基于单片机的可控制的led跑马灯设计__毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的可控制的led跑马灯设计__毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

耐压值应大于额定输出的 ～ 2 倍。 对于 5V 电压输出，使用耐压值为 16V 的电容。 二极管的选择 16 二极管的额定电流值应大于最大负载电流的 倍，但考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于 LM2575 的最大电流限制；另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的 倍。 LM2575 的最大输出电流为 1安，因采用的外部电源为 9V 直流电池，所以采用正向电流为 1 安、反向电压为 40V 的 IN5819二极管。 在本设计中因为此二极管能达到续流的要求 ，所以单独使用即可。 复位电路 单片机的复位，是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。 单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚 RST 上外接电阻和电容，实现上电复位。 当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。 复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。 具体数值可以由 RC 电路计算出时间常数。 复位电路 有 按键复位和上电复位两 种。 （ 1） 上电复位 ： STC89C52RC 系列单片 机 为高电平复位，通常在复位引脚 RST上连接一个电容到 VCC，再 连接一个电阻到 GND，由此形成一个 RC 充放电回路保证单片机在上电时 RST 脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为 10K和 10uF。 如图 所示。 图 上电复位电路图 （ 2） 按键复位： 按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、 RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。 如图。 17 图 由于 按键复位 可控性稍强， 比较适合样品制作或者实验室调试场合 ，本设计采用按键复位。 如图 所示。 图 复位电路图 晶振电路 图 晶振 电路图 单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全 称 叫晶体振荡器， 它 结合单片机内部电路产生单片机所 需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片 机 的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。 高级的精 18 度更高。 有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（ VCO）。 晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的 单频振 荡。 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。 通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。 有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。 晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。 如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。 STC89C52RC使用 12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起 到稳定频率的作用，一般选用 20~30pF的瓷片电容。 LED电路 的实现 (1) LED 结构 (2) LED 原理 LED（ Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。 LED 的心脏是一个半导体的晶片。 晶片的一端附在一个支架上，一端是 负极 负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被 环氧树脂 封装起来。 半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是 电子。 但这两种 半导体 连接起来的时候，它 们之间就形成一个 PN结。 当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。 而光的波长也就是光的颜色，是由形成 PN 结的材料决定的。 根据不同材料 发光二极管的发光颜色有：红色光、黄色光、绿色光、红外光等。 LED 有共阴极和共阳极两种。 在此设计中我们采用共阳极，共阳极将发光二极管 19 的阳极连接在一起，接入 +5V 的电压。 普通发光二级管的工作电流是 520毫安，本设计中采用的是 3mm 发光二级管，所以采用 470Ω电阻限流，使其正常工作，工作 电流约为 10毫安（一般有色发光二极管工作电流约为 10 毫安，透明发光二极管工作电流为 20 毫安）。 图 LED 电路图 图 中主要元件有 470Ω的电阻、 LED。 电阻 为每个 LED 的限流电阻。 此 20 最小系统提供了 15 个独立 LED（ 接蜂鸣器） ，由 P0、 P2 口控制，采用共阳级接法所以只有当 P0、 P2口输出低电平时 LED 才会点亮。 数码管显示电路的实现 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数 码管比七段数码管多一个 发光二极管 单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个 “8” 可分为 1 位、 2位、 4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极接到 +5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮 ；共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极 接到一起形成公共阴极的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极接到地线 GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 本设计中采用的是 SM410501K 型号的数码管，其结构图如下： SM410501K 属于 LEDLED8 字一位数码管，规格为 寸，共阳，亮红色，上下 10 脚。 由于此数码管为共阳数码管，其使用的 09 数字显示代码为：0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90。 十六进制代码分别对应 P1 口时，显示其所对应的数字。 具体数码管与锁存器以及单片机之间的连接如下图所示： 21 图 数码管点亮 电路图 本次设计中使用的是 SN74HC573N 锁存器芯片， 输入是和标准 CMOS 输出兼容的 ， 当锁存使能端 LE 为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。 当锁存使能变低时，之前在传输的数据会被锁存。 芯片中， D1D8为数据输入端， Q1Q8为数据输出端， LE为锁存控制端，且高电平有效， OE 为使能端，且低电平有效，因为本设计中，只是用一位数码管，所以使 LE 接电源正极， OE接电源负极。 使用锁存器之后， 处理器处理的时间仅限于显示内容发生变化的时候，这在整个显示时间上只是非常少的一个部分。 而处理器在处理完后可以有更多的时间来执行其他的任务 ；且作为输出缓冲器 暂时存放处理器送往外设的数据 ， 有了数控缓冲器，就可以使高速工作的 CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步 ，使单片机发送的数据同时到达数码管，使数码管的各段发光二极管能够同时亮起以显示所需的图形。 锁存器 锁存器 (Latch)是一种对 脉冲 电平敏感的 存储单元 电路 ，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。 锁存，就是把 信号 暂存以维持某种电平状态。 锁存器的最主要作用是缓存，其次 完成高速的控制其与慢速的外设的不同步问题，再 22 其次是解决驱动的问题，最后是解决一个 I/O 口既能输出也能输入的问题。 只要在有锁存信号时输入时，状态就会被保存到输出，直到下一个锁存信号的到来。 通常只有 0和 1两个值。 锁存器是典型的逻辑电路 ， 是 D触发器。 在数码管显示方面，要维持一个数据的显示，往往要持续的快速的刷新。 尤其是在四段八位数码管等这些要选通的显示设备上。 在人类能够接受的刷新频率之内，大概每三十毫秒就要刷新一次。 这就大大占用了处理器的处理时间，消耗了处理器的处理能力，还浪费了处理器的功耗。 锁存器的使 用可以大大的缓解处理器在这方面的压力。 当处理器把数据传输到锁存器并将其锁存后，锁存器的输出引脚便会一直保持数据状态直到下一次锁存新的数据为止。 这样在数码管的显示内容不变之前，处理器的处理时间和 IO引脚便可以释放。 可以看出，处理器处理的时间仅限于显示内容发生变化的时候，这在整个显示时间上只是非常少的一个部分。 而处理器在处理完后可以有更多的时间来执行其他的任务。 这就是锁存器在 LED 和数码管显示方面的作用 :节省了宝贵的 MCU（ Micro Control Unit） 时间。 锁存器还具有缓存的作用，它作为输出缓冲器 暂 时存放处理器送往外设的数据。 有了数控缓冲器，就可以使高速工作的 CPU 与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。 就可以使单片机发送的数据同时到达数码管，使数码管的各段发光二极管能够同时亮起以显示所需的图形。 蜂鸣器 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 由于蜂鸣器是 直流电压 驱动的，不需要利用交流 信号 进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平就能使蜂鸣器发出声音，所以本次设计中采用压电有源插针蜂鸣器。 图 蜂鸣器电路 23 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的 I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用 放大电路 来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。 晶体三极管，是最常用的基本元器件之一，晶体三极管的作用主要是电流放大， 它 是电子电路的核心元件，三极管基本机构是在 一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结，两个 PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有 PNP和 NPN 两种， 从三个区引出相应的电极，分别为基极 b 发射极 e 和集电极 c。 发射区和基区之间的 PN 结叫发射结，集电区和基区之间的 PN 结叫集电 结。 基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP 型三极管发射区 发射 的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里。 三极管主要用来控制电流的大小， 本设计中使用集电极放大电路，信号从基极输入，从发射极输出，集电极接地，当输入逻辑“ 0”时 ，发射结正向偏置，集电结反向偏置，电流放大，电压跟随，以此来驱动蜂鸣器发出声音。 此设计主要是采用控制系统的延时来完成的，此设计中是将流水灯、数码管和蜂鸣器结合在一起来使用，且包含九种模式，每种模式中流水灯样式和数码管显示一一对应，每次对 P0、 P P2 口赋予相应的值，即可达到预期的效果，再和不同的延时相配合，就能达到不同的流水效果了。 具体程序见 附录。 在程序编写方面，本设计采用相对简单的 C 语言进行编程，采用 C 语言进行编程的原因是它具有简单紧凑、灵活方便、可移植性好等 特点。 程序编写过程当中采用数组、取余、循环移位、移位运算、延时等方式来达成想要的效果。 编程内容以九种模式为核心，控制 LED 跑马灯和数码管进行九种变化方式，从而达到设计方案最终预期的效果。 24 ： 开始 延时的计算 在本次设计中采用的延时程序为 while（ count），即延时时间为 count*指令周期，所以可采用将 count 值在范围内改变，或采用多层嵌套，来更改延时时间，从而灵活应用 ，如改变速度等。 初始化 模式一 模式二 模式三 模式四 模式七 模式 六 模式八 模式五 模式九 25 由于方案中采用 12MHZ 的晶振，一个机器周期 =12 个振荡周期 =1us，也就是说，一个基本操作占用时间为 1us。 那么当 delay(50000)时，延时时间为 秒。 跑马灯的效果描述 此次设计中的 LED、数码管、蜂鸣器接口分别为 (1)P1 口接数码管：共阳 ...... 分别接数码管的 a,b,c,d,e,g,f,dp (2)...... 和 P2 口接流水灯 (两个三角形， 15个灯 )： 灯排列方式为： (绿 ) (红 ) (红 ) (绿 )。