【正文】 電子科技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 題目 :基于 AT89C51單片機(jī) 的 簡(jiǎn)易 LED彩燈控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 李 元 學(xué)生學(xué)號(hào)： 1102021313 專(zhuān)業(yè)方向： 電子信息工程技術(shù) 指導(dǎo)教師： 程 瑤 指導(dǎo)單業(yè)： 電子與通信系 2021 年 10月 20 日 電子科大畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 摘 要 本文介紹了一 種 簡(jiǎn)易 LED 彩燈控制系統(tǒng) 的軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程 ， 本方案以 AT89C51單片機(jī)作為主控核心， 按鍵控制電路、彩燈 顯示電路以及單片機(jī)最小系統(tǒng) 等模塊組成的 核心主控制 電路。利用軟件編程燒錄程序到單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) LED 彩燈進(jìn)行控制，本系統(tǒng)亮燈模式多，用戶(hù)根據(jù) 操作 提示可以 隨意 變換想要的閃爍方式和控制彩燈的閃爍頻率 。 本系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、硬件少、體積小、成本低、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值 。 關(guān)鍵詞 LED 彩燈；彩燈控制系統(tǒng)；單片機(jī) 電子科技大學(xué) 第 3 頁(yè) 目錄 摘 要 一、前言 .................................................................. 4 （一）單片機(jī)的概況和基本結(jié)構(gòu) .......................................... 4 （二）彩燈控制器的研究現(xiàn)狀及意義 ...................................... 5 二、彩燈控制器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ................................................ 6 （一）方案分析 ........................................................ 6 三、彩燈控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ................................................ 8 （一）單片機(jī)選擇 ...................................................... 8 （二 ）單片機(jī)最小系統(tǒng) ................................................. 10 （三） LED 彩燈顯示電路 ............................................... 11 （四）受控模塊硬件電路圖 ............................................. 12 四、軟件設(shè)計(jì) ............................................................. 13 （一）設(shè)計(jì)介紹 ....................................................... 13 （二）程序流程圖 ..................................................... 14 五、 彩燈控制器的焊接與調(diào)試 ............................................... 15 （一）組裝成品焊接 ................................................... 15 （二）電路的調(diào)試 ..................................................... 16 （三）設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及解決方案 ..................................... 17 六、結(jié)束語(yǔ) ............................................................... 17 （一）論文總結(jié) ....................................................... 17 （二）工作展望 ....................................................... 18 參 考 文 獻(xiàn) .............................................................. 19 致 謝 .................................................................... 20 附 錄（一） .............................................................. 21 PCB 板 ................................................................... 21 附 錄（二） .............................................................. 22 電子科技大學(xué) 第 4 頁(yè) 一、前言 （一）單片機(jī)的概況和基本結(jié)構(gòu) 單片 微型計(jì)算機(jī) 簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit）， 常用英文字母的縮寫(xiě) MCU 表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱(chēng) 單片微控制器 ，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的 芯片 ，而是把一個(gè) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成 到一個(gè)芯片上。單片機(jī)由 運(yùn)算器 、 控制器 、 存儲(chǔ)器 、 輸入輸出設(shè)備 構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計(jì)算機(jī)相比， 單片機(jī) 缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊 芯片 就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用 單片機(jī) 是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。 單片機(jī)的全稱(chēng)是單片微型計(jì)算機(jī) (Single Chip Microputer)。為了用戶(hù)使用方便，它把組成計(jì)算機(jī)的主要功能部件：中央處理器（ CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）、程序存儲(chǔ)器（ ROM、 EPROM、 EEPROM 或 FLASH）、定時(shí) /計(jì)數(shù)器和各種輸入 /輸出接口電路等都集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與通用計(jì) 算機(jī)不同，單片機(jī)的指令功能是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計(jì)，因此它又被稱(chēng)為微控制器（ Micro Controller Unit） [1] 在日新月異的 21 世紀(jì)里，家 用 電 子產(chǎn)品得到了迅速發(fā)展 。 許多家電 設(shè)備都 趨于人性化、 智能化 ， 這些電器設(shè)備大部分都含有 CPU 控制器 或者是 單片機(jī)。 單片機(jī)以其高可靠性、高性?xún)r(jià)比、低電壓、低功耗等一系列優(yōu)點(diǎn)，近幾年得到迅猛發(fā)展和大范圍推廣，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、通訊設(shè)備、日常消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品和玩具等。并且已經(jīng)深入到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)以及人民生活的各個(gè)方面，如車(chē)間流水線(xiàn)控制、自動(dòng)化系統(tǒng)等、智能型家用電 器（冰箱、空調(diào)、彩電）等。 用單片機(jī)來(lái)控制的小型家電產(chǎn)品具有便攜實(shí)用，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn) 。 基本結(jié)構(gòu) 運(yùn)算器由運(yùn)算部件 —— 算術(shù)邏輯單元 （ Arithmetic amp。 Logical Unit，簡(jiǎn)稱(chēng) ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。 ALU 的作用是把傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，輸入來(lái)源為兩個(gè) 8 位數(shù)據(jù)，分別來(lái)自累加器和數(shù)據(jù)寄存器。 ALU 能完成對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。例如，兩個(gè)數(shù) 6 和 7 相加，在相加之前，操作數(shù) 6 放在累加器中， 7 放在數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)執(zhí)行加法指令時(shí)， ALU 即把兩個(gè)數(shù)相加并把結(jié)果 13 存入累加器，取代累加器原來(lái)的內(nèi)容 6。 運(yùn)算器有兩個(gè)功能： (1) 執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算。 (2) 執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試，如零值測(cè)試或兩個(gè)值的比較。 運(yùn)算器所執(zhí)行全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮的，并且，一個(gè)算術(shù)操作產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，一個(gè)邏輯操作產(chǎn)生一個(gè)判決。 電子科技大學(xué) 第 5 頁(yè) 控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令的 “ 決策機(jī)構(gòu) ” ，即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的操作。其主要功能有： (1) 從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。 (2) 對(duì)指令進(jìn)行譯碼和測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便于執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作。 (3) 指揮并控制 CPU、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。 微處理器內(nèi)通過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)把 ALU、計(jì)數(shù)器、 寄存器 和控制部分互聯(lián)，并通過(guò)外部總線(xiàn)與外部的存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路聯(lián)接。外部總線(xiàn)又稱(chēng)為系統(tǒng)總線(xiàn)，分為數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB、地址總線(xiàn) AB 和控制總線(xiàn) CB。通過(guò)輸入輸出接口電路 ，實(shí)現(xiàn)與各種外圍設(shè)備連接。 （ 1）累加器 A 累加器 A 是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)它有雙功能：運(yùn)算前，用于保存一個(gè)操作數(shù)；運(yùn)算后，用于保存所得的和、差或邏輯運(yùn)算結(jié)果。 （ 2）數(shù)據(jù)寄存器 DR 數(shù)據(jù)寄存器通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)向存儲(chǔ)器和輸入 /輸出設(shè)備送（寫(xiě)）或?。ㄗx）數(shù)據(jù)的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)等等。 （ 3）指令寄存器 IR 和指令譯碼器 ID 指令包括操作碼和操作數(shù)。 指令寄存器是用來(lái)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí) ，先把它從內(nèi)存中取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令時(shí)，必須對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。 （ 4）程序計(jì)數(shù)器 PC PC 用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，因此通常又被稱(chēng)為指令地址計(jì)數(shù)器。在程序開(kāi)始執(zhí)行前必須將程序的第一條指令的內(nèi)存單元地址（即程序的首地址）送入 PC，使它總是指向下一條要執(zhí)行指令的地址。 （ 5）地址寄存器 AR 地址寄存器用于保存當(dāng)前 CPU 所要訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存單元 或 I/O 設(shè)備的地址。由于內(nèi)存與CPU 之間存在著速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來(lái)保持地址信息，直到內(nèi)存讀 /寫(xiě)操作完成為止。 顯然，當(dāng) CPU 向存儲(chǔ)器存數(shù)據(jù)、 CPU 從內(nèi)存取數(shù)據(jù)和 CPU 從內(nèi)存讀出指令時(shí)，都要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。同樣，如果把外圍設(shè)備的地址作為內(nèi)存地址單元來(lái)看的話(huà)，那么當(dāng) CPU 和外圍設(shè)備交換信息時(shí)，也需要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。 [1] （二）彩燈控制器的研究現(xiàn)狀及意義 19 世紀(jì)興起的數(shù)字電路以其先天的便捷、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代電子技術(shù)電路中占有越 電子科技大學(xué) 第 6 頁(yè) 來(lái)越重要的地位。隨著人們生活環(huán)境的不斷改 善和美化，在許多場(chǎng)合可以看到彩色流水燈。 LED 彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價(jià)以及控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，用彩燈來(lái)裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時(shí)尚。 隨著人們生活水平的提高，大家的生活環(huán)境也不斷改善和美化。忙碌的一天生活過(guò)去，人們往往會(huì)去娛樂(lè)場(chǎng)所放松一下。節(jié)日的到來(lái)，城市中張燈結(jié)彩，舉辦節(jié)目來(lái)慶祝節(jié)日的到來(lái)。 LED 彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價(jià)以及控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，用彩燈來(lái)裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時(shí)尚，但目前市場(chǎng)上各樣式的 LED 彩燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實(shí)現(xiàn) ，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，這樣一旦制作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據(jù)不同場(chǎng)合、不同時(shí)間段的需要來(lái)調(diào)節(jié)亮燈時(shí)間 、模式、閃爍頻率等動(dòng)態(tài)參數(shù)。這種彩燈控制器結(jié)構(gòu)往往有芯片過(guò)多、電路復(fù)雜、功率損耗大等缺點(diǎn)。此外從功能效果上看，亮燈模式少而且樣式單調(diào)，缺乏用戶(hù)可操作性，影響亮燈效果。因此有必要對(duì)現(xiàn)有的彩燈控制器進(jìn)行改進(jìn) [4]。 本文提出了一種基于 AT89C51 單片機(jī)的彩燈控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì) LED 彩燈的控制。本方案以 AT89C51 單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤(pán)、顯示、驅(qū)動(dòng)等模塊組成核心主控制模塊。在主控模塊上設(shè)有 8 個(gè) 按鍵和 5 位七段碼 LED 顯示器，根據(jù)用戶(hù)需要可以編寫(xiě)若干種亮燈模式，利用其內(nèi)部定時(shí)器 T0 實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本單位時(shí)間為 5 ms 的定時(shí)中斷，根據(jù)各種亮燈時(shí)間的不同需要，在不同時(shí)刻輸出燈亮或燈滅的控制信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)各種顏色的燈亮或滅，產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用效果較好，亮燈模式多，用戶(hù)可以根據(jù)不同場(chǎng)合和時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)亮燈頻率和亮燈時(shí)間。與普通 LED 彩燈相比，具有體積小、價(jià)格低、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。 二、彩燈控制器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) （一）方案分析 彩燈控制器大致可分為兩種方案實(shí)現(xiàn)。一種是利用電子電路裝置控制， 另 一種是采用單片機(jī)控制 。 方案一： 根據(jù) 設(shè) 計(jì)任務(wù) 要求介紹的彩燈控制電路的基本組成，可以確定彩燈控制器應(yīng)由振蕩電路、計(jì)數(shù) /時(shí)序分配電路、 移位 位寄存器和彩燈顯示五部分組成。 其框圖