1、基于单片机at89c51的广场霓虹灯控制设计本科论文毕 业 设 计（论 文）说 明 书 题目 基于AT89C51广场霓虹灯控制系统设计 日基于单片机AT89C51的广场霓虹灯控制设计摘 要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术的计算机系统，具有灵活、强大的控制功能，在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，以便实时监控系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。霓虹灯是城市的美容师，每当夜幕降临时，华灯初上，五颜六色的霓虹灯就把城市装扮得格外美丽。霓虹灯的亮、美、动特点，是任何电光源所不
2、能替代的，在各类新型光源不断涌现和竞争中独领风骚。因此如何设计出变换更为多样的霓虹灯这一课题就具有了时代意义。本设计中的广场霓虹灯是基于89C51单片机设计的，具有显示、红外通信、音乐这三大功能。针对广场霓虹灯变换的多样性这一特点，设计了五种变换方案，通过编写软件程序来实现。本设计针对广场霓虹灯的设计具有结构简单、可扩展性强的特点，具备电气可行性和经济可行性。关键词：霓虹灯；89C51单片机；自动控制Design of square neon lights control based on 89C51AbstractIn recent years, with the rapid develop
3、ment of science and technology, SCM applications are constantly deepening. Single chip is an integrated circuit chip, is a computer system with very large scale integrated circuit technology, has the control function of flexible, powerful, in the MCU application of real-time detection and automatic
4、control system, microcontroller as a core component to use, output to input, and real-time monitoring system, to achieve automatic control.The neon lights are the citys beautician, when night fell, lights, neon lights be riotous with colour of dress took exceptionally beautiful city. Neon light of b
5、right, beautiful, dynamic characteristics, is any electric light source is not a substitute for, to play the leading role in all kinds of new light source are emerging and competition. Therefore, how to design a transformation for the subject to neon variety has the significance of the times.Square
6、neon lamp in this design is based on 89C51 single-chip design, display, infrared communication, the voice of the three functions. According to the characteristics of diversity square neon lights transform, designed five kinds of transformation, achieved by writing software. The design for the design
7、 of square of neon lamp has the advantages of simple structure, strong scalability, electrical and economic feasibility.Keyword：neon light；89C51；automatic control1 绪论1.1 课题研究的目的和意义霓虹灯是一种低气压冷阳极辉光放电发光的光源。霓：有时在虹的外侧还能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫内红，与虹相反。虹：原意也是一种自然现象，就是彩虹，也是七彩的，色序从外至内分别为：赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。霓虹灯：夜间用来吸
8、引顾客，或装饰夜景的彩色灯，所以用“霓虹”这两种美丽的东西来作为这种灯的名字。霓虹是英文NEON的音译。霓虹灯是英国化学家拉姆赛在一次实验中偶然发现的，它的出现成了城市的美容师，每当夜幕降临时，五颜六色的霓虹灯就把城市装扮得格外美丽。在城市的沿街，沿道，沿河等地都能看到霓虹灯的影子，随着霓虹灯图案的复杂化，个性化，慢慢演变成了一种吸引游客和顾客的一种竞争手段。然而霓虹灯图案能够让人眼花缭乱的核心是其控制器。随着单片机的深入应用，霓虹灯控制器也已智能化。低功耗、安全、可靠、快速也正是霓虹灯控制器设计者不断追求的目标。随着时代的进步，人们对于物质生活的迫切追求，周边的环境发生翻天覆地的变化。从钻木
9、取火走到今天灯火阑珊，各种繁华夜景层出不穷，让人叹为观止。这些辉煌景象都离不开电子技术。事实证明电子技术对社会的发展产生了深远的影响。随着电子技术和计算机技术的发展，特别是单片机的发展，使传统的测量仪器在原理，功能，精度及自动化水平方面发生了巨大的变化，形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器智能仪器。智能仪器是以微处理为核心的电子仪器，它不仅是要求设计者熟悉电子仪器工作原理，而且还要求其掌握微型计算机硬件和软件的原理。目前，有很多的传统电子仪器已有相应的替代产品，而且还出现不少全新的仪器类型和测试系统体系。在科学技术高速发展的今天，如何用简单便宜，性能良好的元器件制造出对人类生活有用的产品
10、，已经成为人们研究的主要趋势，在自动化技术中，无论是过程控制技术还是数据采集技术还是测控技术，都离不开单片机，在工业自动化的领域中，机电一体化技术发挥越来越重要的作用。霓虹灯是城市亮化的主要光源，也是城市户外广告的重要媒体形式。为了获得比较理想显示效果和节约能源，大型霓虹灯通常采用动态显示，而控制器是霓虹灯动态显示的核心装置。由于大型霓虹灯功率比较大，控制路数比较多，对控制器有比较特殊要求，如过零控制、高可靠性、成本低等。另外，霓虹灯显示图案通常具有个性特征，要求控制器具备良好的重构性与扩展性。各种各样的霓虹灯让我们感觉眼花缭乱。如今的夜市，各大娱乐场所，霓虹灯是无处不在的，而运用不同的方法就
11、可以实现不同的图案变化，创造一个色彩缤纷的世界。同时可以运用自己所学的知识，将它结合到实际中，将理论实现化，这对于深入的学习是非常有帮助的。1.2 霓虹灯研究情况概述霓虹灯的问世是建立在真空及气体放电的技术发展之上的，是英国化学家拉姆赛在一次实验中偶然发现的。1643年意大利物理学家托里切利首先完成了人类历史的第一次真空试验，继后，德国物理学家盖里克于1650年发明了真空的获得成为现实，为真空中的气体放电现象研究奠定了基础。1838年英国科学家法拉弟关注真空中放电现象的研究的真正转折点是19世纪后半叶兴起的，1858年普吕克发表了真空管中的荧光作用论述，英国科学家克鲁克斯和希托夫等人先后开展了
12、真空中放电现象的系统研究。这一时期，在欧洲一些早期工业革命的国家对气体放电现象的研究十分活跃，特别对气体放电的丰富色彩纷纷进行应用性研究，这就是霓虹灯能够得心出现的历史背景。到19世纪末叶，大约是在1893年以后，在欧洲一些城市分别流行着被称之为“摩尔”（Moll）霓虹灯和“盖塞拉”（Geissler）霓虹灯的原始模型的霓虹灯。在维多利亚皇后60寿辰的庆典上就采用了盖塞拉霓虹灯管作为节日气氛的装饰照明使用。这种原始模型霓虹灯采用石墨材料作电极，在管径为45mm的透明玻璃管内充入氮气和二氧化碳气。前者发粉红色光、后者发白色光，弯成螺旋或文字图案，也很明亮。由于充入的气体化学性质活泼，容易和电极起
13、化学反应，石墨电极溅射率高，很快在玻璃管壁形成一层薄膜，吸收了填充的气体，使管内气压下降，因此这种霓虹灯的寿命很短，没有什么实用价值。为了寻求早期霓虹灯寿命极短的解决办法，英、法的物理学家和化学家对惰性气体的研究作出了杰出的贡献。1894年伦敦大学教授拉姆齐与雷利一起证明了氩的存在，并通过分馏空气得到氩；1895年鉴定了氦的化学性质；1898年拉姆齐教授又与M.特拉弗斯发现空气中存在氖，同年还用液态空气分馏法制取了氪、氡。直到1902年法国科学家克洛德（Claude）发明用绝热膨胀法使空气液化，并用此法进行氖的工业分离，从此，开创了惰性气体的工业提取法。用惰性气体代替活泼气体作为霓虹灯的填充气
14、，不仅使霓虹灯的寿命提到了很大的延长，同时霓虹灯的色彩也更加丰富，这是霓虹灯发展进程中的一项重大技术突破。霓虹灯在我国的第一次出现是1926年在上海最繁华的商业街-南京东路上的伊文思图书公司橱窗内陈列的英文“皇家牌”打字机霓虹灯广告。1927年由上海远东化学制造厂-我国第一家霓虹灯制造厂为上海中央大旅社制作安装的中英文对照的霓虹灯招牌。1930年自制成功霓虹灯电源变压器；1945年制成荧光粉；1951年试制出氩、氖等惰性气体，从此实现了霓虹灯用全部原料、器件的国产化。霓虹灯的兴旺发展总是和国家的兴旺繁荣联系在一起同步出现的。90年代在上海南京路已建成了一条霓虹灯十里长街；南京市和上海闸北区都在
15、实施不夜城计划；大连市金州开发区为改善投资环境，通过举办全国霓虹灯大奖赛建成了一座五彩城。如今天津、重庆、深州等大小城市也建成了以霓虹灯为主体装饰照明的商业、旅游城。作为有100余年发展历史的霓虹技术，在商业演义的历史进程中，一直扮演着极其重要的角色，在今天的新型光源(如LED、EL等)驱动下，霓虹技术将迎接新的挑战。在构成霓虹的灯管、变压器、控制器几大部分中，控制器占着举足轻重的位置，五花八门的霓虹灯图案、霓虹灯的远程控制、过零控制、高可靠性、成本低等对控制器的设计要求也越来越高。目前，对于霓虹灯的设计常采用电子程序式控制回路，电子程序式控制回路前面的两种其实都是机械式，优点是控制简单，成本
16、低廉，但是缺点同样明显，主要体现在以下几点：1、由于电接触点是铜皮对铜块滑动式硬摩擦接触，如果松紧调节不当，会影响其使用及其寿命2、由于铜触点接触面积有限，不能流过5A以上的电流。大电流工作时，必须再驱动交流接触器才能可靠地工作。且成本高，也很麻烦。3、工作时电路的一通一断冲击电流可使接触点拉弧，产生高频辐射，从而干扰无线电和电视信号而电子式程序控制器则克服了上述缺点，广泛用于现代的霓虹灯控制之中。因此在本设计中，将侧重在如何使用单片机控制广场霓虹灯这一问题上。1.3 论文主要研究内容本论文根据广场霓虹灯的实际情况并搜集相关资料，在对霓虹灯控制系统产生的背景及研究现状进行调查的基础上，基于AT
17、89C51单片机设计出了广场霓虹灯的控制系统。本文共有九部分内容。第一部分，绪论。这部分主要论述了该课题研究的目的和意义以及对霓虹灯当前研究情况的概述，还对整个设计的结构进行了概述。第二部分，系统方案设计。在对该系统进行功能需求分析，确定本系统需要具备的功能的情况下为满足需求分析中的各个功能，将系统进行模块划分，并逐一介绍各部分的实现过程，最终绘制了总体设计方案图。第三部分，AT89C51单片机概述。这部分主要针对AT89C51单片机的特性以及单片机最小应用系统的组成来论述并针对本系统的需求，介绍了AT89C51单片机I/O口外扩的方法和接线方式，并为该系统增设了掉电保护设计和“看门狗”。第四
18、部分，硬件部分的设计，主要包括红外接口模块的设计、显示模块的设计以及音乐模块的设计。红外接口模块主要介绍了红外通信需要实现的目标、实现该模块的元器件选型过程以及电路的设计。显示模块主要介绍了LED数码管的显示原理以及本设计中拟采用的显示方案以及显示模块的接线方式。音乐模块这部分主要对音乐模块的实现方法以及所采用的芯片进行了介绍，并画出了接线图。第五部分，软件的设计。这部分主要对如何实现本设计的功能进行了表述，通过流程图的方式展现广场霓虹灯运行的全过程。对于该系统的程序部分，将在附录中具体阐述。第六部分，结论。这部分主要对基于89C51的广场霓虹灯设计情况进行了总结，并和同类产品从功能需求上和元
19、器件选型上这两个方面进行对比，最后，还针对本课题的发展前景和研究方向提出了自己的建议。以上就是论文的主要框架，本论文这是按照上述思路逐步分块设计的，最终完成了基于89C51的广场霓虹灯设计。2 系统方案设计2.1 系统总体设计方案尽管不同场合的控制系统，有其各自的性能要求，但实际上对不同控制系统有一个共同的要求，这就是稳定、精确与快速。1、稳定性由于控制系统都包含储能元件，若系统的参数匹配不当，将引起系统震荡。稳定性是系统动态过程的震荡倾向及其恢复平衡状态的能力。一个稳定的系统，当输出量偏离平衡状态时，应能随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性是一个控制系统首先要保证的条件。2、精确性
20、控制系统的精确性是用稳态误差来衡量的。稳态误差是以一定变化规律的输入信号作用于系统，当调整过程结束而趋于稳定时，输出量的实际值与给定值之间的误差值。精确性好的系统稳态误差小，控制精度高。3、快速性快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。快速性好的系统动态性能好，消除偏差的过渡时间短。而且在控制系统的设计过程中一般应遵从以下原则：1、用国际标准总线结构。这样系统易于扩展，可与通用微机兼容，可支持高级语言和运行众多应用软件，易于在已建立的平台上进行软件开发。2、实时中断和响应能力。软件中任务切换时间和中断延误时间要尽量短。特别对于安全系统的中断，一般应给予较高的优先
21、级。3、可靠性设计和可靠性措施。首先应按照可靠性工程方法对系统进行认真分析、分类、设计，其次要考虑软硬件任务的分配和选择接地、隔离、屏蔽以及工艺性等方面。4、良好的开发环境。例如使用的开发工具尽量利用已有的仪器设备，应在成熟的软件平台上进行软件开发，利用高级语言、实时操作系统及已开发或应用的软件资源。5、结构简单，工艺性合理，易于现场维护，更换备品备件时间要尽量短。6、系统要标准化、模块化，开放性好，易于扩展及与其他外部设备通信或联网，便于用户使用。本设计要设计的是一个基于89C51的广场霓虹灯，该设计主要是实现广场霓虹灯的花样变换方式，因此，本设计应该具备以下功能：1、需具备显示功能，这是整
22、个设计中最核心的部分，实现霓虹灯的花样变换；2、需具备通信功能，实现对霓虹灯的控制；3、需具备音乐功能，实现霓虹灯变换的多样性。如图2-1所示为总体设计方案图：图2-1 总体设计方案图2.2 通信模块的确定1、方案一：单片机串口通信。串口按位发送和接收字节。尽管比按字节的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。2、方案二：使用无线红外通信的方式。由于C51系列单片机的串口不支持红外数据传输功能，因此可采用MAX3100芯片形成串口红外的转换芯片，以完成单片机串口红外数据传输的功能转换。通过系统的功能需求分析和实际的应用情况，综合考虑
23、之后，选择方案二作为本系统的通信模块。2.3 显示模块与音乐模块的确定本设计是基于89C51的广场霓虹灯，因此在显示部分毋庸置疑应当选择发光二极管来实现霓虹灯的多彩变换。为了增加广场霓虹灯的效果，为周围环境增添气氛还增设了音乐功能。本设计拟采用单片机的P0口控制8盏发光二极管，P2口控制8盏发光二极管，构成的16盏灯排成44的矩阵，数码管显示灯的花样种类，方案中总共有5中花样，数码管显示为1、2、3、4、5。采用7920A音乐芯片和M51182L放大驱动扬声器来实现霓虹灯的音乐功能。2.4 电源模块的确定1、方案一：直接购买市场上已有的稳压电源模块，比如+5V、+12V开关电源。这样做的优点是
24、电源稳定，质量可靠，但价格比较高。2、方案二：因为在做实验的时候都离不开电脑，每个电脑的扩展口上都有USB插槽，而现在应用日渐广泛的USB接口上提供+5V电源，我们可以借用这个电源，只需要一根接口线引出来即可。其优点是简单，投入小，但缺点也不容忽视，这样是很危险的，因为另一端是连着电脑，容易对电脑造成损坏。3、方案三：可以由变压器把市电降压，然后整流滤波、变压，可以得到5V电源。这种方法广泛用于电子产品中。通过系统的功能需求分析和实际的应用情况，综合考虑之后，选择方案三作为本系统的电源模块。2.5 单片机控制部分的确定根据实际需要，本系统的整体设计是基于AT89C51单片机的，因此在设计该系统
25、时，还应考虑到单片机的I/O口扩展问题、单片机掉电保护和硬件“看门狗”的问题。1、I/O口外扩部分：由于本设计需要的芯片比较多，单片机原有的4组I/O口不能满足实际接线的需要，因此还需要外扩I/O口。因此，本设计中拟采用82C55芯片进行I/O口的扩展。2、掉电保护和“看门狗”部分：在单片机系统运行时，有可能会发生电源掉电的意外情况，一些重要的数据可能丢失。这时系统应首先检测到电源的变化，然后通过切换电路把备用电池接入系统，以保护RAM中的数据不丢失。因此，本设计中拟采用MAX690A这种将掉电保护电路和“看门狗”电路都已经集成在一片微处理器监控器芯片。3 AT89C51单片机概述3.1 AT
26、89C51特性AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，
27、128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。因此在本设计中，应选用AT89C51单片机比较合适。3.2 单片机最小应用系统AT89C51单片机内部有4KB闪烁存储器，本身就是一个数字量输入/输出的最小应用系统。在构建AT89C51单片机最小应用系统时，AT89
28、C51单片机需要外界时钟电路和复位电路即可。3.2.1 时钟电路AT89C51单片机各功能部件的运行都以时钟控制信号为基准，有条不紊、一拍一拍地工作。因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。如图3-1所示为AT89C51时钟电路图。图3-1 AT89C51时钟电路图电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30pF。该电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体振
29、荡频率的范围通常是在1.212MHz。晶体的频率越高，系统的时钟频率越高，单片机的运行速度也就越快。AT89C51常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。3.2.2 复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给AT89C51的复位引脚RST加上大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平就可使AT89C51复位。如图3-2所示为AT89C51按键电平复位电路图。图3-2AT89C51按键电平复位电路图当AT89C51进行复位时，PC初始化为0000H，使AT89C51单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或操作错误使系统处于“死锁”状态
30、时，也需按复位键即RST脚为高电平，使AT89C51重新启动程序。AT89C51的复位是由外部的复位电路实现的，复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。图3-2为AT89C51的按键电平复位电路。按键手动电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通来实现的，当时钟频率选用6MHz时，C的典型取值为10F，R取值为2k。3.3 I/O接口的扩展虽然AT89C51本身已有4个I/O口P0P3，但是真正用作I/O口线的只有P1口的8位I/O口线和P3口的某些位线，因此，在本设计中，需要对AT89C51单片机进行外部I/O口的扩展。AT89C51单片机扩展的I/O接口电路主要应满足一下功能要求
31、：1、实现和不同外部设备的速度匹配；2、输出数据锁存；3、输入数据三态缓冲。82C55是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，共有40个引脚，采用双列直插式封装。它具有3个8位的并行I/O口，3种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用灵活方便，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。在本设计中，对AT89C51单片机I/O口的扩展就采用82C55芯片。 如图3-3所示为扩展82C55的接口电路图。图3-3 扩展82C55的接口电路图图3-3中，74LS373是地址锁存器，P0.1、P0.0经74LS373与82C55的地址线A1、A0连接；P0.7经74LS373与片选端相连
32、，其他地址线悬空；82C55的控制线、直接与AT89C51单片机的、端相连；AT89C51单片机的数据总线P0.0P0.7与82C55的数据线D0D7连接。3.4 掉电保护设计和硬件“看门狗”在单片机系统运行时，有可能会发生电源掉电的意外情况，一些重要的数据可能丢失。这时系统应首先检测到电源的变化，然后通过切换电路把备用电池接入系统，以保护RAM中的数据不丢失。目前掉电保护电路和“看门狗”电路都已经集成在一片微处理器监控器芯片中。这类芯片集成度高，功能齐全。在本设计中将采用由美国MAXIM公司的微处理器监控器芯片MAX690A。3.4.1 微处理器监控器MAX690A简介如表3-1所示为MAX690A的主要电气参数。表3-1 MAX690A的主要电气参数主要电气参数数值工作电压VCC1.25.5V静态电流
