流程图如下图4.2所示。

图4.2 主程序流程图

本设计是以单片机AT89C52为核心控制8个发光二极管3种闪烁方式的变换。硬件电路如图附录1所示，八个发光二极管D1－D8分别接在单片机的P1.0－P1.7接口上，当给P1.0口输出“0”时，发光二极管点亮，当输出“1”时，发光二极管熄灭。同理，接在P1.1～P1.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。因此，要实现流水灯功能，我们只要将发光二极管LED1～LED8依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗的成流水灯了。在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到闪烁效果。

程序设计流程如图4.3。

图4.3 程序设计流程图

程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，此程序里面包含S1的按键情况判断，循环检测直到有按键按下的时候，程序转去按键相对应的彩灯显示的花型模块，与此同时，当按键S2有闭合时，程序中调用延时程序程序时，给延时参数赋值上另一个值，是延时程序延时时间发生改变，以达到不同快慢节奏闪烁的彩灯。

5系统调试

5.1系统仿真

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件件中国。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil等多种编译器。

Proteus可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。本次实验我们采用Proteus软件进行仿真。仿真电路图如图5.1所示。

图5.1 仿真电路图

5.2仿真调试

本系统的调试是把在Keil里面写好的程序通过编译不出现任何错误后将生成的后缀名为.HEX的文件加载到AT89C52单片机中。接下来我们将在Proteus软件进行软硬件结合的调试。

以下是Proteus仿真时的情况。

图5.2 程序仿真

6系统功能、指标参数

根据课程设计要求，系统应实现以下功能：

彩灯需3种演示花型：

1、8路彩灯同时亮灭，此周期每次重复10次。

2、依次循环放光（每次只有一路亮，连续循环10次）。

3、8路彩灯每次4路亮，4路灭，且亮灭相间，交替亮灭，此周期每次重复10次。其它要求：

1、三种花型轮流显示，但显示的顺序可设置；

2、灯亮灭的时间间隔从25ms~2S可调。

下面是在实验室电路板实物上的调试结果，如表6.1所示。

表6.1测试结果及状态分析

经以上实验测试证实，能实现本设计系统要求的预期的功能。

7结论

本次课程设计对八路彩灯控制系统的运行成果感觉比较满意，它实现了我们要求达到的目标，比如能按一定时间进行彩灯变换。并且变换不是很单一，而且能变换闪烁频率。让身处其中的群众有一种酣畅淋漓的感觉。但是在设计中也出现了一些问题。比如控制开关电路无法控制3种输出模式；无法顺利实现频率的转换等等。电压控制不是很稳定，造成灯泡亮度不明显。这些都需要以后的工作当中需要注意并解决问题。

通过这次课程设计，使我更加扎实地掌握了有关数电方面的知识。在设计过程中，虽然遇到了许多问题，但是通过查资料，思考，和同学一起讨论，找林老师解惑答疑，找出了解决办法。从中也充分暴露了我们所学方面的知识欠缺和经验不足。

在课程设计过程中，我们不断地发现错误，改正错误，从中学到了许多东西，更具体地掌握了各种芯片的作用及连接方法，从中不断领悟、获取。在今后的社会发展和学习实践过程中，我们也要不懈努力，遇到问题不能退缩，而是发现问题所在，然后逐一解决问题。只有这样，才能在往后的道路上披荆斩棘，获得成功，得到社会和大家的认可。