1、黄河科技学院课程设计任务书工 学院 机械 系 机械设计制造及其自动化 专业 09 级 1 班学号 姓名 朱施泽 指导教师 郭晓君 题目: 彩灯控制器的设计 课程: 单片机课程设计 课程设计时间 2012 年 12 月 21 日 至 2012 年 1 月 3 日 共 2 周课程设计工作内容与基本要求(设计要求、设计任务、工作计划、所需相关资料)（纸张不够可加页）1设计要求利用 AT89C51 单片机作为微控制器，用 16 盏以上的 LED 小灯，实现至少 4 种彩灯灯光效果（不含全部点亮，全部熄灭） ；可以用输入按钮在几种灯光效果间切换；可以通过按钮暂停彩灯效果，使小灯全亮，再次按下相同按钮后继
2、续之前的效果。2. 设计任务与要求2.1 系统硬件电路设计根据该系统设计的功能要求选择所用元器件，设计硬件电路。要求用 Proteus 绘制整个系统电路原理图。2.2 软件设计根据该系统要求的功能进行软件设计，绘制整个系统的软件流程图；根据流程图编写程序并汇编调试通过；列出软件清单，软件清单要求逐条加以注释。2.3 Proteus 仿真用 Proteus 对系统进行仿真并进行软硬件调试。2.4 编写设计说明书内容包括任务书、设计方案分析、硬件部分设计、软件部分设计、调试结果整理分析、设计调试的心得体会等，字数不少于 4000 字；硬件部分设计要绘制整个系统电路原理图，对各部分电路设计原理做出说
3、明；软件设计部分要绘制整个系统及各部分的软件流程图，列出程序清单，逐条加以注释，并在各功能块前加程序功能注释。3工作计划 序号 设计内容 所用时间1 布置任务及调研 天3 制作与调试 天4 撰写设计报告书 2天合 计 14天4主要参考资料单片机课程设计指导书 皮大能 北京理工大学出版社 2010.78051 单片机实践与应用 吴金戎 清华大学出版社 2003.8单片机技术基础教程与实践 夏路易 电子工业出版社 2008.1MCS-51 单片机原理接口及应用 王质朴 北京理工大学出版社 2009.11基于 Proteus 的单片机系统设计与仿真实例 蒋辉平 机械工业出版社 2009.7指导老师签
4、字:日 期:目 录1 系统硬件设计 .41.1 电路设计 .41.2 主要元器件介绍 .51.2.1 AT89c51 单片机芯片介绍 .51.2.2 主要特性 .52 系统软件设计 .72.1 综述 .72.2 主程序及流程图 .72.2.1 主程序 .72.3 子程序的编程思路 .82.3.1 延迟子程序流程图 .93 系统调试与仿真分析 .113.1 软件调试 .113.1.1 单片机 C 语言 .113.1.2 Keil uVision2.113.1.3 Proteus.123.2 软件仿真结果及分析 .133.2.1闪光效果一：单灯向里移动 .133.2.2闪光效果二：流水左移 .14
5、3.2.3闪光效果三：3 灯走马右移 .153.2.4闪光效果三：红色流水内外移动 .164 致谢 .175 参考文献 .18附录 程序代码 .181 系统硬件设计整个系统以 AT-89C51 单片机作为主控核心，与发光二极管 LED 等较少的辅助硬件电路相结合，利用软件实现对 LED 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。1.1 电路设计彩虹灯控制器电路见【图 1】 。其主要设计器件有 AT89C51，复位电路，时钟电路，5个按钮（其中一个为检测按钮） 。通过软件设计，使单片机 P0 和 P1 作为 LED 驱动信号输出口，4 个外部按钮作为按钮输入口。图 1
6、 彩虹灯控制器电路图1.2 主要元器件介绍1.2.1 AT89c51 单片机芯片介绍AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 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 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。AT89C 单片机
7、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。1.2.2 主要特性与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8 位内部 RAM32 可编程 I/O 线两个 16 位定时器/计数器5 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；1.2.3引脚定义及功能见【图 2】 。图 2 AT89C51引脚图（1） 输入输出引脚（P0、P1 和 P2 端口引脚）P0P3 是 89C51 与外界联系的 4 个 8 位双向并行 I/O 口。本设计中 P0 和 P1 口作为
8、LED 驱动信号输出口，P2 口与 4 个按钮连接作为按钮输入口，控制 4 中彩虹灯效果。（2） AT89C51 单片机的基本结构见【图 3】OSC89C51OS 4KB EPROM256B RAM/SFR216/64KB I/O 图 3 AT89C51基本结构2 系统软件设计2.1 综述本次的任务是设计一个基于单片机的 LED 彩灯控制器，需要循环运行四种以上预设的彩灯闪烁方案，这里的各种的方案还有显示方式都是由单片机内部的程序控制。在这里我将 16 个发光二极管分别接在 P0 和 P1 口，通过程序控制这两个端口的电平高低，将16 个发光二极管的负极接 P0 和 P1 口，正极接外部高电平
9、，即 P0 和 P1 口的相应端口为低电平时 LED 就能被点亮。再通过程序循环的让各个端口以不同的方式点亮来达到各种花样的效果，并且当中要有一定的延时，延时时间小于人眼视觉暂留时间，否则人眼看上去每个灯都是亮的也就没有实际效果。设计的 LED 彩灯系统分为两部分，即 AT89C51 主控模块和发光二极管 LED 受控模块。整个系统工作由软件程序控制运行，同时根据不同的需要，用户可以在 LED 彩灯工作时通过主控模块上的按钮来实现 4 种彩灯灯光效果（不含全部点亮，全部熄灭） 。模块功能：该部分主要涉及功能的实现方式，即程序编写。程序要实现的功能包括读按键，通过对读入按键的值控制 LED 点亮
10、方式。键盘有 5 个按键，其中K1、K2、K3、K4 控制 LED 点亮模式。2.2 主程序及流程图2.2.1 主程序AT89C51 通过编写程序应完成以下功能：通过 P0 口和 P1 控制发光二极管 LED 的亮与灭，从而实现多种闪烁方案； 用 16 盏以上的 LED 小灯，实现至少 4 种彩灯灯光效果（不含全部点亮，全部熄灭） 。用输入按钮在几种灯光效果间转换。按照上述要求即可写出主程序代码并绘制出主程序流程图。2.2.2 主程序流程图开始扫描按键否 是 否是 否是 否是 2.3 子程序的编程思路虽然大致的流程图已经绘制完毕，但编程过程中会遇到更加具体的问题，需要编制一些子程序来解决，以下
11、是一些主要子程序的流程图绘制思路。2.3.1延迟子程序流程图数码管的显示必须有足够长的时间长到肉眼能够察觉到，因此在点亮数码管时要给按钮一效果一按钮二效果二按钮三效果三按钮四效果四予其一个适当的延迟。否 是否是 一个机器周期包括 12 个时钟周期。单片机 AT89C51 工作于 12M 晶振，它的时钟周期是 1/12（微秒） 。它的一个机器周期是 12*（1/12）也就是 1 微秒。一共执行 1000 次，正好 1000 微秒，也就是 1 毫秒。2.3.2 按键扫描子程序按键扫描子程序用来检测并识别外部输入按钮的输入信号。void KeyScan()if(P2=0xf7) ys1ms(100)
12、;if(P2=0xf7)开始触发时间 i0计时j 125输出信号 0调用flag=0xf7;if(P2=0xfb)ys1ms(100);if(P2=0xfb)flag=0xfb;if(P2=0xfd)ys1ms(100);if(P2=0xfd)flag=0xfd;if(P2=0xfe)ys1ms(100);if(P2=0xfe)flag=0xfe;其中的状态标志分别为：0xfe 为按键 1 标志 ，0xfd 为按键 2 标志 ，0xfb 为按键 3标志，0xf7 为按键 4 标。3 系统调试与仿真分析3.1 软件调试本次所有软体程序均采用 C51 语言编写，程序写完后要对其编译，在 Prote
13、us 软件第 1 章 思考题及习题 1 参考答案一、填空1. 除了单片机这一名称之外，单片机还可称为 或 。答：微控制器，嵌入式控制器.2.单片机与普通微型计算机的不同之处在于其 将 、 、 和 三 部 分 ，通过内部 连接在一起，集成于一块芯片上。答：CPU、存储器、I/O 口、总线3. AT89S52 单片机工作频率上限为 MHz。答：33 MHz。4. 专用单片机已使系统结构最简化、软硬件资源利用最优化，从而大大降低 和提高 。答：成本，可靠性。二、单选1. 单片机内部数据之所以用二进制形式表示，主要是 A为了编程方便 B受器件的物理性能限制 C为了通用性 D为了提高运算速度 答：B2.
14、 在家用电器中使用单片机应属于微计算机的 。A辅助设计应用 B测量、控制应用C数值计算应用 D数据处理应用答： B3. 下面的哪一项应用，不属于单片机的应用范围。A工业控制 B家用电器的控制 C数据库管理 D汽车电子设备答：C三、判断对错1. STC 系列单片机是 8051 内核的单片机。对2. AT89S52 与 AT89S51 相比，片内多出了 4KB 的 Flash 程序存储器、128B 的 RAM、1 个中断源、1 个定时器（且具有捕捉功能） 。对3. 单片机是一种 CPU。错4. AT89S52 单片机是微处理器。错5. AT89C52 片内的 Flash 程序存储器可在线写入，而
15、AT89S52 则不能。错 6. 为 AT89C51 单片机设计的应用系统板，可将芯片 AT89C51 直接用芯片 AT89S51 替换。对7. 为 AT89S51 单片机设计的应用系统板，可将芯片 AT89S51 直接用芯片 AT89S52 替换。对8. 单片机的功能侧重于测量和控制，而复杂的数字信号处理运算及高速的测控功能则是DSP 的长处。对四、简答1. 微处理器、微计算机、微处理机、CPU、单片机、嵌入式处理器它们之间有何区别？答：微处理器、微处理机和CPU它们都是中央处理器的不同称谓，微处理器芯片本身不是计算机。而微计算机、单片机它们都是一个完整的计算机系统，单片机是集成在一个芯片上
16、的用于测控目的的单片微计算机。2. AT89S51 单片机相当于 MCS-51 系列单片机中的哪一型号的产品？“S”的含义是什么？答：相当于 MCS-51 系列中的 87C51，只不过是 AT89S51 芯片内的 4K 字节 Flash 存储器取代了 87C51 片内的 4K 字节的 EPROM。3. 单片机可分为商用、工业用、汽车用以及军用产品，它们的使用温度范围各为多少？答：商用：温度范围为 0+70；工业用：温度范围为-40+85；汽车用：温度范围为-40+125；军用：温度范围为-55+150。4. 解释什么是单片机的在系统编程（ISP）与在线应用编程（IAP） 。答：单片机的在系统编
17、程 ISP（In System Program） ，也称在线编程，只需一条与 PC机 USB 口或串口相连的 ISP 下载线，就可把仿真调试通过的程序代码从 PC 机在线写入单片机的 Flash 存储器内，省去了编程器。在线应用编程（IAP）就是可将单片机的闪存内的应用程序在线修改升级。5. 什么是“嵌入式系统”? 系统中嵌入了单片机作为控制器，是否可称其为“嵌入式系统”? 答：广义上讲，凡是系统中嵌入了“嵌入式处理器” ，如单片机、DSP、嵌入式微处理器，都称其为“嵌入式系统” 。但多数人把 “嵌入”嵌入式微处理器的系统，称为“嵌入式系统”。 目前 “嵌入式系统”还没有一个严格和权威的定义。
18、目前人们所说的“嵌入式系统” ，多指后者。6. 嵌入式处理器家族中的单片机、DSP、嵌入式微处理器各有何特点？它们的应用领域有何不同？答：单片机体积小、价格低且易于掌握和普及，很容易嵌入到各种通用目的的系统中，实现各种方式的检测和控制。单片机在嵌入式处理器市场占有率最高，最大特点是价格低，体积小，应用广泛。 DSP 是一种非常擅长于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、FFT、频谱分析等）的嵌入式处理器。能够高速完成各种复杂的数字信号处理算法。广泛地用于通讯、网络通信、数字图像处理，电机控制系统，生物信息识别终端，实时语音压解系统等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线
19、性寻址等较多，而这正是 DSP 的长处所在。与单片机相比，DSP 具有的实现高速运算的硬件结构及指令和多总线，DSP 处理的算法的复杂度和大的数据处理流量以及片内集成的多种功能部件更是单片机不可企及的。嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的 CPU，地址总线数目较多，能扩展容量较大的存储器，所以可配置实时多任务操作系统(RTOS)。RTOS 能够处理复杂的系统管理任务和处理工作。因此，广泛地应用在移动计算平台、媒体手机、工业控制和商业领域（例如，智能工控设备、ATM 机等） 、电子商务平台、信息家电（机顶盒、数字电视）以及军事上的应用。第 2 章 思考题及习题 2 参考答案一、填空1. 在 AT
20、89S52 单片机中，如果采用 6MHz 晶振，一个机器周期为 。答：2s2. AT89S52单片机的机器周期等于 个时钟振荡周期。答：123. 内 部 RAM 中 ， 位 地 址 为 40H、 88H 的 位 ， 该 位 所 在 字 节 的 字 节 地 址 分 别 为和 。答：28H，88H4. 片内字节地址为 2AH 单元最低位的位地址是 ；片内字节地址为 A8H 单元的最低位的位地址为 。答：50H，A8H5. 若 A 中的内容为 63H，那么，P 标志位的值为 。答：06. AT89S52 单片机复位后，R4 所对应的存储单元的地址为 ，因上电时 PSW= 。这时当前的工作寄存器区是
21、组工作寄存器区。答：04H，00H，0。7. 内部 RAM 中，可作为工作寄存器区的单元地址为 H H。答：00H，1FH8. 通过堆栈操作实现子程序调用时，首先要把 的内容入栈，以进行断点保护。调用子程序返回指令时，再进行出栈保护，把保护的断点送回到 ，先弹出的是原来 中的内容。答：PC, PC，PCH9. AT89S52 单 片 机 程 序 存 储 器 的 寻 址 范 围 是 由 程 序 计 数 器 PC 的 位 数 所 决 定 的 ， 因 为 AT89S52单片机的 PC 是 16 位的，因此其寻址的范围为 KB。答：6410. AT89S52 单片机复位时，P0P3 口的各引脚为 电平
22、。答：高11. AT89S52 单片机使用片外振荡器作为时钟信号时，引脚 XTAL1 接 ，引脚 XTAL2的接法是 。答：片外振荡器的输出信号，悬空12. AT89S52 单片机复位时，堆栈指针 SP 中的内容为 ，程序指针 PC 中的内容为。答：07H，0000H二、单选1. 程序在运行中，当前 PC 的值是 。A当前正在执行指令的前一条指令的地址 B当前正在执行指令的地址。C当前正在执行指令的下一条指令的首地址 D控制器中指令寄存器的地址。答：C2. 判断下列哪一种说法是正确的？APC 是一个可寻址的寄存器 B单片机的主频越高，其运算速度越快。CAT89S52 单片机中的一个机器周期为
23、1s D特殊功能寄存器 SP 内存放的是堆栈栈顶单元的内容。答： B三、判断对错1. 使用 AT89S52 单片机且引脚 =1 时，仍可外扩 64KB 的程序存储器。错EA2. 区分片外程序存储器和片外数据存储器的最可靠的方法是看其位于地址范围的低端还是高端。错3. 在 AT89S52 单片机中，为使准双向的 I/O 口工作在输入方式，必须事先预置为 1。对4. PC 可以看成是程序存储器的地址指针。对5. AT89S52 单片机中特殊功能寄存器（SFR）使用片内 RAM 的部份字节地址。对6. 片内 RAM 的位寻址区，只能供位寻址使用，而不能进行字节寻址。错7. AT89S52 单片机共有
24、 32 个特殊功能寄存器，它们的位都是可以用软件设置的，因此，都是可以位寻址的。错8. 堆栈区是单片机内部的一个特殊区域，与 RAM 无关。错9. AT89S52 单片机进入空闲模式，CPU 停止工作。片内的外围电路（如中断系统、串行口和定时器）仍将继续工作。对10. AT89S52 单片机不论是进入空闲模式还是掉电运行模式后，片内 RAM 和 SFR 中的内容均保持原来的状态。对11. AT89S52 单片机进入掉电运行模式，CPU 和片内的外围电路（如中断系统、串行口和定时器）均停止工作。对12. AT89S52 单片机的掉电运行模式可采用响应中断方式来退出。对四、简答1. AT89S52
25、 单片机片内都集成了哪些功能部件？答：集成了如下部件：1个微处理器（CPU） ；256个数据存储器（RAM）单元 ；8K Flash程序存储器；4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口） ； 1个全双工串行口；3个16位定时器/计数器； 1个看门狗定时器；一个中断系统，6个中断源，2个优先级；32个特殊功能寄存器（SFR） 。2. AT89S52 的 64KB 程 序 存 储 器 空 间 有 6 个 单 元 地 址 对 应 AT89S52 单 片 机 6 个 中 断 源 的 中 断入 口 地 址 ， 请写出这些单元的入口地址及对应的中断源。答：见下表表 AT89S52 各中断
26、源的中断入口地址中 断 源 入 口 地 址外部中断 0 0003H定时器/计数器 T0 000BH外部中断 1 0013H定时器/计数器 T1 001BH串行口 0023H定时器/计数器 T2 002BH3. 说明 AT89S52 单片机的 引脚接高电平或低电平的区别。EA答：当 脚为高电平时，单片机读片内程序存储器（8K 字节Flash）中的内容，但在PC值EA超过0FFFH（即超出4K字节地址范围）时，将自动转向读外部程序存储器内的程序；当 脚EA为低电平时，单片机只对外部程序存储器的地址为0000HFFFFH中的内容进行读操作，单片机不理会片内的8K字节的Flash程序存储器。4. AT
27、89S52 单片机有哪两种低功耗节电模式？说明两种低功耗节电模式的异同。答：AT89S52 单片机有两种低功耗节电工作模式：空闲模式（idle mode）和掉电模式（power down mode） 。空闲模式下，虽然振荡器仍然运行，但是 CPU 进入空闲状态。此时，片内所有外围电路（中断系统、串行口和定时器）仍继续工作，SP、PC、PSW、A、P0P3 端口等所有其他寄存器，以及内部 RAM 和 SFR 中的内容均保持进入空闲模式前的状态。因为 CPU 耗电量通常要占芯片耗电的 80%90%，因此 CPU 停止工作则会大大降低功耗。掉电模式下，振荡器停止工作。由于没有了时钟信号，内部的所有部
28、件均停止工作，但片内的 RAM 和 SFR 的原来内容都被保留，有关端口的输出状态值都保存在对应的特殊功能寄存器中。5. AT89S52 单片机运行时程序出现“跑飞”或陷入“死循环时，说明如何利用看门狗来摆脱困境的工作原理。 答：可采用看门狗定时器。工作原理如下：“看门狗”技术就是使用一个“看门狗”定时器来对系统时钟不断计数，监视程序的运行。当看门狗定时器启动运行后，为防止看门狗定时器的不必要溢出而引起单片机的非正常的复位，应定期地把看门狗定时器清 0，以保证看门狗定时器不溢出。当由于干扰，使单片机程序“跑飞”或陷入“死循环”时，单片机也就不能正常运行程序来定时地把看门狗定时器清 0，当看门狗
29、定时器计满溢出时，将在 AT89S52 的 RST 引脚上输出一个正脉冲（宽度为 98 个时钟周期） ，使单片机复位，在系统的复位入口 0000H 处重新开始执行主程序，从而使程序摆脱 “跑飞”或“死循环”状态，让单片机归复于正常的工作状态。第 3 章 思考题及习题 3 参考答案一、填空1. 访问 SFR，只能使用 寻址方式。答：直接。2. 指令格式是由 和 组成，也可仅由 组成。答：操作码，操作数，操作码。3. 在基址加变址寻址方式中，以 作为变址寄存器，以 或 作为基址寄存器。答：A，PC，DPTR4. 假定累加器 A 中的内容为 30H，执行指令1000H： MOVC A，A+PC后，把
30、程序存储器 单元的内容送入累加器 A 中。答：1031H5. 在 AT89S52 中，PC 和 DPTR 都用于提供地址，但 PC 是为访问 存储器提供地址，而 DPTR 是为访问 存储器提供地址。答：程序，数据6. 在寄存器间接寻址方式中，其“间接”体现在指令中寄存器的内容不是操作数，而是操作数的 。答：地址7. 下列程序段的功能是 。答：A 的内容与 B 的内容互换。PUSH AccPUSH BPOP AccPOP B8. 已知程序执行前有(A)=02H，(SP)=52H，(51H)=FFH，(52H)=FFH。下述程序执行后， (A)= ，(SP)= ，(51H)= ，(52H)= ，(
31、PC) 。POP DPHPOP DPLMOV DPTR，#4000HRL AMOV B，AMOVC A，A+DPTRPUSH AccMOV A，BINC AMOVC A，A+DPTRPUSH AccRETORG 4000HDB 10H，80H，30H，50H，30H，50H答：（A）=50H， （SP）=50H， （51H）=30H， （52H）=50H， （PC）5030H9. 假定(A)=83H，(R0)=17H，(17H)=34H，执行以下指令后，(A)= 。ANL A，#17HORL 17H，AXRL A，R0CPL A答：（A）=0CBH。10. 假设(A)=55H，(R3)=0AA
32、H，在执行指令“ANL A，R3”后，(A)= ，(R3)= 。答：（A）=00H， （R3）=0AAH。11. 如果(DPTR)=507BH，(SP)=32H，(30H)=50H，(31H)=5FH，(32H)=3CH，则执行下列指令后， （DPH）= ，(DPL)= ，(SP)= 。POP DPHPOP DPLPOP SP答：（DPH）=3CH， （DPL）=5FH， （SP）=50H12. 假定，(SP)=60H，(A)=30H，(B)=70H，执行下列指令后，SP 的内容为 ，61H 单元的内容为 ，62H 单元的内容为 。PUSH AccPUSH B答：（SP）=62H， （61H）
33、=30H， （62H）=70H。二、判断对错1. 判断以下指令的正误。（1）MOV 28H，R2；（2）DEC DPTR ；（3）INC DPTR；（4）CLR R0；（5）CPL R5 （6）MOV R0，R1；（7）PHSH DPTR；（8）MOV F0，C；（9）MOV F0，Acc.3；（10）MOVX A，R1；（11）MOV C，30H；（12）RLC R0答：（1）错（2）错（3）对（4）错（5）错（6）错（7）错（8）对（9）错（10）对（11）对（12）错。2. 判断下列说法是否正确。A. 立即数寻址方式是被操作的数据本身就在指令中，而不是它的地址在指令中。B. 指令周期是执行一条指令的时间。C. 指令中直接给出的操作数称为直接寻址。D. 内部寄存器 Rn（n=07）可作为间接寻址寄存器。答：A.对；B.对；C.错；D.错。3. 以下指令中，属于单纯读引脚的指令是（
