1、基于单片机的可控制的LED跑马灯设计毕业论文设计40论文41(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)本 科 生 毕 业 设 计 (论 文) 题目：基于单片机的可控制的LED跑马灯设计摘要:近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。单片机最小系统是在以STC89C52RC单片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于测试系统中。本设计主要在单片机上扩展IO口，复位电
2、路，晶振电路，LED显示电路并写好底层程序，做出能应用于跑马灯的最小系统。关键词：最小系统，STC89C52RC, 跑马灯Abstract: With the infiltration in the social field of the computer in recent years, the application of the one-chip computer is moving towards deepening constantly, drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control
3、at the same time. In measuring in real time and automatically controlled one-chip computer application system, the one-chip computer often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not enough, should also follow the structure of the concrete order to do perfectly. The smallest
4、system one chip computer is in expands at the base of STC89C52RC one chip computer，make it used more convient in the test system. This design mainly expands IO in the take on chip computer, reset circuit, crystals circuit, the LED display circuitand writes the first floor procedure.Make for scrollin
5、g minimum system.Keyword：minimum system, STC89C52RC, scrolling1绪论由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中MCS-52系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前，可用于MCS-52系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。单片机最小系统是在以MCS-
6、52单片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于测试系统中，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测试的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。本毕业设计主要在STC89C52RC单片机上扩展IO口，复位电路，晶振电路，LED显示电路，数码管显示电路，蜂鸣器电路。适合于我们学生用于单片机的学习掌握和一些各种科研立项等的需求。因此，研究单片机最小系统有很大的实用意义。2.电路设计方案及功能分析
7、2.1 设计目的学生在教师指导下运用所学课程的知识来研究、解决一些具有一定综合性问题的专业课题。学习单片机课程以后，为了加深对理论知识的理解，加强理论知识在实际当中的运用，强化自己的动手能力，通过毕业设计（论文），提高学生综合运用所学知识来解决实际问题、使用文献资料、及进行科学实验或技术设计的初步能力，为毕业设计（论文）打基础。2.2 设计要求（1）采用单片机STC89C52RC做成最小系统来控制。（2）利用最小系统做出跑马灯，其LED灯的闪烁间隔时间采用延时程序控制,每种模式可采用不同的延时，灵活多变。（3）供电采用电池供电的方式，运用稳压电源模块，稳定输出5V电压。2.3 系统基本方案选择
8、和论证单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。单片机接口电路主要用来连接计算机和其它外部设备。各功能模块的选择及论证如下: 复位电路:由电容和电阻构成,由电路图并结合电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。本设计中R=10K,C=10uF。 晶振电路:典型的晶振取11.05
9、92MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)同时也可取12MHz(产生精确的微秒级时歇,方便定时操作)，因设计需要，本设计采用12M晶振。 单片机:一片AT89S5152或其他51系列兼容单片机，本设计采用STC89C52RC。 接口电路:具有人机交互接口。具有一定的可扩展性，单片机IO口可方便地与其他电路板连接。 通过该最小系统，我们可以用keil软件进行编程从而实现对一些外设的控制！比如一些简单的实验：闪烁灯、跑马灯、数码管和蜂鸣器的展示等等！2.3.1、STC89C52RC介绍 PDIP封装的STC89C52引脚图 STC89C52为8 位通用微
10、处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RSTVpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用IO 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚
11、）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 P0 口 P0 口是一个三态双向口，可作为地址数据分时复用，也可作为通用IO接口。P0口由八个相同的电路组成，每个电路分别由锁存器（起输出锁存的作用，8个构成了特殊功能寄存器P0）、场效应V1、V2组成的输出驱动器（增大带载能力）、三态门1（引脚输入缓冲器）、三态门2（用于读锁存器端口
12、）、与门3、倒相器4及模拟开关构成的输出控制电路。P0口作为地址数据分时复用总线时，可分为两种情况：一种是从P0口输出地址或数据，另一种是从P0口输入数据。当P0口作为通用IO接口使用，端口输入输出数据时需要注意：一，在输出数据时，由于V2截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号正常输出必须接上拉电阻；二，P0口作为通用IO使用时是一准双向口。其特点是在输入数据时，应先口置1，此时锁存器的Q为0，使V1、V2截止，引脚处于悬空状态才可高阻输入，所以说P0口作为通用IO使用时，是一个准双向口。综上所述，P0口在有外部扩展存储器时被作为地址数据总线口时，访问外部存储器期间CPU会自动向P0口的锁
13、存器写入0FFH，故对用户而言，此时是一个真正的三态双向口。在没有外部扩展存储器时，P0口也可作为通用的IO接口，但此时只是一个准双向口。此外，P0口具有驱动8个LSTTL负载的能力，即输出电流不小于800uA。在本设计中，LED发光二级管为外部电源驱动，所以IO口低电平有效，此时P0口输出0LED发光二级管被点亮，所以不需要接上拉电阻。 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的8 位标准的准双向IO 口，它在结构上与P0的区别在于输出驱动部分由场效应管V1与内部上拉电阻组成，即有内部上拉电阻，没有反相器。从功能上来讲，即输入输出IO接口，具有输入、输出、端口操作三种工作方式，每1位口线能独立地
14、用作输入输出线。当作为输出线时 P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(TTL)。与AT89C51相比，STC89C52RC的不同之处是，P1.0 和P1.1 除作为通用IO接口线外，还具有第二功能，即P1.0可作为定时器计数器2的外部计数脉冲输入端T2，P1.1可作为定时器计数器2的外部控制输入端T2EX。P2 口P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位准双向IO 口，它具有通用IO接口或高8位地址总线输出两种功能，所以其输
15、出驱动结构比P1口输出驱动结构多了一个输出模拟转换开关MUX和反相器3。当作为准双向通用IO接口使用时，控制信号开关接锁存器，锁存器Q端经反相器3接V1，其工作原理与P1相同，也具有输入、输出、端口操作三种工作方式，负载能力也与P1口相同。当P2作为外部扩展存储器的高8位地址总线使用时，控制信号使转换开关接地址总线，由程序计数器PC来的高8位地址PCH，或数据指针DPTR来的高8位地址DPH经反相器和V1原样呈现在P2口的引脚上，输出高8位地址A8至A15。在上述情况下，锁存器的内容不受影响，所以，取指或访问外部存储器结束后，由于转换开关又接回锁存器，使驱动器与锁存器Q端相连，引脚上将恢复原来
16、的数据。P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向IO 口。它的输出驱动由与非门3、V1组成，比P0、P1、P2口结构多了一个缓冲器。它除了可作为通用准双向IO接口外，没1根线还具有第二功能。当P3口作为通用IO接口时，第二功能输出线为高电平，使与非门3的输出取决于锁存器的状态。在这种情况下，P3仍是一个准双向口，它的工作方式、负载能力均与P1、P2口相同。当P3口作为第二功能使用时，其锁存器Q端必须为高电平，否则V1管导通，引脚被箝位在低电平，无法输入或输出第二功能信号。当Q端为高电平时，P3口的状态就取决于第二功能输出线的状态。同样，P3口的每一位可独立的定义为第一功能输入输出或
17、第二功能输入输出。另外，在P3口的引脚信号输入通道中有2个缓冲器，第二功能输入信号取自缓冲器4（后加缓冲器）的输出端，通用输入信号仍取自缓冲器1（原有缓冲器）的输出端。RSTVPD（9脚）复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。RST即RESET,VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机恢复到初始状态。当VCC发生故障、降低低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VDP（+5+-0.5V）为内部RAM供电，以保证RAM中数据不丢失。 ALE（30脚）当
18、访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）以每周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低8为地址。在不访问外部存储器时，ALE仍以上述不变的频率（振荡周期的16），周期行地出现正脉冲信号，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳过一个，此时作为时钟输出就不妥当了。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚为编程脉冲的输入端。（29脚）片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲，以通过数据总线口读回指令或常数，在此期间，当
19、访问外部数据存储器，将跳过两次信号，即信号不出现。VPP（31脚）外部访问允许，即为访问外部程序存储器控制信号，低电平有效。当保持高电平时，单片机访问片内程序存储器的程序8KB(MCS52子系列为8KB,MCS51子系列为4KB)。若超出该范围时自动转去执行外部存储器的程序。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），端必须保持低电平（接地）。对于片内含有EPROM(Erasable Programmable Read-only Memory ,可编程可擦写只读存储器)的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源VPP。 XTAL1（19脚）振荡器反相放大器及
20、内部时钟发生器的输入端。接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号输入。 注：CHMOS是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）和HMOS(高密度沟道MOS工艺)的结合,除了保持HMOS高速度和高密度之外，还有CMOS低功耗的特点。两类器件的功能是完全兼容的，区别在CHMOS器件具有低功耗的特点。(HMOS:高性能金属氧化物半导体)XTAL2（18脚）振荡器反相放大器的输出端。接
21、外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。2.3.2、时间周期STC89C52的时间周期分为如下几个周期：振荡周期、状态周期、机器周期、指令周期1.振荡周期 ：（1）单片机提供定时信号源的振荡源的周期。（2）是计算机中最基本的时间单位。2.状态周期（时钟周期）：（1）1个状态周期=2个振荡周期。（2）分为P1节拍和P2节拍。P1节拍通常完成技术操作；P2节拍完成内部 寄存器间的传送。3.机器周期（1）1个机器周期=12个振荡周期。（2）为CPU访问存储器一次所需要
22、的时间。（3）执行一条指令所需要的时间以机器周期为单位。4.指令周期（1）执行一条指令所占用的时间。（2）通常由1-4个机器周期组成。在指令系统中，按它们的长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行这些指令需要的时间是不同的，也就是它们所需的机器周期是不同的，有下面几种形式：单字节指令单机器周期单字节指令双机器周期双字节指令单机器周期双字节指令双机器周期三字节指令双机器周期单字节指令四机器周期(如单字节的乘除法指令)本次设计中MCU单片机外接晶振为12MHz时具体值为：振荡周期(时钟周期)112MHz112s0.0833s机器周期12*112s1s指令周期14s说明：1.时钟周期即晶振
23、的单位时间发出的脉冲数，12MHz=1210的6次方，即每秒发出12000000个脉冲信号，那么发出一个脉冲的时间就是时钟周期，即112微秒。2.一个机器周期等于12个振荡周期，所以是1微秒。 2.3.3、LED灯管LED具有功耗少、寿命长、光谱宽（眼睛看得舒适度好）、使用广泛，能灵活拼装各种需要的形状等优点。一般来说LED的工作电压是2V-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说：它消耗的电能不超过0.1W。在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。此外，LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻，硬件电路实现起来比较方便。因此本设计采用
24、15个发光二级管，组合成三角形，从而控制其灵活变化，设计出展示的方案。2.3.4、数码管数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。本设计之所以选择数码管是因为在设计方案里面计划LED跑马灯共有九种变化模式，而数码管在各种模式变化过程当中负责显示1-9九个数字，从而示意模式的转换，使展示更加明了，效果明显且有条理。2.3.5、蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。由于使用15个LED，P0.7闲置，再根据蜂鸣器的各种用途受到启发，在本设计中加一个蜂鸣器，当LED
25、九种模式展示完毕之后，蜂鸣器发出声响，以示九种模式展示完毕，然后继续回到一模式进行展示，直到关掉电源为止。2.3.6、锁存器 由于本设计中需要数码管维持某个数据，那么往往要持续快速的刷新，为了减少对处理器处理能力的消耗，利用锁存器对所传输的数据进行锁存，直到下一个新的数据需要被锁存为止。这样一来，锁存器保持数据状态期间处理器的处理时间和IO引脚便可以释放。此外，锁存器的缓存作用使快速工作的CPU与缓慢工作的锁存器相协调，从而使数码管中各段管子亮起时间差减小。因而本设计加用了锁存器，使系统工作方便，显示效果得到完善。2.4 系统框图 3.系统的硬件设计与实现单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电
26、路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图3.1所示。 图3.1 原理图3.1 电源供电模块的实现对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51系列单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51系列单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。如图3.2本设计采用外部稳定的5V电源供电。图
27、3.2电源模块图 LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只需极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。在应用中，单片机电路需要一个稳定的5V电源输入才能正常工作，所以在电源模块中要用到电感，电感跟后面的电容组成了LC滤波器，以减小纹波使稳压芯片输出一个稳定的5V直流电压。同时，在此电路中使用肖特基二级管，和电阻串联组成续流电路，与芯片并联，并与其形成回路，使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗，从而起到
28、保护电路中的元件不被损坏的作用。注：1、输入输出电容的选择 输入电容应大于47F，并要求尽量靠近电路。而输出电容推荐使用的电容量为100F470F，其耐压值应大于额定输出的1.52倍。对于5V电压输出，使用耐压值为16V的电容。2、二极管的选择二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2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1.25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
29、即可。3.2 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
30、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3.3.1所示。 图3.3.1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3.3.2所示。 图3.3.2按键复位电路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3.3.3所示。 图3.3.3 复位电路图3.3 晶振电路 图3.4 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
31、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2030pF的瓷片电容。3.4 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
