課程名稱：       《單片機(jī)技術(shù)》     

         設(shè)計題目：       心形流水燈設(shè)計

         學(xué)    院：   電子信息與電氣工程學(xué)院

         學(xué)生姓名：

         學(xué)    號：

         專業(yè)班級：

         指導(dǎo)教師：   

課程設(shè)計任務(wù)書

心形流水燈設(shè)計

摘  要：設(shè)計了一個心形流水燈電路，該電路可以實(shí)現(xiàn)32個LED燈循環(huán)閃亮、依次熄滅、對角閃亮、對角熄滅、間隔閃亮、間隔熄滅等多種功能。該電路主要由單片機(jī)芯片STC89C52、電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路和顯示電路組成。利用Keil軟件編寫C語言程序，并生成目標(biāo)代碼Hex文件。使用Proteus軟件設(shè)計仿真電路，并調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼，即可在仿真圖中看到模擬實(shí)物的運(yùn)行狀態(tài)和過程。使用Altium Designer軟件對電路進(jìn)行原理圖設(shè)計和PCB設(shè)計，并對該電路行安裝和調(diào)試，調(diào)試結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)流水燈的多種亮滅循環(huán)的功能。本人主要負(fù)責(zé)程序設(shè)計。

目錄

1. 設(shè)計背景

1.1 流水燈在生活中的應(yīng)用

1.2 單片機(jī)在生產(chǎn)及生活中的應(yīng)用

2. 設(shè)計方案              1

2.1 方案對比

2.2  STC89C52芯片功能

2.3 方案論證              4

3. 方案實(shí)施

3.1 電路原理圖設(shè)計

3.2 程序設(shè)計

3.3 電路功能仿真              10

3.4 電路PCB設(shè)計

3.5 安裝與調(diào)試

4. 結(jié)果與結(jié)論

5. 收獲與致謝

6. 參考文獻(xiàn)

7. 附件

7.1 元器件清單

7.2 電路仿真圖

7.3 電路原理圖

7.4 PCB布線圖

7.5 實(shí)物圖

7.6 程序代碼                        

1.設(shè)計背景

1.1 流水燈在生活中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為首的電子工藝技術(shù)的使用也越來越廣泛，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)設(shè)計的電子電路也層出不窮。 LED彩燈由于其豐富的燈光色彩、低廉的造價以及控制簡單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，用彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時尚。利用控制電路可使彩燈按一定的規(guī)律不斷的改變狀態(tài)，不僅可以獲得良好的觀賞效果，而且可以省電。

    彩燈的運(yùn)用已經(jīng)遍布于人們的生活中，從歌舞廳到卡拉OK包房，從節(jié)日的祝賀到日常生活中的點(diǎn)綴，這些不僅說明了我們對生活的要求有了質(zhì)的飛躍，也說明科技在現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)用有了較大的發(fā)展。在這一設(shè)計中我們將運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，與單片機(jī)芯片STC89C52的功能，對心形流水燈系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，來實(shí)現(xiàn)流水燈的多種亮與滅的循環(huán)，給人帶來美感。

1.2單片機(jī)在生產(chǎn)及生活中的應(yīng)用

單片微計算機(jī)自20世紀(jì)70年代問世以來，已對人類生活產(chǎn)生了巨大的影響。尤其是美國Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)，由于其具有集成度高、可靠性強(qiáng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易于使用等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的普及和應(yīng)用。也正是由于單片機(jī)的這些特點(diǎn)，它的出現(xiàn)是集成電路技術(shù)與微型計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，給工業(yè)自動化等領(lǐng)域帶來了一場重大的革命。

單片機(jī)體積小，很容易嵌入到系統(tǒng)之中，以實(shí)現(xiàn)各種方式的檢測、計算或控制，而一般的微型計算機(jī)無法做到。由于單片機(jī)本身就是一個微型計算機(jī)，因此只要在單片機(jī)的外部適當(dāng)?shù)脑黾右恍┍匾�的外圍擴(kuò)展電路，就可以靈活的構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)自動檢測監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等。除此之外，單片機(jī)在家用電器中的應(yīng)用也很普及，例如，洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、電風(fēng)扇、電視機(jī)、微波爐、加濕機(jī)、消毒柜等，在這些設(shè)備中嵌入了單片機(jī)之后，其功能和性能大大提高，并可實(shí)現(xiàn)智能化和最優(yōu)化控制。

2.設(shè)計方案

2.1 方案對比

1、單片機(jī)芯片的比較與選擇

單片機(jī)作為該電路的主要控制器芯片，即整個系統(tǒng)的控制核心部分，主要是負(fù)責(zé)控制LED燈的不同變化速度以及變化效果。因此對單片機(jī)芯片的選擇，必須要求其功耗低、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率快。

方案一：采用STC89C52單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)是一種低耗、可編程、高性能的8位微控制處理器，其內(nèi)部包括微處理器、具有8K的系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 看門狗定時器、輸入/輸出口、中斷系統(tǒng)等，其具有價格低廉、技術(shù)成熟、操作簡單等特點(diǎn)，滿足本系統(tǒng)的要求。

方案二：選擇TI公司生產(chǎn)的MSP430F149系列單片機(jī)系統(tǒng)。此款單片機(jī)具有低電壓、超低功耗的特點(diǎn)，工作電壓在3.6-1.8V之間，具有強(qiáng)大的功能和高效的運(yùn)算處理能力。

方案選擇：由于STC89C52芯片價格便宜，支持在線下載程序而且MSP430F149系列單片機(jī)的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們本系統(tǒng)，操作不便。

    綜合考慮，我們選擇方案一。

2、LED燈控制方式的比較與選擇

方案一：選用單片機(jī)I/O口一對一直接控制LED燈，正好控制32個LED燈。

方案二：采用74HC573鎖存器控制LED燈，當(dāng)運(yùn)用兩片74HC573鎖存器就可以控制32個LED燈，只占用了單片機(jī)的10個I/O口，這樣可以減少I/O口數(shù)量。

為了操作方便，減少復(fù)雜的步驟，我們采取方案一。

2.2  STC89C52芯片功能

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的微控制器，具有8K的系統(tǒng)可編程Flash存儲器，其具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能，在經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核上做了很多的改進(jìn)，使得STC89C52在處理嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)時更加高效、靈活。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4個外部中斷、全雙工串行口、一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)、3個16位定時器/計數(shù)器、8K字節(jié)Flash、512字節(jié)RAM（隨機(jī)存儲器）、看門狗定時器，其12周期和6周期可以任意選擇，其工作電壓在3V~5.5V之間，工作頻率在0~40MHZ，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHZ。其管腳的封裝圖如圖1所示。

圖1  單片機(jī)管腳封裝圖

1、電源引腳

（1）VCC（38腳）：芯片電源，接+5V；

（2）GND（16腳）：接地端；

2、時鐘引腳

（1）XTAL1（15腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器電路的輸入端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時，該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)采用外接時鐘源時，該引腳接外部時鐘振蕩器的信號。

（2）XTAL2（14腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時，該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)采用外部時鐘源時，該引腳懸空。
3、控制引腳
（1）ALE（27腳）：用來鎖存P0口送出的低8位地址

（2）PSEN（26腳：外部ROM讀選通信號。
（3）RST（4腳）：復(fù)位信號輸入端。
（4）EA’/Vpp（29腳）：內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。
4、并行I/O引線

（1）P0口：8位，漏極開路的雙向I/O口。

當(dāng)STC89C52擴(kuò)展外部存儲器及I/O接口芯片時，P0口作為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線的分時復(fù)用端口。P0口也可作為通用的I/O口使用，但需要上拉電阻，這時為準(zhǔn)雙向口。當(dāng)作為通用的I/O輸入時，應(yīng)先向端口輸出鎖存器寫入1，P0口可驅(qū)動8個TTL負(fù)載。

（2）P1口：8位，準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。

P1是專為用戶使用的準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)作為通用的I/O口輸入時，應(yīng)先向端口鎖存器輸入1，P1口可驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。

（3）P2口：8位，準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。

當(dāng)STC89C52擴(kuò)展外部存儲器及I/O口時，P2作為高8位地址總線用，輸出高8位地址。P2口也可作為普通的I/O口使用。當(dāng)作為普通的I/O口使用時，應(yīng)先向端口鎖存器輸入1，P1口可驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。

（4）P3口：8位，準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。

P3口可作為普通的I/O口使用，當(dāng)作為普通的I/O輸入時，應(yīng)先向端口輸出鎖存器輸入1，P3口可驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。P3 口還可提供第二功能，其第二功能定義見表1。

表1   P3 口第二功能定義表

（4）P4口：可實(shí)現(xiàn)位尋址。

2.3 方案論證

按照單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展與系統(tǒng)配置狀況，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為最小系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)及典型系統(tǒng)等。STC89C52單片機(jī)是本次課程設(shè)計運(yùn)用的主要元件。心形流水燈設(shè)計使用一個帶有32個發(fā)光二極管的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，即為發(fā)光二極管、晶振、復(fù)位、電源等電路和必要的軟件組成的單個單片機(jī)。如果要讓接在P0、P1、P2、P3口的LED燈亮起來，只要將P0、P1、P2、P3口的電平變?yōu)榈碗娖骄涂梢粤恕Ｒ虼耍�要�?shí)現(xiàn)流水燈功能，要將LED依次點(diǎn)亮、熄滅，32只LED燈便會一亮一暗做流水燈了。由于人眼的視覺暫留效應(yīng)以及單片機(jī)執(zhí)行每條指令的時間很短，在控制LED亮滅的時候應(yīng)該延時一段時間，否則就看不到"流水"效果了。硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

                                    圖2  硬件設(shè)計框圖

• 方案實(shí)施
  

3.1 電路原理圖設(shè)計

1、電源電路

本次課程設(shè)計，單片機(jī)正常工作要求輸出電壓為穩(wěn)定的5V，輸出電壓能夠適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動項(xiàng)能。并且電路還必須簡單可靠，能夠輸出足夠大的電流，但是不至于會燒壞元器件。我們采用USB取電，4.8V鋰電池供電。電源電路如圖所示，C1和C2起到濾波作用，R18和R19的作用是平衡電路中的電流，以免在只有1個LED燈亮?xí)r燒壞元器件。電源電路如圖3所示。

圖3  電源電路圖

2、時鐘電路

單片機(jī)內(nèi)有一個由反相放大器所構(gòu)成的振蕩電路，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2引腳上外接石英晶體和微調(diào)電容構(gòu)成并聯(lián)振蕩回路。晶振頻率設(shè)置為11.0592MHZ,作用是產(chǎn)生時鐘信號。單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)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(jī)晶振提供的時鐘頻率。電容值為30pF,可以起到頻率微調(diào)作用。時鐘電路如圖4所示。

圖4  時鐘電路圖

3、復(fù)位電路

單片機(jī)RST接口為復(fù)位信號輸入端，高電平有效。在該引腳上加上持續(xù)時間大于兩個機(jī)器周期的高電平，就可以使單片機(jī)復(fù)位。在單片機(jī)正常工作時，此引腳應(yīng)為小于或等于0.5V的低電平。復(fù)位電路接單片機(jī)RST端口,在RST輸入端出現(xiàn)高電平時實(shí)現(xiàn)復(fù)位和初始化。復(fù)位電路如5所示。

圖5  復(fù)位電路

4、顯示電路

    單片機(jī)的P0口為8位的漏極開路的雙向I/O口，當(dāng)P0口作為普通的I/O口使用時，需要上拉電阻，這時為準(zhǔn)雙向口。P1 、P2、 P3 都為8位的準(zhǔn)雙向口，具有內(nèi)部上拉電阻。圖6為顯示電路，單片機(jī)I/O口一對一直接控制LED燈，顯示電路中的32個電阻既為上拉電阻，也起到電路分壓作用，防止燒壞元器件。顯示電路如圖6 所示。

                                    圖6  顯示電路圖

3.2 程序設(shè)計

• Keil軟件介紹
  

本次課程設(shè)計，我們采用Keil軟件進(jìn)行C語言編程。Keil軟件是美國Keil Software公司開發(fā)的，它適合WindowsXP、Win7等系統(tǒng)，具有可視化操作界面，使用方便簡單，并且支持C51語言、匯編語言以及兩者混合編程等多種方式的單片機(jī)設(shè)計，KeilC51在兼容標(biāo)準(zhǔn)C語言的基礎(chǔ)上，又增加了很多與51系列單片機(jī)硬件相關(guān)的編譯特性，其生成的程序代碼運(yùn)行的速度快，所需的存儲器空間小。

Keil軟件已被完全集成到一個功能強(qiáng)大的全新環(huán)境中，該開發(fā)環(huán)境集成了文件編譯處理、編譯鏈接、項(xiàng)目管理、工具引用、和仿真軟件模擬器等多種功能。Keil軟件具有豐富的庫函數(shù)，同時也帶有功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以自動識別所編寫程序的語法錯誤，編譯效率也很高， 能將源文件編譯為二進(jìn)制機(jī)器語言代碼，其軟件調(diào)試仿真功能也很強(qiáng)大，能通過單步、設(shè)置斷點(diǎn)等功能讓編程者了解CPU正在進(jìn)行的程序，并能監(jiān)控各變量以及各寄存器是否符合編程者的要求。

• 程序編寫
  

單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在硬件原理圖搭建完成上電之后，暫時還不能看到流水燈循環(huán)點(diǎn)亮的現(xiàn)象，還需要編寫程序控制單片機(jī)管腳電平的高低變化，來實(shí)現(xiàn)LED燈的各種亮滅功能。

先將P0、P1、P2、P3全部置1，即通入高電平，用16進(jìn)制表示為0XFFH，則32個LED燈全部處于熄滅狀態(tài)。然后給P0口賦值0X7FH，即只有P0.0處于低電平時，LED1燈點(diǎn)亮。使用延時函數(shù)delay，并設(shè)置延時時間為2秒，延時時間一到P0口的值就變?yōu)?X3FH,即P0.0和P0.1都為高電平，LED2也開始點(diǎn)亮，如此循環(huán)P0口控制的8個LED燈全部點(diǎn)亮，當(dāng)高電平變?yōu)榈碗娖綍r，LED燈熄滅。P1、P2、P3口控制的LED燈閃亮和熄滅原理同P0口一樣，所以就可以看到LED燈的流水效果了。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序設(shè)計流程圖

• 程序調(diào)試
  

    在程序設(shè)計好了之后，需要建立工程、寫C源文件、連接工程、獲得目標(biāo)代碼Hex文件，所以程序的調(diào)試就顯得至關(guān)重要。剛開始程序總是編譯出錯，請教了老師之后才知道是程序的編寫存在語法錯誤，我們就仔細(xì)閱讀并檢查所編寫的程序，發(fā)現(xiàn)在給I/O 口的狀態(tài)賦初值時，多加了一個分號，導(dǎo)致語法錯誤，編譯不能正確通過。經(jīng)過反復(fù)的檢查、編譯、調(diào)試，程序最終沒有錯誤，可以將程序代碼文件調(diào)入Proteus軟件，進(jìn)行電路功能仿真。

3.3 電路功能仿真

在各部分電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，按照總體電路圖在Proteus上一一進(jìn)行器件選擇，并連接。將電路連接好后，為各個器件選擇合適的參數(shù)，然后調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼Hex文件，啟動仿真。根據(jù)LED燈是否發(fā)亮，判斷所設(shè)計的電路是否可以實(shí)現(xiàn)32個LED燈依次點(diǎn)亮、依次熄滅、對角閃亮、對角熄滅、間隔閃亮、間隔熄滅等多種功能。剛開始時，LED燈不亮，仔細(xì)檢查原來是將LED燈接反了，改正之后LED燈便可以正常發(fā)光了。電路仿真的結(jié)果為32個LED燈依次發(fā)亮、依次熄滅，并可以實(shí)現(xiàn)多種亮滅功能。根據(jù)仿真結(jié)果可知電路原理及程序無誤，可以進(jìn)行PCB設(shè)計。

3.4 電路PCB設(shè)計

    在原理圖及仿真圖設(shè)計成功的情況下，設(shè)置正確的PCB外形和尺寸，按照課程設(shè)計所給的要求，設(shè)置環(huán)境參數(shù)。接著向PCB文件中導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表及元件的封裝等數(shù)據(jù)，然后設(shè)置工作參數(shù)。根據(jù)要求設(shè)置布線規(guī)則。在上述準(zhǔn)備工作都完成就緒的情況下，對原件進(jìn)行布局，使盡量少的線重疊，以減少布線時跳線的出現(xiàn)。

3.5 安裝與調(diào)試

在安裝時要考慮LED燈正負(fù)極有沒有接反，所以安裝前，請教了老師怎樣辨認(rèn)正負(fù)極。然后安裝好所有的元件后，按照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊的問題，接下來用萬用表逐一檢查有沒有虛焊、線路斷路或線路短路的問題。在線路沒有問題的情況下連接電源調(diào)試，加入電源以后， 32個LED燈可以循環(huán)點(diǎn)亮、依次熄滅，可以達(dá)到預(yù)期的效果。

4. 結(jié)果與結(jié)論

在設(shè)計電路圖的過程中，經(jīng)過了多次分析和仿真驗(yàn)證，并結(jié)合所給的器件清單最后確定了需要哪些器件來實(shí)現(xiàn)電路的功能，并且保證了所需要的元器件在給出的清單范圍內(nèi)。經(jīng)過Proteus軟件多次仿真和修改后，在仿真電路圖實(shí)現(xiàn)設(shè)計要求的前提下確定了最終的原理圖。然后在Altium Designer中畫出來所對應(yīng)的原理圖，再導(dǎo)入到PCB設(shè)計的環(huán)境中，進(jìn)行PCB設(shè)計。在經(jīng)過小組內(nèi)多次討論和聽取指導(dǎo)老師的意見后確定了PCB的最終布局，布線完成后打印輸出制成印刷電路板。將所有的元器件放到相應(yīng)的封裝位置，查無誤后進(jìn)行焊接。焊接完成，接入電源后，心形流水燈實(shí)現(xiàn)了32個LED燈依次點(diǎn)亮、依次熄滅，對角點(diǎn)亮、間隔點(diǎn)亮燈多種功能。電路能夠正常工作，得到了老師的肯定。

    總體說來，電路布局合理，采用了模塊化的布局方式即先布局各個功能模塊，再將各個功能模塊連接在一起組成最終的電路，但是電路還是存在一定的不合理之處，在布局合理美觀方面存在一些沖突，由于布線太過寬松，整體尺寸稍大。

5. 收獲與致謝

經(jīng)過為期兩周的課程設(shè)計，我收獲很多。在本次課程設(shè)計中，我們遇到了很多困難，比如電路圖畫錯、編程出現(xiàn)錯誤、軟件不會使用、元器件虛焊斷焊以及焊錯等。在這期間,我還是努力認(rèn)真的去檢查和修改，雖然這個過程非常艱難，但還是值得我回味的。在整個課程設(shè)計過程中，我查閱了相關(guān)書籍和文獻(xiàn)資料，從中學(xué)習(xí)了一些單片機(jī)的工作原理以及怎樣去設(shè)計一個電子電路，還參照了一些以前做過的課程設(shè)計。這次課程設(shè)計，加深了我對以前學(xué)過的課本知識的理解和認(rèn)識，以前有些課本上的理論知識總是弄不懂，這次通過自己親自動手去實(shí)踐，很多問題就通俗易懂了。本次課程設(shè)計，真正提高了自己的各項(xiàng)能力，比如獨(dú)立思考解決問題的能力，與人協(xié)作的能力，親自動手實(shí)踐的能力，真正的提高了自己的實(shí)踐技能，培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新能力，為今后完成更高質(zhì)量的項(xiàng)目打下了基礎(chǔ)。

這次我們能夠順利完成課程設(shè)計，是與老師們的辛勤勞動分不開的，所以在此，特別感謝課程設(shè)計輔導(dǎo)老師趙路華老師和單片機(jī)任課老師丁瑩亮老師，感謝他們在設(shè)計中的耐心指導(dǎo)和提出的寶貴建議，同時也感謝小組搭檔，和我共同度過這為期兩周的課程設(shè)計。

6. 參考文獻(xiàn)

[1] 林志琦.基于Proteus的單片機(jī)可視化軟硬件仿真[M] .北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2] 何立民.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M] .北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

[3] 張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M] .北京：高等教育出版社，2004.

[4] 谷樹忠，劉文洲，姜航.Altium Designer教程-原理圖、PCB設(shè)計與仿真.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5] 張陽天，韓異凡.Protel DXP電路設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2005.

7. 附件

7.1 元器件清單

    元器件清單如表2所示。

表2 元器件清單表

7.2 電路仿真圖

    電路仿真圖如圖8所示。

圖8  電路仿真圖

7.3 電路原理圖

    電路原理圖如圖9所示。

圖9 電路原理圖

7.4 PCB布線圖

    PCB布線圖如圖10所示。

圖10  PCB布線圖

7.5 實(shí)物圖

    實(shí)物圖如圖11所示。

圖11 實(shí)物圖

7.6 程序代碼