基于单片机的流水灯设计

基于单片机的流水灯设计 学 院： 专 业： 指 导 老 师： 姓 名： 班 级： 学 号： 年 月 日 摘要：当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。 This age is a new technology emerge in endlessly era, in the electronic field especially automation intelligent control field, the traditional schism components or digital logic circuit, is composed of control system with unprecedented speed was replaced by microcontroller intelligent control system. SCM has small, strong function, low cost, etc, it can be said that wide application, intelligent control and automatic control core is the microcontroller. 关键词：LED 单片机 控制系统 流水灯 目录 1．前言 1.1 设计概述 ………………………………………………………………（2） 1.2 设计主要功能 …………………………………………………………（2） 2. 硬件组成 2.1 80C51单片计算机的组成原理…………………………………………（3） 2.组成框图及内部总体结构……………………………………………（3） 2.寄存器和存储器………………………………………………………（4） 2.1.3 单片机各口及其负载能力、接口要求 ……………………………（5） 2.1.4 MCS—51单片机的引脚功能………………………………………（8） 2.步进电机 ………………………………………………………………………（11） 2.2.1 步进电机的控制原理 ……………………………………………（11） 2.2.2 分类 ………………………………………………………………（11） 2.2.2.1 反应式步进电机 ………………………………………………（11） 2.2.2.2 感应子式步进电机 ……………………………………………（12） 3. 软件编程 3.1 双相三拍控制程序 ……………………………………………………………（16） 3.2 三相六拍控制程序 ………… 4. 结语 5. 课程设计体会 6 参考文献 前言 学习单片机的最有效就是理论与实践并重，现在我把单片机流水灯设计作为一个毕业课程设计，需要更深的去了解单片机的很多功能，努力的去查找资料，当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。 硬件组成 按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统及典型系统等。AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，具有丰富的内部资源：4kB闪存、128BRAM、32根I/O口线、2个16位定时/计数器、5个向量两级中断结构、2个全双工的串行口，具有4.25～5.50V的电压工作范围和0～24MHz工作频率，使用AT89C51单片机时无须外扩存储器。因此，本流水灯实际上就是一个带有八个发光二极管的单片机最小应用系统，即为由发光二极管、晶振、复位、电源等电路和必要的软件组成的单个单片机。其具体硬件组成如图1所示。 图1 流水灯硬件原理图 从原理图中可以看出，如果要让接在P1.0口的LED1亮起来，那么只要把P1.0口的电平变为低电平就可以了；相反，如果要接在P1.0口的LED1熄灭，就要把P1.0口的电平变为高电平；同理，接在P1.1～P1.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。因此，要实现流水灯功能，我们只要将发光二极管LED1～LED8依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗的做流水灯了。在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到“流水”效果了。 软件编程 单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能看到流水灯循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么来进行工作，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的一亮一灭。软件编程是单片机应用系统中的一个重要的组成部分，是单片机学习的重点和难点。下面我们以最简单的流水灯控制功能即实现8个LED灯的循环点亮，来介绍实现流水灯控制的几种软件编程方法。 3.1位控法 这是一种比较笨但又最易理解的方法，采用顺序程序结构，用位指令控制P1口的每一个位输出高低电平，从而来控制相应LED灯的亮灭。程序如下： ORG       0000H            ；单片机上电后从0000H地址执行 AJMP     START           ；跳转到主程序存放地址处 ORG       0030H            ；设置主程序开始地址 START：MOV      SP，#60H      ；设置堆栈起始地址为60H CLR        P1.0               ；P1.0输出低电平，使LED1点亮 ACALL　DELAY          ；调用延时子程序 　　　　SETB　　P1.0             ；P1.0输出高电平，使LED1熄灭 　　　　CLR　　 P1.1             ；P1.1输出低电平，使LED2点亮 ACALL　DELAY          ；调用延时子程序 　　　　SETB　　P1.1             ；P1.1输出高电平，使LED2熄灭 　　　　CLR　　 P1.2             ；P1.2输出低电平，使LED3点亮 ACALL　DELAY          ；调用延时子程序 　　　　SETB　　P1.2             ；P1.2输出高电平，使LED3熄灭 　　　　CLR　　 P1.3             ；P1.3输出低电平，使LED4点亮 　　　　ACALL　DELAY          ；调用延时子程序 　　　　SETB　　P1.3             ；P1.3输出高电平，使LED4熄灭 　　　　CLR　　 P1.4             ；P1.4输出低电平，使LED5点亮 　　　　ACALL　DELAY          ；调用延时子程序 　　　　SETB　　P1.4             ；P1.4输出高电平，使LED5熄灭 　　　　CLR　　 P1.5             ；P1.5输出低电平，使LED6点亮 　　　　ACALL　DELAY          ；调用延时子程序 　　　　SETB　　P1.5             ；P1.5输出高电平，使LED6熄灭 　　　　CLR　　 P1.6             ；P1.6输出低电平，使LED7点亮 　　　　ACALL　DELAY          ；调用延时子程序 SETB　　P1.6             ；P1.6输出高电平，使LED7熄灭 　　　　CLR　　 P1.7             ；P1.7输出低电平，使LED8点亮 ACALL　DELAY          ；调用延时子程序 　　　　SETB　　P1.7             ；P1.7输出高电平，使LED8熄灭 ACALL　DELAY          ；调用延时子程序 　　　　AJMP　  START           ；8个LED流了一遍后返回到标号START处再循环 DELAY：　                               ；延时子程序 MOV      R0，#255　　；延时一段时间 D1：      MOV      R1，#255 DJNZ      R1，$ DJNZ      R0，D1 RET                             ；子程序返回 　　　　END                            ；程序结束 3.2循环移位法 在上个程序中我们是逐个控制P1端口的每个位来实现的，因此程序显得有点复杂，下面我们利用循环移位指令，采用循环程序结构进行编程。我们在程序一开始就给P1口送一个数，这个数本身就让P1.0先低，其他位为高，然后延时一段时间，再让这个数据向高位移动，然后再输出至P1口，这样就实现“流水”效果啦。由于8051系列单片机的指令中只有对累加器ACC中数据左移或右移的指令，因此实际编程中我们应把需移动的数据先放到ACC中，让其移动，然后将ACC移动后的数据再转送到P1口，这样同样可以实现“流水”效果。具体编程如下所示，程序结构确实简单了很多。 ORG       0000H            ；单片机上电后从0000H地址执行 AJMP     START           ；跳转到主程序存放地址处 ORG       0030H            ；设置主程序开始地址 START：MOV      SP，#60H      ；设置堆栈起始地址为60H MOV　   A，#0FEH      ；ACC中先装入LED1亮的数据（二进制的11111110） MOV　　P1，A           ；将ACC的数据送P1口 MOV　　R0，#7         ；将数据再移动7次就完成一个8位流水过程 LOOP：  RL          A                   ；将ACC中的数据左移一位 MOV      P1，A            ；把ACC移动过的数据送p1口显示 ACALL   DELAY          ；调用延时子程序 DJNZ      R0，LOOP     ；没有移动够7次继续移动 AJMP     START           ；移动完7次后跳到开始重来，以达到循环流动效果 DELAY：　                               ；延时子程序 MOV      R0，#255　　；延时一段时间 D1：      MOV      R1，#255 DJNZ      R1，$ DJNZ      R0，D1 RET                             ；子程序返回 　　　　END                            ；程序结束 3.3查法 　　上面的两个程序都是比较简单的流水灯程序，“流水”花样只能实现单一的“从左到右”流方式。运用查表法所编写的流水灯程序，能够实现任意方式流水，而且流水花样无限，只要更改流水花样数据表的流水数据就可以随意添加或改变流水花样，真正实现随心所欲的流水灯效果。我们首先把要显示流水花样的数据建在一个以TAB为标号的数据表中，然后通过查表指令“MOVC　A，@A+DPTR”把数据取到累加器A中，然后再送到P1口进行显示。具体源程序如下，TAB标号处的数据表可以根据实现效果的要求任意修改。 ORG       0000H            ；单片机上电后从0000H地址执行 AJMP     START           ；跳转到主程序存放地址处 ORG       0030H            ；设置主程序开始地址 START：MOV      SP，#60H      ；设置堆栈起始地址为60H MOV      DPTR，# TAB       ；流水花样表首地址送DPTR LOOP：  CLR        A                          ；累加器清零 MOVC    A，@A+DPTR      ；取数据表中的值 CJNE      A，#0FFH，SHOW；检查流水结束标志 AJMP     START                  ；所有花样流完，则从头开始重复流 SHOW： MOV      P1，A                   ；将数据送到P1口 ACALL   DELAY                 ；调用延时子程序 INC        DPTR                   ；取数据表指针指向下一数据 AJMP     LOOP                   ；继续查表取数据 DELAY：　                                      ；延时子程序 MOV      R0，#255　　       ；延时一段时间 D1：      MOV      R1，#255 DJNZ      R1，$ DJNZ      R0，D1 RET                                    ；子程序返回 TAB：　　　　                                ；下面是流水花样数据表，用户可据要求任意编写 DB   11111110B                     ；二进制表示的流水花样数据，从低到高左移 DB   11111101B DB   11111011B DB   11110111B DB   11101111B DB   11011111B DB   10111111B DB   01111111B DB   01111111B                     ；二进制表示的流水花样数据，从高到低右移 DB   10111111B DB   11011111B DB   11101111B DB   11110111B DB   11111011B DB   11111101B DB   11111110B DB   0FEH，0FDH，0FBH，0F7H      ；十六进制表示的流水花样数据 DB   0EFH，0DFH，0BFH，7FH DB   7FH，0BFH，0DFH，0EFH DB   0F7H，0FBH，0FDH，0FEH …… DB 0FFH                                    ；流水花样结束标志0FFH END                                          ；程序结束 这里需要说明的是，按汇编语法要求，所编制的程序（下称源程序）之格式和书写要求必须依下列原则： 　　1、源程序必须为纯文本格式文件，如用Windows“附件”中的“记事本”编写的文本文件或用UltraEdit文本编辑器编辑； 　　2、源程序的扩展名应是 *.ASM； 　　3、一行只能写一条语句，以回车作为本句的结束，每一语句行长度应少于80个字符（即40个汉字）。 　　4、每行的格式应为：标号： 命令 参数 ；注释 。即一行由四部份组成，各部份的顺序不能搞错，依实际要求可以缺省其中的一部份或几部份，甚至全部省去，即空白行。需要使用标号时标号后面必须有“：”（冒号），而命令语句和参数之间必须用空格分开，如果命令有多个参数，则参数与参数之间必须用“，”（逗号）分开，需要注释时注释前必须用“；”（分号），“；”后面的语句可以写任何字符，包括汉字用于解释前面的汇编语句，它将不参与汇编，不生成代码。由于汇编程序对我们还不直观，所以在编写源程序时，应当养成多写注释的习惯，这样有助于今后源程序的阅读和维护。 　　标号是标志程序中某一行的符号名，编译后标号的数值就是标号所在行代码的地址。在宏汇编ASM51中标号的长度不受限制，但标号中不能包含‘：'或其它的一些特殊符号，也不能用汉字，可以用数字作标号，但必须用字母开头。当标号作参数用（如标号作转移地址），在命令后面出现时，必须舍去‘：'（如上面程序中的 AJMP START中的START是不能再有：）。每行只能有一个标号，一个标号只能用在一处，如果有两行用了同一个标号，则汇编时就会出错。由于标号的长度没有限制，可以用有意义的英文或汉语拼音来说明行，使源程序读起来更方便。在源程序中的字母不区分大小写，也就是说 start 和 START 是一样的，请不要用大小写方式去区分不同的标号。 　 我们知道了汇编语言程序的规则，现在就动手编辑源程序吧。马上启动Keil单片机集成开发环境，建立新工程liu01.UV2，将上面的源程序liu01.asm导入到工程中，设置好Keil工程的编译参数，编译得到HEX格式的目标文件liu01.hex，用 ISP编程器 将目标文件liu01.hex烧写到AT89S51单片机中，接下来就是将烧写好的AT89S51从编程器上取下，放到“ S51增强型单片机实验板 ”上通电，我们就看到了LED1～LED8的"流水"效果了。 　　到此，我们做的流水灯已成功，工作原理也清楚啦，若你完全掌握了上面程序，那么你就可以将“流水灯”的流向改变一下，可以将从"左向右流"改为从"右向左流"，也可以改为"两边向内流"、"内部向外流"......，我想你一定能用前面学到的方法实现这些功能。可能有些高手说，前面的编程方法是最最笨的！不错！但初学单片机初期可以不必讲究语言的简练，只要能实现预先要求就好，最主要的是学好基本指令（111条）的用法，清楚各个指令的功能，这是初学者要知道的。那么还有更好的编程思路吗？当然有！请跟随站长继续学习下面的内容。 在前面学习的程序中我们让LED流水是去逐个控制P1端口的每个位来实现的，因此程序显得有点复杂，下面我们就采用新的思路来编程。新的编程思路如下：我们在程序一开始就给P1口送一个数，这个数本身就让P1.0先低，其他位为高，然后让这个数据向高位移动不就实现“流水”效果啦？的确如此！8051指令中没有让P1数据移动的指令，但有对累加器ACC中数据左移或右移的指令，ACC在指令中常写为A，累加器A数据左移指令为"RL　A"，累加器数据右移指令为"RR　A"，累加器在数据传输和数据处理过程中作用十分重要，累加器ACC为8位。他可与片内所有单字节寄存器交换数据，实际上P1和其他端口在单片机中也是一个寄存器。这样我们可以将需移动的数据先放到ACC中，让其移动，然后将ACC移动后的数据再转送到P1口，这样同样可以实现“流水”效果。下面程序就是采用新的编程思路源程序liu02.asm。 实现8个LED流水灯汇编语言程序 liu02.asm ;----- 主程序开始 ----- START:　MOV　　 ACC,#0FEH 　　;ACC中先装入LED1亮的数据（二进制的11111110） 　　　　MOV　　 P1,ACC 　　　 ;将ACC的数据送P1口 　　　　MOV　　 R0,#7 　　　　;将数据再移动7次就完成一个8位流水过程 LOOP: 　RL　　　A 　　　　　　;将ACC中的数据左移一位 　　　　MOV　　 P1,A 　　　　 ;把ACC移动过的数据送p1口显示 　　　　ACALL　 DELAY 　　　　;调用延时子程序 　　　　DJNZ　　R0,LOOP 　　　;没有移动够7次继续移动 　　　　AJMP　　START 　　　　;移动完7次后跳到开始重来，以达到循环流动效果 　　　　;----- 延时子程序 ----- DELAY:　MOV　　 R0,#255　　　 ;延时一段时间 D1:　　 MOV　　 R1,#255 　　　　DJNZ　　R1,$ 　　　　DJNZ　　R0,D1 　　　　RET　　　　　 　　　　;子程序返回 　　　　END　　　　　　　　　 ;程序结束 接下来，我们将上述程序编译，并烧写到实验芯片中，放到实验板上可以看到程序的"流水"效果是一样的，但源程序看起来更加简洁，直观。其实8051单片机有111条指令，有的指令常用，有的指令不常用，只要遵守语法规则，你可以用这些指令“组合”成你想象到的任何程序。当然，有时一条指令可以替代很多条指令，这样会使程序简洁，程序代码减少，在编写较大程序时可以让程序存储器放得下你需要的代码，这也是单片机高手所追求的“程序简洁高效”。） 结语 当上述程序之一编写好以后，我们需要使用编译软件对其编译，得到单片机所能识别的二进制代码，然后再用编程器将二进制代码烧写到AT89C51单片机中，最后连接好电路通电，我们就看到LED1～LED8的“流水”效果了。本文所给程序实现的功能比较简单，旨在抛砖引玉，用户可以自己在此基础上扩展更复杂的流水灯控制，比如键盘控制流水花样、控制流水灯显示数字或图案等等。 课程设计体会 由于本人学识有限，加之时间仓促，文中不免有错误和待改进之处，真诚欢迎各位师长、同行提出宝贵。 通过这次单片机课程设计，我不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为真己的东西 参考文献： [1]徐煜明，韩雁.单片机原理及接口技术[M].北京：电子工业出版社，2005.1 [2]万光毅，严义，邢春香.单片机实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.4 [3]例说51单片机（C语言版） 人民邮电出版社 张义和等 编著 [4]单片机原理及接口技术 清华大学出版社 北京交通大学出版社 梅丽凤等 [5]基于Proteus的51系列单片机设计与仿真 电子工业出版社 侯玉宝等编著 [6]51单片机应用从零开始 清华大学社 杨欣 王玉凤 刘湘黔 编著 [7]51单片机应用系统开发典型实例 中国电力出版社 戴佳等编著 [8]51单片机应用实例详解 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