基于單片機的 PWM控制LED閃爍

四川航天職業(yè)技術(shù)學院 電子工程系課程設(shè)計專業(yè)專業(yè)名稱：名稱： 應(yīng)用電子技術(shù) 課課程名稱：程名稱： 單片機控制技術(shù)實訓 課題課題名稱：名稱： PWM 控制 LED 閃爍 設(shè)計設(shè)計人人員員： ： 王佳 鐘文燕 楊茂華 趙勤 蘭燦燦指指導導教教師師： ： 肖 正 洪 2012 年 5 月 16 日1 單片機應(yīng)用課題設(shè)計任務(wù)書一、課題名稱： PWM 控制 LED 閃爍二、技術(shù)指標：1. 通過程序產(chǎn)生 PWM 信號2. 控制 LED 由滅逐漸變亮，在由亮逐漸變滅，不斷循環(huán)。2.PWM 占空比可調(diào)節(jié)三、要求：1. 必須使用 AT89S52 單片機2.必須完成課題規(guī)定的任務(wù)，在此基礎(chǔ)上可以自我發(fā)揮3.自己設(shè)計電路，并制作電路板4.電路板布線必須符合布線規(guī)則5.焊接元器件時，焊點要美觀，無虛焊漏焊6.元器件布局合理，美觀大方7.程序設(shè)計精簡明了8.程序執(zhí)行效率高，穩(wěn)定性高9.程序設(shè)計符合 C 語言或匯編語言標準指導教師：肖正洪 學 生：王佳 鐘文燕 楊茂華 趙勤 蘭燦燦 電子工程系2012 年 5 月 16 日2課程設(shè)計報告書評閱頁課題名稱：PWM 控制 LED 閃爍班 級：應(yīng)電 2 班姓 名：王佳 鐘文燕 楊茂華 趙勤 蘭燦燦 2012 年 5 月 16 日指導教師評語：考核成績： 指導教師簽名： 2012 年 月 日3摘摘 要要 目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應(yīng)用尤為重要。而51單片機是各類單片機中最為典型和最具代表性的一種。本實驗是基于MCS-51系列單片機所設(shè)計的，以單片機芯片AT89C52作為核心控制器，通過硬件電路的制作以及軟件程序的編制，實現(xiàn)PWM控制LED的亮度。關(guān)鍵詞：AT89C51、PWM、LED目目 錄錄1 項目概述和要求.11.1 單片機基礎(chǔ)知識.11.2 單片機的發(fā)展趨勢.11.3 項目設(shè)計任務(wù)與設(shè)計思路.32 系統(tǒng)設(shè)計.42.1 系統(tǒng)電路原理圖.42.2 元件清單.42.2.1 AT89C51 芯片 .42.2.2 LED.62.2.3 其它元件.73 軟件設(shè)計.93.1 程序.94 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試.114.1 硬件調(diào)試.114.2 軟件調(diào)試.124.3 軟硬件調(diào)試.125 總結(jié).14參考文獻.1411 項目概述和要求項目概述和要求1.1 單片機基礎(chǔ)知識單片機基礎(chǔ)知識單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講，一塊芯片就成了一臺計算機。單片機具有體積小、功能強、應(yīng)用面廣等優(yōu)點，目前正以前所未見的速度取代著傳統(tǒng)電子線路構(gòu)成的經(jīng)典系統(tǒng)，蠶食著傳統(tǒng)數(shù)字電路與模擬電路固有的領(lǐng)地。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 現(xiàn)在，這種單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛。彩電、冰箱、空調(diào)、錄像機、VCD、遙控器、游戲機、電飯煲等無處不見單片機的影子，單片機早已深深地融入我們每個人的生活之中。單片機能大大地提高這些產(chǎn)品的智能性，易用性及節(jié)能性等主要性能指標，給我們的生活帶來舒適和方便的同時，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。單片機按用途大體上可分為兩類，一種是通用型單片機，另一種是專用型單片機。MCS-51 單片機是美國 INTEL 公司于 1980 年推出的產(chǎn)品，與 MCS- 48 單片機相比，它的結(jié)構(gòu)更先進，功能更強，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令，指令數(shù)達 111 條，MCS-51 單片機可以算是相當成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51 系列或其兼容的單片機仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學校的培訓教材仍與 MSC-51 單片機作為代表進行理論基礎(chǔ)學習。MCS-51 系列單片機主要包括 8031、8051 和 8751 等通用產(chǎn)品。1.2 單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢 單片機現(xiàn)在可以說是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從 8 位、16 位到 32 位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應(yīng)用提供了廣闊的天地?？v觀單片機的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機的發(fā)展趨勢，大致有： 一、微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器（CPU） 、隨機存取數(shù)據(jù)存儲2（RAM） 、只讀程序存儲器（ROM） 、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、PMW（脈寬調(diào)制電路） 、WDT（看門狗） 、有些單片機將 LCD（液晶）驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中 SMD（表面封裝）越來越受歡迎，使得由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。二、低功耗 CMOS 化MCS-51 系列的 8031 推出時的功耗達 630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mW 左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了 CMOS（互補金屬氧化物半導體工藝） 。像 80C51 就采用了HMOS（即高密度金屬氧化物半導體工藝）和 CHMOS（互補高密度金屬氧化物半導體工藝） 。CMOS 雖然功耗低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑。 三、主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以 89C51 為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品，ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺灣的 Winbond 系列單片機。所以 89C51 占據(jù)了半壁江山。而Microchip 公司的 PIC 精簡指令集合（RISC）也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的 HOLTEX 公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增，與其底價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場份額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補、相輔相成、共同發(fā)展的道路。九十年代以后，單片機在結(jié)構(gòu)上采用雙 CPU 或內(nèi)部流水線，CPU 位數(shù)有 8位、16 位、32 位，時鐘頻率高達 20MHZ，片內(nèi)帶有 PWM 輸出、監(jiān)視定時器WDT、可編程計數(shù)器陣列 PCA、DMA 傳輸、調(diào)制解調(diào)器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的發(fā)展，使得單片機在大量數(shù)據(jù)的實時處理、高級通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、復雜工業(yè)過程控制、高級機器人以及局域網(wǎng)等方面得到大量應(yīng)用。這類單片機有 NEC 公司的 MPD7800，MITSUBISHI 公司的M337700，REVKWELL 公司的 R6500。31.3 項目設(shè)計任務(wù)與項目設(shè)計任務(wù)與設(shè)計思路設(shè)計思路設(shè)計任務(wù)：模擬 PWM 輸出控制 LED 的 10 個亮度級別 設(shè)計思路： LED 一般是恒流操作的，如何改變 LED 的亮度呢？答案就是 PWM 控制。在一定的頻率的方波中，調(diào)整高電平和低電平的占空比，即可實現(xiàn)。比如我們用低電平點亮一個 LED 燈，我們假設(shè)把一個頻率周期分為 10 個時間等份，如果方波中的高低電平占空比是 9：1，這是就是一個比較暗的亮度，如果方波中高低電平占空比是 10：0，這時，全部是高電平，燈是滅的。如果占空比是5：5，就是一個中間亮度，如果高低比是 1：9，是一個比較亮的亮度，如果高低是 0：10，這時全部是低電平，就是最亮的。實際上應(yīng)用中，電視屏幕墻中的幾十百萬 LED 象素都是這樣控制的，而且每一個象素都有紅綠藍 3 個 LED，每個 LED 可以變化的亮度是幾百到幾萬或者更多的級別，以實現(xiàn)真彩色的顯示。還有在您的手機中，背光燈的亮度如果是可以變化的，也應(yīng)該是這種工作方式。目前的城市彩燈也有很多都使用了LED，需要控制亮度是也是 PWM 控制。在程序中，我們將定時器 2 溢出定為 1/1200 秒。每 10 次脈沖輸出一個120HZ 頻率。這每 10 次脈沖再用來控制高低電平的 10 個比值。這樣，在每個1/120 秒的方波周期中，我們都可以改變方波的輸出占空比，從而控制 LED 燈的 10 個級別的亮度。為什么輸出方波的頻率要 120HZ 這么高？因為如果頻率太低，人眼就會看到閃爍感覺。一般起碼要在 60HZ 以上才感覺好點，120HZ 就基本上看不到閃爍，只能看到亮度的變化了。 42 系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計2.1 系統(tǒng)電路原理圖系統(tǒng)電路原理圖圖 2-1 利用 PWM 信號控制 LED 亮度的驅(qū)動電路2.2 元件清單元件清單2.2.1 AT89C51 芯片芯片 AT89C51 芯片圖如下圖 2-2-1 所示。5圖 2-2-1AT89C51 芯片圖 圖 2-2-2 AT8952 實物圖簡介：AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。主要特性:與 MCS-51 兼容；4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器；壽命：1000 寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間： 10 年；全靜態(tài)工作： 0Hz-24MHz；三級程序存儲器鎖定； 1288 位內(nèi)部 RAM；32 可編程 I/O 線；兩個 16 位定時器/計數(shù)器；5 個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)6振蕩器和時鐘電路 。2.2.2 LEDLED 燈顯示的原理原理：LED 是英文 light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以 LED 的抗震性能好。 LED 結(jié)構(gòu)圖如下圖所示 發(fā)光二極管的核心部分是由 p 型半導體和 n 型半導體組成的晶片，在 p 型半導體和 n 型半導體之間有一個過渡層，稱為 p-n 結(jié)。在某些半導體材料的 PN 結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN 結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱 LED。當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓） ，電流從 LED 陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。圖 2-2-1LED 實物圖7圖 2-2-2LED 電路圖 2.2.3 其它元件其它元件其它元件圖如下圖 2-6 所示。 8 圖 2-2-3 其它元件圖03 軟件設(shè)計軟件設(shè)計3.1 程序程序#define uchar unsigned char /定義一下方便使用 #define uint unsigned int #define ulong unsigned long #include /包括一個 52 標準內(nèi)核的頭文件 sbit P10 = P10; /要控制的 LED 燈 sbit P11 = P11; sbit P12 = P12; sbit P13 = P13; sbit P14 = P14;sbit P15 = P15;sbit P16 = P16;sbit P17 = P17; uchar scale; /用于保存占空比的輸出 0 的時間份額,總共 10 份 char code dx5163 _at_ 0 x003b; /這是為了仿真設(shè)置的 /模擬 PWM 輸出控制燈的 10 個亮度級別 void main(void) / 主程序 uint n; RCAP2H =0 xF3; /賦 T2 的預(yù)置值，溢出 1 次是 1/1200 秒鐘 RCAP2L =0 x98; TR2=1; /啟動定時器 ET2=1; /打開定時器 2 中斷 EA=1; /打開總中斷 while(1) /程序循環(huán) ; /主程序在這里就不斷自循環(huán)，實際應(yīng)用中，這里是做主要工作 for(n=0;n50000;n+); /每過一會兒就自動加一個檔次的亮度 scale+; if(scale=10)scale=0; /1/1200 秒定時器 2 中斷 timer2() interrupt 5 1 static uchar tt; /tt 用來保存當前時間在一秒中的比例位置 TF2=0; tt+; if(tt=10) /每 1/120 秒整開始輸出低電平 tt=0; if(scale!=0) /這里加這一句是為了消除滅燈狀態(tài)產(chǎn)生的鬼影 P1=0 x00; if(scale=tt) /按照當前占空比切換輸出高電平 P1=0 xff; 2 4 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試系統(tǒng)的仿真與調(diào)試4.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試單片機軟件仿真系統(tǒng) Proteus 介紹：Proteus 是英國 Labcenter Electro-nics 公司開發(fā)的一款電路仿真軟件，軟件由兩部分組成：一部分是智能原理圖輸入系統(tǒng) ISIS(Intelligent Schematic Input System)和虛擬系統(tǒng)模型 VSM(Virtual Model System)；另一部分是高級布線及編輯軟件 ARES(Adv-Ancd Routing and Editing Software)也就是 PCB.圖 4-1 ISIS 啟動界面圖 4-2 單片機屬性的設(shè)定硬件調(diào)試分為靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試，對于硬件調(diào)試而言，只要認真焊接，硬件一般不會出3現(xiàn)什么問題的。靜態(tài)調(diào)試一般采用的工具是萬用表，它是在用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢測。動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排查錯誤的一種硬件檢測。調(diào)試步驟是：首先把電路分為若干模塊，調(diào)試過程中與該模塊無關(guān)的元件可以不加考慮，這樣可把故障限定在一定的范圍內(nèi)；故障清除后，把各個模塊合在一起進行聯(lián)調(diào)，即可完成整個硬件調(diào)試工作。4.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試Keil Vision2 開發(fā)環(huán)境介紹：Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS-51 系列單片機的軟件。Keil 提供包括 C 編譯器,宏匯編，連接器，庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案。通過一個集成開發(fā)環(huán)境Vision2 將這些部分組合在一起。軟件調(diào)試是通過對程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。4.3 軟硬件調(diào)試軟硬件調(diào)試軟硬件聯(lián)調(diào)是指把調(diào)試無誤的軟件程序燒制進單片機芯片內(nèi)部，通上電源后，檢查硬件工作是否有預(yù)期的效果，如果沒有則需要檢測軟件是否在實現(xiàn)功能上有欠缺。若有錯誤，通過改寫軟件來調(diào)試，直至達到預(yù)期效果，則設(shè)計圓滿成功。本課程設(shè)計調(diào)試結(jié)果如下圖 4-3 所示。4圖 4-3 調(diào)試結(jié)果圖5 5 總結(jié)總結(jié)經(jīng)過將近一個星期的課程設(shè)計，PWM 控制 LED 的亮度設(shè)計基本完成，系統(tǒng)功能基本實現(xiàn)，測試運行也基本正常。該系統(tǒng)基本上完成了模擬 PWM 控制 LED 的亮度。當然這個系統(tǒng)還存在許多有待完善的地方：功能相對較少，有待于添加，比方說時鐘與鬧鐘功能；界面設(shè)計得不夠精致完美；這次課程設(shè)計的時間雖然不算很長，但使我對很多東西有了更深刻的認識。總結(jié)如下：1單片機基礎(chǔ)知識要熟練掌握。2查閱資料和閱讀相關(guān)文獻的重要性，充分利用網(wǎng)絡(luò)這個大的資料庫。 .3.向同學請教的重要性以及團隊協(xié)作的重要性。4 .勤動手的重要性，自己動手，豐衣足食！在一次次調(diào)試代碼的過程中，我才明白“代碼不是寫出來的，是調(diào)試出來的”的道理。5.對待任何事情都要有耐心和恒心，遇到問題要冷靜地思考，積極找出癥結(jié)所在，逐個解決。通過本次課程設(shè)計，我更深刻的認識到了教學實踐在大學課程中的重要性，同時也發(fā)覺到了自己在學習方面存在的許多不足之處，在以后的學習中我會努力改進這些不足，不斷提高自己的動手實踐能力。 參考文獻參考文獻1康華光，陳大欽. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，20052李朝青.單片機原理及接口技術(shù)（第 3 版）M.北京航空航天大學出版社，20053蘭吉昌.51 單片機應(yīng)用設(shè)計百例.M.北京：化學工業(yè)出版社，2009 4 http:/ 單片微機原理與應(yīng)用（第 3 版）機械工業(yè)出版社，20097http:/