节日彩灯的设计和制作.doc

1、1节日彩灯的设计和制作【摘要】介绍了一种新型的彩灯控制系统的设计方法，以 AT-89C51单片机作为主控核心，与按键、显示器等较少的辅助硬件电路相结合，利用软件实现对彩灯进行控制。本系统具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。【关键词】彩灯 AT89C51 单片机 简易2第一章系统硬件电路的设计11 方案论证与选择方案一：基于在系统可编程器件（ISP）来实现可编程现代彩灯的控制系统。用 8种频率信号控制彩灯扫描速度，并可随时改变扫描速度，通过把 4组彩灯在空间适当排列组合，可得各种花案效果。方案二：基于 AT89C51单片机来实现对彩灯的控制。与按钮、74LS373 芯片等模块组成核

2、心主控制模块。在主控模块上设有 1个按键和 32个发光二极管，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部定时器 T0实现一个基本单位时间为 0.5 s的定时中断，根据各种亮灯时间的不同需要，在不同时刻输出灯亮或灯灭的控制信号，然后驱动各种颜色的灯亮或灭。与方案一相比，方案二实现条件简单，操作方便，用材少，具有体积小、价格低、低能耗等优点。1.2 系统功能分析该系统以 AT89C51单片机作为主控核心，与按钮、74LS373 芯片等模块组成核心主控制模块。在主控模块上设有 1个按键和 32个发光二极管，彩灯控制器与 5V直流电相连接，经过通电，输出直流工作电压，主控模块单片机系统（节日彩灯控

3、制器）提供 5 V工作电源。系统包括 2大部分，即彩灯控制器（89C51 主控模块）和 32个发光二极管（管内模块） 。前者是主控模块，具有按键、显示等功能，并利用 89C51的 P口输出控制信号；后者是受控模块，用来显示十种花样的。31.3 系统结构框图1.4 各功能部件单元电路设计1.4.1 单片机的选择目前市场上的单片机，种类繁多，性能各异。所以，如何选择适合本系统的单片机就成为本设计首要解决的问题。通常，单片机的选择以性价比高、能够满足实际需要、常用等为标准。为此，本设计中的单片机选用AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh

4、 Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。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。主要特性：8031 CPU与 MCS-51 兼容4K字节可编程 FLASH存储器(寿命：1000 写/擦循环)全静态工作：0Hz-24KHz三级程序存储器保密锁定128*8位内部 RAM32条可编程 I/O线两个 16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路1.4.2 单片机基本外围电路设计电源 单片机 地址锁存器显示模块模式切换

5、4振荡电路：XTAL1和XTAL2分别为反向放大振荡器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。我们采用的是12MHz的晶振,C1, C2选择为30pF,机器周期为1us。复位电路：当振荡器复位电路复位器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高电平时间。在 RST引脚出现高电平时实现复位和内部初始化。在振荡器运行的情况下，要实现复位操作必须使 RST引脚至少保持两个机器周期（24 个振荡周期）的高电平。5复位的实现通常可以采用开机上电复位和外部手

6、动复位两种方式，在本设计中采用的是外部手动复位。在该复位电路中，C 采用 10uf，R 采用 8.2K,时间常数为 。101068.2103=82只要 Vcc的上升时间不超过 1ms，振荡器建立时间不超过 10ms，这个时间常数足以保证完成复位操作。1.4.3 彩灯显示单元电路该显示模块设计主要器件有发光二极管（红、绿、黄） 、74LS373 芯片等。根据实际应用彩灯长度需要，可将不同数量的该发光二极管实现级连，组成一个完整的 彩灯。考虑到功率损耗，模块之间接口处用信号正向 74LS373连接。每个模块上均匀分布 3种颜色灯，在实际制作 PCB时采用红、绿、蓝 3色互隔焊接方式，在电路板上把发

7、光管按顺序 1个(红)、1 个(绿)、1 个(黄)、每 8个为一组， 依次均匀焊在板上成正方形。为了得到更多的花样模式效果，可以使红绿黄 3种灯从前往后驱动点亮闪烁，根据花样显示，这样会具有很好的动感视觉效果。由于节日彩灯系统所设计的二极管较多，所需译码器需要多线输出，因此选用芯片 74LS373来控制其位口译码输出。1.4.4 彩灯调整控制单元电路设计本设计通过按键来对彩灯进行调整和控制。而按键信号的获取方法采用中断扫描法。由于本设计的结构较简单，所以只设置了两个按钮，一个是在该显示模块里用来对彩灯花型进行切换的切换按钮，另一个是在复位模块里用到了复位按钮。分别接在单片机的RESET、P3.

8、2 口，经上拉电阻接在+5V 电源 Vcc，另一端接地。1.4.5 电源电路电源电路原理图：桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的6缺点，但多用了两只二极管。在半导体器件发展快，成本较低的今天，此缺点并不突出，因而桥式整流电路在实际中应用较为广泛。桥式整流电路：由二极管的单向导电性，不难得出桥式整流电路的工作波形。当 u2=（2Usinwt ）处于正半周时，图 1.4所示电路中的 D1电位高于 D3，二极管 D1和 D3处于正向偏置而导通,D2,D4则因反偏而截止。电源经 D1,D3向负载供电，输出一个与 u2正半波相同的电压，同理，当 u2为负半周时，D3

9、 电位高于 D1电位，D 1,D3转为反偏而截止，D 2与 D4则因正偏而导通。电源经 D2,D4向负载供电，此时，u 0=-u2,其波形与 u2的正半波相同。整流电路是将交流电变成直流电的一种电路，但其输出的直流电的脉动成分较大，而一般电子设备所需直流电源的脉动系数要求小于 001故整流输出的电压必须采取一定的措施尽量降低输出电压中的脉动成分，同时要尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电，这样的电路就是直流电源中的滤波电路。71.5 系统电路原理图8第二章 系统软件设计系统中软件可以分为主程序和中断服务子程序，延时程序。主程序除了调用各种子模式子程序，调用二极管显示子程

10、序和延时子程序之外，还一直保持查询是否有功能切键按下以及是否有模式改变按键按下，一旦有功能切换键和模式改变键按下，就会进入相应的按键处理。主程序流程如图所示。亮灯模式子程序可以编写若干(n 种)，只要控制好各色灯触发和熄灭时刻灯效果。模式程序流程如图所示。就可以组合成各种亮2.1 程序设计步骤1.根据设计要求，确定算法；2.根据所选择的算法花出流程图；3.根据流程图编写程序。2.2 流程图的设计主程序流程图：中断程序流程图：开始初始化为“1”读花型编号 1-10显示花型中断开始花型编号+1，当编号为 10 后显示9第三章系统安装与调试一 、 电 路 板 的 制 作1.电 路 版 设 计 的 先

11、 期 工 作1.1 利 用 原 理 图 设 计 工 具 绘 制 原 理 图 ， 并 且 生 成 对 应 的 网 络 表 。1.2 手 工 更 改 网 络 表 将 元 件 的 固 定 用 脚 等 原 理 图 上 没 有 的 焊 盘 定 义 到 与 它 相 通 的网 络 上 ， 没 任 何 物 理 连 接 的 可 定 义 到 地 或 保 护 地 等 。 将 原 理 图 和 PCB 封 装 库 中 引 脚名 称 不 一 致 的 器 件 引 脚 名 称 改 成 和 PCB 封 装 库 中 的 一 致 ， 特 别 是 二 、 三 极 管 等 。2.画 出 自 非 标 准 器 件 的 封 装 库将 所 画

12、 的 器 件 都 放 入 一 个 自 己 建 立 的 PCB 库 专 用 设 计 文 件 。3.设 置 PCB 设 计 环 境 和 绘 制 印 刷 电 路 的 版 框 含 中 间 的 镂 空 等注 意 ： 在 绘 制 电 路 版 地 边 框 前 ， 一 定 要 将 当 前 层 设 置 成 Keep Out 层 ， 即 禁 止布 线 层 。4.打 开 所 有 要 用 到 的 PCB 库 文 件 后 ， 调 入 网 络 表 文 件 和 修 改 零 件 封 装在 原 理 图 设 计 的 过 程 中 ， ERC 检 查 不 会 涉 及 到 零 件 的 封 装 问 题 。 因 此 ， 原 理 图设 计

13、时 ， 零 件 的 封 装 可 能 被 遗 忘 ， 在 引 进 网 络 表 时 可 以 根 据 设 计 情 况 来 修 改 或 补 充 零件 的 封 装 。 也 可 直 接 在 PCB 内 人 工 生 成 网 络 表 ， 并 且 指 定 零 件 封 装 。5.布 置 零 件 封 装 的 位 置Protel99 可 以 进 行 自 动 布 局 ,也 可 以 进 行 手 动 布 局 。 布 线 的 关 键 是 布 局 ， 多 数设 计 者 采 用 手 动 布 局 的 形 式 。 用 鼠 标 选 中 一 个 元 件 ， 按 住 鼠 标 左 键 不 放 ， 拖 住 这 个元 件 到 达 目 的 地 ，

14、 放 开 左 键 ， 将 该 元 件 固 定 。 使 用 自 动 选 择 方 式 收 集 相 似 封 装 的 元件 ， 然 后 旋 转 、 展 开 和 整 理 成 组 ， 移 动 到 板 上 所 需 位 置 上 了 .当 简 易 的 布 局 完 成 后 ，使 用 自 动 对 齐 方 式 整 齐 地 展 开 或 缩 紧 一 组 封 装 相 似 的 元 件 。提 示 ： 在 自 动 选 择 时 ， 使 用 Shift+X 或 Y 和 Ctrl+X 或 Y 可 展 开 和 缩 紧 选 定 组 件的 X、 Y 方 向 。注 意 ： 零 件 布 局 ， 应 当 从 机 械 结 构 散 热 、 电 磁 干

15、 扰 、 将 来 布 线 的 方 便 性 等 方 面 综合 考 虑 。 先 布 置 与 机 械 尺 寸 有 关 的 器 件 ， 并 锁 定 这 些 器 件 ， 然 后 是 大 的 占 位 置 的 器 件10和 电 路 的 核 心 元 件 ， 再 是 外 围 的 小 元 件 。6.根 据 情 况 再 作 适 当 调 整 然 后 将 全 部 器 件 锁 定将 过 小 的 焊 盘 过 孔 改 大 ， 将 所 有 固 定 螺 丝 孔 焊 盘 的 网 络 定 义 到 地 或 保 护 地 等 。放 好 后 用 VIEW3D 功 能 察 看 一 下 实 际 效 果 ， 存 盘 。7.布 线 规 则 设 置布

16、 线 规 则 是 设 置 布 线 的 各 个 规 范 （ 象 使 用 层 面 、 各 组 线 宽 、 过 孔 间 距 、 布 线 的 拓朴 结 构 等 部 分 规 则 ， 可 通 过 Design-Rules 的 Menu 处 从 其 它 板 导 出 后 ， 再 导 入 这块 板 ） 。8.自 动 布 线 和 手 工 调 整1 点 击 菜 单 命 令 Auto Route/Setup 对 自 动 布 线 功 能 进 行 设 置选 中 除 了 Add Testpoints 以 外 的 所 有 项 ， 特 别 是 选 中 其 中 的 Lock All Pre-Route 选 项 ， Routing

17、 Grid 可 选 1mil 等 。 2 点 击 菜 单 命 令 Auto Route/All 开 始 自 动 布 线3 对 布 线 进 行 手 工 初 步 调 整9.切 换 到 单 层 显 示 模 式 下 （ 点 击 菜 单 命 令 Tools/Preferences， 选 中 对 话 框 中Display 栏 的 Single Layer Mode）将 每 个 布 线 层 的 线 拉 整 齐 和 美 观 。 最 后 取 消 单 层 显 示 模 式 ， 存 盘 。10.放 置 覆 铜 区将 设 计 规 则 里 的 安 全 间 距 暂 时 改 为 0.5-1mm 并 清 除 错 误 标 记 ，

18、 选 Place-Polygon Plane 在 各 布 线 层 放 置 地 线 网 络 的 覆 铜 （ 尽 量 用 八 角 形 ， 而 不 是 用 圆 弧 来 包裹 焊 盘 。 最 终 要 转 成 DOS 格 式 文 件 的 话 ， 一 定 要 选 择 用 八 角 形 ） 。相 应 放 置 其 余 几 个 布 线 层 的 覆 铜 ， 双 击 覆 铜 区 域 内 任 一 点 并 选 择 一 个 覆 铜 后 ， 直接 点 OK， 再 点 Yes 便 可 更 新 这 个 覆 铜 。 几 个 覆 铜 多 次 反 复 几 次 直 到 每 个 覆 铜 层 都 较满 为 止 。 将 设 计 规 则 里 的 安 全 间 距 改 回 原 值 。11.最 后 再 做 一 次 DRC选 择 其 中 Clearance Constraints Max/Min Width Constraints Short Circuit Constraints 和 Un-Routed Nets Constraints 这 几 项 ， 按 Run DRC 钮 ，有 错 则 改 正 。 全 部 正 确 后 存 盘 。