节日彩灯地设计与制作

节日彩灯的设计与制作

【摘要】：本文介绍的是89C51单片机为核心，结合寄存器74LS373、或非门74LS02、发光二极管及限流电阻做成节日彩灯。该彩灯可以变换10种不同的花型，为节日增加气氛。具有精度较高、成本低、装调容易，有一定的市场价值的特点，实现了对彩灯的控制。

【关键词】：单片机 寄存器74LS373 发光二极管

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前 言

19世纪兴起的单片机以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越

重要的地位。又有数字电路与模拟电路相比有显而易见的稳定性。近年来，数字电路又有了巨大的发展。可编程逻辑器件（PAL、GAL等）的发展和普及最终使IC的设计面向了用户（这是模拟电路无法做到的），而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从而奠定它在电子电路中的对位。

随着集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，人类历史横跨数码时代向更进一步发展已出现在各大型相关企业的宏伟蓝图中。新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了获胜的资本，也仅仅是资本而矣。新世纪里电子行业的发展速度令人窒息，闻名的摩尔定律更把许多人威吓在门外。

可以展望，一个由数字构成的新世界即将出现。那将是人类文明的又一飞跃，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电（与全部彩灯始终全亮相比）。近年来，随着人们生活水平的较大提高，人们对于物质生活的要求也在逐渐提高，不光是对各种各样的生活电器的需要，也开始在环境的幽雅方面有了更高的要求。比如日光灯已经不能满足于我们的需要，彩灯的运用已经遍布于人们的生活中，从歌舞厅到卡拉OK包房，从节日的祝贺到日常生活中的点缀。这些不紧说明了我们对生活的要求有了质的飞跃，也说明科技在现实运用中有了较大的发展。

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第一章 方案论证

1.1设计要求

（1）该节日彩灯应32个发光二极管构成；

（2）具有十种花型；

（3）各种花型由按键进行切换。

1.2 方案设计

方案一：利用单片机设计，框图如图1所示

电源电路 数据显示电路 时钟及复位电路等 ATC89C51 锁存控制电路 图1 通过锁存器74LS373把数据存储于集成块中，当LE锁存控制端为1,\\OE使能端为0时，其具有输入功能，反之其具有锁存功能，从而驱动发光二级管显示不同的花色。

方案二：利用模电原理设计，电路图如图2所示

图2

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该电路电路用数字电路完成结构复杂，以RY169电路为核心，加上发光二极管的特性以及继电器的原理构成，故障系数大，不易调试，成本可能较高。

1.3方案论证

利用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式代替了数字电路的复杂性，所以电路结构简单、调试也相对方便，经济实惠。与第二种方案比较优点是非常明显的。此彩灯精度较高、造价低廉、装调容易。

经过比较考证后我选第一种方案来完成本次设计。

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第二章 硬件电路的设计

2.1各单元电路的分析与设计

2.1.1最小应用系统 1、振荡电路

振荡电路电路图如图3所示

图3

在X1和X2引脚之间外接晶体振荡器及2个谐振电容，就可以够成内部时钟电路，内部时钟电路的晶体振荡频率一般选择在4到12MHZ之间，谐振电容采用20到30PF之间的瓷片电容。

时钟电路产生的最小时序单位称为时钟周期，它由晶体振荡器决定的，又称振荡周期。 晶体振荡器的频率为f=12MHZ，则

时钟周期=1/f=1/12MHZ=0.0833us 状态周期=2X时钟周期=0.167us 机器周期=12X时钟周期=1us

2、复位电路

复位电路电路图如图4所示

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单片机的复位就是对单片机的初始化操作，使单片机内部各寄存器处于一个确定的初始状态，以便进行下一步操作。

MCS-51系列单片机的有效复位信号为两个机器周期以上的高电平。其复位的实现通常可以采用开机上电复位和外部手动复位两种方式。如图4所示为开机上电复位电路，加电瞬间RST端的电位与Vcc相同，随着RC电路充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降。只要保持10ms以上的高电平就能使单片机有效复位。

2.1.2锁存控制电路

其锁存功能利用74LS373来实现，其功能表如表1所示，引脚图如图5所示

（1） 锁存使能控制端，如图5中的LE。

只有当锁存使能信号有效（图5是上升沿）时，寄存器才能锁存输入数据(d3d2d1d0)，寄存器状态得到更新。时钟信号经常作为锁存使能端的输入，以便协调时序电路的工作。 （2） 控制输入端，

它的作用可同时影响寄存器的多个输出，如图5中的CR。有些控制输入端需要与锁存使能输入端配合才能生效，称这种控制为同步控制。 （3） 数据输入端，如图5

在微控制器单元（MCU）中，寄存器是十分重要的资源。寄存器的主要作用是快速寄存算术逻辑运算单元（ALU）运算过程中的数据。熟悉和了解MCU的寄存器是掌握MCU应用的关键。MCU内部寄存器的位数通常与MCU的总线宽度相同，如普通51系列单片机的寄存器宽度是8位，嵌入式控制器和DSP处理器的寄存器宽度通常是32位或48位。

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第三章 电源电路的设计

3.1 稳压电源的设计方法

稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。 稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：

1.根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。 2.根据稳压器的输入电压UI，确定电源变压器副边电压u的有效值U；根据稳压电

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源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。

3.确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。 设计举例：设计一个直流稳压电源，性能指标要求为： Uo3V~9V,Iomax800mA,

纹波电压的有效值 Uo5mV,稳压系数

其电源电路如图6所示

图6

3.2 电源变压器

电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电

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压u2。电源变压器的效率为：

P2P1

其中：P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表2所示： 副边功率P2 效率 10VA 10~30VA 30~80VA 80~200VA 0.6 0.7 表2

0.8 0.85 因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1。

3.3 整流和滤波电路

在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：

UI(1.1~1.2)U2 在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： URM2U2 流过每只二极管的平均电流为：

IDIR0.45U22R

其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：

RC(3~5)T2

其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。

3.4 稳压电路

由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而

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维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。

集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。

常见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo ≥2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 ~ 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 ~ 24V时，UI的最大值UImax = 40V。它们的引脚功能及组成的典型稳压电路见附录图7所示。

图7

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第四章 系统软件设计

该彩灯控制器软件部分用MCS-51汇编语言编程实现，采用模块化程序设计思想，将软件划分成若干单元，主要包括主程序、LED数码显示子程序和延时子程序等。本系统具体汇编源程序见后附。

4．1流程图

图8为P1口循环电灯程序框图，图9为P1口输入输出程序框图。

延时 左一位 数据输出 设移位次数 设置初始值 开始 开始 P1.0,P1.1置一 读入P1.0口值 将读入的值输出到P1.2 读入P1.1口值 将读入的值输出到P1.3

是 否 移位次数完成？ 图9

图8 4.2 源程序 见附录二

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第五章 安装与调试

5.1安装

首先根据所设计的电路图将元器件清单列出，领取原件。仔细查看是否有坏的，以免在调试时出现不必要的麻烦。查阅一些器件的引脚图，了解个引脚的功能和接法。然后根据实物和电原理图在面包板上做好规划，插的时候一定要固定住，以免接触不良。由于导线比较多，一定要理顺，不能杂乱无章，不方便以后的检察调试。

5.2调试

一 静态调试 第一步：

在系统进行加电之前，首先用万用表依据硬件电路原理图和装配图仔细检查连线的正确性，尤其是电源的走线、防止电源间的短路或极性错误及开路，并重点检查系统总线（地址、数据及控制总线）是否存在相互之间的短路或与其它信号线的短路。

第二步：

加电后检查各IC插件上引脚的电位，根据硬件电路原理图检查各点的电位是否正常，并重点检查单片机插脚的各点电位。

第三步：

在不加电的情况下，除单片机外，插上所有的元器件。上电后，用手摸元器件有无发热现象。然后用仿真头将系统电路板的单片机插脚和仿真器的仿真插口相连。为联机调试作好准备。

二 通电调试

接通电源，再接上仿真器，看显示单元显示的内容是否正常，再按下有关按键，是否能够达到预期目的。如果不能，将仿真器单步运行，查看每一步的运行结果，并对照预期现象对程序进行调整。

三 测试数据

A 三极管各脚对地电压

UE=4.8V UB=4.6V UC=0.2V 表根据放大公式计算可知： 放大倍数=4.8/0.2=240倍

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B 89C51芯片各引脚测得电压

引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

C 用万用表先测变压器输入端，测出电压为交流10V，然后测出输出电压为直流5.6V，与实际输出电压有点小的误差。 测得稳压器3个端口的电压数据： 次级输入：U=11.5v 一号引脚：U=11v 三号引脚：U=5.05v

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工作电压（V） 4．6 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 0 4.9 4.9 4.9 4.9 0.38 4.9 4.9 4.9 0 0 0 引脚号 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 工作电压(V) 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 5 1.62 4.9 0.12 0.09 0.08 0.07 0.08 0.09 5

心得体会

通过这次毕业设计，把以前学的很好的理了一遍。要得到这样一个可在实际中应用的电路，得把前面所学的系统的联系在一起。真是书到用时方恨少，不断的查阅资料的过程也是一个巩固与拾遗的过程。

虽然这次没有做出成品，但设计最重要的还是团队合作，一个人会有很多看的不够且会钻牛角尖，大家在一起就是一个很好的互补，可互相监督提醒。以后到社会上，更多的工作都是靠团队完成，一定要具备很好的团队合作精神。

一个电路就是一个工程，在操作中要细心，很小的失误都有可能导致整个电路的瘫痪。 从选题到查资料设计，到领取单个的器件，到组装成型，到完成调试，是困难辛苦的，更是快乐的！

致谢

在此我要感谢我的指导教师陈慕铭老师我的队友，还有帮助过我的老师和同学，没有他们的帮住我不可能完成本次设计。特别是陈慕铭老师，为了我们他倾注了好多的心血，比我们累多了。陈老师谢谢您，您幸苦了！

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【参考文献】

[1]邹丽新，翁桂荣：《单片机微型计算机原理》，苏州大学出版社，2001.12 [2]邹丽新，翁桂荣：《单片机微型计算机及接口技术》，苏州大学出版社，2002.4

[3]徐爱钧，彭秀华：《单片机高级语言C51windows环境编程与应用》，北京电子工业出版社，2001.7 [4]吉雷：《Protel99从入门到精通》，西安电子科技大学出版社，2000.10 [5]求是科技：《单片机典型模块设计实例导航》，北京人民邮电出版社，2004.5

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附录一

1VCC470ΩVCC470Ω256912151619110Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OEED74LS373VCCD0D1D2D3D4D5D6D7GVCC203478131417181180C51A12345678101112132122232425262728P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RXDTXDINT0INT1P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPRSTXTAL1XTAL2VSSALE/PPSENRDWRT1T040393837363534333231918192030291716151410μF23456VCC470ΩD470ΩD8.2K470Ω470Ω30pF12M470Ω470Ω30pF470Ω74LS373256912151619110Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OEEDVCCD0D1D2D3D4D5D6D7GVCC2034781314171811470Ω470ΩC470ΩC470Ω470Ω470Ω1234567VCCGND74LS02VCC141312111098470Ω470Ω256912151619110VCC2034781314171811470Ω470ΩB470Ω470ΩQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OEED74LS373VCCD0D1D2D3D4D5D6D7GB470Ω470Ω470Ω470Ω256912151619110VCC2034781314171811470Ω470ΩA470Ω470ΩQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OEED74LS373VCCD0D1D2D3D4D5D6D7GATitleSizeBDate:File:NumberRevision470Ω27-Dec-2009Sheet of C:\\PROGRAM FILES\\PROTEL 99SE汉化版\\EXAMPLES\\MyDrawn By:Design5.ddb61470Ω2345

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附录二

ORG 0000H

MOV DPTR ,#TAB MOV R6,#04H MOV 50H,#0FEH L3: CLR A

MOVC A,@A+DPTR CJNE A,#01H,L1 LJMP S1 L1:MOV R7,#8 MOV 51H,A L2:MOV A,51H MOV P1,A RR A

MOV 51H,A MOV P2,50H LCALL DELAY DJNZ R7,L2 MOV A,50H RL A

MOV 50H,A INC DPTR DJNZ R6,L3 MOV R6,#04H MOV 50H,#0F7H L6: CLR A

MOVC A,@A+DPTR CJNE A,#01H,L4 LJMP S1 L4:MOV R7,#8 MOV 51H,A L5:MOV A,51H MOV P1,A RR A

MOV 51H,A MOV P2,50H LCALL DELAY DJNZ R7,L5 MOV A,50H RR A

MOV 50H,A INC DPTR DJNZ R6,L6 MOV R6,#3 MOV 51H,#0FEH CLR A

MOVC A,@A+DPTR

CJNE A,#01H,Q1

LJMP S1 Q1:MOV 50H,A MOV R7,#8 Q2:MOV A,50H MOV P1,A RR A

MOV 50H,A LCALL DELAY MOV P2,#0FEH DJNZ R7, Q2 INC DPTR MOV A,51H RL A MOV 51H,A DJNZ R6,Q2 MOV R6,#3 MOV 51H,#0FEH CLR A

MOVC A,@A+DPTR CJNE A,#01H,Q11 LJMP S1 Q11:MOV 50H,A MOV R7,#8 Q21:MOV A,50H MOV P1,A RR A

MOV 50H,A LCALL DELAY MOV P2,#0FEH DJNZ R7, Q21 INC DPTR MOV A,51H RL A MOV 51H,A DJNZ R6,Q11 DELAY:MOV 20H,#10 S5:MOV 21H,#10 S4:DJNZ 21H,S4 DJNZ 20H,S5 RET

TAB:DB 7FH,7FH,7FH,7FH DB 7FH,7FH,7FH,7FH

DB 0F7H,7FH,0EFH,7FH,7FH DB 01H S1:END

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附录三

元器件清单

元件名称 规格 主电路 单片机芯片80C51 寄存器 或非门 石英晶体振荡器 电解电容 电容 电阻 电阻 发光二极管 74LS373 74LS02 12MHZ 10μF 30PF 8.2K 470Ω LED 电源 变压器 三端稳压器 二极管 电解电容 瓷片电容 15V 7805 IN4007 100μF /50V 0.33μF 1 1 6 1 1 1 4 1 1 1 2 1 32 32 数量

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