基于单片机的 PWM控制LED闪烁

四川航天职业技术学院 电子工程系课程设计专业专业名称：名称： 应用电子技术 课课程名称：程名称： 单片机控制技术实训 课题课题名称：名称： PWM 控制 LED 闪烁 设计设计人人员员： ： 王佳 钟文燕 杨茂华 赵勤 兰灿灿指指导导教教师师： ： 肖 正 洪 2012 年 5 月 16 日1 单片机应用课题设计任务书一、课题名称： PWM 控制 LED 闪烁二、技术指标：1. 通过程序产生 PWM 信号2. 控制 LED 由灭逐渐变亮，在由亮逐渐变灭，不断循环。2.PWM 占空比可调节三、要求：1. 必须使用 AT89S52 单片机2.必须完成课题规定的任务，在此基础上可以自我发挥3.自己设计电路，并制作电路板4.电路板布线必须符合布线规则5.焊接元器件时，焊点要美观，无虚焊漏焊6.元器件布局合理，美观大方7.程序设计精简明了8.程序执行效率高，稳定性高9.程序设计符合 C 语言或汇编语言标准指导教师：肖正洪 学 生：王佳 钟文燕 杨茂华 赵勤 兰灿灿 电子工程系2012 年 5 月 16 日2课程设计报告书评阅页课题名称：PWM 控制 LED 闪烁班 级：应电 2 班姓 名：王佳 钟文燕 杨茂华 赵勤 兰灿灿 2012 年 5 月 16 日指导教师评语：考核成绩： 指导教师签名： 2012 年 月 日3摘摘 要要 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用尤为重要。而51单片机是各类单片机中最为典型和最具代表性的一种。本实验是基于MCS-51系列单片机所设计的，以单片机芯片AT89C52作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，实现PWM控制LED的亮度。关键词：AT89C51、PWM、LED目目 录录1 项目概述和要求.11.1 单片机基础知识.11.2 单片机的发展趋势.11.3 项目设计任务与设计思路.32 系统设计.42.1 系统电路原理图.42.2 元件清单.42.2.1 AT89C51 芯片 .42.2.2 LED.62.2.3 其它元件.73 软件设计.93.1 程序.94 系统的仿真与调试.114.1 硬件调试.114.2 软件调试.124.3 软硬件调试.125 总结.14参考文献.1411 项目概述和要求项目概述和要求1.1 单片机基础知识单片机基础知识单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 现在，这种单片机的使用领域已十分广泛。彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。单片机按用途大体上可分为两类，一种是通用型单片机，另一种是专用型单片机。MCS-51 单片机是美国 INTEL 公司于 1980 年推出的产品，与 MCS- 48 单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达 111 条，MCS-51 单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与 MSC-51 单片机作为代表进行理论基础学习。MCS-51 系列单片机主要包括 8031、8051 和 8751 等通用产品。1.2 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 单片机现在可以说是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从 8 位、16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供了广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 一、微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU） 、随机存取数据存储2（RAM） 、只读程序存储器（ROM） 、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、PMW（脉宽调制电路） 、WDT（看门狗） 、有些单片机将 LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中 SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。二、低功耗 CMOS 化MCS-51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍都在100mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS（互补金属氧化物半导体工艺） 。像 80C51 就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和 CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺） 。CMOS 虽然功耗低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 三、主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 89C51 为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品，ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列单片机。所以 89C51 占据了半壁江山。而Microchip 公司的 PIC 精简指令集合（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的 HOLTEX 公司近年的单片机产量与日俱增，与其底价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。九十年代以后，单片机在结构上采用双 CPU 或内部流水线，CPU 位数有 8位、16 位、32 位，时钟频率高达 20MHZ，片内带有 PWM 输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列 PCA、DMA 传输、调制解调器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的发展，使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。这类单片机有 NEC 公司的 MPD7800，MITSUBISHI 公司的M337700，REVKWELL 公司的 R6500。31.3 项目设计任务与项目设计任务与设计思路设计思路设计任务：模拟 PWM 输出控制 LED 的 10 个亮度级别 设计思路： LED 一般是恒流操作的，如何改变 LED 的亮度呢？答案就是 PWM 控制。在一定的频率的方波中，调整高电平和低电平的占空比，即可实现。比如我们用低电平点亮一个 LED 灯，我们假设把一个频率周期分为 10 个时间等份，如果方波中的高低电平占空比是 9：1，这是就是一个比较暗的亮度，如果方波中高低电平占空比是 10：0，这时，全部是高电平，灯是灭的。如果占空比是5：5，就是一个中间亮度，如果高低比是 1：9，是一个比较亮的亮度，如果高低是 0：10，这时全部是低电平，就是最亮的。实际上应用中，电视屏幕墙中的几十百万 LED 象素都是这样控制的，而且每一个象素都有红绿蓝 3 个 LED，每个 LED 可以变化的亮度是几百到几万或者更多的级别，以实现真彩色的显示。还有在您的手机中，背光灯的亮度如果是可以变化的，也应该是这种工作方式。目前的城市彩灯也有很多都使用了LED，需要控制亮度是也是 PWM 控制。在程序中，我们将定时器 2 溢出定为 1/1200 秒。每 10 次脉冲输出一个120HZ 频率。这每 10 次脉冲再用来控制高低电平的 10 个比值。这样，在每个1/120 秒的方波周期中，我们都可以改变方波的输出占空比，从而控制 LED 灯的 10 个级别的亮度。为什么输出方波的频率要 120HZ 这么高？因为如果频率太低，人眼就会看到闪烁感觉。一般起码要在 60HZ 以上才感觉好点，120HZ 就基本上看不到闪烁，只能看到亮度的变化了。 42 系统系统设计设计2.1 系统电路原理图系统电路原理图图 2-1 利用 PWM 信号控制 LED 亮度的驱动电路2.2 元件清单元件清单2.2.1 AT89C51 芯片芯片 AT89C51 芯片图如下图 2-2-1 所示。5图 2-2-1AT89C51 芯片图 图 2-2-2 AT8952 实物图简介：AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除 只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性:与 MCS-51 兼容；4K 字节可编程闪烁存储器；寿命：1000 写/擦循环；数据保留时间： 10 年；全静态工作： 0Hz-24MHz；三级程序存储器锁定； 1288 位内部 RAM；32 可编程 I/O 线；两个 16 位定时器/计数器；5 个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内6振荡器和时钟电路 。2.2.2 LEDLED 灯显示的原理原理：LED 是英文 light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。 LED 结构图如下图所示 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压） ，电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。图 2-2-1LED 实物图7图 2-2-2LED 电路图 2.2.3 其它元件其它元件其它元件图如下图 2-6 所示。 8 图 2-2-3 其它元件图03 软件设计软件设计3.1 程序程序#define uchar unsigned char /定义一下方便使用 #define uint unsigned int #define ulong unsigned long #include /包括一个 52 标准内核的头文件 sbit P10 = P10; /要控制的 LED 灯 sbit P11 = P11; sbit P12 = P12; sbit P13 = P13; sbit P14 = P14;sbit P15 = P15;sbit P16 = P16;sbit P17 = P17; uchar scale; /用于保存占空比的输出 0 的时间份额,总共 10 份 char code dx5163 _at_ 0 x003b; /这是为了仿真设置的 /模拟 PWM 输出控制灯的 10 个亮度级别 void main(void) / 主程序 uint n; RCAP2H =0 xF3; /赋 T2 的预置值，溢出 1 次是 1/1200 秒钟 RCAP2L =0 x98; TR2=1; /启动定时器 ET2=1; /打开定时器 2 中断 EA=1; /打开总中断 while(1) /程序循环 ; /主程序在这里就不断自循环，实际应用中，这里是做主要工作 for(n=0;n50000;n+); /每过一会儿就自动加一个档次的亮度 scale+; if(scale=10)scale=0; /1/1200 秒定时器 2 中断 timer2() interrupt 5 1 static uchar tt; /tt 用来保存当前时间在一秒中的比例位置 TF2=0; tt+; if(tt=10) /每 1/120 秒整开始输出低电平 tt=0; if(scale!=0) /这里加这一句是为了消除灭灯状态产生的鬼影 P1=0 x00; if(scale=tt) /按照当前占空比切换输出高电平 P1=0 xff; 2 4 系统的仿真与调试系统的仿真与调试4.1 硬件调试硬件调试单片机软件仿真系统 Proteus 介绍：Proteus 是英国 Labcenter Electro-nics 公司开发的一款电路仿真软件，软件由两部分组成：一部分是智能原理图输入系统 ISIS(Intelligent Schematic Input System)和虚拟系统模型 VSM(Virtual Model System)；另一部分是高级布线及编辑软件 ARES(Adv-Ancd Routing and Editing Software)也就是 PCB.图 4-1 ISIS 启动界面图 4-2 单片机属性的设定硬件调试分为静态调试和动态调试，对于硬件调试而言，只要认真焊接，硬件一般不会出3现什么问题的。静态调试一般采用的工具是万用表，它是在用户系统未工作时的一种硬件检测。动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排查错误的一种硬件检测。调试步骤是：首先把电路分为若干模块，调试过程中与该模块无关的元件可以不加考虑，这样可把故障限定在一定的范围内；故障清除后，把各个模块合在一起进行联调，即可完成整个硬件调试工作。4.2 软件调试软件调试Keil Vision2 开发环境介绍：Keil 软件是目前最流行开发 MCS-51 系列单片机的软件。Keil 提供包括 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。通过一个集成开发环境Vision2 将这些部分组合在一起。软件调试是通过对程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。4.3 软硬件调试软硬件调试软硬件联调是指把调试无误的软件程序烧制进单片机芯片内部，通上电源后，检查硬件工作是否有预期的效果，如果没有则需要检测软件是否在实现功能上有欠缺。若有错误，通过改写软件来调试，直至达到预期效果，则设计圆满成功。本课程设计调试结果如下图 4-3 所示。4图 4-3 调试结果图5 5 总结总结经过将近一个星期的课程设计，PWM 控制 LED 的亮度设计基本完成，系统功能基本实现，测试运行也基本正常。该系统基本上完成了模拟 PWM 控制 LED 的亮度。当然这个系统还存在许多有待完善的地方：功能相对较少，有待于添加，比方说时钟与闹钟功能；界面设计得不够精致完美；这次课程设计的时间虽然不算很长，但使我对很多东西有了更深刻的认识。总结如下：1单片机基础知识要熟练掌握。2查阅资料和阅读相关文献的重要性，充分利用网络这个大的资料库。 .3.向同学请教的重要性以及团队协作的重要性。4 .勤动手的重要性，自己动手，丰衣足食！在一次次调试代码的过程中，我才明白“代码不是写出来的，是调试出来的”的道理。5.对待任何事情都要有耐心和恒心，遇到问题要冷静地思考，积极找出症结所在，逐个解决。通过本次课程设计，我更深刻的认识到了教学实践在大学课程中的重要性，同时也发觉到了自己在学习方面存在的许多不足之处，在以后的学习中我会努力改进这些不足，不断提高自己的动手实践能力。 参考文献参考文献1康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，20052李朝青.单片机原理及接口技术（第 3 版）M.北京航空航天大学出版社，20053兰吉昌.51 单片机应用设计百例.M.北京：化学工业出版社，2009 4 http:/ 单片微机原理与应用（第 3 版）机械工业出版社，20097http:/