三種圖案霓虹燈控制器課程設(shè)計說明書

1、 學(xué) 號：27課 程 設(shè) 計題 目三種圖案霓虹燈控制器學(xué) 院自動化專 業(yè)自動化班 級1104姓 名傅曉通指導(dǎo)教師林偉 莉2013年7月5日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生：傅曉通 專業(yè)班級：1104指導(dǎo)教師：林偉 莉 工作單位：自動化1104題 目: 三種圖案霓虹燈控制器設(shè)計 初始條件：1 運用所學(xué)的模擬電路和數(shù)字電路等知識；2 用到的元件：實驗板、電源、連接導(dǎo)線、74系列芯片、555芯片等。要求完成的主要任務(wù):1 現(xiàn)有4只彩燈，紅綠藍(lán)黃，試設(shè)計控制器，要求彩燈能實現(xiàn)如下追逐圖案，彩燈控制器的三種圖案與其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下所示：2 搖擺狀態(tài)01011010，重復(fù)6次。3 暗點循環(huán)01111011110111100

2、111這樣重復(fù)循環(huán)3次。4 逐個點亮，逐個熄滅，000010001100111011110111001100010000這樣重復(fù)循環(huán)2次。5 霓虹燈控制工作狀態(tài)按照上述2至4步自動重復(fù)循環(huán)。時間間隔為1秒。6 嚴(yán)格按照課程設(shè)計說明書要求撰寫課程設(shè)計說明書。時間安排：第1天 下達(dá)課程設(shè)計任務(wù)書，根據(jù)任務(wù)書查找資料；第24天 進行方案論證，軟件模擬仿真并確定設(shè)計方案；第5天 提交電路圖，經(jīng)審查后領(lǐng)取元器件；第68天 組裝電路并調(diào)試，檢查錯誤并提出問題；第911天 結(jié)果分析整理，撰寫課程設(shè)計報告，驗收調(diào)試結(jié)果；第1214天 補充完成課程設(shè)計報告和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 2011年 6月26日系主任（或

3、責(zé)任教師）簽名： 2011年 6月26日目錄引言 11. 設(shè)計意義與要求 21.1 設(shè)計意義 21.2 設(shè)計要求 .22. 方案設(shè)計32.1 系統(tǒng)方案 32.11 方案思路 .32.2 具體方案.42.21 個人方案：單片機編碼法和移位法 42.22 小組方案：門電路法 52.3 方案比較 .93. 部分電路與程序設(shè)計 93.1部分電路說明 .93.2 部分程序設(shè)計 103.2.1 搖擺圖案單元 .103.22 暗點循環(huán)單元 .113.2.3 逐個點亮逐個熄滅單元 113.2.4 時間間隔單元 124 .調(diào)試與檢測 135. 仿真操作步驟與使用說明 14結(jié)束語 15參考文獻 16附錄 17本科

4、生課程設(shè)計成績評定表 2020 / 24引言電工電子課程設(shè)計是一項極為鍛煉學(xué)生動手能力和課本知識遷移能力的學(xué)生自主設(shè)計實踐活動。課程設(shè)計為學(xué)生提供了設(shè)計命題，讓學(xué)生以學(xué)過的知識為基礎(chǔ)進行設(shè)計和仿真、答辯，最后形成設(shè)計成果。在本次課程設(shè)計中，學(xué)生通過自由分組的方式，組成一個設(shè)計小組，并從提供的設(shè)計題目中選擇其中之一或者發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，自行擬定設(shè)計課題，個人思考設(shè)計，完成一套個人設(shè)計方案，并通過Protues完成仿真、調(diào)試，同時小組成員互相互學(xué)習(xí)，相互討論，集思廣益，形成并優(yōu)化出一套小組方案，并通過Protues完成仿真，最后進行答辯、驗收，形成最終的設(shè)計成果，意在過程中激發(fā)學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)想，學(xué)會

5、遷移課本知識，培養(yǎng)細(xì)致耐心謹(jǐn)慎的品質(zhì)，學(xué)會團隊合作與優(yōu)化方案，鞏固知識與能力，同時在創(chuàng)新和動手能力上力求達(dá)到一個新的高度。1. 設(shè)計意義與要求1.1 設(shè)計意義本次設(shè)計旨在幫助學(xué)生進一步鞏固書本所學(xué)的模擬電路和數(shù)字電路知識，促使其學(xué)會分析設(shè)計命題，自主思考，獨立設(shè)計個人方案，并交流合作形成小組方案，以達(dá)到強化知識，訓(xùn)練思維，激發(fā)創(chuàng)造力，提高實踐動手能力的目的。三種圖案霓虹燈控制器屬于基礎(chǔ)的一種自動控制電路組合，成型后將形成以三種圖案循環(huán)變換的閃爍圖案，可以廣泛用于各種舞會裝飾、商店裝修以與活動現(xiàn)場裝扮等場合，用途廣泛，設(shè)計難度適中，具有較強的操作性。1.2 設(shè)計要求1）用4只紅綠藍(lán)黃的彩燈設(shè)計控

6、制器，要求彩燈能實現(xiàn)如下追逐圖案，彩燈控制器的三種圖案與其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下所示：1）搖擺狀態(tài)01011010，重復(fù)6次；2）暗點循環(huán)01111011110111100111這樣重復(fù)循環(huán)3次；3）逐個點亮，逐個熄滅，000010001100111011110111001100010000這樣重復(fù)循環(huán)2次；4）霓虹燈控制工作狀態(tài)按照上述2至4步自動重復(fù)循環(huán)。時間間隔為1秒。2）自主設(shè)計，并進行方案論證和軟件模擬仿真，并討論形成小組方案；3）提交電路圖，經(jīng)審查后領(lǐng)取元器件；4）組裝電路并調(diào)試，檢查錯誤并提出問題；5）進行結(jié)果分析和整理，嚴(yán)格按照課程設(shè)計說明書要求撰寫課程設(shè)計報告，驗收調(diào)試結(jié)果；6）補充完

7、成課程設(shè)計報告和答辯。2. 方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)方案2.11 方案思路系統(tǒng)框圖如圖2-11所示，本設(shè)計以控制電路為核心，以四個顏色分為紅、黃、藍(lán)、綠的LED燈作為工作部分，預(yù)期當(dāng)輸出為低電平0時使LED燈處于熄滅狀態(tài)，當(dāng)輸出為高電平1時使LED燈為點亮狀態(tài)，通過設(shè)置控制部分的電路，采取如單片機或者門電路、集成芯片等器件組成控制三種亮暗圖案循環(huán)變換的控制電路，其控制方式以輸出1010、0101或0001等電平組合的形式來實現(xiàn)。設(shè)計的關(guān)鍵在于控制部分，具體電路由具體方案的選擇決定，采用單片機控制則控制部分主要為單片機與其最小電路，若選用數(shù)電門電路，則控制部分主要有74系列集成芯片和555定時器芯片

8、構(gòu)成，其控制核心都在于構(gòu)建控制電路，使得連接四個LED工作燈的輸出端能夠持續(xù)循環(huán)地按照要求輸出0、1的高低電平，以實現(xiàn)設(shè)計要求中的三種圖案顯示?？紤]到個人方案設(shè)計中器件限制較少，加之為了簡化電路，因此個人方案選用單片機控制電路來實現(xiàn)設(shè)計要求，采用51系列單片機與其最小應(yīng)用系統(tǒng)組成其核心控制部分；而對于小組方案，則采用74LS90，74LS193,74LS154,74LS08，74L139集成芯片和邏輯門共同組成電路的控制部分。電源部分控制部分工作部分圖2-11系統(tǒng)框圖2.2 具體方案2.21 個人方案：單片機編碼法和移位法1.原理說明：分析設(shè)計命題中的三個要求：1)搖擺狀態(tài)01011010，重

9、復(fù)6次；2)暗點循環(huán)01111011110111100111這樣重復(fù)循環(huán)3次；3)逐個點亮，逐個熄滅，000000010011011111111110110010000000這樣重復(fù)循環(huán)2次；4)霓虹燈控制工作狀態(tài)按照上述2至4步自動重復(fù)循環(huán)。時間間隔為1秒。本設(shè)計中選用的微處理芯片是STC89C52它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32 位I/O 口線

10、，看門狗定時器，置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，2個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。51單片機P0口部沒有上拉電阻，為高阻態(tài)，所以不能正常地輸出高/低電平，因此該組I/O口在使用時務(wù)必要外加上拉電阻。從0和1表示的LED亮暗狀態(tài)中我們可以發(fā)現(xiàn)第一個圖案搖擺狀態(tài)可

11、以看作是0101和1010的重復(fù)轉(zhuǎn)換，鑒于單片機P0口地址為8位，所以看做是00000101和00001010的轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換一次，整個狀態(tài)重復(fù)六次；對于第二個狀態(tài)，則看作是00000111,00001011,000001101，00001110的循環(huán)轉(zhuǎn)換，每次裝換一次，整個狀態(tài)重復(fù)三次；第三個狀態(tài)則看作00001111的循環(huán)左移，每次移動一位，整個狀態(tài)重復(fù)兩次。 對于各個圖案的循環(huán)我們通過for(;)循環(huán)控制，對于整個大循環(huán)則通過while(1)循環(huán)實現(xiàn)。針對每一步的延遲秒，以與燈變化的人眼分辨時間則通過執(zhí)行一個timems(int)來實現(xiàn)，編程過程中我們通過調(diào)試timems(int)部分的

12、程序，以達(dá)到人眼能清楚分辨LED燈的明暗變化和各個圖案轉(zhuǎn)換之間的秒間隔的要求。編程后經(jīng)檢查無誤，編譯生成一個hex文件，導(dǎo)入到protues里的單片機進行仿真檢驗。2.單片機設(shè)計電路原理圖圖1 單片機設(shè)計電路圖2.22 小組方案：門電路法1.門電路法原理說明：對于設(shè)計要求的圖案，搖擺圖案（01011010）采用具有數(shù)據(jù)選擇功能的74LS151芯片和雙時鐘4位二進制同步可逆計數(shù)器74LS193來實現(xiàn)；對于第二種暗點循環(huán)圖案（01111011110111100111），采用二進制譯碼器74LS139和雙時鐘4位二進制同步可逆計數(shù)器74LS193來實現(xiàn)；而對于第三種逐個點亮和逐個熄滅的圖案（0000

13、10001100111011110111001100010000）則采用具有移位寄存功能的74LS199芯片來實現(xiàn)；對于循環(huán)次數(shù)的要求則是通過74LS193和74LS194芯片實現(xiàn)；而圖案轉(zhuǎn)換間的1秒間隔則采用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)；整個系統(tǒng)使用的時鐘脈沖則通過555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器來實現(xiàn)。2.門電路法電路原理圖：圖2門電路法電路原理圖3.部分芯片原理圖74LS151為互補輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，引腳排列如圖所示：圖3 74LS151引腳圖選擇控制端（地址端）為CA，按二進制譯碼，從8個輸入數(shù)據(jù)D0D7中，選擇一個需要的數(shù)據(jù)送到輸出端Y，G為使能端，低電平有效。 （1）使能

14、端G1時，不論CA狀態(tài)如何，均無輸出（Y0，W1），多路開關(guān)被禁止。838電子 （2）使能端G0時，多路開關(guān)正常工作，根據(jù)地址碼C、B、A的狀態(tài)選擇D0D7中某一個通道的數(shù)據(jù)輸送到輸出端Y。 如：CBA000，則選擇D0數(shù)據(jù)到輸出端，即YD0。新藝圖庫 如：CBA001，則選擇D1數(shù)據(jù)到輸出端,即YD1，其余類推。74LS151功能表:表1 74LS151功能表4LS139 為兩個2線4 線譯碼器，共有 54/74S139和 54/74LS139 兩種線路結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)選通端（G1）為低電平，可將地址端（A、B）的二進制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 若將選通端（G1）作為數(shù)據(jù)輸入端時，1

15、39 還可作數(shù)據(jù)分配器。74LS139的邏輯功能表如表2所示，引腳圖如圖8所示：表2 74LS139邏輯功能表圖3 74LS139引腳圖與邏輯圖74LS199的邏輯功能表如下表所示：表3 74LS199邏輯功能表2.3 方案比較經(jīng)過仿真驗證，個人與小組兩種方案都能很好的實現(xiàn)三種霓虹燈圖案的控制，各有各的優(yōu)缺點，對于個人方案即單片機控制的移位法和編碼法，器件線路簡單，連接方便，只需搭建單片機最小電路，編寫控制程序并導(dǎo)入即可實現(xiàn)，調(diào)試與改善電路都較為方便，方法也更為智能化，但是考慮到若將此設(shè)計應(yīng)用于批量生產(chǎn)與應(yīng)用，則單片機成本較為昂貴，而且頗有大材小用的味道；而對于小組的門電路法，采用74LS系列

16、集成芯片、555定時器和一些邏輯門電路搭建，成本較低，有利于設(shè)計的批量生產(chǎn)和應(yīng)用推廣，但是由于芯片較多，線路較為復(fù)雜，所以存在著連接、檢查、調(diào)試與改善電路時較為繁瑣的缺點，同時占用空間也較大，導(dǎo)致成品部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。3. 部分電路與程序設(shè)計3.1部分電路說明1）按鍵復(fù)位按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復(fù)位。電路圖如圖2.1圖2.1 按鍵復(fù)位電路2）振蕩電路單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合單片機部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率

17、越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定圍調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連

18、的不同鎖相環(huán)來提供。STC89C51使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。其電路原理圖如2.2所示。圖2.2 晶體振蕩電路3.2 部分程序設(shè)計3.2.1 搖擺圖案單元為了實現(xiàn)搖擺圖案（01011010），且重復(fù)循環(huán)六次，作如下編程：for(i=6;i>0;i-) /搖擺狀態(tài)6次循環(huán)P0=0x05; /P0口低四位按0101顯示delay(1000); /延時1sP0=0x0a; /1010delay(1000); /延時1s其中for循環(huán)用以實現(xiàn)六次重復(fù)， 每次循環(huán)編碼輸出改

19、變，從00000101經(jīng)過一秒變?yōu)?0001010，LED得到高電平發(fā)光，從而實現(xiàn)搖擺圖案。3.22 暗點循環(huán)單元為了實現(xiàn)暗點循環(huán)圖案（01111011110111100111），作如下編程：for(i=3;i>0;i-)P0=0x07; /0111delay(1000);P0=0x0b; /1011delay(1000);P0=0x0d; /1101delay(1000);P0=0x0e; /1110delay(1000); 其中for循環(huán)是用于實現(xiàn)三次圖案的循環(huán)，四個賦值語句P0=0x07，P0=0x0b，P0=0x0d，P0=0x0e，以與dalay語句以實現(xiàn)暗點循環(huán)圖案，而del

20、ay（）程序則是為了產(chǎn)生人眼分辨燈工作狀態(tài)變換的時間間隔。3.2.3 逐個點亮逐個熄滅單元為了實現(xiàn)逐個點亮和逐個熄滅圖案（000010001100111011110111001100010000）做如下編程：for(i=2;i>0;i-)for(j=8;j>0;j-)P0=a; /令P0各I/O口為00001111初始狀態(tài)delay(1000);a=_crol_(a,1); /每次循環(huán)左移一位同理的，賦值語句P0=a和_ a=_crol_(a,1)語句用以實現(xiàn)00000000000000010000001100000111000011110001111000111100011110

21、0011110000的數(shù)碼循環(huán)，與所需要的圖案，for循環(huán)同樣用于實現(xiàn)圖案的兩次重復(fù)，delay（）用于時間間隔。3.2.4 時間間隔單元為了實現(xiàn)圖案轉(zhuǎn)換間的1秒時間間隔以與LED燈工作狀態(tài)變換的人眼識別時間編寫如下的timems程序：void delay(uint z)/延遲z毫秒uint i,j;for(i=z;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);通過設(shè)置空執(zhí)行的循環(huán)語句，以單片機自身運行時間為基礎(chǔ)，編程調(diào)試出所需要的時間間隔。4 .調(diào)試與檢測調(diào)試中故障與解決辦法遇到的問題：（1）在運行時發(fā)現(xiàn)圖案的變換與所設(shè)想的完全相反；（2）LED燈一直不亮；解決的辦法：（1）

22、正確連接高低位，紅燈對應(yīng)0接口，綠燈對應(yīng)P0.0接口；（2）使用P0口輸出時要外加上拉電阻，否則輸出都為高阻態(tài)；5. 仿真操作步驟與使用說明打開對應(yīng)的protues文件，查看是否將先前編輯好的hex文件導(dǎo)入單片機中，并檢查元件之間的關(guān)聯(lián)路徑是否正確，線路之間有沒有短路點。檢查無誤后，點擊啟動按鈕進行仿真，可以觀察到三種霓虹燈圖案的變換。搖擺狀態(tài)01011010，重復(fù)6次后，進行暗點循環(huán)01111011110111100111，重復(fù)循環(huán)3次后，進行逐個點點亮和熄滅，000000000000000100000011000001110000111100011110001111000111100011

23、110000，這樣循環(huán)2次后，再進行搖擺狀態(tài)，達(dá)成設(shè)計目標(biāo)。結(jié)束語單片機作為我們的主要專業(yè)課之一，雖然在大二學(xué)年我對這門課并沒有什么興趣，覺得那些程序枯燥乏味，但在這次課程設(shè)計后我發(fā)現(xiàn)自己在一點一滴的努力中對單片機的興趣也在逐漸增加。這次單片機課程設(shè)計我們歷時兩個星期，在我們班里算是倒數(shù)幾組完成的吧，但經(jīng)過這兩個星期的實踐和體驗下來，我們又怎么會去在乎那個先后問題呢，因為對我來說學(xué)到的不僅是那些知識，更多的是團隊和合作。現(xiàn)在想來，也許學(xué)校安排的課程設(shè)計有著它更深層的意義吧，它不僅僅讓我們綜合那些理論知識來運用到設(shè)計和創(chuàng)新，還讓我們知道了一個團隊凝聚在一起時所能發(fā)揮出的巨大潛能。在做本次課程設(shè)計的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計資料了。為了讓自己的設(shè)計更加完善，查閱這方面的設(shè)計資料是十分必要的，同時也是必不可少的。我們是在做單片機課程設(shè)計，但我們不是藝術(shù)家，他們可以拋開實際盡情在幻想的世界里翱翔，而我們一切都要有據(jù)可依，有理可尋，不切實際的構(gòu)想永遠(yuǎn)只能是構(gòu)想，永遠(yuǎn)無法升級為設(shè)計。作為一名自動化專業(yè)的大二學(xué)生，我覺得做單片機課程設(shè)計是十分有意義的，而且是十分必要的。在已度過的大學(xué)時間里，我們大多數(shù)接觸的是