一、設計題目
藝術彩燈控制系統設計
二、設計內容
1.設計並實現具有復位功能的微控制器小系統。
2.利用微控制器進行燈光的場景開關控制。
3.利用微控制器進行燈光的迴圈點亮控制及速度變化控制。
4.利用微控制器進行燈光的色彩連續變化效果控制。
5.利用微控制器進行燈光的三色聯動定時控制。
6. 配合2至5項中功能，實現液晶屏輸出功能或狀態資訊。(受器件條件限制，只需模擬方式實現。)
7. 以調節5或4項中的時間為例實現基於4X4鍵盤的輸入功能。(受器件條件限制，只需模擬方式實現。)
三、設計要求
1.能啟動、停止;
2.能通過開關進行功能選擇;
3.要體現迴圈、組合和色彩變化的控制功能和效果，實現三色聯動定時控制，
控制變化規律的型別或功能不少於5種;
4.要有完善的課程設計報告
四、設計流程
本課程設計是採用80C51微控制器設計藝術彩燈，通過keil進行c語言程式設計，通過protues進行軟體硬體模擬。本設計成果，主要通過按鍵開關對彩燈進行控制，包括燈光的場景開關控制、燈光的迴圈點亮控制及速度變化控制、燈光的色彩連續變化效果控制、燈光的三色聯動定時控制，以上內容均基於麵包板完成。在4X4矩陣鍵盤和LCD液晶顯示方面均在模擬下完成。
五、設計方案
(一)硬體設計
(1)微控制器最小系統設計
80c51微控制器最小系統是由晶體振盪器和復位電路構成，如圖所示 晶振電路： 復位電路：
(2)微控制器外部電路設計
微控制器外部電路由八個彩燈，4X4矩陣鍵盤，1602LCD液晶顯示和4個獨立按鍵開關組成。以上電路可以完成本課程設計要求的所有功能。
一. 概述
1.1 藝術彩燈的設計背景及意義
彩燈是人們日常生活中的一種裝飾用品，它美觀大方，尤其在節日期間，倍增節日氣氛。它蘊涵著豐富的文化底蘊，被廣泛地應用於各種店面的裝飾。變換無窮的彩燈樣式，給城市增添活力，吸引著人們的注意力，深受人民的喜愛。在日常生活中，人們還將彩燈擺放成各種圖案，增添美感。隨著電子技術的發展，應用系統向著小型化、快速化、大容量、重量輕的方向發展。科學技術更加貼近人們的生活，向著滿足人們需求的方向發展。節日彩燈的設計與製作工藝也一步一步的走向成熟。
1.2 系統設計功能概述
本設計是以AT89C51微控制器為基礎的音樂彩燈控制方案，來實現對LED彩燈的控制。以AT89C51微控制器作為主控核心，通過組合語言來控制微控制器按下“開始”按鍵，8個LED燈從上到下開始迴圈點亮，按下“上”按鍵，燈由上向下流動，按下“下”按鍵，燈由下向上流動，按下“停止”按鍵，所有燈為暗。
二.彩燈設計內容簡要：
2.1彩燈設計任務：
以微控制器為核心，設計一個節日音樂彩燈控制器。
2.2彩燈設計要求：
P1.2----開始，按此鍵則燈開始流動(由上而下)。
P1.3----停止，按此鍵則停止流動，所有燈為暗。
P1.4----上，按此鍵則燈由上向下流動。
P1.5----下，按此鍵則燈由下向上流動。
2.3彩燈總體控制框圖：
三.硬體電路設計：
3.1硬體組成
按照微控制器系統擴充套件與系統配置狀況，微控制器應用系統可分為最小系統、最小功耗系統及典型系統等。AT89C51微控制器是美國ATMEL公司生產的低電壓、高效能CMOS 8位微控制器，具有豐富的內部資源：4kB快閃記憶體、128BRAM、32根I/O口線、2個16位定時/計數器、5個向量兩級中斷結構、2個全雙工的序列口，具有4.25～5.50V的電壓工作範圍和0～24MHz工作頻率，使用AT89C51微控制器時無須外擴儲存器。因此，本流水燈實際上就是一個帶有八個發光二極體的微控制器最小應用系統，即為由發光二極體、晶振、復位、電源等電路和必要的軟體組成的單個微控制器
3.2 AT89C51微控制器硬體結構：
AT89C51是一種帶4K位元組快閃記憶體可程式設計可擦除只讀儲存器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的微控制器晶片，它採用靜態CMOS 工藝製造8位微處理器，最高工作頻率位24MHZ。
管腳說明：
RST：復位輸入。當振盪器復位器件時，要保持RST腳兩個機器週期的高電平時間。
P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用於外部程式資料儲存器，它可以被定義為資料/地址的第八位。在FIASH程式設計時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。
P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩衝器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1後，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由於內部上拉的緣故。在FLASH程式設計和校驗時，P1口作為第八位地址接收。
P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩衝器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。並因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出
電流。這是由於內部上拉的緣故。P2口當用於外部程式儲存器或16位地址外部資料儲存器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址資料儲存器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能暫存器的內容。P2口在FLASH程式設計和校驗時接收高八位地址訊號和控制訊號。
P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”後，它們被內部上拉為高電平，並用作輸入。作為輸入，由於外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)這是由於上拉的緣故。
ALE/PROG：當訪問外部儲存器時，地址鎖存允許的輸出電平用於鎖存地址的地位位元組。在FLASH程式設計期間，此引腳用於輸入程式設計脈衝。在平時，ALE端以不變的頻率週期輸出正脈衝訊號，此頻率為振盪器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈衝或用於定時目的。然而要注意的是：每當用作外部資料儲存器時，將跳過一個ALE脈衝。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。
PSEN：外部程式儲存器的選通訊號。在由外部程式儲存器取指期間，每個機器週期兩次PSEN有效。但在訪問外部資料儲存器時，這兩次有效的PSEN訊號將不出現。
EA/VPP：當EA保持低電平時，則在此期間外部程式儲存器
(0000H-FFFFH)，不管是否有內部程式儲存器。注意加密方式1時，EA將內部鎖定為RESET;當EA端保持高電平時，此間內部程式儲存器。 XTAL1和XTAL2：反向振盪放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。
1、引言
隨著人們生活環境的不斷改善和美化，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。LED彩燈由於其豐 富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單等特點而得到了廣泛的應用，用彩燈來裝飾街道和城市建築物已經成為一種時尚。但目前市場上各式樣的LED彩燈控制器大多數用全硬體電路實現，電路結構複雜、功能單一，這樣一旦製作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據不同場合、不同時間段的需要來調節亮燈時間、模式、閃爍頻率等動態 引數。這種彩燈控制器結構往往有晶片過多、電路複雜、功率損耗大等缺點。此外從功能效果上看，亮燈模式少而且樣式單調，缺乏使用者可操作性，影響亮燈效果。因此有必要對現有的彩燈控制器進行改進。
本文提出了一種基於AT89C51微控制器的彩燈控制方案，實現對LED彩燈的控制。本方案以AT89C51微控制器作為主控核心，與鍵盤、顯示、驅動等模組組成核心主控制模組。在主控模組上設有8個按鍵和5位七段碼LED顯示器，根據使用者需要可以編寫若干種亮燈模式，利用其內部定時器T0實現一個基本單位時間為5 ms的定時中斷，根據各種亮燈時間的不同需要，在不同時刻輸出燈亮或燈滅的控制訊號，然後驅動各種顏色的燈亮或滅。該新型LED彩燈及其控制器是上海某公司委託開發產品，產品實際應用效果較好，亮燈模式多，使用者可以根據不同場合和時間來調節亮燈頻率和亮燈時間。與普通LED彩燈相比，具有體積小、價格低、低能耗等優點。?
摘要：介紹了一種新型的LED彩燈控制系統的設計方法，以AT-89C51微控制器作為主控核心，與按鍵、顯示器等較少的輔助硬體電路相結合，利用軟體實現對LED彩燈進行控制。本系統具有體積小、硬體少、電路結構簡單及容易操作等優點。
關鍵詞：LED彩燈;AT89C51微控制器;彩燈控制器;模組設計
2、系統功能
新型LED彩燈分為2部分，即彩燈控制器(主控模組)和管內LED板模組(受控模組)。彩燈控制器可直接與220 V交流市電相連線，經過開關電源變換，輸出直流工作電壓，一方面為管內LED模組提供12 V工作電源，另一方面為主控模組微控制器系統(彩燈控制器)提供5 V工作電源。整個系統工作由軟體程式控制執行，根據需要，使用者可以在LED彩燈工作時通過主控模組上的按鍵來設定亮燈時間和燈光閃動頻率。
上電後系統經過初始化，查詢是否有功能切換鍵按下：有，則進入使用者設定模式狀態;無，則進入預設預設工作狀態。在使用者設定模式狀態下，使用者可以根據個人愛好及不同場合的需要來指定呼叫哪些模式，並且可以改變每種模式的時間Ti、頻率Fi引數，如果使用者想進入預設狀態模式，只需按一下功能切換鍵即可跳入預設模式，程式會自動順序呼叫亮燈模式;在預設工作狀態下，LED彩燈控制器按照程式設定好的若干亮燈花樣模式程式Model_i順序呼叫往下走，從第Model_1模式開始工作，自Model_1到Model_2……到Mod el_n為一個亮燈週期，然後再回到Model_1迴圈繼續工作，同樣如果想進入使用者設定模式狀態，只需按下功能切換鍵即可。整個n種亮燈模式時間可以看作一個大週期T，其中的每一種花樣工作模式Model_i(i=1，2，…，n)時間為小週期Ti，對於每一個模式編寫一個獨立工作子程式Model_i，其中設定了LED三色燈(紅、綠、藍)的點亮時刻(RED_on，GREEN_on，BLUE_on)和熄滅時刻(RED_off，GREEN_off，BLU E_off)，以及模式工作時間Ti以及該模式LED閃爍頻率Fi。5位七段碼顯示器的前2位(L1，L2)顯示當前工作模式的序號Model_i;後3位(L3，L4，L5)七段碼 顯示三色LED的工作狀態，若該顏色燈點亮則對應七段碼顯示位為“1”，反之熄滅時則顯示位為“滅”即不顯示，對系統工作狀態起到了很好的實時監控作用。
因此在LED彩燈上電工作後，使用者可以方便地通過主控模組上的顯示器知道LED彩燈當前工作模式Model_i，工作時間Ti，頻率Fi等實時引數。若實際應用需要根據不同場合和時間來改變彩燈閃亮效果，使用者可以通過主控模組上的按鍵來設定LED不同的閃爍頻率Fi和亮燈時間Ti，以便符合實際需要。此外如果使用者對某一種模式感興趣需要仔細觀看該種亮燈模式，可以通過鍵盤選定任意第Model_i模式使系統迴圈重複工作在該花樣模式下。?
3、硬體設計
新型LED彩燈系統包括2大部分，即LED彩燈控制器(89C51主控模組)和LED彩燈管(管內LED板模組)。前者是主控模組，具有按鍵、顯示等功能，並利用89C51的P口輸出控制訊號;後者是受控模組，上面焊有三色LED彩燈和訊號驅動晶片，模組置於LED的透明燈管內。
3.1、主控模組電路設計
主控模組電路如圖1所示。主控模組主要設計器件有89C51，5個七段碼LED顯示器，8個按鍵，2個穩壓器(提供12 V，5 V電壓)，1個訊號輸出驅動模組晶片(MC4049)等。通過軟體設計，使微控制器P0口作為三色LED驅動訊號輸出口及移位時鐘CLOCK訊號，P3口為按鍵輸入口，P2口、P1口與5位七段碼LED相接作為顯示器的輸出口。
3.2、管內LED板模組設計
管內LED板模組電路見圖2。管內LED板模組設計主要器件有LED彩燈(紅、綠、藍)、移位觸發模組晶片CD4076等。根據實際應用彩燈長度需要，可將不同數量的該管內LED模組實現級連，組成一個完整的LED彩燈。考慮到功率損耗，LED板模組之間介面處用訊號正向驅動模組晶片MC4049連線。每個LED板模組上均勻分佈3種顏色 LED燈，在實際製作PCB時採用紅、綠、藍3色互隔焊接方式，在電路板上把LED發光管按順序L1(紅)、L2(綠)、L3(藍)、L4(紅)、L5(綠)、L6(藍)……依次均勻焊在板上成一條直線。為了得到更多的花樣模式效果，可以使紅綠2種燈從前往後驅動點亮閃爍，藍燈從後往前驅動點亮閃爍，這樣具有很好的動感視覺效果。
4、軟體設計
新型LED彩燈控制器最大特點在於所有亮燈模式均由軟體控制完成。系統中軟體可以分為主程式和中斷服務子程式。上電後在預設狀態以順序呼叫Model_i花樣亮燈模式流程為主程式，以一個單位時間5 ms的T0定時為中斷服務子程式。在這個5 ms的T0定時基礎上，可以根據需要來確定各種模式工作時間Ti，以及確定在各種亮燈模式Mode l_i內點亮和熄滅各種顏色LED燈的時刻：Red_on，Red_off，Green_on，Green_off，Blue_on，blue_off以及Clock(移位翻轉脈衝)等。整個系統軟體由主程式( Main)、各個模式子程式(Model_i)、5 ms中斷服務子程式(T0 Interrupt)、鍵盤掃描處理子程式(Key Board)、顯示子程式(Display)等程式組成。利用T0定時器作為定時基本單位，根據模式需要計算好各控制訊號的發生時刻，根據不同的模式Mo del_i可以設定不同的工作時間Ti和脈衝翻轉頻率Fi通過P0口輸出，使各色L ED燈的驅動時刻與移位觸發的翻轉時刻步調一致，使LED彩燈按照設計的模式工作。
除了T0定時中斷之外，程式的大部份時間是在處理按鍵的查詢和LED顯示的延時。8個按鍵分別為：4個引數按鍵(Fi增、減按鍵，Ti增、減按鍵)，3個模式改變按鍵(模式上翻UP、模式下翻DOWN、模式保持KEEP)，1個功能切換按鍵。在每次的T0定時中斷服務子程式裡，需要對各個時間暫存器和模式暫存器進行加1或者清，為主程式查詢作準備，同時查詢是否已中斷6次(30 ms)，若30 ms到了，則對引數按鍵查詢一次，是否有時間Ti頻率Fi增減鍵按下並進行相應子程式處理。
主程式除了呼叫各種子模式子程式(Model_i)，呼叫LED顯示子程式(Display)和延時子程式(Delay)之外，還一直保持查詢是否有功能切鍵按下以及是否有模式改變按鍵按下，一旦有功能切換鍵和模式改變鍵按下，就會進入相應的按鍵處理。? 主程式流程如圖3所示。亮燈模式子程式Model_i可以編寫若干(n種)，只要控制好各色燈觸發和熄滅時刻就可以組合成各種亮燈效果。
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