单片机节日彩灯控制器设计彩灯控制器

单片机节日彩灯控制器设计彩灯控制器

一、设计任务与要求

(1)PD0: 开始,按此键则灯开始流动（由上而下）；

(2)PD1: 停止,按此键则停止流动,所有灯为暗；

(3)PD2: 上,按此键则灯由上向下流动；

(4)PD3: 下,按此键则灯由下向上流动。

二、方案设计与论证

随着人们生活环境的不断改善和美化,在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED 彩灯由于其丰富的灯光色彩,低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用,用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现,电路结构复杂、功能单一,这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮,不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外从功能效果上看,亮灯模式少而且样式单调,缺乏用户可操作性,影响彩灯效果,因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。

本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的LED彩灯循环系统的设计,来达到本设计的要求。其硬件构成框图如图所示,以单片机为核心控制,由单片机最小系统,时钟电路、复位电路、电源、按键控制电路、LED发光二极管和5V直流电源电路组成。

图2 单片机彩灯循环控制系统硬件框图

此设计方案中单片机的PD口接4路按键控制电路,实现彩灯花型的切换功能,单片机上的PB口接8路LED发光二极管组成彩灯电路,显示彩灯循环情况。

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图2程序流程图

2、键盘设计论证

方案一、独立式

独立式键盘是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响到其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断那个键被按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单，但每个按键需要占用一根输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。按键直接与单片机的I/O 口线相接，通过读I/O 口，判定I/O 口线的电平状态，即可识别出按下的按键。

方案二、行列式

矩阵式键盘也称行列式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行\列的交叉点上。如下图所示,一个4X4 的行列结构可以构成一个 16 个按键的键盘。很明显，在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立式键盘相比，要节省很多的 I/O 口线。

综上所述，本设计结构比较简单，所需按键较少就可以实现功能设计，故选择独立式键盘设计。

三、单元电路设计与参数计算

1、led彩灯模块设计

本设计使用PB口做输出端口来控制led灯的闪亮与灭掉，连接8个发光二极管的阴极。8个发光二极管采用了共阳极设计，并且VCC通过pnp型三极管给二极管供电（vcc送发射极，集电极与二极管阳极连接，单片机通过PA2来控制二极管阳极电压供给）------（限流电阻R取值为1K）

具体硬件设计如下图所示：

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2、按键模块设计

由于在单片机按键操作中，存在按键抖动的问题，会造成取值不稳定的情况，如下图即为按键操作波形:

按键操作波形

所以必须考虑去抖动的问题，解决方法有如下两种：

●消除按键的抖动既可采用硬件方法，也可采用软件的方法。使用硬件消

抖的方式，需要在按键连接的硬件设计上增加硬件消抖电路，如采用R-S 触发器或RC积分电路等。采用硬件消抖方式增加了系统的成本，而利用软件方式消抖则是比较经济的做法，但增加了软件设计的复杂性。

●软件方式消抖的基本原理是在软件中对按键进行两次测试确认，即在第

一次检测到按键按下后，间隔10ms左右再次检测该按键是否按下，只有在两次都测到按键按下时才最终确认有键按下，从而消除了抖动的影响。

由于用软件方式消抖比较方便，比较经济，而硬件消抖即复杂又不经济，所以本次设计我们采用的是软件消抖。

需特别注意的是：

在按键接口软件中，除了要考虑按键消抖外，一般还要判别按键的释放，只有检测到按键释放以后，才能确定为一次完整的按键动作完成。

硬件按键设计如下：

四、总原理图及元器件清单

1．总原理图

功能说明：

※S1-开始，按此键，灯开始流动（从上到下）

※S2-停止，按此键，灯停止流动（灭灯）

※S3-上，按此键，灯从上而下流动

※S4-下，按此键，灯从下而上流动

2．元件清单

元件序号元件说明数量备注Atmega16 单片机芯片 1

R1—R9 限流电阻9 1K LED 发光二极管8

KEY 按键开关 4

Q1 三极管 1 Pnp型

五、功能仿真实现

1、开始：从上到下流动点亮

2、反向：从下向上流动点亮

3、停止：灭灯

六、安装与调试

七、结论与心得

本次课程设计既要求我们对知识掌握的牢固，又要求我们对知识能够灵活运用。从所涉及的知识面来说，它不仅要求我们运用所学过的知识还要求我们去查找，学习，借鉴其他科目或门类的知识。从时间上来说，这次设计的时间是最长的，因此我们有足够的时间去重新温习学过的知识，更有充足的时间去搜集学习一些我们没有涉猎过的知识。这样不仅锻炼了我们学习新知识的能力，同时也拓宽了我们的知识面。并且我们还有足够时间去修改我们的设计中的缺陷，这也是对我们将来走入社会独立完成一项课题的考验。

我们经过将近两周的努力，终于完成本次创新课程设计，过程虽是辛苦的，但从中我们却学到了很多东西。首先巩固了课上学习的理论知识，对于计算机C 语言的系统化整体化有了更深的认识。整个设计过程最大的收获就是意识到理论知识扎实的重要性，实践是建立在理论之上的，平时的基础知识很重要。另外就是合作的重要性，每个人都有他的特长一个人难免有疏漏，只有大家共同努力才能顺利的完成任务。

通过本次课程设计，提高了我们的自学能力，提高了理论联系实际的能力，把自己所学应用到实验中，对所用到的硬件有了更加深刻的理解；同时我们更加明白团结合作、分工合作的重要性，提高了团结合作的能力与做事效率。提高了我们克服困难的信心与决心。

八、参考文献

1．马潮编著.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践（第二版）北京航空航天大学出版社 2011年8月。

2．周兴华编著.手把手教你学单片机C程序设计北京航空航天大学出版社 2008

年6月。

3、童诗白、华成英主编.模拟电子技术基础高等教育出版社。

附录：

1、设计程序代码