1.设计背景

1.1流水灯在生活中的应用

随着现代科学技术的持续进步和发展以及人们生活水平的不断提高，以大规模、超大规模集成电路为首的电子工艺技术的使用也越来越广泛，结合单片机技术设计的电子电路也层出不穷。 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。利用控制电路可使彩灯按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电。

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，这些不仅说明了我们对生活的要求有了质的飞跃，也说明科技在现实生活中的运用有了较大的发展。在这一设计中我们将运用单片机技术，与单片机芯片STC89C52的功能，对心形流水灯系统进行设计，来实现流水灯的多种亮与灭的循环，给人带来美感。

1.2单片机在生产及生活中的应用

单片微计算机自20世纪70年代问世以来，已对人类生活产生了巨大的影响。尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、可靠性强、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在世界范围内已经得到了广泛的普及和应用。也正是由于单片机的这些特点，它的出现是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物，给工业自动化等领域带来了一场重大的革命。

单片机体积小，很容易嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，而一般的微型计算机无法做到。由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当的增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活的构成各种应用系统，如工业自动检测监控系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。除此之外，单片机在家用电器中的应用也很普及，例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机、消毒柜等，在这些设备中嵌入了单片机之后，其功能和性能大大提高，并可实现智能化和最优化控制。

2.设计方案

2.1方案对比

1、单片机芯片的比较与选择

单片机作为该电路的主要控制器芯片，即整个系统的控制核心部分，主要是负责控制LED灯的不同变化速度以及变化效果。因此对单片机芯片的选择，必须要求其功耗低、数据转换速率快。

方案一：采用STC89C52单片机。STC89C52单片机是一种低耗、可编程、高性能的8位微控制处理器，其内部包括微处理器、具有8K的系统可编程Flash存储器、 看门狗定时器、输入/输出口、中断系统等，其具有价格低廉、技术成熟、操作简单等特点，满足本系统的要求。

方案二：选择TI公司生产的MSP430F149系列单片机系统。此款单片机具有低电压、超低功耗的特点，工作电压在3.6-1.8V之间，具有强大的功能和高效的运算处理能力。

方案选择：由于STC89C52芯片价格便宜，支持在线下载程序而且MSP430F149系列单片机的功能已经远远高于我们本系统，操作不便。

综合考虑，我们选择方案一。

2、LED灯控制方式的比较与选择

方案一：选用单片机I/O口一对一直接控制LED灯，正好控制32个LED灯。

方案二：采用74HC573锁存器控制LED灯，当运用两片74HC573锁存器就可以控制32个LED灯，只占用了单片机的10个I/O口，这样可以减少I/O口数量。

为了操作方便，减少复杂的步骤，我们采取方案一。

2.2STC89C52芯片功能

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能的微控制器，具有8K的系统可编程Flash存储器，其具有传统51单片机不具备的功能，在经典的MCS-51内核上做了很多的改进，使得STC89C52在处理嵌入式控制应用系统时更加高效、灵活。STC89C52具有以下标准功能：4个外部中断、全双工串行口、一个7向量4级中断结构、3个16位定时器/计数器、8K字节Flash、512字节RAM（随机存储器）、看门狗定时器，其12周期和6周期可以任意选择，其工作电压在3V~5.5V之间，工作频率在0~40MHZ，实际工作频率可达48MHZ。其管脚的封装图如图1所示。

图1单片机管脚封装图

1、电源引脚

（1）VCC（38脚）：芯片电源，接+5V；

（2）GND（16脚）：接地端；

2、时钟引脚

（1）XTAL1（15脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外接时钟源时，该引脚接外部时钟振荡器的信号。

（2）XTAL2（14脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外部时钟源时，该引脚悬空。
3、控制引脚
（1）ALE（27脚）：用来锁存P0口送出的低8位地址

（2）PSEN（26脚：外部ROM读选通信号。
（3）RST（4脚）：复位信号输入端。
（4）EA’/Vpp（29脚）：内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
4、并行I/O引线

（1）P0口：8位，漏极开路的双向I/O口。

当STC89C52扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口作为地址总线（低8位）及数据总线的分时复用端口。P0口也可作为通用的I/O口使用，但需要上拉电阻，这时为准双向口。当作为通用的I/O输入时，应先向端口输出锁存器写入1，P0口可驱动8个TTL负载。

（2）P1口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

P1是专为用户使用的准双向I/O口。当作为通用的I/O口输入时，应先向端口锁存器输入1，P1口可驱动4个LS型TTL负载。

（3）P2口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

当STC89C52扩展外部存储器及I/O口时，P2作为高8位地址总线用，输出高8位地址。P2口也可作为普通的I/O口使用。当作为普通的I/O口使用时，应先向端口锁存器输入1，P1口可驱动4个LS型TTL负载。

（4）P3口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

P3口可作为普通的I/O口使用，当作为普通的I/O输入时，应先向端口输出锁存器输入1，P3口可驱动4个LS型TTL负载。P3 口还可提供第二功能，其第二功能定义见表1。

表1 P3 口第二功能定义表

（4）P4口：可实现位寻址。

2.3方案论证

按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统及典型系统等。STC89C52单片机是本次课程设计运用的主要元件。心形流水灯设计使用一个带有32个发光二极管的单片机最小应用系统，即为发光二极管、晶振、复位、电源等电路和必要的软件组成的单个单片机。如果要让接在P0、P1、P2、P3口的LED灯亮起来，只要将P0、P1、P2、P3口的电平变为低电平就可以了。因此，要实现流水灯功能，要将LED依次点亮、熄灭，32只LED灯便会一亮一暗做流水灯了。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，在控制LED亮灭的时候应该延时一段时间，否则就看不到"流水"效果了。硬件设计框图如图2所示。

图2硬件设计框图

• 方案实施

3.1电路原理图设计

1、电源电路

本次课程设计，单片机正常工作要求输出电压为稳定的5V，输出电压能够适应所带负载的启动项能。并且电路还必须简单可靠，能够输出足够大的电流，但是不至于会烧坏元器件。我们采用USB取电，4.8V锂电池供电。电源电路如图所示，C1和C2起到滤波作用，R18和R19的作用是平衡电路中的电流，以免在只有1个LED灯亮时烧坏元器件。电源电路如图3所示。

图3电源电路图

2、时钟电路

单片机内有一个由反相放大器所构成的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2引脚上外接石英晶体和微调电容构成并联振荡回路。晶振频率设置为11.0592MHZ,作用是产生时钟信号。单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。电容值为30pF,可以起到频率微调作用。时钟电路如图4所示。

图4时钟电路图

3、复位电路

单片机RST接口为复位信号输入端，高电平有效。在该引脚上加上持续时间大于两个机器周期的高电平，就可以使单片机复位。在单片机正常工作时，此引脚应为小于或等于0.5V的低电平。复位电路接单片机RST端口,在RST输入端出现高电平时实现复位和初始化。复位电路如5所示。

图5复位电路

4、显示电路

单片机的P0口为8位的漏极开路的双向I/O口，当P0口作为普通的I/O口使用时，需要上拉电阻，这时为准双向口。P1 、P2、 P3 都为8位的准双向口，具有内部上拉电阻。图6为显示电路，单片机I/O口一对一直接控制LED灯，显示电路中的32个电阻既为上拉电阻，也起到电路分压作用，防止烧坏元器件。显示