花样流水灯毕业设计

摘要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。

正文首先介绍本课题的背景、研究意义及完成的任务功能；接着简单描述设计过程中所用的一些主要元器件、方案的论证，以及介绍了系统硬件工作原理，并且附以系统硬件设计框图；其次阐述了ＰＣＢ板的画质、制作、实物的完成、程序的编写和调试；最后对本设计进行了总结。

本次毕业设计根据设计要求，基本达到预期的目的。即通过ATmega16单片机来控制16x8的贴片发光二极管矩阵显示，以中、明字符为例，分别可以实现‘全亮’到字模‘中’再到字模‘明’到‘全暗’的循环显示。用户可以按照自己的喜好选择不同的字模、显示方式。 关键词： 单片机 ATmega16 发光二极管 霓虹灯

Abstract

In recent years, with the rapid development of science and technology, SCM applications are continually deepening, while the traditional control test drive rapid updates. In real-time detection and control of the microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core component, Jin Zhi Shi MCU side is not enough, Haiyinggenju specific hardware structure and application specific characteristics of the software Duixiang Jie He, to be perfect.

The text introduces the subject of this issue background, significance, and complete functionality. A brief description of the design process used in some of the major components of the demonstration program, and introduced the principle of the system hardware, and attached to the system hardware design block diagram; second section describes the PCB board of the definition, production, physical completion of the preparation process and debugging; Finally, a summary of the design.

The graduation project according to set requirements, achieves the desired purpose. ATmega16 microcontroller to control through the SMD LEDs 16x8 matrix display to the Ming character, for example, were able to achieve 'full light' to the font 'in' then font 'out' to 'all dark' cycle of display. Users can follow their own preferences to select a different font, display

Keywords: microcontroller ATmega16 LBD Neon

目录

第一章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.1课程研究背景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2 课程研究的意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.3 课程研究的任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 第二章 系统总体方案设计········································· 2·1 总体设计目标···········································

2·2 方案选择与比较········································· 第三章 基本原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ „„7 3.1 总体设计思路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 3.2 电源模块的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 第四章 设计过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 10 4.1 单元电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10

4.1.1 控制部分电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 10 4.1.2显示部分电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11 4·2 系统硬件设计··············································

4·2·1 系统硬件介绍········································ 4·2·2 系统输入输出点分配·································· 4·2·3 系统梯形图设计······································ 第五章 遇到的问题及调试··········································· 5.1遇到的问题及解决方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 5.2 调试步骤·················································· 总结及体会······················································· 参考文献·························································

第一章 绪论

§1.1 课程研究背景

电子计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路到大（超大）规模集成电路弓四个阶段，既通常所说的第一代、第二代、第三代和第四代计算机。现在广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术的产物，因此它属于第四代计算机，而单片机则是微型计算机的一个分支。随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，单片机的应用越来越广泛，并逐渐发展成为一门关键的技术学科。

单片机亦称微控制器,顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能微电脑型”，如智能型热水器等。

计算机是人类制造的用于信息处理的机器。这种机器只能在人的控制下，将输入的数据信息，按照人们的要求进行存储、分类、整理、判断、计算、决策和处理等操作。

目前，微型计算机主要用在以下几个方面：数值计算、数据处理与信息加工、计算机辅助功能、人工智能、计算机通信、多媒体、计算机检测和过程控制等。微型计算机在检测和过程控制方面的应用具有简便、快捷、准确、可靠等优点，便于实现各种生产过程自动化。在改造传统产业、节约能源、提高产品质量和生产效率、改善生产者劳动条件等方面，具有十分重要的作用。单片机具有一些突出优点：体积小、重量轻、耗电少、电源单一、功能强、价格低、运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高，所以在通信、家电、工业控制、仪器仪表、汽车等产品中都可以看到单片机的身影。

§1.2 课程研究的意义

流水灯在现代社会就有广泛的应用，大型电子广告牌、霓虹灯、指示牌和工业控制的控制面板等等都有流水灯的应用。而且基于单片机的流水灯的控制系统利用了单片机的内部资源，如定时器、I/O口和寄存器等，完成了单片机系统开发的基本流程，因此具有典型的代表意义，是学习和开发单片机的基本实验之一。

ATmega16单片机是可多次改写的可编程芯片，内部有16K的Flsah RAM,含有32个通用I/O口线，用这种芯片构成的系统简单、可靠，性价比相当高，适合成为霓虹灯程序控制器的核心部件,结合锁存器MC74HC373实现的控制器功能，时间常数易修改，使用灵活，电路易实现，成本低，控制芯片更换方便。控制器的花样变化及速度调节能用软件方法实现，这样进一步提高了性价比。ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案.

§1.3 课程研究的任务

1.把实验箱的电源及各个输入端的拨动按钮置于“OFF” 位，即向下拨动，再用AB 接口的USB连线把PLC与电脑链接起来，然后给PLC上电

2.启动CX-P软件，新建工程，进入CX-P软件编程环境 3.根据实验内容在CX-P软件编程环境里进行编程，然后进行相关操作。

4.程序运行调试并修改。 5.保存好文件，做好各项记录。

6.把实验箱的电源及各个输入端的拨动按钮置于“OFF”位，切断点实验箱的电源，盖好实验箱的盖子。

第二章 系统总体方案设计

§2.1 总体设计目标

结合C语言编程，使心形环绕LED流水灯实现21种不同形式的闪烁功能，由快到慢再由快到慢，再循环往复不断的变化中，给人带来美的体验。

§2.2 方案选择与比较

主控制器芯片主要是负责控制LED灯的不同变化速度快慢以及变化效果。主控制器作为整个系统的控制核心部分，要求其功耗低、数据转换速率快。

方案一：采用STC89C52单片机系统。STC89C52单片机是一种低耗、可编程。高性能8微控制处理器，其内部包括微处理器、具有8K在系统可编程Flash储存器、看门狗定时器、输入/输出口、中断系统等，其具有价格低廉、技术承受、操作简单等特点，满足本系统的要求。

方案二：选择T1公司生产的MSP430F149系列单片机系统。此款单片机具有低电压、超

低功耗的特点，工作电压在3.6-1.8V之间，具有强大的功能和高效的运算处理能力。 方案选择：由于STC89C52价格便宜，支持在线下载程序而且变成简单而MSP430F149系列单片机的功能已经远远高于我们本系统，操作不便，综合考虑我们选择方案一。

第三章 基本原理

§3.1总体设计思路

利用AVR ATmega16单片机设计一个霓虹灯控制器，控制128个发光二极管，利用二极管的闪烁形成各种图案和花样。控制部分主要由单片机完成，显示部分由单片机输出的信号经过放大后驱动二极管发光，形成图案。为了整体布局美观，实物采用印制PCB版，显示部分由128个贴片发光二极管组成16x8的矩阵.

本产品采用以ATmega16单片机为核心芯片的电路来实现，主要由ATmega16芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路、16x8LBD点阵5部分组成，电路框图如图4-2所示。其中，ATmega16是一种带16kB闪烁可编程可擦除只读存储器(Falsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory，FPEROM)的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1 000次写／擦循环。他是一种高效微控制器，为很多嵌人式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。时钟电路由ATmega16的7，8脚的时钟端(XTAI 1及XTAL2)以及12 MHz晶振X 、电容C4、C6组成，采用片内振荡方式。复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻R 12，电容C5 ，开关S1 组成，分别接至ATmega16的RST复位输人端。LED点阵显示屏采用16x8的发光二极管点阵，可通过万用表检测发光二极管的方法测试判断出该点阵的引脚分布。

我们把行列总线接在单片机的I/O口，然后把上面分析到的扫描代码送入总线，就可以得到显示的图像了。我们在实际应用中是将LBD点阵的8条列线通过驱动电路接在PD口8条行线通过限流电阻接在PA、PC口，考虑到PD口必需设置上拉电阻，我们采用1k排电阻作为上拉电阻。图像显示的基本过程是这样的：通电后由于电阻R12 ，电容C5的作用，使单片机的RST复位脚电平先高后低，从而达到复位；之后，在C4、C6 、X 以及单片机内部时钟电路的作用下，单片机ATmega16按照设定的程序在PA、PC、PD接口输出与内部图像对应的代码电平送至LBD点阵的行列线(高电平驱动)，从而选中相应的LBD点发光，并利用人眼的视觉暂留特性合成图像的显示。电路总体方框图如图3-1。

图3-1 电路总体方框图

3.2 电源模块的选择

线性电源的原理：线性电源主要包括工频变压器，，输出整流滤波器，控制电路，

保护电路，如图3-2-3所示。 线性电源是先将交流点经过变压器变压，在经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调节输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，纹波也很小，而且没有开关电源具有的干扰和噪。

图3-2-3 线性电路原理图

由显示部分共128个放光二极管，每个LBD的工作电流为10~15毫安，则当二极管全部工作时，大约需要1.2~2A。所以选用9V 1A的直流电源作为工作电源，采用市场上出售的成品，不再另行设计。

图3-2-1 寄存器扩展的电路图

§4.1 单元电路的设计

4.1.1控制部分电路

控制部分主要是有单片机最小系统完成。采用了1个ATmega16单片机，2个74HC373锁存器，12M晶振和电阻、插座等等。驱动部分的8个8050三极管也在此部分内。单片机的PD0~7作为行的选通信号，PA0~7和PC0~7的16个输出信号作为列的控制信号，经过74HC373与二极管矩阵链接。输出信号经8050放大后驱动发光二极管。 时钟电路

ATmega16单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ，C4、C6的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。时钟电路图如图4-11所示

图4-11 时钟电路

复位电路

单片机有多种复位电路，本系统采用电平式开关复位与上电复位方式，电路如图4-12所示。当上电时，C5相当于短路，使单片机复位，在正常工作时，按下复位键时单片机复位。在有时碰到干扰时会造成错误复位，但在大多数条件下，不会出现单片机错误复位，而可能会引起内部某些寄存器错误复位，如果在复位端加一个去耦电容，则会得到很好的效果

图4-12 复位电路

由于ATmega16相对89S51来说，已经有了内部的时钟电路和复位电路，那么，在焊机的时候，复位电路和时钟电路的原件不比标记上，但是为了区别以及提醒他们的相关作用，在画电路和绘制PCB板时，仍然标出电路。

4.1.2 显示部分电路

显示部分主要由128个贴片发光二极管组成8x16的矩阵。每行16个LED的阳极连接在一

起引出8行输出分别接单片机I/O口的PD0～PD7口；每列8个LED的阴极连接在一起引出16列输出分别接单片机PA0～PA7和PC0～PC7口。从结构上可知，它的每一列共用一根列线，每一行共用一根行线。当相应的行接高电平，列接低电平时，对应的发光二极管被点亮。在显示过程中，多采用扫描方式，利用人的视觉暂停效应，只要刷新速率不小于25帧/秒，就不会有闪烁的感觉。点阵显示的原理就对点阵的每一列（或者每一行）进行快速的扫描（起到选择的作用），然后对相应的行或列进行赋值，如果在速度很慢的情况，可以看到列相应的点亮或灭，但当延时的时间足够短，人 因视觉的上惰性，只看到就是一个个汉字的显示了电路图

4.2 系统硬件设计

4.2.1 系统硬件介绍

国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC已经具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。在可预见的将来，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位，是其他控制技术无法取代的。