霓虹灯控制器设计
摘
年着科技飞速发展单片机应正断走深入实时检测动控制单片机应系统中单片机作核心部件仅单片机方面知识够应该具体硬件结构针具体应象特点软件结合加完善该智霓虹灯设计基8051单片机串口联级驱动芯片4094霓虹灯扫描控制器采环保节LED灯组实现智化动态显示效果该设计动感霓虹灯整体分电源模块控制模块显示模块三部分组成电源模块采桥式整流滤波电路CPU4094供电控制模块包括单片机80514094驱动系统驱动系统控制显示模块采LED灯组LE D发光二极编程调试时模拟显示整体效果动感十足形象醒目文介绍种长期实践考验技术较成熟智霓虹灯控制器设计方法包括IO口串行扩展光电隔离零触发控硅驱动技术
关键词：单片机霓虹灯智控制设计光电隔离
Design of the Neon Lamp Controller
Abstract
In recent years along with the rapid development of science and technology SCM applications are constantly deepening In realtime detection and automatic control of the microcomputer application system the microcontroller is often used as a core component only SCM knowledge is not enough should also be according to the specific hardware structure as well as application specific features of the software objects to be perfect The intelligent neon design is based on 8051 singlechip microcomputer serial cascade drive chip4094scanning controller for neon lamps use of environmentally friendly energysaving LED lights group to realize the intelligent dynamic display effect The design of dynamic neon on the whole can be divided into the power module control module display module consists of three parts Power supply module uses a bridge rectifier filter circuit and power supply for CPU4094 Control module comprises a single chip computer80514094 drive drive system and control system Display module group using LED lights LED light emitting diode for programming debugging simulation display the overall effect of dynamic eyecatching The design of the neon lamp intelligence controller is introducedLong practial use has proved that the controller techniqes is ripeAlso serial expansion of IO portlight electronics segregation and triac drive circuit that is triggered at alternative current voltage zero poit are discussed
Keywords：SCM neon lampintelligence controllerlight electronics segregation
目 录
引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
第1章 绪．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
11 课题提出技术背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
12 研究容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
13 研究意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
14 实现思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
15 研究工作成果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
16 文续容组织安排．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
第2章 总体技术方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
21总体技术方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
22方案确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
23章结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
第3章 系统硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
31硬件组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
32单片机选取．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
33外围电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
34章结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
第4章 系统软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
41软件组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
42子功实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
43部分子程序实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
第5章 实验．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
51实验目．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
52实验原理方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
53实验程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
第6章 总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
61技术原理方案先进性评价．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
62研究工作进展评价．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
结展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
附录A参考文献摘．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
附录B程序清单．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34
附录C外文文献翻译．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
插图清单
图11 思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
图21 系统组成框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
图22 方式0帧格式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
图23 方式0发送时序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
图24 方式0接收时序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
图31 8051引脚图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
图32 复位电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
图33 时钟电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
图34 4094引脚图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
图35a典型输出高（源）电流特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
图35b典型输出低（汇）电流特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
图35c clocktoserialQs输出传输延迟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
图35d clocktoserialQ’s输出传输延迟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
图35e clocktoparallel输出传输延迟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
图36测试电路3态时序图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
图374094时序图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
图38零信号产生电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
图39 单限较电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
图310工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
图311 三极．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
图312光电耦合器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
图313 双控硅．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
图41系统总流程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
图42 定时键盘扫描程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
图43 霓虹灯显示流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
图44 4094写程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
图45 8051串行口外接CD4094扩展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
表格清单
表314094真值表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
引言
霓虹灯种低气压冷阳极辉光放电发光光源霓：时虹外侧第二道虹光彩第道虹稍淡色序外紫红虹相反 虹：原意种然现象彩虹七彩色序外分：赤橙黄绿蓝靛紫 霓虹灯：夜间吸引顾客装饰夜景彩色灯霓虹两种美丽东西作种灯名字 霓虹英文NEON音译
霓虹灯英国化学家拉姆赛次实验中偶然发现出现成城市美容师夜幕降时五颜六色霓虹灯城市装扮格外美丽城市街道河等霓虹灯影子着霓虹灯图案复杂化性化慢慢演变成种吸引游客顾客种竞争手段
然霓虹灯图案够眼花缭乱核心控制器着单片机深入应霓虹灯控制器已智化低功耗安全快速正霓虹灯控制器设计者断追求目标
设计霓虹灯控制器长期实践考验技术较成熟智霓虹灯控制器包括IO口串行扩展光电隔离零触发控硅驱动技术受IO口数量限制中型霓虹灯广告牌文介绍霓虹灯控制器属单片机控制控硅功率驱动智控制器适中型种霓虹灯牌面根户求通修改软件控制复杂程度变化图案控制器利8051单片机串行通讯方式0扩展IO口IO口数量受限制三片4094移位寄存器串接形成第块模块功率驱动板获24IO口IO口数量够串接第二块第三块等直IO口数量够止
第1章 绪
11 课题提出技术背景
霓虹灯问世建立真空气体放电技术发展英国化学家拉姆赛次实验中偶然发现1643年意利物理学家托里切利首先完成类历史第次真空试验继德国物理学家盖里克1650年发明真空获成现实真空中气体放电现象研究奠定基础1838年英国科学家法拉弟关注真空中放电现象研究真正转折点19世纪半叶兴起1858年J普吕克发表真空中荧光作述英国科学家克鲁克斯希托夫等先开展真空中放电现象系统研究时期欧洲早期工业革命国家气体放电现象研究十分活跃特气体放电丰富色彩纷纷进行应性研究霓虹灯够心出现历史背景
19世纪末叶约1893年欧洲城市分流行着称摩尔（Moll）霓虹灯盖塞拉（Geissler）霓虹灯原始模型霓虹灯维利亚皇60寿辰庆典采盖塞拉霓虹灯作节日气氛装饰明种原始模型霓虹灯采石墨材料作电极径45mm透明玻璃充入氮气二氧化碳气前者发粉红色光者发白色光弯成螺旋文字图案明亮充入气体化学性质活泼容易电极起化学反应石墨电极溅射率高快玻璃壁形成层薄膜吸收填充气体气压降种霓虹灯寿命短没什实价值
寻求早期霓虹灯寿命极短解决办法英法物理学家化学家惰性气体研究作出杰出贡献1894年伦敦学教授拉姆齐雷利起证明氩存通分馏空气氩1895年鉴定氦化学性质1898年拉姆齐教授M特拉弗斯发现空气中存氖年液态空气分馏法制取氪氡直1902年法国科学家克洛德（Claude）发明绝热膨胀法空气液化法进行氖工业分离开创惰性气体工业提取法惰性气体代活泼气体作霓虹灯填充气仅霓虹灯寿命提延长时霓虹灯色彩更加丰富霓虹灯发展进程中项重技术突破
霓虹灯国第次出现1926年海繁华商业街南京东路伊文思图书公司橱窗陈列英文皇家牌字机霓虹灯广告1927年海远东化学制造厂国第家霓虹灯制造厂海中央旅社制作安装中英文霓虹灯招牌1930年制成功霓虹灯电源变压器1945年制成荧光粉1951年试制出氩氖等惰性气体实现霓虹灯全部原料器件国产化霓虹灯兴旺发展总国家兴旺繁荣联系起步出现90年代海南京路已建成条霓虹灯十里长街南京市海闸北区实施夜城计划连市金州开发区改善投资环境通举办全国霓虹灯奖赛建成座五彩城天津重庆深州等城市建成霓虹灯体装饰明商业旅游城
作100余年发展历史霓虹技术商业演义历史进程中直扮演着极重角色天新型光源(LEDEL等)驱动霓虹技术迎接新挑战构成霓虹灯变压器控制器部分中控制器占着举足轻重位置五花八门霓虹灯图案霓虹灯远程控制零控制高性成低等控制器设计求越越高
12 研究容
课题设计组霓虹灯显示效果图 —里外外里圈次亮设计采8051单片机实现霓虹灯控制系统单片机控制部分显示部分组成显示部分120发光二级成8行15列矩阵式分布受IO口数量限制中型霓虹灯广告牌文介绍霓虹灯控制器属单片机控制
控硅功率驱动智控制器适中型种霓虹灯牌面根户求通修改软件控制复杂程度变化图案控制器利8051单片机串行通讯方式0扩展IO口IO口数量受限制三片4094移位寄存器串接形成第块模块功率驱动板获24IO口IO口数量够串接第二块第三块等直IO口数量够止基础设计控制器硬件电路编写软件外画出程序流程图实验室条件调试部分电路软件
13 研究意义
霓虹灯城市亮化光源城市户外广告重媒体形式获较理想显示效果节约源型霓虹灯通常采动态显示控制器霓虹灯动态显示核心装置型霓虹灯功率较控制路数较控制器较特殊求零控制高性成低等外霓虹灯显示图案通常具性特征求控制器具备良重构性扩展性种样霓虹灯感觉眼花缭乱夜市娱乐场霓虹灯处运方法实现图案变化创造色彩缤纷世界时运学知识结合实际中理实现化深入学非常帮助
14 实现思路
设计动感霓虹灯整体分电源模块控制模块显示模块三部分组电源模块采桥式整流滤波电路CPU4094供电控制模块包括单片机80514094驱动系统驱动系统控制显示模块采LED灯组LE D发光二极编程调试时模拟显示思路图11：
控制
部分
电源
部分
显示
部分
图11 思路
15 研究工作成果
研究工作：课题求学生创意设计组霓虹灯显示效果图成果：规划控制器基功基础着力解决控制器重构扩展问题提出技术方案根技术方案完成控制器硬件电路软件编写外实验室条件完成部分电路软件调试
16 文续容组织安排
系统模块紧密结合起熟知模块工作原理工作电路图通正确连线模块连接起形成整体完成霓虹灯图案变化通文详细介绍绘制出整体电路图编制整软件程序
第2章 总体技术方案
21 总体技术方案
文中介绍霓虹灯控制器8051单片机控制8051单片机串行通讯方式0扩展IO口控硅功率驱动适中型种霓虹灯牌面通修改软件改变变化图案系统框图图21：
复位
时钟
8051
零信号产生电路
4094
4094
灯
灯
图21 系统组成框图
211 串行口工作方式0
串行口工作方式0步移位寄存器输入输出方式通常外接移位寄存器扩展行IO种方式适两MCS—51间串行通信
方式08位数帧设起始位停止位先发送接受低位波特率固定ƒOCS12方式0帧格式图211示：
图22 方式0帧格式
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
2111 方式0发送
发送程中CPU执行条数写入发送缓器SBUF指令时产生正脉串行口开始SBUF中八位数ƒOCS12固定波特率RXD引脚串行输出低位先TXD引脚输出步移位脉发生完八位数置1中断标志位TI时序图图2111示：
2112 方式0接收
方式0接受时REN串行口允许接收控制位REN0禁止接收REN1允许接收CPU串行口SCON寄存器写入控制字（置方式0置1REN位时RI0）时产生正脉串行口开始接收数引脚RXD数输入端TXD移位脉信号输出端接收器
ƒOCS12固定波特率采样RXD引脚数信息接收器接收八位数时置1中断标志RI表示1帧数接收完毕进行帧数接收时序图图23：
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
图23 方式0发送时序
机器周期
写SBUF
RXD（数）
TXD（移位脉）
TI
S1～S6
S1～S6
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
图24 方式0接收时序
机器周期
写SCON
RXD（数）
TXD（移位脉）
RI
S1～S6
S1～S6
方式0SCON中TB8RB8位没发送接收八位数硬件置1TIRI中断标志位CPU响应TIRI中断TIRI标志位必须户软件清0采指令：
CLR TI TI位清0
CLR RI RI位清0
清0TIRI方式0时SM2（机通信控制位）必须清0
212 复位电路
复位单片机初始化操作需复位引脚RST加2机器周期（24时钟振荡周期）高电单片机复位复位时PC初始化000H单片机000H单元开始执行程序进入系统正常初始化外程序运行出错操作错误系统处死锁状态摆脱死锁状态需复位键RST引脚高电单片机重新启动
213 时钟电路
时钟电路产生MCS51单片机工作必需时钟控制信号MCS51单片机部电路时钟信号控制严格时序执行指令进行工作时序研究指令执行中信号时间关系MCS51单片机功部件运行时钟控制信号基准条紊拍拍工作时钟频率直接影响单片机速度时钟电路质量直接影响单片机系统稳定性
214 CD4094移位存储总线寄存器
CD4094带输出锁存三态控制串入出高速转换器具简单功耗低驱动力强控制灵活等优点
215 零信号产生电路
双控硅没反耐压问题控制电路简单特适合做交流触点开关双控硅接通般功率较电器连接强电网络中触发电路抗干扰问题重通常通光电耦合器单片机控制系统中触发信号加载控硅控制极减驱动功率控硅触发时产生干扰交流电路双控硅触发常采零触发电路零触发指电压零零附瞬间接通
22 方案确定
221 显示部分设计方案较选择
方案：采移位寄存器扩展IO口通8051RXDTXDP17通74LS06集电极开路OC门实现电转换便续CMOS器件接口方案扩展受控制发光二级数量控制120LED需15移位寄存器需芯片PCB布局布线方便
方案二：采矩阵式分布利单片机P1口做行选信号P2P0做列选信号120LED构成8行15列矩阵方案单独控制LED单独控制行列LED形成丰富图案者花样显示部分需格外芯片形成电路简单PCB布局布线较容易美观
综述然设计LED太方案二PCB板布局布线较美观应求种规模霓虹灯牌面选择方案
222 驱动部分设计方案较选择
方案 ：三极级驱动正常发光时LED工作电流10~15毫安8×（10~15）80~240毫安样电流三极提供行时亮时满足发光工作求
方案二 ：功率放芯片实现放驱动性稳定效果价格较三极高电路较方案明显复杂
综诉三极驱动电路简单性价高完成驱动作选择方案
23 章结
初步完成课题设计思路完成模块硬件选择解外设计种方案确定设计方案
第3章 系统硬件设计
VCC
P00
P01
P02
P03
P04
P05
P06
P07
EAVPP
ALEPROG
PSEN
P27
P26
P25
P24
P23
P22
P21
P20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
8051
P10
P11
P12
P13
P14
P15
P16
P17
RSTVPD
RXD
TXD
INT0
INT1
T0
T1
WR
RD
XTAL2
XTAL1
VSS
图31 8051引脚图
31 硬件组成
文设计霓虹灯控制器8051单片机控制控硅功率驱动8051单片机串行通讯方式0扩展IO口IO口数量受限制三片4094移位寄存器串接形成第块模块功率驱动板
32 单片机选取
单片机采AT89C51AT89C51低电压高性CMOS8位单片机片含4K字节Flash闪速存储器128字节部RAM32IO口线两16位定时计数器5量两级中断结构全双工串行通信口片振荡器时钟电路AT89C51引脚图图31
33 外围电路设计
321 复位电路
复位电路应该具电复位手动复位功复位脉高电宽度必须2机器周期考虑电源稳定时间参数漂移晶振稳定时间复位性等素必须足够余量设计选12MHz晶振机器周期1us复位脉宽度应2us图332利RC充电原理实现电复位电路设计电瞬间RC电路充电RESET引脚出现正脉RESET端保持10ms高电单片机效复位常见电钮复位方式电路图32示复位电流简化图35电瞬间RC 电路充电RST 端出现正脉RST端保持10ms 高电信号单片机实现效复位里选取2K电阻22uF电容分析RC 电路充电程实际分析RC电路零状态响应程
RST
R
C
U0
+5V
图32 复位电路
（1）确定初始值
tt0+ 时电容相短路U0（0+）5v
（2）确定稳态值
稳态时电容元件相开路
（3）确定电路时间常数
根环路电路知等效电阻R
时间常数 £R0*C22*2*00010044
写出
（31）
单片机高电355V计算u0降35时间算出持续时间
U035带入式31出t0016s16ms>10ms电路设计满足单片机复位需求
单片机复位状态：
单片机复位操作单片机进入初始化状态中包括程序计数器PC＝0000H表明程序0000H址单元开始执行单片机冷启动片RAM机值运行中复位操作改变片RAM区中容系统复位微机系统执行第步整控制芯片回默认硬件状51单片机复位RESET引脚控制引脚高电相接超24振荡周期51单片机进入芯片部复位状态直状态等直RESET引脚转低电检查EA引脚高电低电高电执行芯片部程序代码低电便会执行外部程序51单片机系统复位时部重寄存器设置特定值（特殊寄存器介绍时做详细说明）部RAM部数变
322 时钟电路
MCS51部构成振荡器高增益反相放器该高增益反相放器输入端芯片引脚XTAL1输出端引脚XTAL2两引脚跨接石英振荡器（简称晶振）微调电容构成稳定激振荡器图323：
电路中电容典型值通常选择30PF左右外接电容值然没严格求电容会影响振荡器频率高低振荡器稳定性起振快速性晶振频率越高系统时钟频率越高单片机运行速度越快MCS51常选择振荡频率6MHz12MHz石英晶体设计中选振荡器频率12MHz
C1
C2
30PF
30PF
12MHz
XTAL1
XTAL2
8051
图33 时钟电路
OUTPUT
ENABLE
1
3
2
4
5
6
7
8
16
15
14
13
12
11
10
9
STROBE
DATA
CLOCK
Q1
Q2
Q3
Q4
VSS
VDD
Q5
Q6
Q7
Q8
Q＇S
QS
图34 4094引脚
323 扩展芯片选取
CD4094带输出锁存三态控制串入出高速转换器具简单功耗低驱动力强控制灵活等优点
3231 CD4094引脚 图34：
(2)脚串行数输入端(3)脚串行时钟端(1)脚高电时8位行输出口Q1～Q8时钟升串行输入变化(1)脚低电时输出锁定利锁存端方便进行片选级联输出控制(15)脚行输出状态控制端(15)脚低电时行输出端处高阻状态CD4094作显示输出时显示数码闪烁(9)脚QS(10)脚Q′S串行数输出端级联QS端第9串行时钟升开始输出Q′S端第9串行时钟降开始输出CD4094电源5V时输出电流3．2MA灌电流1 MA串行时钟频率达2．5MHZ
时钟
输出
选通脉
数
行输出
串行输出
Q1
QN
QS (Note 1)
Q S
↑
0
X
X
三态
三态
Q7
变
↓
0
X
X
三态
三态
变
Q7
↑
1
0
X
变
变
Q7
变
↑
1
1
0
0
QN1
Q7
变
↑
1
1
1
1
QN1
Q7
变
↓
1
1
1
变
变
变
Q7
表31 4094真值表
3232 交流电气特性：
0 20 40 60 80 100 120 140 CL(PF)
100
200
300
tPLH
tPLH
(ns)
Tamb25℃
tPLH
tPLH
VDD5V
5V
10V
15V
图35a 典型输出高（源）电流特性
IOL
(mA)
24
20
16
12
8
4
0 2 4 6 8 10 12 VDS（V）
5V
10V
VGS15V
Tamb25℃
图35b 典型输出低（汇）电流特性
0 20 40 60 80 100 120 140 CL(PF)
100
200
300
tPLH
tPLH
(ns)
VDD5V
10V
15V
Tamb25℃
图35c clocktoserialQS输出延迟
0 20 40 60 80 100 120 140 CL(PF)
100
200
300
tPLH
tPLH
(ns)
VDD5V
10V
15V
Tamb25℃
图35eclocktoparallel输出延迟
0 20 40 60 80 100 120 140 CL(PF)
100
200
300
tPLH
tPLH
(ns)
VDD5V
10V
15V
Tamb25℃
图35d clocktoserialQ’S输出延迟
3233 测试电路3态时序图
VOL
VDD
CLOCK
STROBE
DATA
OUTPUT
ENABLE
1k
OUTPUT
50PF
OUTPUT
ENABLE
Q
VDD
VSS
tPZL
tPHZ
tPZL
tPHZ
图36 测试电路3态时序图
3234 4094时序
CD4094时序图37：
CLOCK
STROBE
OUTPUT
ENABLE
DATA
Q1
QS
50％
50％
50％
50％
50％
50％
50％
50％
Q＇S
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
tSU
tWC
tWL
tPLH
tPLH
tPLH
tPHL
tPLH
tPLH
tPLH
图37 4094时序图
325 零信号产生电路
双控硅没反耐压问题控制电路简单特适合做交流触点开关双控硅接通般功率较电器连接强电网络中触发电路抗干扰问题重通常通光电耦合器单片机控制系统中触发信号加载控硅控制极减驱动功率控硅触发时产生干扰交流电路双控硅触发常采零触发电路零触发指电压零零附瞬间接通获零信号设计采LM339较器LM339类似增益调运算放器LM339两输入端输出端两输入端称相输入端+表示称反相输入端表示设计作较两电压+端电压高端时输出截止相输出端开路端电压高+端时输出饱相输出端接低电位LM339输出端相接集电极电阻晶体三极时输出端正电源般须接电阻（称拉电阻设计中10K）选阻值拉电阻会影响输出端高电位值输出晶体三极截止时集电极电压基取决拉电阻负载值 图38：
V1+5V
V2+12
V1+12
B相
零线
C相
零线
b
c
A相
零线
001
51K
22K
+5V
22K
+
LM339
10K
7805
2000
01
a
图38 零信号产生电路
3251 LM339单限较电路：
Ur
Uin
a
b
R1
+Ucc
R拉
U0
Ucc
UOH
UOL
Ur
Uin
图39 单限较电路
图39基单限较器输入信号Uin较电压加相输入端反相输入端接参考电压（门限电）Ur输入电压Uin>Ur时输出高电UOH图39b传输特性
326 工作原理图
文介绍霓虹灯控制器属单片机控制控硅功率驱动智控制器适中型种霓虹灯牌面根户求通修改软功率驱动板 获24IO口 IO口数量够 串接第二块第三块等 直IO口数量够止8051 RXDTXDP17通74LS06集电极开路OC门实现电转换便续CMOS器件接口图38分出 ABC三相交流电零信号加图310中abc三点获abc 零触发信号加块功率驱动板3片4094STROBE脚负载相交流电压零点触发功率驱动单元采光电隔离消干扰提高系统工作性LED发光二极编程调试时模拟显示霓虹灯变压器电感性负载关断时产生较反击电流功率驱动电路配置RC构成吸收网络光耦输出先驱动SCR1SCR1驱动SCR2
8051
P17
TXD
RXD
3×10K
V2+5
a1
b1
c1
a
b
c
2
1
a1
b1
c1
DATA
STR
CLK
4094
4094
4094
1
1
10
10
2
2
10
3
a1
b1
c1
Q3………Q8
Q2
Q1
Q1∽Q8
Q8
Q1∽Q7
……
第块板
灯
∽220
零线
V3
9014
510
510
SCR1
SCR2
180K
10K
01µF
30K
第
二
块
板
V2
7406
7404
4011
图310工作原理
e b c
b 基极
e 发射极
c 集电极
b
c
e
图311 三极9014
3261 三极选取
集电极耗散功率PCM04W（Tamb25℃）
集电极允许电流ICM01A
集电极基极击穿电压BVCBO50V
集电极发射极击穿电压BVCEO45V
发射极基极击穿电压BVEBO5V
集电极发射极饱压降
VCE(sat)03V (IC100mA IB5mA)
基极发射极饱压降VBE(sat)1V (IC100mA IB5mA)
特征频率fT150MHz
HFE： A60~150B100~300C200~600D400~1000
V1
V2
R1
R2
9014
图312 光电耦合器
3262 光电耦合器设计
光电耦合器光媒介传输电信号种电光电转换器件发光源受光器两部分组成发光源受光器组装密闭壳体彼间透明绝缘体隔离发光源引脚输入端受光器引脚输出端常见发光源发光二极受光器光敏二极光敏三极等等
设计中光电耦合器选取高压晶体型输入端电流般10～15mA发光二极压降约12～15V限流电阻式计算：
式中Vcc电源电压VF1VF2输入端发光二极压降取15VVce三极9014压降取03VIF发光二极工作电流取20mA
计算取限流电阻R510Ω
3263 双控硅设计
相单控硅双控硅原理区双导通阳极阴极分取代T1T2结构示意图图313a示果考虑G级分割成图313b示出相两单控硅反联成图313c示连接T1T2间接通电源G极正触发信号（相T1T2接电源负极言）工作原理前面单控硅完全相设计中G级光电耦合器输出驱动先驱动SCR1SCR1驱动SCR2
G
T1
T2
G
T1
T2
G
T2
T1
N
P
P
P
P
P
P
N
N
N
N
N
N
P
N
P
N
N
图313 双控硅
a b c
33 章结
章包括系统模块功分析参数计算整文重部分难部分
第4章 系统软件设计
41 软件组成
软件设计求：通键控制霓虹灯图案变化
全部控制程序分成程序MAIN键盘处理子程序SWLED显示控制子程序DISP1
程序包括初始化T0初始化定时数区显示缓区初始化LED输出输入初始化开中断然循环调显示子程序
程序流程图图41示：
开始
键
结束
N
Y
图41 系统总流程图
初始化
霓虹灯工作
否
结束
N
Y
42 子功实现
421 图42定时键盘扫描程序判断否键控制霓虹灯工作
422 图43霓虹灯显示流程图通零信号产生电路4094提供触发信号负载相交流电压零点触发
开始
霓虹灯
结束
N
Y
图43 霓虹灯显示流程图
片选4094
写4094
否
结束
N
Y
开始
计数器重新赋值
键
霓虹灯工
作
结束
N
Y
图42 定时键盘扫描程序
图44 键K1程序流程图
开始
串行口方式0初始化
控制字3送A
A送SBUF
启动串行输出
控制字1送R0
控制字2送R1
R0送A
A左循环1位
A送P0
A送R0
R1送A
A右循环1位
A送P2
A送R1
调延时子程序
MOV R2#200
结束
423 键K1程序流程图
控制字：
键K1：
控制字1：01H
控制字2：80H
控制字3：01H
424 8051串行口外接CD4094扩展8位行输出口
图45示CD40948位行口位接发光二极求发光呈流水灯状态 串行口方式0数传送采中断方式采查询方式种方式助TIRI标志串行发送时TI置位（发完帧数）引起中断申请中断服务程序中发送帧数者通查询TI状态TI0继续查询TI1结束查询发送帧数串行接收时RI引起中断RI查询确定时接收帧数采什方式开始通信前先控制寄存器SCON进行初始化方式0中00H送SCON
DATA
CLK
P10
TXD
RXD
STR
Q1 ～ Q8
图45 8051串行口外接CD4094扩展
ORG 2000H
START： MOV SCON#00H 置串行口工作方式0
MOV A#80H 高位灯先亮
CLR P10关闭行输出（避象传输程中LED暗红现象）
OUT0： MOV SBUFA开始串行输出
OUT1： JNB TIOUT1 输出完否
CLR TI 完清TI标志备次发送
SETB P10开行口输出
ACALL DELAY延时段时间
RR A 循环右移
CLR P10关闭行输出
JMP OUT0 循环
43 部分子程序实现：
中断程序
ORG 000H
LJMP START
ORG 003H外中断0入口址
AJMP INTEX0跳外部中断服务程序
ORG 000BH定时器0
LJMP FUT0
ORG 0013H外部中断1
RETI
ORG 001BH定时器1
RETI
ORG 0023H串行口中断
RETI
参考文献
[1]许德章等霓虹灯智控制器设计电子科技1997年4月Vol40No223—28
[2]金广锋吕运朋王慧宏亮马鹏阁种新型霓虹灯色彩渐变系统控制器设计电子工程师第30 卷第2 期2004年2月
[3]陈华霓虹灯创意设计方法光源明2003年第1期
[4]许高攀 霓虹灯电子变压器设计探索 厦门理工学院学报第14卷第2期2006年6月
[5]冰李晓旭陈华蔡祖泉刘祥吉霓虹灯径变压器匹配设计问题明工程学报第16 卷 第4 期2005 年12 月
[6]吴建宁霓虹灯控制电路电子制作[J]2006年第8期
[7]张续文霓虹灯设计制作方法讨六盘水师范高等专科学校学报
2005年06期
[8]宋雅赖益民基AT89C51新型七彩霓虹灯控制系统设计微计算机应
2005年01期
[9]锋霓虹灯计算机辅助设计软件实现北方工业学学报2008年03
期
[10]肖东霓虹灯循环发光控制器电子世界1994年05期
[11]周明周亮AT89C51 单片机霓虹灯控制中应科技广场2007年05
期
[12]Wang Yankun Tang Huanling Wang Jingdonga new microcomputer neon lamp controller [J] micro computer application1998 the 05 period
[13]张毅刚单片机原理应2003年12月第版
[14]张国雄测控电路第四版2011年4月第四版
[15]李良光电子技术2008年7月第版
附件A 参考文献摘
[1]许德章梁志扬霓虹灯智控制器设计电子科技1997年4月第2期
摘：文中介绍种长期实践考验 技术较成熟智霓虹灯控制器设计方法包括I O 口串行扩展光电隔离零触发控硅功率驱动技术
[2]吴建宁霓虹灯控制电路电子制作[J]2006年第8期
摘：霓虹灯控制电路实际种路动开关电路种方法实现功里控制器8路动开关电路时控制8条霓虹灯工作程设计8路霓虹灯亮熄组合变化花样二进制数形式预先存放控制器存储器中工作时时间序存储器中数取出数控制开关闭合断开(般数1相应开关闭合路霓虹灯点亮)实现霓虹灯动控制
[3]张续文霓虹灯设计制作方法讨六盘水师范高等专科学校学报2005年06期
摘：霓虹灯设计充分利霓虹灯诸特性实现代社会霓虹灯样性趣味性艺术性实性求霓虹灯制作灯变压器控制器高低压线路等方面进行述
[4]宋雅赖益民基AT89C51新型七彩霓虹灯控制系统设计微计算机应
2005年01期
摘：霓虹灯广告业正蓬勃发展霓虹灯控制系统技术相落基文设计种基AT89C51单片机新型七彩霓虹灯控制系统阐述系统设计原理硬件结构软件设计系统配套数表生成软件提出种新通串口通信帧步方案指出系统进步优化方法实践证明该设计具低成方便灵活稳定特点
[5]锋霓虹灯计算机辅助设计软件实现北方工业学学报2008年03期
摘：文介绍开发霓虹灯计算机辅助设计软件技术方案实现霓虹灯效果图设计方法介绍霓虹灯制作程霓虹灯工作机制出霓虹灯计算机辅助设计软件框架实现霓虹灯计算机辅助设计具体步骤该软件面象技术基础实现霓虹灯效果图计算机辅助设计设计效果图颜色数动转换霓虹灯控制器执行二进制数该软件霓虹灯制作程更加简单减少霓虹灯制作时间
[6]肖东霓虹灯循环发光控制器电子世界1994年05期
摘：文介绍种制作容易成低廉工作稳定霓虹灯循环发光控制器控制程序：灯1亮→灯2亮→灯3亮→灯4亮→停留片刻全熄灭然头开始重复工作该电路非常适合控制构成四字霓虹灯构成欢渡春节民邮电等四字霓虹灯
[7]周明周亮AT89C51 单片机霓虹灯控制中应科技广场2007年05期
摘：霓虹灯控制器应广追求较高性价AT89C51 单片机结合双晶闸输出型光电耦合器MOC3021 实现控制器功时间常数易修改灵活电路易实现成低控制芯片更换方便
[8]Wang Yankun Tang Huanling Wang Jingdonga new microcomputer neon lamp controller [J] micro computer application1998 the 05 period
Abstract： in this paper a novel by microcomputer controlled neon lamp controller are briefly described The controller characteristics function purpose main circuit and the hardware
the software design principle
[9]张毅刚单片机原理应2003年12月第版
摘：书详细介绍MCS51单片机硬件结构指令系统基础详细介绍MCS51单片机类接口技术应系统设计根应需求进行应系统设计
[10]张国雄测控电路第四版2011年4月第四版
摘：书介绍测控电路功求测控电路类型组成发展趋势包括放电路特低漂移高模抑制测控系统中需高性放电路介绍
[11]李良光电子技术2008年7月第版
摘：全书包括模拟电子技术数字电子技术两部分容8章
附录B 程序清单
ORG 0000H
LJMP START 转入程序
ORG 0003H 外部中断INT0入口址
RETI
ORG 000BH 定时器T0中断服务程序
LJMP INT T0 转入T0中断服务程序
ORG 0013H 外部中断INT1入口址
RETI 返回
LJMP INT T1 转入T1中断服务程序
ORG 0023H 转入串行中断服务程序
RETI 返回
START：MOV P1#0FFH
MOV AP1
CPL A
JZ START
JB ACC0 SUB0
JB ACC1 SUB1
JB ACC2 SUB2
JB ACC3 SUB3
JB ACC4 SUB4
JB ACC5 SUB5
JB ACC6 SUB6
LJMP START
ORG 0600H
SUB0： AJMP KEY0
SUB1： AJMP KEY1
SUB2： AJMP KEY2
SUB3： AJMP KEY3
SUB4： AJMP KEY4
SUB5： AJMP KEY5
SUB6： AJMP KEY6
KEY1： MOV SCON#00H
CLR ES
MOV A#01H
MOV SBUFA
MOV R0#01H
MOV R1#80H
LOOP1： MOV AR0
RL A
MOV P0A
MOV R0A
MOV AR0
RR A
MOV P0A
MOV R2#100
LJMP LOOP1
RET
KEY2： MOV SCON#00H
CLR ES
MOV A#02H
MOV SBUFA
MOV R0#03H
MOV R1#0C0H
DL： MOV R4#100
DL1： MOV R3#100
DL2： DJNZ R3DL2
DJNZ R4DL1
RET
END
附录C 外文文献翻译
Principle of MCU
Singlechip is an integrated on a singlechip a complete computer system Even though most of his features in a smallchip but it has a need to complete the majority of computer components CPUmemory internal and external bus system most will have the Core At the sametime such as integrated communication interfaces timers realtime clock andother peripheral equipment And now the most powerful singlechip microcomputersystem can even voice image networking input and output complex systemintegration on a single chip
Also known as singlechip MCU(Microcontroller) because it was first used in the field of industrialcontrol Only by the singlechip CPU chip developed from the dedicatedprocessor The design concept is the first by a large number of peripherals andCPU in a single chip the computer system so that smaller more easilyintegrated into the complex and demanding on the volume control devices INTELthe Z80 is one of the first design in accordance with the idea of theprocessor From then on the MCU and the development of a dedicated processorparted ways
Early singlechip 8bit or all of the fourOne of the most successful is INTEL＇s 8031 because the performance of a simpleand reliable access to a lot of good praise Since then in 8031 to develop asinglechip microcomputer system MCS51 series Based on singlechipmicrocomputer system of the system is still widely used until now As the fieldof industrial control requirements increase in the beginning of a 16bitsinglechip but not ideal because the price has not been very widely usedAfter the 90＇s with the big consumer electronics product developmentsinglechip technology is a huge improvement INTEL i960 Series with subsequentARM in particular a broad range of applications quickly replaced by 32bitsinglechip 16bit singlechip highend status and enter the mainstreammarket Traditional 8bit singlechip performance has been the rapid increasein processing power compared to the 80＇s to raise a few hundred times Atpresent the highend 32bit singlechip frequency over 300MHz the performanceof the mid90＇s close on the heels of a special processor while the ordinaryprice of the model dropped to one US dollars the most highend models only10 US dollars Contemporary singlechip microcomputer system is no longeronly the baremetal environment in the development and use of a large number ofdedicated embedded operating system is widely used in the full range ofsinglechip microcomputer In PDAs and cell phones as the core processing ofhighend singlechip or even a dedicated direct access to Windows and Linuxoperating systems
More than a dedicated singlechip processorsuitable for embedded systems so it was up to the application In fact thenumber of singlechip is the world＇s largest computer Modern human life usedin almost every piece of electronic and mechanical products will have asinglechip integration Phone telephone calculator home applianceselectronic toys handheld computers and computer accessories such as a mouse inthe Department are equipped with 12 single chip An
d personal computers alsohave a large number of singlechip microcomputer in the workplace Vehiclesequipped with more than 40 Department of the general singlechip complexindustrial control systems and even singlechip may have hundreds of work atthe same time SCM is not only far exceeds the number of PC and otherintegrated computing even more than the number of human beings
Hardwave introduction：
The 8051 family of micro controllers isbased on an architecture which is highly optimized for embedded controlsystems It is used in a wide variety of applications from military equipmentto automobiles to the keyboard on your PC Second only to the Motorola 68HC11 in eight bit processors sales the8051 family of microcontrollers is available in a wide array of variations frommanufacturers such as Intel Philips and Siemens These manufacturers haveadded numerous features and peripherals to the 8051 such as I2C interfaces analog to digitalconverters watchdog timers and pulse width modulated outputs Variations ofthe 8051 with clock speeds up to 40MHz and voltage requirements down to 15volts are available This wide range of parts based on one core makes the 8051family an excellent choice as the base architecture for a company＇s entire lineof products since it can perform many functions and developers will only haveto learn this one platform
The basic architecture consists of thefollowing features
aneight bit ALU
32descrete IO pins (4 groups of 8) which can be individually accessed
two16 bit timercounters
full duplex UART
6interrupt sources with 2 priority levels
128bytes of on board RAM
separate 64K byte address spaces for DATA and CODE memory
One 8051 processor cycle consists of twelveoscillator periods Each of the twelve oscillator periods is used for a specialfunction by the 8051 core such as op code fetches and samples of the interruptdaisy chain for pending interrupts The time required for any 8051 instructioncan be computed by dividing the clock frequency by 12 inverting that resultand multiplying it by the number of processor cycles required by theinstruction in question Therefore if you have a system which is using an11059MHz clock you can compute the number of instructions per second bydividing this value by 12 This gives an instruction frequency of 921583instructions per second Inverting this will provide the amount of time takenby each instruction cycle (1085 microseconds)
单片机原理
单片机指集成块芯片完整计算机系统部分功集成块芯片具完整计算机需部分部件：CPU存部外部总线系统目前部分会具外存时集成诸通讯接口定时器实时时钟等外围设备现强单片机系统甚声音图网络复杂输入输出系统集成块芯片
单片机称微控制器（Microcontroller）早工业控制领域单片机芯片仅CPU专处理器发展早设计理念通量外围设备CPU集成芯片中计算机系统更更容易集成进复杂体积求严格控制设备中INTELZ80早种思想设计出处理器单片机专处理器发展便分道扬镳
早期单片机8位4位中成功INTEL8031简单性错获评8031发展出MCS51系列单片机系统基系统单片机系统直现广泛着工业控制领域求提高开始出现16位单片机性价理想未广泛应90年代着消费电子产品发展单片机技术巨提高着INTEL i960系列特ARM系列广泛应32位单片机迅速取代16位单片机高端位进入流市场传统8位单片机性飞速提高处理力起80年代提高数百倍目前高端32位单片机频已超300MHz性直追90年代中期专处理器普通型号出厂价格跌落1美元高端型号10美元代单片机系统已裸机环境开发量专嵌入式操作系统广泛应全系列单片机作掌电脑手机核心处理高端单片机甚直接专WindowsLinux操作系统
单片机专处理器更适合应嵌入式系统应事实单片机世界数量计算机现代类生活中件电子机械产品中会集成单片机手机电话计算器家电器电子玩具掌电脑鼠标等电脑配件中配12部单片机电脑中会数少单片机工作汽车般配备40部单片机复杂工业控制系统甚数百台单片机时工作单片机数量仅远超PC机计算综合甚类数量
单片机硬件介绍：
8051系列微控制器建立高度优化嵌入式控制系统结构运范围较广军事装备汽车PC机键盘仅次摩托罗拉68HC118位处理器销售8051家庭微控制器 制造商种样变化特尔公司西门子飞利浦厂家已增加许功外设总线接口模拟数字转换器门狗定时器脉宽度调制输出8051变化达40MHz时钟频率降150伏电压条件种广泛部分基核心8051系列选择作基础架构公司产品
执行许功开发者会样台
基结构特点：
8算术逻辑单元
32离散输入输出端口（4组8位）单独访问
二16位定时器计数器
全双工通异步接收发送装置
6中断源2优先级
128字节机存储器
64K分开字节址空间数代码记忆
数字处理器周期十二振荡器时期十二门徒里阶段振荡器特殊功核心凤凰社代码数字样品中全部中断菊花链未决中断需时间8051指令12例时钟频率通反演结果增殖数字处理器周期指示问题果系统11059MHz时钟计算出指令数值秒12分出921583指令秒指令频率反相提供指令周期（1085微秒）采取时间
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摘
年着科技飞速发展单片机应正断走深入实时检测动控制单片机应系统中单片机作核心部件仅单片机方面知识够应该具体硬件结构针具体应象特点软件结合加完善该智霓虹灯设计基8051单片机串口联级驱动芯片4094霓虹灯扫描控制器采环保节LED灯组实现智化动态显示效果该设计动感霓虹灯整体分电源模块控制模块显示模块三部分组成电源模块采桥式整流滤波电路CPU4094供电控制模块包括单片机80514094驱动系统驱动系统控制显示模块采LED灯组LE D发光二极编程调试时模拟显示整体效果动感十足形象醒目文介绍种长期实践考验技术较成熟智霓虹灯控制器设计方法包括IO口串行扩展光电隔离零触发控硅驱动技术
关键词：单片机霓虹灯智控制设计光电隔离
Design of the Neon Lamp Controller
Abstract
In recent years along with the rapid development of science and technology SCM applications are constantly deepening In realtime detection and automatic control of the microcomputer application system the microcontroller is often used as a core component only SCM knowledge is not enough should also be according to the specific hardware structure as well as application specific features of the software objects to be perfect The intelligent neon design is based on 8051 singlechip microcomputer serial cascade drive chip4094scanning controller for neon lamps use of environmentally friendly energysaving LED lights group to realize the intelligent dynamic display effect The design of dynamic neon on the whole can be divided into the power module control module display module consists of three parts Power supply module uses a bridge rectifier filter circuit and power supply for CPU4094 Control module comprises a single chip computer80514094 drive drive system and control system Display module group using LED lights LED light emitting diode for programming debugging simulation display the overall effect of dynamic eyecatching The design of the neon lamp intelligence controller is introducedLong practial use has proved that the controller techniqes is ripeAlso serial expansion of IO portlight electronics segregation and triac drive circuit that is triggered at alternative current voltage zero poit are discussed
Keywords：SCM neon lampintelligence controllerlight electronics segregation
目 录
引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
第1章 绪．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
11 课题提出技术背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
12 研究容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
13 研究意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
14 实现思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
15 研究工作成果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
16 文续容组织安排．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
第2章 总体技术方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
21总体技术方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
22方案确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
23章结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
第3章 系统硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
31硬件组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
32单片机选取．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
33外围电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
34章结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
第4章 系统软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
41软件组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
42子功实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
43部分子程序实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
第5章 实验．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
51实验目．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
52实验原理方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
53实验程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
第6章 总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
61技术原理方案先进性评价．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
62研究工作进展评价．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
结展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
附录A参考文献摘．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
附录B程序清单．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34
附录C外文文献翻译．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
插图清单
图11 思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
图21 系统组成框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
图22 方式0帧格式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
图23 方式0发送时序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
图24 方式0接收时序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
图31 8051引脚图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
图32 复位电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
图33 时钟电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
图34 4094引脚图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
图35a典型输出高（源）电流特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
图35b典型输出低（汇）电流特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
图35c clocktoserialQs输出传输延迟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
图35d clocktoserialQ’s输出传输延迟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
图35e clocktoparallel输出传输延迟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
图36测试电路3态时序图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
图374094时序图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
图38零信号产生电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
图39 单限较电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
图310工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
图311 三极．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
图312光电耦合器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
图313 双控硅．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
图41系统总流程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
图42 定时键盘扫描程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
图43 霓虹灯显示流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
图44 4094写程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
图45 8051串行口外接CD4094扩展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
表格清单
表314094真值表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
引言
霓虹灯种低气压冷阳极辉光放电发光光源霓：时虹外侧第二道虹光彩第道虹稍淡色序外紫红虹相反 虹：原意种然现象彩虹七彩色序外分：赤橙黄绿蓝靛紫 霓虹灯：夜间吸引顾客装饰夜景彩色灯霓虹两种美丽东西作种灯名字 霓虹英文NEON音译
霓虹灯英国化学家拉姆赛次实验中偶然发现出现成城市美容师夜幕降时五颜六色霓虹灯城市装扮格外美丽城市街道河等霓虹灯影子着霓虹灯图案复杂化性化慢慢演变成种吸引游客顾客种竞争手段
然霓虹灯图案够眼花缭乱核心控制器着单片机深入应霓虹灯控制器已智化低功耗安全快速正霓虹灯控制器设计者断追求目标
设计霓虹灯控制器长期实践考验技术较成熟智霓虹灯控制器包括IO口串行扩展光电隔离零触发控硅驱动技术受IO口数量限制中型霓虹灯广告牌文介绍霓虹灯控制器属单片机控制控硅功率驱动智控制器适中型种霓虹灯牌面根户求通修改软件控制复杂程度变化图案控制器利8051单片机串行通讯方式0扩展IO口IO口数量受限制三片4094移位寄存器串接形成第块模块功率驱动板获24IO口IO口数量够串接第二块第三块等直IO口数量够止
第1章 绪
11 课题提出技术背景
霓虹灯问世建立真空气体放电技术发展英国化学家拉姆赛次实验中偶然发现1643年意利物理学家托里切利首先完成类历史第次真空试验继德国物理学家盖里克1650年发明真空获成现实真空中气体放电现象研究奠定基础1838年英国科学家法拉弟关注真空中放电现象研究真正转折点19世纪半叶兴起1858年J普吕克发表真空中荧光作述英国科学家克鲁克斯希托夫等先开展真空中放电现象系统研究时期欧洲早期工业革命国家气体放电现象研究十分活跃特气体放电丰富色彩纷纷进行应性研究霓虹灯够心出现历史背景
19世纪末叶约1893年欧洲城市分流行着称摩尔（Moll）霓虹灯盖塞拉（Geissler）霓虹灯原始模型霓虹灯维利亚皇60寿辰庆典采盖塞拉霓虹灯作节日气氛装饰明种原始模型霓虹灯采石墨材料作电极径45mm透明玻璃充入氮气二氧化碳气前者发粉红色光者发白色光弯成螺旋文字图案明亮充入气体化学性质活泼容易电极起化学反应石墨电极溅射率高快玻璃壁形成层薄膜吸收填充气体气压降种霓虹灯寿命短没什实价值
寻求早期霓虹灯寿命极短解决办法英法物理学家化学家惰性气体研究作出杰出贡献1894年伦敦学教授拉姆齐雷利起证明氩存通分馏空气氩1895年鉴定氦化学性质1898年拉姆齐教授M特拉弗斯发现空气中存氖年液态空气分馏法制取氪氡直1902年法国科学家克洛德（Claude）发明绝热膨胀法空气液化法进行氖工业分离开创惰性气体工业提取法惰性气体代活泼气体作霓虹灯填充气仅霓虹灯寿命提延长时霓虹灯色彩更加丰富霓虹灯发展进程中项重技术突破
霓虹灯国第次出现1926年海繁华商业街南京东路伊文思图书公司橱窗陈列英文皇家牌字机霓虹灯广告1927年海远东化学制造厂国第家霓虹灯制造厂海中央旅社制作安装中英文霓虹灯招牌1930年制成功霓虹灯电源变压器1945年制成荧光粉1951年试制出氩氖等惰性气体实现霓虹灯全部原料器件国产化霓虹灯兴旺发展总国家兴旺繁荣联系起步出现90年代海南京路已建成条霓虹灯十里长街南京市海闸北区实施夜城计划连市金州开发区改善投资环境通举办全国霓虹灯奖赛建成座五彩城天津重庆深州等城市建成霓虹灯体装饰明商业旅游城
作100余年发展历史霓虹技术商业演义历史进程中直扮演着极重角色天新型光源(LEDEL等)驱动霓虹技术迎接新挑战构成霓虹灯变压器控制器部分中控制器占着举足轻重位置五花八门霓虹灯图案霓虹灯远程控制零控制高性成低等控制器设计求越越高
12 研究容
课题设计组霓虹灯显示效果图 —里外外里圈次亮设计采8051单片机实现霓虹灯控制系统单片机控制部分显示部分组成显示部分120发光二级成8行15列矩阵式分布受IO口数量限制中型霓虹灯广告牌文介绍霓虹灯控制器属单片机控制
控硅功率驱动智控制器适中型种霓虹灯牌面根户求通修改软件控制复杂程度变化图案控制器利8051单片机串行通讯方式0扩展IO口IO口数量受限制三片4094移位寄存器串接形成第块模块功率驱动板获24IO口IO口数量够串接第二块第三块等直IO口数量够止基础设计控制器硬件电路编写软件外画出程序流程图实验室条件调试部分电路软件
13 研究意义
霓虹灯城市亮化光源城市户外广告重媒体形式获较理想显示效果节约源型霓虹灯通常采动态显示控制器霓虹灯动态显示核心装置型霓虹灯功率较控制路数较控制器较特殊求零控制高性成低等外霓虹灯显示图案通常具性特征求控制器具备良重构性扩展性种样霓虹灯感觉眼花缭乱夜市娱乐场霓虹灯处运方法实现图案变化创造色彩缤纷世界时运学知识结合实际中理实现化深入学非常帮助
14 实现思路
设计动感霓虹灯整体分电源模块控制模块显示模块三部分组电源模块采桥式整流滤波电路CPU4094供电控制模块包括单片机80514094驱动系统驱动系统控制显示模块采LED灯组LE D发光二极编程调试时模拟显示思路图11：
控制
部分
电源
部分
显示
部分
图11 思路
15 研究工作成果
研究工作：课题求学生创意设计组霓虹灯显示效果图成果：规划控制器基功基础着力解决控制器重构扩展问题提出技术方案根技术方案完成控制器硬件电路软件编写外实验室条件完成部分电路软件调试
16 文续容组织安排
系统模块紧密结合起熟知模块工作原理工作电路图通正确连线模块连接起形成整体完成霓虹灯图案变化通文详细介绍绘制出整体电路图编制整软件程序
第2章 总体技术方案
21 总体技术方案
文中介绍霓虹灯控制器8051单片机控制8051单片机串行通讯方式0扩展IO口控硅功率驱动适中型种霓虹灯牌面通修改软件改变变化图案系统框图图21：
复位
时钟
8051
零信号产生电路
4094
4094
灯
灯
图21 系统组成框图
211 串行口工作方式0
串行口工作方式0步移位寄存器输入输出方式通常外接移位寄存器扩展行IO种方式适两MCS—51间串行通信
方式08位数帧设起始位停止位先发送接受低位波特率固定ƒOCS12方式0帧格式图211示：
图22 方式0帧格式
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
2111 方式0发送
发送程中CPU执行条数写入发送缓器SBUF指令时产生正脉串行口开始SBUF中八位数ƒOCS12固定波特率RXD引脚串行输出低位先TXD引脚输出步移位脉发生完八位数置1中断标志位TI时序图图2111示：
2112 方式0接收
方式0接受时REN串行口允许接收控制位REN0禁止接收REN1允许接收CPU串行口SCON寄存器写入控制字（置方式0置1REN位时RI0）时产生正脉串行口开始接收数引脚RXD数输入端TXD移位脉信号输出端接收器
ƒOCS12固定波特率采样RXD引脚数信息接收器接收八位数时置1中断标志RI表示1帧数接收完毕进行帧数接收时序图图23：
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
图23 方式0发送时序
机器周期
写SBUF
RXD（数）
TXD（移位脉）
TI
S1～S6
S1～S6
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
图24 方式0接收时序
机器周期
写SCON
RXD（数）
TXD（移位脉）
RI
S1～S6
S1～S6
方式0SCON中TB8RB8位没发送接收八位数硬件置1TIRI中断标志位CPU响应TIRI中断TIRI标志位必须户软件清0采指令：
CLR TI TI位清0
CLR RI RI位清0
清0TIRI方式0时SM2（机通信控制位）必须清0
212 复位电路
复位单片机初始化操作需复位引脚RST加2机器周期（24时钟振荡周期）高电单片机复位复位时PC初始化000H单片机000H单元开始执行程序进入系统正常初始化外程序运行出错操作错误系统处死锁状态摆脱死锁状态需复位键RST引脚高电单片机重新启动
213 时钟电路
时钟电路产生MCS51单片机工作必需时钟控制信号MCS51单片机部电路时钟信号控制严格时序执行指令进行工作时序研究指令执行中信号时间关系MCS51单片机功部件运行时钟控制信号基准条紊拍拍工作时钟频率直接影响单片机速度时钟电路质量直接影响单片机系统稳定性
214 CD4094移位存储总线寄存器
CD4094带输出锁存三态控制串入出高速转换器具简单功耗低驱动力强控制灵活等优点
215 零信号产生电路
双控硅没反耐压问题控制电路简单特适合做交流触点开关双控硅接通般功率较电器连接强电网络中触发电路抗干扰问题重通常通光电耦合器单片机控制系统中触发信号加载控硅控制极减驱动功率控硅触发时产生干扰交流电路双控硅触发常采零触发电路零触发指电压零零附瞬间接通
22 方案确定
221 显示部分设计方案较选择
方案：采移位寄存器扩展IO口通8051RXDTXDP17通74LS06集电极开路OC门实现电转换便续CMOS器件接口方案扩展受控制发光二级数量控制120LED需15移位寄存器需芯片PCB布局布线方便
方案二：采矩阵式分布利单片机P1口做行选信号P2P0做列选信号120LED构成8行15列矩阵方案单独控制LED单独控制行列LED形成丰富图案者花样显示部分需格外芯片形成电路简单PCB布局布线较容易美观
综述然设计LED太方案二PCB板布局布线较美观应求种规模霓虹灯牌面选择方案
222 驱动部分设计方案较选择
方案 ：三极级驱动正常发光时LED工作电流10~15毫安8×（10~15）80~240毫安样电流三极提供行时亮时满足发光工作求
方案二 ：功率放芯片实现放驱动性稳定效果价格较三极高电路较方案明显复杂
综诉三极驱动电路简单性价高完成驱动作选择方案
23 章结
初步完成课题设计思路完成模块硬件选择解外设计种方案确定设计方案
第3章 系统硬件设计
VCC
P00
P01
P02
P03
P04
P05
P06
P07
EAVPP
ALEPROG
PSEN
P27
P26
P25
P24
P23
P22
P21
P20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
8051
P10
P11
P12
P13
P14
P15
P16
P17
RSTVPD
RXD
TXD
INT0
INT1
T0
T1
WR
RD
XTAL2
XTAL1
VSS
图31 8051引脚图
31 硬件组成
文设计霓虹灯控制器8051单片机控制控硅功率驱动8051单片机串行通讯方式0扩展IO口IO口数量受限制三片4094移位寄存器串接形成第块模块功率驱动板
32 单片机选取
单片机采AT89C51AT89C51低电压高性CMOS8位单片机片含4K字节Flash闪速存储器128字节部RAM32IO口线两16位定时计数器5量两级中断结构全双工串行通信口片振荡器时钟电路AT89C51引脚图图31
33 外围电路设计
321 复位电路
复位电路应该具电复位手动复位功复位脉高电宽度必须2机器周期考虑电源稳定时间参数漂移晶振稳定时间复位性等素必须足够余量设计选12MHz晶振机器周期1us复位脉宽度应2us图332利RC充电原理实现电复位电路设计电瞬间RC电路充电RESET引脚出现正脉RESET端保持10ms高电单片机效复位常见电钮复位方式电路图32示复位电流简化图35电瞬间RC 电路充电RST 端出现正脉RST端保持10ms 高电信号单片机实现效复位里选取2K电阻22uF电容分析RC 电路充电程实际分析RC电路零状态响应程
RST
R
C
U0
+5V
图32 复位电路
（1）确定初始值
tt0+ 时电容相短路U0（0+）5v
（2）确定稳态值
稳态时电容元件相开路
（3）确定电路时间常数
根环路电路知等效电阻R
时间常数 £R0*C22*2*00010044
写出
（31）
单片机高电355V计算u0降35时间算出持续时间
U035带入式31出t0016s16ms>10ms电路设计满足单片机复位需求
单片机复位状态：
单片机复位操作单片机进入初始化状态中包括程序计数器PC＝0000H表明程序0000H址单元开始执行单片机冷启动片RAM机值运行中复位操作改变片RAM区中容系统复位微机系统执行第步整控制芯片回默认硬件状51单片机复位RESET引脚控制引脚高电相接超24振荡周期51单片机进入芯片部复位状态直状态等直RESET引脚转低电检查EA引脚高电低电高电执行芯片部程序代码低电便会执行外部程序51单片机系统复位时部重寄存器设置特定值（特殊寄存器介绍时做详细说明）部RAM部数变
322 时钟电路
MCS51部构成振荡器高增益反相放器该高增益反相放器输入端芯片引脚XTAL1输出端引脚XTAL2两引脚跨接石英振荡器（简称晶振）微调电容构成稳定激振荡器图323：
电路中电容典型值通常选择30PF左右外接电容值然没严格求电容会影响振荡器频率高低振荡器稳定性起振快速性晶振频率越高系统时钟频率越高单片机运行速度越快MCS51常选择振荡频率6MHz12MHz石英晶体设计中选振荡器频率12MHz
C1
C2
30PF
30PF
12MHz
XTAL1
XTAL2
8051
图33 时钟电路
OUTPUT
ENABLE
1
3
2
4
5
6
7
8
16
15
14
13
12
11
10
9
STROBE
DATA
CLOCK
Q1
Q2
Q3
Q4
VSS
VDD
Q5
Q6
Q7
Q8
Q＇S
QS
图34 4094引脚
323 扩展芯片选取
CD4094带输出锁存三态控制串入出高速转换器具简单功耗低驱动力强控制灵活等优点
3231 CD4094引脚 图34：
(2)脚串行数输入端(3)脚串行时钟端(1)脚高电时8位行输出口Q1～Q8时钟升串行输入变化(1)脚低电时输出锁定利锁存端方便进行片选级联输出控制(15)脚行输出状态控制端(15)脚低电时行输出端处高阻状态CD4094作显示输出时显示数码闪烁(9)脚QS(10)脚Q′S串行数输出端级联QS端第9串行时钟升开始输出Q′S端第9串行时钟降开始输出CD4094电源5V时输出电流3．2MA灌电流1 MA串行时钟频率达2．5MHZ
时钟
输出
选通脉
数
行输出
串行输出
Q1
QN
QS (Note 1)
Q S
↑
0
X
X
三态
三态
Q7
变
↓
0
X
X
三态
三态
变
Q7
↑
1
0
X
变
变
Q7
变
↑
1
1
0
0
QN1
Q7
变
↑
1
1
1
1
QN1
Q7
变
↓
1
1
1
变
变
变
Q7
表31 4094真值表
3232 交流电气特性：
0 20 40 60 80 100 120 140 CL(PF)
100
200
300
tPLH
tPLH
(ns)
Tamb25℃
tPLH
tPLH
VDD5V
5V
10V
15V
图35a 典型输出高（源）电流特性
IOL
(mA)
24
20
16
12
8
4
0 2 4 6 8 10 12 VDS（V）
5V
10V
VGS15V
Tamb25℃
图35b 典型输出低（汇）电流特性
0 20 40 60 80 100 120 140 CL(PF)
100
200
300
tPLH
tPLH
(ns)
VDD5V
10V
15V
Tamb25℃
图35c clocktoserialQS输出延迟
0 20 40 60 80 100 120 140 CL(PF)
100
200
300
tPLH
tPLH
(ns)
VDD5V
10V
15V
Tamb25℃
图35eclocktoparallel输出延迟
0 20 40 60 80 100 120 140 CL(PF)
100
200
300
tPLH
tPLH
(ns)
VDD5V
10V
15V
Tamb25℃
图35d clocktoserialQ’S输出延迟
3233 测试电路3态时序图
VOL
VDD
CLOCK
STROBE
DATA
OUTPUT
ENABLE
1k
OUTPUT
50PF
OUTPUT
ENABLE
Q
VDD
VSS
tPZL
tPHZ
tPZL
tPHZ
图36 测试电路3态时序图
3234 4094时序
CD4094时序图37：
CLOCK
STROBE
OUTPUT
ENABLE
DATA
Q1
QS
50％
50％
50％
50％
50％
50％
50％
50％
Q＇S
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
VDD
VSS
tSU
tWC
tWL
tPLH
tPLH
tPLH
tPHL
tPLH
tPLH
tPLH
图37 4094时序图
325 零信号产生电路
双控硅没反耐压问题控制电路简单特适合做交流触点开关双控硅接通般功率较电器连接强电网络中触发电路抗干扰问题重通常通光电耦合器单片机控制系统中触发信号加载控硅控制极减驱动功率控硅触发时产生干扰交流电路双控硅触发常采零触发电路零触发指电压零零附瞬间接通获零信号设计采LM339较器LM339类似增益调运算放器LM339两输入端输出端两输入端称相输入端+表示称反相输入端表示设计作较两电压+端电压高端时输出截止相输出端开路端电压高+端时输出饱相输出端接低电位LM339输出端相接集电极电阻晶体三极时输出端正电源般须接电阻（称拉电阻设计中10K）选阻值拉电阻会影响输出端高电位值输出晶体三极截止时集电极电压基取决拉电阻负载值 图38：
V1+5V
V2+12
V1+12
B相
零线
C相
零线
b
c
A相
零线
001
51K
22K
+5V
22K
+
LM339
10K
7805
2000
01
a
图38 零信号产生电路
3251 LM339单限较电路：
Ur
Uin
a
b
R1
+Ucc
R拉
U0
Ucc
UOH
UOL
Ur
Uin
图39 单限较电路
图39基单限较器输入信号Uin较电压加相输入端反相输入端接参考电压（门限电）Ur输入电压Uin>Ur时输出高电UOH图39b传输特性
326 工作原理图
文介绍霓虹灯控制器属单片机控制控硅功率驱动智控制器适中型种霓虹灯牌面根户求通修改软功率驱动板 获24IO口 IO口数量够 串接第二块第三块等 直IO口数量够止8051 RXDTXDP17通74LS06集电极开路OC门实现电转换便续CMOS器件接口图38分出 ABC三相交流电零信号加图310中abc三点获abc 零触发信号加块功率驱动板3片4094STROBE脚负载相交流电压零点触发功率驱动单元采光电隔离消干扰提高系统工作性LED发光二极编程调试时模拟显示霓虹灯变压器电感性负载关断时产生较反击电流功率驱动电路配置RC构成吸收网络光耦输出先驱动SCR1SCR1驱动SCR2
8051
P17
TXD
RXD
3×10K
V2+5
a1
b1
c1
a
b
c
2
1
a1
b1
c1
DATA
STR
CLK
4094
4094
4094
1
1
10
10
2
2
10
3
a1
b1
c1
Q3………Q8
Q2
Q1
Q1∽Q8
Q8
Q1∽Q7
……
第块板
灯
∽220
零线
V3
9014
510
510
SCR1
SCR2
180K
10K
01µF
30K
第
二
块
板
V2
7406
7404
4011
图310工作原理
e b c
b 基极
e 发射极
c 集电极
b
c
e
图311 三极9014
3261 三极选取
集电极耗散功率PCM04W（Tamb25℃）
集电极允许电流ICM01A
集电极基极击穿电压BVCBO50V
集电极发射极击穿电压BVCEO45V
发射极基极击穿电压BVEBO5V
集电极发射极饱压降
VCE(sat)03V (IC100mA IB5mA)
基极发射极饱压降VBE(sat)1V (IC100mA IB5mA)
特征频率fT150MHz
HFE： A60~150B100~300C200~600D400~1000
V1
V2
R1
R2
9014
图312 光电耦合器
3262 光电耦合器设计
光电耦合器光媒介传输电信号种电光电转换器件发光源受光器两部分组成发光源受光器组装密闭壳体彼间透明绝缘体隔离发光源引脚输入端受光器引脚输出端常见发光源发光二极受光器光敏二极光敏三极等等
设计中光电耦合器选取高压晶体型输入端电流般10～15mA发光二极压降约12～15V限流电阻式计算：
式中Vcc电源电压VF1VF2输入端发光二极压降取15VVce三极9014压降取03VIF发光二极工作电流取20mA
计算取限流电阻R510Ω
3263 双控硅设计
相单控硅双控硅原理区双导通阳极阴极分取代T1T2结构示意图图313a示果考虑G级分割成图313b示出相两单控硅反联成图313c示连接T1T2间接通电源G极正触发信号（相T1T2接电源负极言）工作原理前面单控硅完全相设计中G级光电耦合器输出驱动先驱动SCR1SCR1驱动SCR2
G
T1
T2
G
T1
T2
G
T2
T1
N
P
P
P
P
P
P
N
N
N
N
N
N
P
N
P
N
N
图313 双控硅
a b c
33 章结
章包括系统模块功分析参数计算整文重部分难部分
第4章 系统软件设计
41 软件组成
软件设计求：通键控制霓虹灯图案变化
全部控制程序分成程序MAIN键盘处理子程序SWLED显示控制子程序DISP1
程序包括初始化T0初始化定时数区显示缓区初始化LED输出输入初始化开中断然循环调显示子程序
程序流程图图41示：
开始
键
结束
N
Y
图41 系统总流程图
初始化
霓虹灯工作
否
结束
N
Y
42 子功实现
421 图42定时键盘扫描程序判断否键控制霓虹灯工作
422 图43霓虹灯显示流程图通零信号产生电路4094提供触发信号负载相交流电压零点触发
开始
霓虹灯
结束
N
Y
图43 霓虹灯显示流程图
片选4094
写4094
否
结束
N
Y
开始
计数器重新赋值
键
霓虹灯工
作
结束
N
Y
图42 定时键盘扫描程序
图44 键K1程序流程图
开始
串行口方式0初始化
控制字3送A
A送SBUF
启动串行输出
控制字1送R0
控制字2送R1
R0送A
A左循环1位
A送P0
A送R0
R1送A
A右循环1位
A送P2
A送R1
调延时子程序
MOV R2#200
结束
423 键K1程序流程图
控制字：
键K1：
控制字1：01H
控制字2：80H
控制字3：01H
424 8051串行口外接CD4094扩展8位行输出口
图45示CD40948位行口位接发光二极求发光呈流水灯状态 串行口方式0数传送采中断方式采查询方式种方式助TIRI标志串行发送时TI置位（发完帧数）引起中断申请中断服务程序中发送帧数者通查询TI状态TI0继续查询TI1结束查询发送帧数串行接收时RI引起中断RI查询确定时接收帧数采什方式开始通信前先控制寄存器SCON进行初始化方式0中00H送SCON
DATA
CLK
P10
TXD
RXD
STR
Q1 ～ Q8
图45 8051串行口外接CD4094扩展
ORG 2000H
START： MOV SCON#00H 置串行口工作方式0
MOV A#80H 高位灯先亮
CLR P10关闭行输出（避象传输程中LED暗红现象）
OUT0： MOV SBUFA开始串行输出
OUT1： JNB TIOUT1 输出完否
CLR TI 完清TI标志备次发送
SETB P10开行口输出
ACALL DELAY延时段时间
RR A 循环右移
CLR P10关闭行输出
JMP OUT0 循环
43 部分子程序实现：
中断程序
ORG 000H
LJMP START
ORG 003H外中断0入口址
AJMP INTEX0跳外部中断服务程序
ORG 000BH定时器0
LJMP FUT0
ORG 0013H外部中断1
RETI
ORG 001BH定时器1
RETI
ORG 0023H串行口中断
RETI
参考文献
[1]许德章等霓虹灯智控制器设计电子科技1997年4月Vol40No223—28
[2]金广锋吕运朋王慧宏亮马鹏阁种新型霓虹灯色彩渐变系统控制器设计电子工程师第30 卷第2 期2004年2月
[3]陈华霓虹灯创意设计方法光源明2003年第1期
[4]许高攀 霓虹灯电子变压器设计探索 厦门理工学院学报第14卷第2期2006年6月
[5]冰李晓旭陈华蔡祖泉刘祥吉霓虹灯径变压器匹配设计问题明工程学报第16 卷 第4 期2005 年12 月
[6]吴建宁霓虹灯控制电路电子制作[J]2006年第8期
[7]张续文霓虹灯设计制作方法讨六盘水师范高等专科学校学报
2005年06期
[8]宋雅赖益民基AT89C51新型七彩霓虹灯控制系统设计微计算机应
2005年01期
[9]锋霓虹灯计算机辅助设计软件实现北方工业学学报2008年03
期
[10]肖东霓虹灯循环发光控制器电子世界1994年05期
[11]周明周亮AT89C51 单片机霓虹灯控制中应科技广场2007年05
期
[12]Wang Yankun Tang Huanling Wang Jingdonga new microcomputer neon lamp controller [J] micro computer application1998 the 05 period
[13]张毅刚单片机原理应2003年12月第版
[14]张国雄测控电路第四版2011年4月第四版
[15]李良光电子技术2008年7月第版
附件A 参考文献摘
[1]许德章梁志扬霓虹灯智控制器设计电子科技1997年4月第2期
摘：文中介绍种长期实践考验 技术较成熟智霓虹灯控制器设计方法包括I O 口串行扩展光电隔离零触发控硅功率驱动技术
[2]吴建宁霓虹灯控制电路电子制作[J]2006年第8期
摘：霓虹灯控制电路实际种路动开关电路种方法实现功里控制器8路动开关电路时控制8条霓虹灯工作程设计8路霓虹灯亮熄组合变化花样二进制数形式预先存放控制器存储器中工作时时间序存储器中数取出数控制开关闭合断开(般数1相应开关闭合路霓虹灯点亮)实现霓虹灯动控制
[3]张续文霓虹灯设计制作方法讨六盘水师范高等专科学校学报2005年06期
摘：霓虹灯设计充分利霓虹灯诸特性实现代社会霓虹灯样性趣味性艺术性实性求霓虹灯制作灯变压器控制器高低压线路等方面进行述
[4]宋雅赖益民基AT89C51新型七彩霓虹灯控制系统设计微计算机应
2005年01期
摘：霓虹灯广告业正蓬勃发展霓虹灯控制系统技术相落基文设计种基AT89C51单片机新型七彩霓虹灯控制系统阐述系统设计原理硬件结构软件设计系统配套数表生成软件提出种新通串口通信帧步方案指出系统进步优化方法实践证明该设计具低成方便灵活稳定特点
[5]锋霓虹灯计算机辅助设计软件实现北方工业学学报2008年03期
摘：文介绍开发霓虹灯计算机辅助设计软件技术方案实现霓虹灯效果图设计方法介绍霓虹灯制作程霓虹灯工作机制出霓虹灯计算机辅助设计软件框架实现霓虹灯计算机辅助设计具体步骤该软件面象技术基础实现霓虹灯效果图计算机辅助设计设计效果图颜色数动转换霓虹灯控制器执行二进制数该软件霓虹灯制作程更加简单减少霓虹灯制作时间
[6]肖东霓虹灯循环发光控制器电子世界1994年05期
摘：文介绍种制作容易成低廉工作稳定霓虹灯循环发光控制器控制程序：灯1亮→灯2亮→灯3亮→灯4亮→停留片刻全熄灭然头开始重复工作该电路非常适合控制构成四字霓虹灯构成欢渡春节民邮电等四字霓虹灯
[7]周明周亮AT89C51 单片机霓虹灯控制中应科技广场2007年05期
摘：霓虹灯控制器应广追求较高性价AT89C51 单片机结合双晶闸输出型光电耦合器MOC3021 实现控制器功时间常数易修改灵活电路易实现成低控制芯片更换方便
[8]Wang Yankun Tang Huanling Wang Jingdonga new microcomputer neon lamp controller [J] micro computer application1998 the 05 period
Abstract： in this paper a novel by microcomputer controlled neon lamp controller are briefly described The controller characteristics function purpose main circuit and the hardware
the software design principle
[9]张毅刚单片机原理应2003年12月第版
摘：书详细介绍MCS51单片机硬件结构指令系统基础详细介绍MCS51单片机类接口技术应系统设计根应需求进行应系统设计
[10]张国雄测控电路第四版2011年4月第四版
摘：书介绍测控电路功求测控电路类型组成发展趋势包括放电路特低漂移高模抑制测控系统中需高性放电路介绍
[11]李良光电子技术2008年7月第版
摘：全书包括模拟电子技术数字电子技术两部分容8章
附录B 程序清单
ORG 0000H
LJMP START 转入程序
ORG 0003H 外部中断INT0入口址
RETI
ORG 000BH 定时器T0中断服务程序
LJMP INT T0 转入T0中断服务程序
ORG 0013H 外部中断INT1入口址
RETI 返回
LJMP INT T1 转入T1中断服务程序
ORG 0023H 转入串行中断服务程序
RETI 返回
START：MOV P1#0FFH
MOV AP1
CPL A
JZ START
JB ACC0 SUB0
JB ACC1 SUB1
JB ACC2 SUB2
JB ACC3 SUB3
JB ACC4 SUB4
JB ACC5 SUB5
JB ACC6 SUB6
LJMP START
ORG 0600H
SUB0： AJMP KEY0
SUB1： AJMP KEY1
SUB2： AJMP KEY2
SUB3： AJMP KEY3
SUB4： AJMP KEY4
SUB5： AJMP KEY5
SUB6： AJMP KEY6
KEY1： MOV SCON#00H
CLR ES
MOV A#01H
MOV SBUFA
MOV R0#01H
MOV R1#80H
LOOP1： MOV AR0
RL A
MOV P0A
MOV R0A
MOV AR0
RR A
MOV P0A
MOV R2#100
LJMP LOOP1
RET
KEY2： MOV SCON#00H
CLR ES
MOV A#02H
MOV SBUFA
MOV R0#03H
MOV R1#0C0H
DL： MOV R4#100
DL1： MOV R3#100
DL2： DJNZ R3DL2
DJNZ R4DL1
RET
END
附录C 外文文献翻译
Principle of MCU
Singlechip is an integrated on a singlechip a complete computer system Even though most of his features in a smallchip but it has a need to complete the majority of computer components CPUmemory internal and external bus system most will have the Core At the sametime such as integrated communication interfaces timers realtime clock andother peripheral equipment And now the most powerful singlechip microcomputersystem can even voice image networking input and output complex systemintegration on a single chip
Also known as singlechip MCU(Microcontroller) because it was first used in the field of industrialcontrol Only by the singlechip CPU chip developed from the dedicatedprocessor The design concept is the first by a large number of peripherals andCPU in a single chip the computer system so that smaller more easilyintegrated into the complex and demanding on the volume control devices INTELthe Z80 is one of the first design in accordance with the idea of theprocessor From then on the MCU and the development of a dedicated processorparted ways
Early singlechip 8bit or all of the fourOne of the most successful is INTEL＇s 8031 because the performance of a simpleand reliable access to a lot of good praise Since then in 8031 to develop asinglechip microcomputer system MCS51 series Based on singlechipmicrocomputer system of the system is still widely used until now As the fieldof industrial control requirements increase in the beginning of a 16bitsinglechip but not ideal because the price has not been very widely usedAfter the 90＇s with the big consumer electronics product developmentsinglechip technology is a huge improvement INTEL i960 Series with subsequentARM in particular a broad range of applications quickly replaced by 32bitsinglechip 16bit singlechip highend status and enter the mainstreammarket Traditional 8bit singlechip performance has been the rapid increasein processing power compared to the 80＇s to raise a few hundred times Atpresent the highend 32bit singlechip frequency over 300MHz the performanceof the mid90＇s close on the heels of a special processor while the ordinaryprice of the model dropped to one US dollars the most highend models only10 US dollars Contemporary singlechip microcomputer system is no longeronly the baremetal environment in the development and use of a large number ofdedicated embedded operating system is widely used in the full range ofsinglechip microcomputer In PDAs and cell phones as the core processing ofhighend singlechip or even a dedicated direct access to Windows and Linuxoperating systems
More than a dedicated singlechip processorsuitable for embedded systems so it was up to the application In fact thenumber of singlechip is the world＇s largest computer Modern human life usedin almost every piece of electronic and mechanical products will have asinglechip integration Phone telephone calculator home applianceselectronic toys handheld computers and computer accessories such as a mouse inthe Department are equipped with 12 single chip An
d personal computers alsohave a large number of singlechip microcomputer in the workplace Vehiclesequipped with more than 40 Department of the general singlechip complexindustrial control systems and even singlechip may have hundreds of work atthe same time SCM is not only far exceeds the number of PC and otherintegrated computing even more than the number of human beings
Hardwave introduction：
The 8051 family of micro controllers isbased on an architecture which is highly optimized for embedded controlsystems It is used in a wide variety of applications from military equipmentto automobiles to the keyboard on your PC Second only to the Motorola 68HC11 in eight bit processors sales the8051 family of microcontrollers is available in a wide array of variations frommanufacturers such as Intel Philips and Siemens These manufacturers haveadded numerous features and peripherals to the 8051 such as I2C interfaces analog to digitalconverters watchdog timers and pulse width modulated outputs Variations ofthe 8051 with clock speeds up to 40MHz and voltage requirements down to 15volts are available This wide range of parts based on one core makes the 8051family an excellent choice as the base architecture for a company＇s entire lineof products since it can perform many functions and developers will only haveto learn this one platform
The basic architecture consists of thefollowing features
aneight bit ALU
32descrete IO pins (4 groups of 8) which can be individually accessed
two16 bit timercounters
full duplex UART
6interrupt sources with 2 priority levels
128bytes of on board RAM
separate 64K byte address spaces for DATA and CODE memory
One 8051 processor cycle consists of twelveoscillator periods Each of the twelve oscillator periods is used for a specialfunction by the 8051 core such as op code fetches and samples of the interruptdaisy chain for pending interrupts The time required for any 8051 instructioncan be computed by dividing the clock frequency by 12 inverting that resultand multiplying it by the number of processor cycles required by theinstruction in question Therefore if you have a system which is using an11059MHz clock you can compute the number of instructions per second bydividing this value by 12 This gives an instruction frequency of 921583instructions per second Inverting this will provide the amount of time takenby each instruction cycle (1085 microseconds)
单片机原理
单片机指集成块芯片完整计算机系统部分功集成块芯片具完整计算机需部分部件：CPU存部外部总线系统目前部分会具外存时集成诸通讯接口定时器实时时钟等外围设备现强单片机系统甚声音图网络复杂输入输出系统集成块芯片
单片机称微控制器（Microcontroller）早工业控制领域单片机芯片仅CPU专处理器发展早设计理念通量外围设备CPU集成芯片中计算机系统更更容易集成进复杂体积求严格控制设备中INTELZ80早种思想设计出处理器单片机专处理器发展便分道扬镳
早期单片机8位4位中成功INTEL8031简单性错获评8031发展出MCS51系列单片机系统基系统单片机系统直现广泛着工业控制领域求提高开始出现16位单片机性价理想未广泛应90年代着消费电子产品发展单片机技术巨提高着INTEL i960系列特ARM系列广泛应32位单片机迅速取代16位单片机高端位进入流市场传统8位单片机性飞速提高处理力起80年代提高数百倍目前高端32位单片机频已超300MHz性直追90年代中期专处理器普通型号出厂价格跌落1美元高端型号10美元代单片机系统已裸机环境开发量专嵌入式操作系统广泛应全系列单片机作掌电脑手机核心处理高端单片机甚直接专WindowsLinux操作系统
单片机专处理器更适合应嵌入式系统应事实单片机世界数量计算机现代类生活中件电子机械产品中会集成单片机手机电话计算器家电器电子玩具掌电脑鼠标等电脑配件中配12部单片机电脑中会数少单片机工作汽车般配备40部单片机复杂工业控制系统甚数百台单片机时工作单片机数量仅远超PC机计算综合甚类数量
单片机硬件介绍：
8051系列微控制器建立高度优化嵌入式控制系统结构运范围较广军事装备汽车PC机键盘仅次摩托罗拉68HC118位处理器销售8051家庭微控制器 制造商种样变化特尔公司西门子飞利浦厂家已增加许功外设总线接口模拟数字转换器门狗定时器脉宽度调制输出8051变化达40MHz时钟频率降150伏电压条件种广泛部分基核心8051系列选择作基础架构公司产品
执行许功开发者会样台
基结构特点：
8算术逻辑单元
32离散输入输出端口（4组8位）单独访问
二16位定时器计数器
全双工通异步接收发送装置
6中断源2优先级
128字节机存储器
64K分开字节址空间数代码记忆
数字处理器周期十二振荡器时期十二门徒里阶段振荡器特殊功核心凤凰社代码数字样品中全部中断菊花链未决中断需时间8051指令12例时钟频率通反演结果增殖数字处理器周期指示问题果系统11059MHz时钟计算出指令数值秒12分出921583指令秒指令频率反相提供指令周期（1085微秒）采取时间
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