电力智能化控制实训.docx

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1、1.1 单片机的概况和基本结构单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器(Microcontrollerunit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机，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。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机(最小系统)，和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。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，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。单片机的全称是单片微型计算机(Single

2、 ChipMicrocomputer)o为了用户使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM、EPROM、EEPROM或FLASH)定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的计算机系统。与通用计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器(Micro ControllerUnit)在日新月异的21世纪里，家用电子产品得到了迅速发展。许多家电设备都趋于人性化、智能化，这些电器设备大部分都含有CPU控制器或者是单片机。单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，

3、近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统、通讯设备、日常消费类产品和玩具等。并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各个方面，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器(冰箱、空调、彩电)等。用单片机来控制的小型家电产品具有便携实用，操作简单的特点。基本结构1 .运算器运算器由运算部件算术逻辑单元(Arithmetic&Logical Unit,简称ALU)、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，

4、两个数6和7相加,在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。运算器有两个功能：(1)执行各种算术运算。(2)执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果,一个逻辑操作产生一个判决。2 .控制器控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。对指令进

5、行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。3 .主要寄存器(1)累加器A累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能；运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。数据寄存器DR数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送(写)或取(读)数

6、据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。指令寄存器IR和指令译码器ID指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。(4)程序计数器PCPC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址(即程序的首地址)

7、送入PC,使它总是指向下一条要执行指令的地址。(5)地址寄存器AR地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或1/0设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。1.2 彩灯控制器的研究现状及意义19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。随着人们生活

8、环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色流水灯。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。随着人们生活水平的提高，大家的生活环境也不断改善和美化。忙碌的一天生活过去，人们往往会去娱乐场所放松一下。节日的到来，城市中张灯结彩,举办节目来庆祝节日的到来。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，但目前市场上各样式的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

9、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，影响亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。本文提出了一种基于AT89C51单机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。本方案以AT89C51单片机作为主控核心，与键盘、显示、驱动等模块组成核心主控制模块。在主控模块上设有8个按键和5位七段码LED显示器，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部定时器TO实现一个基本单位时间为5 ms的定时中断，根据各种亮灯时间的不同需要，在不同时刻输出灯亮或灯

10、灭的控制信号，然后驱动各种颜色的灯亮或灭，产品实际应用效果较好，亮灯模式多，用户可以根据不同场合和时间来调节亮灯频率和亮灯时间。与普通LED彩灯相比，具有体积小、价格低、低能耗等优点。1.3 设计任务与要求1设计RGB全彩LED帕灯控制系统硬件电路，并通过按键实现至少七种颜色切换控制；2用数码管1-7显示出颜色模式状态.3可实现颜色自动渐变（缓慢变化）、跳变、节奏律动（跟着一首音乐节拍）等多种控制方式（2。分）。1.4 总体设计方案方案分析彩灯控制器大致可分为两种方案实现。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

11、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。图1-1 彩灯循环控制器硬件框图振荡电路LED显示电路其框图如图1-1所示。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。二)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A信号图1-2 单片机彩灯循环控制系统硬件框图很复杂，2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

12、不到A告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。2彩灯控制器系统硬件设计2.1单片机选择AT89c51单片机是主控制器核心，我们选择的是AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁2021-可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高基于密度非易失存储器制造技术制造

13、，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由计毕于将多功能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2021-微控制器，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。芯片如图3.1所示。P 1 OJ 40 VCCPt 3今RO OP , N U3一 RO /AOt)P 1 397P t 4aeRO 3AO3)。9J35PO AOP S -34) 0Q 5AO5)P , U33二：Q R3T321 RO. 7AO八P3 O31 APA(TXOP3 130AV e .-PROGP3 N工N PSFN3 7n 6，o)P3NTPN 576.j r 5w

14、wP3 25n PN A 4 日 6DS T 二nr，XTAL23)PN 7(A，X TAL，NNP2 120r oRST/VPP P3.O 匚(TXD P3.1 CXTAL2TAL1(NTO P32(INT1 P3.3 (T P3.4(T1 P3 5GND匚VCCP1.7P1.PI.5P1 .4P1.3P1.2PI .1 (AIN1)P1 .O (AINO)P3.7AT89C51AT89C2051图3.1芯片侬视图主要特性： 8031 CPU 与 MCS-51 兼容4K字节可编程FLASH存储器（寿命：1000写/擦循环） 全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定128*8位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片