基于单片机的LED流水灯控制新版系统标准设计.doc

《 单片机应用技术 》
课 程 设 计 报 告

～ 年 第 2 学期

题 目：基于单片机LED流水灯控制系统设计
专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 13电气（2）班
姓 名： 杨光 单亚
指导老师： 陆媛 宋洪儒
成 绩：

电气工程学院
6月9 日
任 务 书
课题名称
基于单片机LED流水灯控制系统设计
指导老师（职称）
陆媛 宋鸿儒
实施时间
～ 年第2学期 第 15周
学生姓名
学号
负担任务
杨光

电路板焊制和试验汇报编写
单亚

电路板焊制和试验汇报编写
设计目标

1、深入熟悉和掌握单片机结构及工作原理。
2、掌握单片机接口技术及相关外围芯片外特征，控制方法。
3、经过课程设计，掌握以单片机关键电路设计基础方法和技术，了解相关电路参数计算方法。
4、经过程序设计和仿真，逐步掌握模块化程序设计方法和Proteus仿真软件和Keil c51编程软件使用。
5、经过完成一个包含电路设计和程序开发电路板完整制作过程，使学生了解开发单片机应用系统全过程，为以后从事对应工作打下基础。

设计要求

要实现流水灯功效，将发光二极管LED0～LED7依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗做流水灯

目 录

摘 要 1
第一章 AT89S51单片机硬件介绍 2
1.1 AT89S51单片机硬件组成 2
1.2 AT89S51管脚说明 3
1.2.1 电源立即钟引脚 4
1.2.2控制引脚 4
1.2.3并行I/O口引脚 4
第二章 硬件电路设计 6
2.1 时钟电路设计 6
2.2复位电路设计 7
2.3 LED灯显示电路 7
2.4 LED流水灯总硬件图 8
第三章 软件设计 9
3.1软件设计步骤图 9
3.2 延时程序 9
3.3 主程序 9
3.4LED流水灯总程序 10
第四章 Proteus虚拟设计和仿真 11
4.1 Proteus虚拟设计和仿真步骤 11
4.2 Proteus ISIS下电路设计 11
4.3源程序设计和生成目标代码文件 12
4.3.1 源程序输入 12
4.3.2源程序编译和调试 14
4.4 Proteus ISIS和Keil Vision2 联调 15
第五章 电路板制作 16
5.1元器件清单 16
5.2 元器件布局 16
5.3 元器件焊接 17
5.4电路板验收 17
总 结 18
参考文件 19

摘 要
单片机（Microcontrollers）诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期SCM单片机全部是8位或4位。其中最成功是INTEL8051，以后在8051上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统单片机系统直到现在还在广泛使用。伴随工业控制领域要求提升，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛应用。90年代后伴随消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提升。伴随INTEL i960系列尤其是以后ARM系列广泛应用，32位单片机快速替换16位单片机高端地位，而且进入主流市场。
学习单片机就免不了要编写程序，现在使用较为广泛是C语言。C语言是一门通用计算机编程语言，应用广泛。C语言设计目标是提供一个能以简易方法编译、处理低级存放器、产生少许机器码和不需要任何运行环境支持便能运行编程语言。尽管C语言提供了很多低级处理功效，但仍然保持着良好跨平台特征，以一个标准规格写出C语言程序可在很多电脑平台上进行编译，甚至包含部分嵌入式处理器（单片机或称MCU）和超级电脑等作业平台。
现在使用较多单片机芯片为AT89S51.AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)可反复擦写1000次Flash只读程序存放器，器件采取ATMEL企业高密度、非易失性存放技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存放单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

关键词：单片机 C语言 AT89S51

第一章 AT89S51单片机硬件介绍
单片机应用特点是编写程序来控制硬件，所以，首先熟知并掌握AT89S51单片机片内硬件基础结构和特点。
1.1 AT89S51单片机硬件组成
AT89S51单片机片内硬件组成结构图1-1所表示，它把那些作为控制应用所必需基础外围部件全部集成在一个集成芯片上。AT89S51含有以下外围部件：

图1-1 AT89S51单片机片内结构

1、4k Bytes Flash片内程序存放器；
2、128 bytes随机存取数据存放器（RAM）；
3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；
4、2个中止优先级、2层中止嵌套中止；
5、5个中止源；
6、2个16位可编程定时器/计数器；
7、2个全双工串行通信口；
8、看门狗（WDT）电路；
9、片内振荡器和时钟电路；
10、和MCS-51兼容；
11、全静态工作：0Hz～33MHz；
12、三级程序存放器保密锁定；
13、可编程串行通道；
14、低功耗闲置和掉电模式。
1.2 AT89S51管脚说明
AT89S51单片机多采取40只引脚塑料双列直插封装方法，图1-2所表示。40只引脚按功效能够分为以下3类：
（1） 电源立即钟引脚：、、XTAL1、XTAL2；
（2） 控制引脚：、/、/、
（3） I/O口引脚:P0、P1、P2、P3

图1-2 AT89S51双列直插封装方法引脚

1.2.1 电源立即钟引脚
VCC（40引脚）：电源电压输入端
GND（20引脚）：电源地
XTAL1（19引脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器输入端。
XTAL2（18引脚）：片内振荡器反相放大器输出端。
1.2.2控制引脚
/(30引脚)：地址锁存许可/编程脉冲信号端。当访问外部存放器时，地址锁存许可输出电平用于锁存地址低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率1/6。所以它可用作对外部输出脉冲或用于定时目标。然而要注意是：每当用作外部数据存放器时，将跳过一个ALE脉冲。如想严禁ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在实施MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假如微处理器在外部实施状态ALE严禁，置位无效。
：外部程序存放器选通信号，低电平有效。在由外部程序存放器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存放器时，这两次有效信号将不出现。
/：外部程序存放器访问许可。当保持低电平时，则在此期间外部程序存放器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存放器。注意加密方法1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存放器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期高电平时间。
1.2.3并行I/O口引脚
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存放器，它能够被定义为数据/地址低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必需被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是因为内部上拉缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并所以作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。这是因为内部上拉缘故。P2口当用于外部程序存放器或16位地址外部数据存放器进行存取时，P2口输出地址高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存放器进行读写时，P2口输出其特殊功效寄存器内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，因为外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是因为上拉缘故。P3口除了作为一般I/O口，还有第二功效：
引脚
第二功效
说明
P3.0
RXD
串行数据输入口
P3.1
TXD
串行数据输出口
P3.2

外部中止0输入
P3.3

外部中止1输入
P3.4
T0
T0定时器外部计数输入
P3.5
T1
T1定时器外部计数输入
P3.6

外部数据存放器写选通输出
P3.7

外部数据存放器读选通输出

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收部分控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方法，即所谓读端口和读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部数据读入到内部总线。AT89S51P0、P1、P2、P3口作为输入时全部是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口全部还有其它功效。

第二章 硬件电路设计
基于单片机LED流水灯控制系统硬件包含时钟电路、复位电路和LED灯显示电路。故本章关键就介绍这多个电路。
2.1 时钟电路设计
AT89S51单片机各外围部件运行全部以时钟控制信号为基准，有条不紊、一拍一拍地工作。所以，时钟频率直接影响单片机速度，时钟电路质量也直接影响单片机系统稳定性。常见时钟电路有两种方法，一个是内部时种方法，另一个是外部时钟方法。本课设我选择内部时钟方法，所以下面内容是相关内部时钟电路。
AT89S51单片机内部有一个用于组成振荡器高增益反相放大器，它输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，组成一个稳定自激振荡器，图2-1所表示为AT89S51单片机内部时钟方法电路。
电路中电容和经典值通常选择为30pF,晶体振动频率通常选择6MHz、12MHz（可得到正确定时）或11.0592MHz(可得到正确串行通信波特率)石英晶体。本试验采取12MHz石英晶体。

图2-1 AT89S51内部时钟方法电路

2.2复位电路设计
AT89S51单片机复位是由外部电路实现。AT89S51经典复位电路图2-2所表示。
上电时自动复位是经过（+5V)电源给电容C充电加给RST引脚一个短暂高电平信号，此信号伴随对电容C充电过程而逐步回落，即RST引脚上高电平连续时间取决于电容C充电时间。所以为确保系统能可靠复位，RST引脚上高电平必需大于复位所要求高电平时间。
除了上电复位外，有时候还需要人工按键复位。按键复位时经过RST端经两个电阻对电源接通分压产生高电平来实现。

图2-2 复位电路
2.3 LED灯显示电路
由AT89S51单片机硬件组成（第一章）可知，AT89S51共有4个I/O口，其四个I/O口全部能够作为通信端口，但P0口没有上拉电阻，做输出时需要上拉电阻，而P1、P2、P3不需要上拉电阻。在做实物时由老师给器材可知，没有上拉电阻，所以不能选P0口，能够选其它三个I/O口。
另外，8个LED灯有共阴和共阳两种连接方法，共阳极就是将阳极连接在一起，公共阳极接到+5V上；共阴极就是将共阴极接在一起，通常此共阴极全部是接地。综合考虑，我选择是P2口LED灯共阴连接，其显示电路图2-3所表示。

图2-3 LED灯显示电路
2.4 LED流水灯总硬件图
综上分析，能够得到LED流水灯总硬件图图2-4所表示。

图2-4LED流水灯总硬件图
第三章 软件设计
3.1软件设计步骤图
LED流水灯显示程序包含延时程序、主程序两部分，故在编写程序时能够分别编写，然后放在一起。其软件设计步骤图图3-1所表示。

延时程序

主程序

LED流水灯
控制总程序

图3-1 软件设计步骤图
3.2 延时程序
void delay (unsigned int i)
{
unsigned char t;
while (i--)
{
for(t=0;t<120;t++) ;
}
}
3.3 主程序
void main ()
{
P2=0xff;
While(1)
{
P2=0x01;
Delay(500)
P2=_crol_(p2,1);
}
}
3.4LED流水灯总程序
#include <reg51.h>
#include< intrins.h>
void delay (unsigned int i)
{
unsigned char t;
while (i--)
{
for(t=0;t<120;t++) ;
}
}
void main ()
{
P2=0xff;
While(1)
{
P2=0x01;
Delay(500)
P2=_crol_(p2,1);
}
}

第四章 Proteus虚拟设计和仿真
新建设计文件
4.1 Proteus虚拟设计和仿真步骤

Proteus电路
设计

选择元器件

源程序设计

放置元器件、
电源和地

生成目标
代码文件

电路连线

加载目标代码、设置时钟频率

元器件
属性设置

电气检测
Proteus仿真

图4-1 Proteus虚拟设计和仿真步骤

4.2 Proteus ISIS下电路设计
首先在Proteus ISIS环境下完成LED流水灯电路原理图设计，包含选择多种元器件、外围接口芯片等，电路连接和电气检测等。LED流水灯电路原理图图4-2所表示。

图4-2 LED流水灯电路原理图
4.3源程序设计和生成目标代码文件
在Keil Vision2 平台上进行源程序输入、编译和调试，并生成目标代码文件（*.hex文件）。
4.3.1 源程序输入
编写一个新应用程序前，首先要创建工程。Keil Vision2把用户每一个应用程序全部当做一个工程，用工程管理方法把一个程序中所需要用到、相互关联程序链接在同一个工程中。所以，在使用Keil Vision2对程序进行编辑、调试和编译之前，需要首先创建一个新工程。其步骤大致以下：
1） 创建一个工程 打开软件Keil Vision2，单击菜单栏中【project】,再点击下拉菜单选项“New Project...”,在弹出Create New Project 窗口输入文件名“LED流水灯.UV2”，单击保留即可。图4-3所表示。

图4-3 Create New Project 窗口
2） 器件选择 单击保留后，在弹出Select Device for Target窗口中，选择“Atmel”目录下“AT89C51”,点击“确定”后，在弹出对话框中选择“否”就行了。图4-4所表示。

图4-4 Select Device for Target 窗口

3） 添加用户源程序文件 单击菜单栏中【File】→“New”选项，在弹出对话框中输入自己程序。图4-5所表示。

图4-5 建立新文件
4） 保留文件 单击菜单栏中【File】→“Save”选项,保留文件。在弹出窗口文件名栏输入“LED流水灯.C”。图4-6所表示。

图4-6 Save As 对话框
4.3.2源程序编译和调试
单击快捷按钮中，对目前文件进行编译，在输出窗口会提醒信息，图4-7所表示。从输出窗口中提醒信息能够看到，程序中有一个警告不要紧，能够不修改。

图4-7 文件编译信息
程序编译没有错误后，就能够进行调试和仿真。在主菜单面点击【Debug】菜单中“Start/Stop Debug Session”选项，进入程序调试状态，图4-8所表示。

图4-8 程序调试界面
4.4 Proteus ISIS和Keil Vision2 联调
电路绘制完成后，把Keil Vision2 下生成.hex文件加载到电路图中单片机内就能够仿真了。其结果图4-9所表示。

图4-9 联调结果图

第五章 电路板制作
5.1元器件清单
依据硬件电路原理图分析可知，该电路板制作需要LED灯、电阻、电容和AT89S51单片机等元器件。其具体元器件清单如表5-1所表示。
表5-1 元器件清单
发光管LED灯（绿）
8
AT89S51

1
电容
30PF
2
电解电容
10UF
1
晶振
12MHZ
1
电阻
10K
1
电阻
1K
1
按钮

1
IC插座
DIP40
1
电木万能板

1
开关

1
USB转串口、下载线
1
锡条、导线
1

5.2 元器件布局
依据LED流水灯硬件原理图将元器件在电木万能板合理布局，使电路板看起来既美观，又方便各个元器件之间连线，这么能够节省用线。其布局图图5-1所表示。

图5-1 元器件布局图
5.3 元器件焊接
在元器件布好局后就能够焊接。在焊接过程中，要十分小心，首先预防被烫伤，其次预防将相邻额锡点焊接在一起，造成短路，电路板焊接不成功。在焊接时能够边焊边连接线路，也能够全焊好后再连接线路。我在焊接时选择得后者，这么方便快捷。焊接完成图5-2所表示。

图5-2 焊接完成图
5.4电路板验收
电路板焊接完成后，自己对照着LED流水灯硬件电路原理图检验一遍，看看实物电路中元器件之间连线是否有错，确定无误后，就能够找老师下载程序到单片机里，通电看看试验结果是否符合试验要求。符合，你这次电路板焊接就结束了；不符合，要重新回去检验，找出电路板焊接不正确地方进行修改。当初我们组找老师验收时一次就成功了，没有错误，是班里第一组找老师验收成功，感到很快乐！

总 结
时光飞逝，一转眼，一个学期又进尾声了，本学期单片机综合课程设计也在一周内完成了。
俗话说“好开始是成功二分之一”。说起课程设计，我认为最关键就是做好设计预习，认真研究老师给题目，选一个自己有爱好题目。其次，老师对试验讲解要一丝不苟去听去想，因为只有全部明白了，做起设计就会事半功倍，假如没弄明白，就迷迷糊糊去选题目做设计，到头来一点收获也没有。最终，要重视程序模块化，修改方便，也要重视程序调试，掌握其方法。
即使这次课程设计算起来在试验室时间只有三天，不过因为我们全部有自己试验板，所以在宿舍里做试验时间一定不止三天。
硬件设计跟焊接全部要我们自己动手去焊，软件编程也要我们不停调试，最终一个能完成课程设计劳动结果出来了，很快乐它能按着设计思想和要求运动起来。当然，这其中也有很多问题，第一、不够细心比如因为粗心大意焊错了线，因为对书本理论不熟悉造成编程出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我学习态度一次检验。对于这次单片机综合课程实习，我第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求含有首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所碰到多半问题多数全部是因为我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，不管做什么事情，只要你足够坚强，有足够毅力和决心，有足够挑战困难勇气，就没有什么办不到。
在这次难得课程设计过程中我锻炼了自己思索能力和动手能力。经过题目选择和设计电途经程中，加强了我思索问题完整性和实际生活联络可行性。在方案设计选择和芯片选择上，培养了我们综合应用单片机能力，对单片机各个管脚功效也有了深入认识。还锻炼我们个人查阅技术资料能力，动手能力，发觉问题，处理问题能力。而且我们熟练掌握了相关器件性能及测试方法。
再次感谢老师教导和同学帮助，是她们让我有了一个愈加好认识，不管是学习还是生活，生活是实在，要扎实走路。课程设计时间即使很短，但我学习了很多东西，使我眼界打开，感受颇深。

参考文件

[1] 肖洪兵. 跟我学用单片机.北京：北京航空航天大学出版社,.8 
[2] 何立民. 单片机高级教程．第1版．北京：北京航空航天大学出版社， 
[3] 赵晓安. MCS-51单片机原理及应用. 天津：天津大学出版社，.3 
[4] 李广第． 单片机基础． 第1版．北京：北京航空航天大学出版社，1999 
[5] 徐惠民、安德宁．单片微型计算机原理接口和应用．第1版．北京：北京邮电大学出版社，1996 
[6] 何立民．从Cygnal 80C51F看8位单片机发展之路． 
[7] 单片机和嵌入式系统应用，，第5期：P5～8 
[8] 夏继强. 单片机试验和实践教程. 北京：北京航空航天大学出版社,  
[9] 张毅刚. 单片机原理及应用 . 北京：高等教育出版社
[10]周鸣争. C语言程序设计教程. 成全部：电子科技大学出版社 .8

《单片机应用技术》课程设计考查评分表
姓名
杨光
学号

班级
13电气2班
题目
基于单片机LED流水灯控制系统设计

考

查

项

目
平时表现
（20%）

工作态度认真，能否按时完成设计任务，是否独立完成。

设计方案
（30%）

方案选择合理，设计正确，原理清楚，程序正确，能仿真出正确结果。

电路板制作
（20%）

元器件布局合理，焊接方法正确，能实现功效要求。

功效调试
（15%）

过程清楚，调试方案设计合理，调试步骤清楚，能达成预期效果。

设计汇报
（15%）

汇报内容完整，叙述层次清楚，关键突出，完全符合格式要求。

总 评 成 绩

指 导 老 师： 陆媛 宋鸿儒 年 6 月 9 日

《单片机应用技术》课程设计考查评分表
姓名
单亚
学号

班级
13电气2班
题目
基于单片机LED流水灯控制系统设计

考

查

项

目
平时表现
（20%）

工作态度认真，能否按时完成设计任务，是否独立完成。

设计方案
（30%）

方案选择合理，设计正确，原理清楚，程序正确，能仿真出正确结果。

电路板制作
（20%）

元器件布局合理，焊接方法正确，能实现功效要求。

功效调试
（15%）

过程清楚，调试方案设计合理，调试步骤清楚，能达成预期效果。

设计汇报
（15%）

汇报内容完整，叙述层次清楚，关键突出，完全符合格式要求。

总 评 成 绩

指 导 老 师： 陆媛 宋鸿儒 年 6 月 9 日