基于声光显示智力竞赛抢答器毕业设计论文
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复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机系统的复
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北京吉利大学 2012 届毕业设计
位方式有上电自动复位和手动按键复位。本设计采用手动按键复位，该复位方式同样具 有上电自动复位功能。电路如下图所示。
图 2-2 单片机最小系统
2.3 LED 彩灯显示电路
LED 彩灯显示电路(如图所示)实际上是由 8 个发光二极管和 8 个电阻构成的电路。 发光二极管与电阻对应串联,然后接在与之相对应的 P2 口上。通过软件编程对 P2 口输 出高低电平来实现不同的闪烁花型。由于发光二极管的导通电压一般为 1.7V 以上，另 外，他的工作电流根据型号不同一般为 1mA 到 30mA，电阻选择范围 100 欧姆～3 千欧 姆在此我们这里选用 560 欧姆的电阻。
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时钟 电路
复位 电路
AT89C51 单片机
按键控 制电路
LED 彩灯
直流 5V 电源电路
供电
信号
图 1-2 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 P1 口接 5 路按键控制电路，实现彩灯花型的切换功能；单 片机的 P3.7 引脚接上一个按钮开关以实现对彩灯闪烁频率的控制，即实现了快慢两种 节拍实现花型的变换；单片机上的 P2 口接八路 LED 发光二极管组成彩灯电路，显示彩 灯循环情况。
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第二部分是数据转换通道：由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道， 其中 13 脚（R1IN）、12 脚（R1OUT）、11 脚（T1IN）、14 脚（T1OUT）为第一数据通道，8 脚（R2IN）、9 脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DP9 插头；DP9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出
图 4-1 仿真电路图
4.2 仿真调试
本系统的调试是把在 Keil 里面写好的程序通过编译不出现任何错误后将生成的后 缀名为.HEX 的文件加载到 AT89C51 单片机中。接下来我们将在 PROTEUS 软件进行软硬 件结合的调试。
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图 4-2 程序编译
电子智能抢答计分器在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系 统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题，利用单片机系统来设计抢答 器，使以上问题得以解决。即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组先答题。抢答组数可 以在八组以内任意使用，本系统设计为模块形式采用九针插头进行连接，系统工作原理本系统采用 AT89S51 单片机作为核心，控制系统的五个模块分别为：单片机最小系统（六位并行数码显示、4*4 矩阵式键盘）、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块、音乐音频输出模块。
北京吉利大学 2012 届毕业设计
毕业论文（设计）
题 目：基于声光显示智力竞赛抢答器
学 院：
汽车学院
专 业：
机电（机器人方向）
班 级：
08 机电本科班
学 号： 0812260020
学生姓名：
郝龙
指导老师：
毕月云
完成日期：
2012-04-09
北京吉利大学 2012 届毕业设计
摘要
随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智 能楼宇等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子 线路。同时楼宇智能化的发展与成熟，也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的 基础。
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图 2-3 LED 彩灯显示电路
2.4 按键控制电路
按键控制电路(如图 2-4 所示)是由 6 个按键开关构成的。他们分别接在单片机 AT89C51 的 P1 接口和 P3.0 口,Key1﹍Key5 接在 P1.0﹍P1.4,Key6 接在 P3.7 上。为了一 对一的控制 LED 灯的闪烁方式。当按下开关 Key1 时, LED 彩灯系统闪烁第一种彩灯花型。 当按下开关 Key2 时, LED 灯系统闪烁第二种闪烁方式……
本设计是以单片机 AT89C51 为核心控制 8 个发光二极管 5 种闪烁方式的变换。硬件 电路如图附录 1 所示，八个发光二极管 D1－D8 分别接在单片机的 P2.0－P2.7 接口上， 当给 P2.0 口输出“0”时，发光二极管点亮，当输出“1”时，发光二极管熄灭。可以 运用输出端口指令 MOV P0，A 或 MOV P0，＃DATA，只要给累加器值或常数值，同理，接 在 P2.1～P2.7 口的其他 7 个 LED 的点亮和熄灭的方法同 LED1。因此，要实现流水灯功 能，我们只要将发光二极管 LED1～LED8 依次点亮、熄灭，8 只 LED 灯便会一亮一暗的成 流水灯了。在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令 的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到闪烁 效果。
第三部分是供电：15 脚 DNG、16 脚 VCC（+5v）。 在此，本系统的硬件电路已经全部设计完毕。
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第 3 章 软件设计
单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还 不能看到多控制、多闪烁方式的 LED 灯系统循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎 么样进行控制，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的明灭。 软件编程是多控制、多闪烁方式的 LED 灯系统中的一个重要的组成部分，是本设计的重 点和难点。下面,我将阐述多控制、多闪烁方式的 LED 灯系统是如何实现 8 个 LED 灯的 循环点亮，来介绍实现流水灯控制的软件编程方法。
直流稳压电源的制作一般有 3 种制作形式，分别是分立元件构成的稳压电源、线性 集成稳压电源和开关稳压电源。下图稳压电源采用的是三端集成稳压器 7805 构成的正 5V 直流电源。
图 2-1 三端固定式集成稳压电源电路图
AT89C51 单片机的工作电压范围：4.0V—5.5V，所以通常给单片机外接 5V 直流电源。 由于时间关系，此处用 3 节 1.5V 的干电池供电，在此不在赘述此稳压电源电路图原理。
图 2-5 串口原理图
MAX232 芯片是专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v 单电源供电。
MAX23 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路：由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成，功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。
2.2 单片机最小系统
要使单片机工作起来，最基本的电路的构成由单片机、时钟电路、复位电路等组成。 单片机最小系统如下图 2-2 所示。
时钟电路：本系统采用单片机内部方式产生时钟信号，用于外接一个 12MHz 石英晶 体振荡器和 2 个 30pF 微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内 部的时钟电路。
1.1 设计方案
彩灯控制器大致可分为两种方案实现。一种是利用电子电路装置控制，另一种是采 用单片机控制。
方案一： 根据设计任务要求介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡 电路、计数/时序分配电路、移位位寄存器和彩灯显示五部分组成。其框图如图 1-1 所示。
振荡电路
控
计
译
制
数
码
LED 显 示
电
器
器
电路
路
图 1-1 彩灯循环控制器硬件框图
方案二： 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 1-2 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。
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开始 N
判断有无按键按下 Y
当 Key1-Key5 有键按下时
调用彩灯循环程序
调用延时程序
当 Key6 按 下 时
设定相应的延时 参数 R5 的值
图 3-1 主程序流程图
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第 4 章 系统仿真调试
4.1 系统仿真
下面是在 PROTEUS 软件仿真系统中的调试结果，如表 4-1：
序 测试项目
号 1 是否能正常工作
测试方法
打开仿真电路图，加载程 序，点击开始运行。
测试结果
无任何错误提示
行状态分析
仿真电路正常
2 彩灯花型控制 3 节奏快慢控制
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第 2 章 硬件设计
2.1 直流稳压电源电路
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源 电路的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。电子设备除用电池供电外，还采用市电 （交流电网）供电。通过变压、整流、滤波和稳压后，得到稳定的直流电。直流稳压电 源是电子设备的重要组成部分！本项目直流稳压电源为+5V。如下图所示：
1.2 方案选择
结合设计任务书比较以上两种方案可知：利用电子电路装置控制，其电路不很复杂， 制作相对较容易点，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到 设计任务要求或实现困难。采用单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清 晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。
综上，显然方案二各方面优越于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用第 二种方案。
程序设计流程如图 3-1。程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，此程序里面包含 Key1～Key5 的按键情况判断，循环检测直到有按键按下的时候，程序转去相对应按键的 彩灯显示的花型模块，与此同时，当按键 Key6 有闭合时，程序中调用延时程序程序时， 给延时参数赋值上另一个值，是延时程序延时时间发生改变，以达到不同快慢节奏闪烁 的彩灯。具体程序流程如下图所示。
本设计使用的 Keil C51 软件来进行编程。Keil C51 提供了包括 C 编译器、宏汇编、 连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一个集成开 发环境（uVision）将这些部份组合在一起。
Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路 和 IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系 统。
关键词 单片机；矩阵式键盘；显示；驱动；抢答
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北京吉利大学 2012 届毕业设计
目录
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北京吉利大学 2012 届毕业设计
第 1 章 方案设计
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。
当闭合 Key6 时，彩灯闪烁节拍变慢。
图 2-4 键盘控制电路 第 6页
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2.5 串口电路
串口电路为单片提供与 PC 机连接端口，为单片机提供下载程序到单片机程序存储 器中。串口原理图如图 2-5 所示。
串口也称串行通信接口，RS-232 是目前最常用的一种串行通讯接口，由于其形状和 针脚数量的原因，其接头又被称为 DB9 接头。RS-232 针脚定义: 2 RXD ← Receive Data 接收数据 、3 TXD → Transmit Data 发送数据 、5 GND — System Ground 系 统接地，一般就用到这几个引脚。
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位方式有上电自动复位和手动按键复位。本设计采用手动按键复位，该复位方式同样具 有上电自动复位功能。电路如下图所示。
图 2-2 单片机最小系统
2.3 LED 彩灯显示电路
LED 彩灯显示电路(如图所示)实际上是由 8 个发光二极管和 8 个电阻构成的电路。 发光二极管与电阻对应串联,然后接在与之相对应的 P2 口上。通过软件编程对 P2 口输 出高低电平来实现不同的闪烁花型。由于发光二极管的导通电压一般为 1.7V 以上，另 外，他的工作电流根据型号不同一般为 1mA 到 30mA，电阻选择范围 100 欧姆～3 千欧 姆在此我们这里选用 560 欧姆的电阻。
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时钟 电路
复位 电路
AT89C51 单片机
按键控 制电路
LED 彩灯
直流 5V 电源电路
供电
信号
图 1-2 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 P1 口接 5 路按键控制电路，实现彩灯花型的切换功能；单 片机的 P3.7 引脚接上一个按钮开关以实现对彩灯闪烁频率的控制，即实现了快慢两种 节拍实现花型的变换；单片机上的 P2 口接八路 LED 发光二极管组成彩灯电路，显示彩 灯循环情况。
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第二部分是数据转换通道：由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道， 其中 13 脚（R1IN）、12 脚（R1OUT）、11 脚（T1IN）、14 脚（T1OUT）为第一数据通道，8 脚（R2IN）、9 脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DP9 插头；DP9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出
图 4-1 仿真电路图
4.2 仿真调试
本系统的调试是把在 Keil 里面写好的程序通过编译不出现任何错误后将生成的后 缀名为.HEX 的文件加载到 AT89C51 单片机中。接下来我们将在 PROTEUS 软件进行软硬 件结合的调试。
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北京吉利大学 2012 届毕业设计
图 4-2 程序编译
电子智能抢答计分器在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系 统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题，利用单片机系统来设计抢答 器，使以上问题得以解决。即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组先答题。抢答组数可 以在八组以内任意使用，本系统设计为模块形式采用九针插头进行连接，系统工作原理本系统采用 AT89S51 单片机作为核心，控制系统的五个模块分别为：单片机最小系统（六位并行数码显示、4*4 矩阵式键盘）、显示模块、显示驱动模块、抢答开关模块、音乐音频输出模块。
北京吉利大学 2012 届毕业设计
毕业论文（设计）
题 目：基于声光显示智力竞赛抢答器
学 院：
汽车学院
专 业：
机电（机器人方向）
班 级：
08 机电本科班
学 号： 0812260020
学生姓名：
郝龙
指导老师：
毕月云
完成日期：
2012-04-09
北京吉利大学 2012 届毕业设计
摘要
随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智 能楼宇等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子 线路。同时楼宇智能化的发展与成熟，也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的 基础。
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图 2-3 LED 彩灯显示电路
2.4 按键控制电路
按键控制电路(如图 2-4 所示)是由 6 个按键开关构成的。他们分别接在单片机 AT89C51 的 P1 接口和 P3.0 口,Key1﹍Key5 接在 P1.0﹍P1.4,Key6 接在 P3.7 上。为了一 对一的控制 LED 灯的闪烁方式。当按下开关 Key1 时, LED 彩灯系统闪烁第一种彩灯花型。 当按下开关 Key2 时, LED 灯系统闪烁第二种闪烁方式……
本设计是以单片机 AT89C51 为核心控制 8 个发光二极管 5 种闪烁方式的变换。硬件 电路如图附录 1 所示，八个发光二极管 D1－D8 分别接在单片机的 P2.0－P2.7 接口上， 当给 P2.0 口输出“0”时，发光二极管点亮，当输出“1”时，发光二极管熄灭。可以 运用输出端口指令 MOV P0，A 或 MOV P0，＃DATA，只要给累加器值或常数值，同理，接 在 P2.1～P2.7 口的其他 7 个 LED 的点亮和熄灭的方法同 LED1。因此，要实现流水灯功 能，我们只要将发光二极管 LED1～LED8 依次点亮、熄灭，8 只 LED 灯便会一亮一暗的成 流水灯了。在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令 的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到闪烁 效果。
第三部分是供电：15 脚 DNG、16 脚 VCC（+5v）。 在此，本系统的硬件电路已经全部设计完毕。
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第 3 章 软件设计
单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还 不能看到多控制、多闪烁方式的 LED 灯系统循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎 么样进行控制，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的明灭。 软件编程是多控制、多闪烁方式的 LED 灯系统中的一个重要的组成部分，是本设计的重 点和难点。下面,我将阐述多控制、多闪烁方式的 LED 灯系统是如何实现 8 个 LED 灯的 循环点亮，来介绍实现流水灯控制的软件编程方法。
直流稳压电源的制作一般有 3 种制作形式，分别是分立元件构成的稳压电源、线性 集成稳压电源和开关稳压电源。下图稳压电源采用的是三端集成稳压器 7805 构成的正 5V 直流电源。
图 2-1 三端固定式集成稳压电源电路图
AT89C51 单片机的工作电压范围：4.0V—5.5V，所以通常给单片机外接 5V 直流电源。 由于时间关系，此处用 3 节 1.5V 的干电池供电，在此不在赘述此稳压电源电路图原理。
图 2-5 串口原理图
MAX232 芯片是专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v 单电源供电。
MAX23 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路：由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成，功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。
2.2 单片机最小系统
要使单片机工作起来，最基本的电路的构成由单片机、时钟电路、复位电路等组成。 单片机最小系统如下图 2-2 所示。
时钟电路：本系统采用单片机内部方式产生时钟信号，用于外接一个 12MHz 石英晶 体振荡器和 2 个 30pF 微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内 部的时钟电路。
1.1 设计方案
彩灯控制器大致可分为两种方案实现。一种是利用电子电路装置控制，另一种是采 用单片机控制。
方案一： 根据设计任务要求介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡 电路、计数/时序分配电路、移位位寄存器和彩灯显示五部分组成。其框图如图 1-1 所示。
振荡电路
控
计
译
制
数
码
LED 显 示
电
器
器
电路
路
图 1-1 彩灯循环控制器硬件框图
方案二： 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 1-2 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。
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开始 N
判断有无按键按下 Y
当 Key1-Key5 有键按下时
调用彩灯循环程序
调用延时程序
当 Key6 按 下 时
设定相应的延时 参数 R5 的值
图 3-1 主程序流程图
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第 4 章 系统仿真调试
4.1 系统仿真
下面是在 PROTEUS 软件仿真系统中的调试结果，如表 4-1：
序 测试项目
号 1 是否能正常工作
测试方法
打开仿真电路图，加载程 序，点击开始运行。
测试结果
无任何错误提示
行状态分析
仿真电路正常
2 彩灯花型控制 3 节奏快慢控制
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第 2 章 硬件设计
2.1 直流稳压电源电路
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源 电路的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。电子设备除用电池供电外，还采用市电 （交流电网）供电。通过变压、整流、滤波和稳压后，得到稳定的直流电。直流稳压电 源是电子设备的重要组成部分！本项目直流稳压电源为+5V。如下图所示：
1.2 方案选择
结合设计任务书比较以上两种方案可知：利用电子电路装置控制，其电路不很复杂， 制作相对较容易点，成本也相对较低，但可调性差，亮灯模式少而且样式单调，达不到 设计任务要求或实现困难。采用单片机控制其优点是电路集成度高，工作原理简单，清 晰明了，自定义编程，控制的图案花样多，移植性好等。
综上，显然方案二各方面优越于方案一，以及为了体现专业优势，本次设计采用第 二种方案。
程序设计流程如图 3-1。程序启动时跳转到键盘判断模块程序中，此程序里面包含 Key1～Key5 的按键情况判断，循环检测直到有按键按下的时候，程序转去相对应按键的 彩灯显示的花型模块，与此同时，当按键 Key6 有闭合时，程序中调用延时程序程序时， 给延时参数赋值上另一个值，是延时程序延时时间发生改变，以达到不同快慢节奏闪烁 的彩灯。具体程序流程如下图所示。
本设计使用的 Keil C51 软件来进行编程。Keil C51 提供了包括 C 编译器、宏汇编、 连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一个集成开 发环境（uVision）将这些部份组合在一起。
Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路 和 IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系 统。
关键词 单片机；矩阵式键盘；显示；驱动；抢答
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目录
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北京吉利大学 2012 届毕业设计
第 1 章 方案设计
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。
当闭合 Key6 时，彩灯闪烁节拍变慢。
图 2-4 键盘控制电路 第 6页
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2.5 串口电路
串口电路为单片提供与 PC 机连接端口，为单片机提供下载程序到单片机程序存储 器中。串口原理图如图 2-5 所示。
串口也称串行通信接口，RS-232 是目前最常用的一种串行通讯接口，由于其形状和 针脚数量的原因，其接头又被称为 DB9 接头。RS-232 针脚定义: 2 RXD ← Receive Data 接收数据 、3 TXD → Transmit Data 发送数据 、5 GND — System Ground 系 统接地，一般就用到这几个引脚。