彩灯电路的设计与制作

彩灯电路的设计与制作

作者：XX

[摘要]

随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。 LED 彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰已经成为一种时尚。了解单片机设计知识在实际中的应用。综合运用“单片机”课程和先修课程的理论及生产实际知识去分析和解决电路设计问题，进行单片机电路设计的训练。学习单片机设计电路的一般方法，了解和掌握单片机电路的设计过程和进行方式，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，特别是总体电路设计能力。通过计算和绘图，学会运用标准、规范和查阅有关技术资料等，培养单片机电路设计的基本技能。

该程序示例了单片机键盘控制p1口流水灯花样的方法;具体表现为:p3.2 3.2 3.4 3.5四个小本文提出了一种基于AT89S51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。 [关键词]

LED彩灯 AT-89C51单片机 彩灯控制器。

第1章 绪论

新型LED彩灯系统分为两部分，即89C51主控模块和受控LED板模块。彩灯控制器可直接与220V交流市电相连接，经过开关电源变换，输出直流工作电压，一方面为受控LED模块提供+12V伏工作电源，另一方面为主控模块单片机系统提供+5V伏工作电源。 整个系统工作由软件程序控制运行，同时根据不同的需要，用户可以在LED彩灯工作时通过主控模块上的按钮来设定亮灯时间和灯光闪动频率。

上电后系统经过初始化，LED彩灯可按照设定好的若干亮灯花样模式程序MODEi顺序往下走，从MODE0模式开始工作，自MODE0到MODE1„„到MODE n为一个亮灯周期，然后再回到MODE0循环继续工作。可以把整个n种亮灯模式时间看作一个大周期T，其中的每一种亮灯花式MODEi时间为小周期Ti，对于每一个模式编写一个独立工作子程序MODEi，其中设定了LED三色灯（红、绿、蓝）的点亮和熄灭时刻，该模式工作时间Ti以及该模式LED闪烁频率Fi。5位七段码显示器的前两位（L1、L2）显示当前工作模式的序号MODEi；后三位（L1、L2、L3）七段码显示三色LED的工作状态，若该颜色灯点亮则对应七段码显示位为“1”，反之熄灭时则显示位为“灭”即不显示，对系统工作状态起到了一个很好的实时监控作用。

因此在LED彩灯上电工作后，用户可以很方便地通过主控模块上的显示器随时知道LED彩灯当前工作模式MODEi、工作时间Ti、频率Fi等实时参数。若实际应用需要根据不同

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场合和时间来改变彩灯闪亮效果，用户可以通过主控模块上的按钮来设定LED 不同的闪烁频率Fi和亮灯时Ti，以便符合实际需要。此外如果用户对某一种模式感兴趣需要仔细观看该亮灯花样，也可以通过键盘选定任意第MODEi模式使系统循环重复工作在该花样模式下。

第2章 方案论证

方案一: 方案二:

时钟电路 电源电路 复位电路 A T 8 9 C 5 1 时钟电路 电源电路 复位电路 A T 8 9 C 5 1 线流电阻驱动LED 数码 管 显示

方案一，由于LED数码管显示有八个脚，有共阴极，共阳极区分特麻烦，还要用数字式万用表测才明显，太麻烦啦。所以我选择方案二，发光LED二极管显示即方面，又简单，下面有关于发光LED二极管介绍。

第3章 硬件原理图

3.1晶振（12MHz）定时1秒，对于12MHz的晶振而言，其时钟周期T=1/f=1/12us,而89C51

的一个机器周期包括12个时钟周期，所以一个机器周期为1us，对于T0而言， 之工作于16-bit，最大计时为65536*1=65536us，需要多次定时才能实现一秒定时。

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线 流电阻驱动LED 二极 管 显示

3.2元器件清单 元器件名称 单片机 晶体振荡器 元器件 AT89C51 CRYSTAL 数量 1 1 8 2 1 1 8 LED显示器(发光二极管) LED1-LED8 瓷片电容 电解电容 电阻 电阻 20PF 10uf 1K 200R 3.3

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第4章 软件设计原理

4.1 MCS51

引脚说明

1234567891011121314151617181920P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD P3.0TXD P3.1INT0 P3.2INT1 P3.3T0 P3.4T1 P3.5WR P3.6RD P3.7XTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.04039383736353433323130292827262524232221MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。图2-9为引脚排列图， 40条引脚说明如下：

1、主电源引脚Vss和Vcc ① Vss接地

② Vcc正常操作时为+5伏电源 2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

① XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。

② XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。

3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/Vpp

① RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位

在Vcc掉电期间，此引脚可接电源 图2-9 8051引脚排列图，上备用电源，由VPD

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8031 8051 8751

向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。

② ALE/PROG 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存

1到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。因

6此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。 对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（PROG功能）

③ PSEN 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。PSEN同样可以驱动八LSTTL输入。

④ EA/Vpp 、 EA/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当EA/Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。 4、输入/输出引脚P0.0 - P0.7，P1.0 - P1.7，P2.0 - P2.7，P3.0 - P3.7。 ① P0口（P0.0 - P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。

② P1口（P1.0 - P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。。

③ P2口（P2.0 - P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。 ④ P3口（P3.0 - P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载 4.2 发光二极管的限流

在几年前的单片机设计电路中，LED发光二极管是不能由单片机的I/O输出引脚直接进行驱动的，而要使用诸如7405等集电极开路门进行驱动，原因就是单片机的引脚不能够承受LED导通时的电流输入。

随着新技术的应用和单片机集成技术的不断发展，现在大部分的单片机端口都集成了集电极开路的输出电路，具备一定外部驱动能力。但是这时外接的LED发光二极管电路也必须使用电阻进行限流，否则会损坏单片机的输出引脚，一般单片机驱动引脚能够承受的电流输～15mA左右。

此外，如果没有限流电阻，LED发光二极管在工作时也会迅速发热，为了防止LED发光二极管过热损害，也必须采用限流串联电阻对LED发光二极管的功耗进行限制，如表6-1所示为典型的LED发光二极管功率限制指标。

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表6-1 典型的LED发光二极管功率限制指标

参 数 最大功率限制 正向电流峰值 最大恒定电流 单 位 mW mA mA 红色LED 55 160 25 绿色LED 75 100 25 黄色LED 60 80 20 橙色LED 75 100 25 LED发光二极管的发光功率可以由其两端的电压和通过LED的电流进行计算得到，公式如下：

Pd = Vd×Id

LED发光二极管的典型的电压与电流关系如图6-6所示，可以根据需要的LED发光亮度选择合适的电阻R进行限流，但为了保护单片机的驱动输出引脚，通过LED发光二极管的电流一般应限制在10mA左右。

4.3 半导体发光二极管工作原理、特性 、应用

4.3.1 LED发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、 GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图所示。

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假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被 发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这 个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 4.3.2 LED的特性 1．极限参数的意义

（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。

（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。

4.3.3 LED的应用

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4.4中断指令。

在CPU和外设交换信息时，存在着快速CPU和慢速外设间的矛盾，机器内部有时也可能出现突发事件，为此，计算机中通常采用中断技术。

CPU和外设并行工作，当外设数据准备好( 或有某种突发事件发生)时向CPU提出请求，CPU暂停正在执行的程序转而为该外设服务(或处 理紧急事件)，处理完毕再回到原断点继续执行原程序。

中断优先级：当有多个中断源同时 向CPU申请中断时，CPU优先响应最需紧急处理的中断请求，处理完毕再响应优先级别较低的 ，这种预先安排的响应次序。

中断的嵌套：在中断系统中，高优先级的 中断请求能中断正在进行的较低级的中断源处理，

（1）中断技术是实时控制中的常用技术，51系列单片机有三个内部中断，二个外部中断。所谓 外部中断就是在外部引脚上有产生中断所需要的信号。

每个中断源有固定的中断服务程序的入口地址(称矢量地址或向量地址)。当CPU响应中断以 后单片机内部硬件保证它能自动的跳转到该地址。因此，此地址是应该熟记的，在汇编程序 中，中断服务程序应存放在正确的向量地址内。

(或存放一条转移指令)；而在C语言中是靠Interrupt n的关键字n自动设置的。 （2）单片机的中断是靠内部的寄存器管理的，这就是中断允许寄存器IE，中断优先权寄存器IP ，必须在CPU开中断即开全局中断开关EA，开各中断源的中断开关，CPU才能响应该中断源的 中断请求，其中缺一不可。

（3）从程序表面看来，主程序和中断服务程序好象是没有关连的，只有掌握中断响应的过程， 才能理解中断的发生和返回，看得懂中断程序，并能编写高质量中断程序。

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表4.4 常用中断

符号 名 称 INT0 外部中断0 中 断 引 起 原 因 中断服务程序入口 P3.2引脚的低电平或下降沿信0003H 号 INT1 外部中断1 T0 T1 T2 定时器0中断 定时器1中断 定时器2中断 P3.3引脚的低电平或下降沿信0013H 号 定时计数器0计数回零溢出 定时计数器1计数回零溢出 000BH 001BH 定时计数器2中断(TF2或T2EX002BH 信号） TI/RI 串行口中断 串行通信完成一帧数据发送或0023H 接收引起中断

第5章 源程序

#include sfr p0=0x80;

unsigned char led; unsigned int i,j; void delay() {

for(j=0;j<10000;j++); }

void main() {

led=0x01;

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while(1)

{ for(i=0;i<8;i++) {

p0=~led; delay(); led<<=1; }

for(i=0;i<8;i++) {

if(led==0) led=0x80; p0=~led;

led>>=1; delay();

if(led==0) led=0x01; } } }

第6章 安装与调试

在调试过程中主要对程序的修改， 当时发现电阻太大，换了小的电阻还是快。当时考虑用按键复位。特别在电脑上编程序出现问题，在调试过程中主要对程序的修改，特别是延时子程序开始延时较长，刚开始选择时间间隔为1秒在测试时发现发光二极管亮的速度太快，之后在拿着集成块在电脑上从考程序LED就一起循环闪烁，但闪烁太快。如果延时较长则LED闪烁慢，通过修改程序将延时调到适中，调到0.5秒时，经过一番折腾发光二极管终于成功的循环亮了，真高兴。谢谢老师帮助。

心得体会

当我抽签拿到题目好高兴，本题目装图简单，用单片机编程序好难。第一次用单片机做课程设计，第一次用电子档案写课程设计，对于我太难，经过老师分析，有了头绪，发现不是太难，经过这次课程设计为毕业论文做了很好的铺垫。 1.前期的方案设计阶段

其实很重要，因为它直接关系到你接下来做的东西有没有价值。这个阶段的信息来源主要是网络，但是现实中的调查也是不可少的。本次“彩灯电路的设计与安装”其实其现实意义就不够好，因为在我们用电脑编程序时就发现，编程序太难了。 2.实施制作阶段

这个阶段出现的错误最多，也最麻烦。在本次制作过程中，出现了很多错误，可耗费

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了太多时间。究其原因，主要是知识能力不充分，开始的时候就没有把效果图和线路设计图做好。想好现实方式后也出现了很多问题。还有团队协作问题。。

由前期的调查可以做出好的预想效果，可怎么做好前期的线路设计图呢？很重要的就是信息搜集，各种片子的结构原理图，功能，引脚定义等等，其实到现在我在这方面做的仍然不够，惭愧。还是得好好学习基本的单片机知识，还有英语，因为大多数的芯片说明都是英语的，下学期要好好学习专业英语。

好像扯远了。做好前期的线路设计图之后就要实施了，我觉得最好是分工协作，可以先在面包板上试验测试效果。这个过程也许会碰到让人很郁闷的事情，老是没有预期效果！这时不要生气，冷静的分析一下，是不是那个电阻用的不合适了？或是那个接地点没放好？当时发现电阻太大，换了小的电阻还是快。当时考虑用按键复位。特别在电脑上编程序出现问题，刚开始选择时间间隔为1秒在测试时发现发光二极管亮的速度太快，之后在拿着集成块在电脑上从考程序，把时间间隔改为0.5s,经过一番折腾发光二极管终于成功的循环亮了，真高兴。谢谢老师帮助。

这个过程中合作真的很重要，我总觉得，做的过程中她负责某个模块然后在合成起来，这种方式比较合适。当然做的过程中相互交流和互相提出意见是电脑很重要的，毕竟将来它只能是一个整体。当然，在制作过程中会有很多分歧，这也是一个比较重要的问题，我觉得她具体的负责的模块，我可以提意见，但是不能强迫，因为最终如果出问题，是具体负责人担起责任，而不是提意见的人！当然，最好是避免这种大的分歧，实在不行就拿出支持自己观点的证据或是请教老师。

实施制作过程中认真的态度也很重要。自己的电子设计产品完成后可能会工作不稳定，这个原因就是你制作它时的态度！其实，现实中的很多产品或许原料一样、生产设备一样，但耐用性却有很大差别，区别就在于制造它时的技术和态度。所以，在这期间，还是专心一点，把mp3、手机暂时放一放。相信很多事情都是这个样子吧。 3.调试阶段

最后的制作完成后还需要一些调试工作，测试它的性能，更换掉个别损坏的器件，同时也可以做一些工作指标的测试，以方便设计论文的写作。。

好了，就说这些吧！其实我一直很想说的是感谢老师同学。这是我们一起努力的结果！我们都做的很好！不管怎么样，我们经历过了，也收获了，值得了！

4.总结

这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。平时在学习理论知识的时候，根本就没有想到我

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所学的这些东西有什么用它们可以做成什么，只是一味利用它们来解决课后的习题，没有想其他的用途。这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多电路，例如频率计、交通灯、数字钟„„这些都是我们自己可以实现的，突然感觉自己学的东西很有用，我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣，这样有利用今后更好地学习。 通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。这次的设计电路我用到了单片机还有自动上电复位，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比功能表里面说的多很多，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。

【参考文献】

[1] 蔡美琴，张为民，沈新群等.MCS51系列单片机系统及其应用［M］.北京：高等教育出版社，1992.

[2] 何立民.单片机应用技术选篇（5）［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1997. [3]杨光友.单片机微型计算机原理及接口技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2002. [4]肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社,2002.8 [5] 张毅刚 编 MCS—51单片机应用技术 哈尔滨工业大学出版社

[6] 何立民 编 MCS—51单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 [7] 张鑫 编 单片机原理及应用 电子工业出版社 [8] 曹琳琳 编 单片机原理几接口技术 国防科技大学出版社

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