基于PLC的广告牌控制设计_基于plc控制系统设计

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单片机课程设计论文

设计题目：基于PLC的广告牌控制设计

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设计要求: 在16X16点阵式LED显示“五角星”、“圆形”和心形图，并通过按键来选择要显示的图形

摘要：近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入，同时带动传统控制及LED显示技术日新月异的更新。大型LED点阵广告牌与传统的广告宣传紧密结合成为新的媒体宣传工具，广泛应用于展览中心、金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、街道、高速公路等公共场所的信息显示和广告宜传。本文提出了一种实现单片机控制LED点阵显示屏的新方案广告牌是用于广告匾，楼宇装饰和户外装潢的灯具，近来随着国家经济的迅速发展，人民物质文化生活水平的不断提高，对于装饰的美化美观的要求也越来越高，广告牌的越来越多的出现在个人们的视野中。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时自动控制系统日新月益更新。

本文结合国内外霓虹灯控制技术的发展状况设计了一种采用美国ATMEL公司生产的AVR系列单片机中的ATmega8作控制芯片的霓虹灯控制器．通过ATmega8芯片控制驱动电路，在由驱动电路驱动继电器，而继电器则作为霓虹灯的功率控制。从而实现在16X16点阵式LED显示“五角星”、“圆形”和心形图，并通过按键来选择要显示的图形。

关键字：控制器；继电器；ATmega8 广告牌设计

目录

摘要............................................................................................................错误！未定义书签。目录..................................................................................................................................................1 一

系统方案论证与比较...............................................................................................................4

方案一：NE555与CD4541作为主控制器.........................................................................4 方案二：采用LED点阵与ATmega8作为主驱动器..........................................................5 二

元器件简介...............................................................................................................................7

1.主控芯片ATmega8简介....................................................................................................7

（1）产品特性................................................................................................................7（2）外设特点................................................................................................................7（3）特殊的处理器特点.................................................................................................8（4）I/O 和封装.............................................................................................................8（5）工作电压................................................................................................................8（6）速度等级................................................................................................................8（7）引脚说明..............................................................................................................10（8）ATmega8状态寄存器........................................................................................11（9）通用寄存器..........................................................................................................12（10）堆栈指针............................................................................................................12（11）复位与中断........................................................................................................13 2.点阵显示器.......................................................................................................................14（1）16*16点阵原理图...............................................................................................14（2）16*16点阵实物图...............................................................................................15（3）16*16点阵扫描方式...........................................................................................15（4）16*16点阵应用举例...........................................................................................15 3.驱动芯片4-16译码器CC4514........................................................................................17（1）推荐工作条件......................................................................................................17（2）工作温度范围......................................................................................................17（3）极限值..................................................................................................................17 三

广告控制器系统设计.............................................................................................................19

1.系统硬件设计.....................................................................................................................19（1）主控制器ATmega8............................................................................................19（2）电路原理图..........................................................................................................19 2.系统软件设计.....................................................................................................................21（1）程序流程图..........................................................................................................21（2）程序清单..............................................................................................................21

一

系统方案论证与比较

方案一：NE555与CD4541作为主控制器

广告灯控制器由NE555组成的光控及抗干扰电路、CD4541定时电路、继电器控制、电源电路等部分组成。电原理图如图1所示。

NE555时基电路接成施密特触发器，对光敏电阻RC接收到的信号进行整形和功率放大以后，驱动后续电路。当白天有光照时，其第③脚输出低电平，夜晚无光照时输出高电平。

CD4541是一块具有振荡计数、定时功能的IC，在电路中作为定时控制，各脚功能如表1所示。CD4541工作时，第①脚接振荡电阻，第②脚接振荡电容，第③脚接保护电阻，第⑧脚为输出脚，第⑨脚可选择第⑧脚的输出状态，第⑩脚接低电平为单定时模式，接高电平为循环定时模式，第12、13脚可设定时间或设定输出频率，CD4541分频或计数次数如表2所示。220V交流市电经R9、C6

阻容降压．D2～D5整流，C5滤波，WD2稳压，给继电器提供24V的吸合电压。此电压通过R8和WD1稳压，C4滤波，给IC1和IC2提供9.1V的工作电压。

白天，光敏电阻RG阻值很小，通过RG和WR1分压，NE555第⑥脚电压大于2/3Vcc，使第③脚输出为低电平，三极管BG1截止。CD4541第⑥脚复位端为高电平，其内部计数器清零复位，第⑧脚输出端为低电平，BG2截止，继电器常开触电断开，其受控电路不工作。

当夜幕降临的时候，RG阻值逐渐增大，NE555第②脚电位逐渐降低，当小于1／3Vcc时，NE555第③脚输出端信号翻转为高电平。BG1基极电位升高而导通，给CD4541第⑥脚提供一个由高电平变为低电平的脉冲负跳变沿，使内部电路开始计数，输出端第⑧脚输出高电平。BG2导通，继电器K1得电，常开触点闭合，受控电路工作。WR2和C3为CD4541外接振荡电阻和振荡电容，当经t=32768×2.3RC≈24871秒时间后，输出端第⑧脚变为低电平。VT2截止，K1的常开触点失电而断开，受控电路停止工作。通过微调WR2，可改变定时时长。此电路对于外界干扰引起的白天瞬间变暗不会导致继电器误动作，因为NE555第②、⑥脚所接R1和C1组成延时抗干扰电路，当RG阻值瞬间增大时，由于电容C1两端电压不能突变，从而保持第⑥脚电位基本不变，第③脚输出仍为低电平。但当RG阻值长时间较大时，C1充电完成后，NE555第⑥脚电压降低，第③脚输出高电平，从而导致继电器动作。

方案二：采用LED点阵与ATmega8作为主驱动器

数控广告灯扫描器有以下主要特点：

（1）分体联控结构：解决了大型广告灯工程既要求扫描器分体就近安装又要求扫描器整体调控的矛盾。

（2）强抗干扰设计：通过系统软件的抗干扰处理，避免了广告灯乱闪及抖动的现象，使版面极为干净。

（3）自动同步：当遇强干扰造成扫描器不能同步工作时，系统软件将在1分钟内自动修复。

（4）调试开关：对于大型广告灯工程的调试，这个功能极为有用。

（5）接插件结构：整个线路全部采用接插件绘声结构，拆卸简单，维修方便。

图3 ATmega8与点阵显示广告控制系统

综上所述，我们选择方案二。

二

元器件简介

1.主控芯片ATmega8简介（1）产品特性

● 高性能、低功耗的 8 位AVR® 微处理器 ● 先进的RISC 结构

● 130 条指令 – 大多数指令执行时间为单个时钟周期 ● 32个8 位通用工作寄存器 ● 全静态工作

● 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS ● 只需两个时钟周期的硬件乘法器 ● 非易失性程序和数据存储器 ● 8K 字节的系统内可编程Flash ● 擦写寿命: 10,000 次

● 具有独立锁定位的可选Boot 代码区 ● 通过片上Boot 程序实现系统内编程 ● 真正的同时读写操作 ● 512 字节的EEPROM ● 擦写寿命: 100,000 次 ● 1K字节的片内SRAM ● 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密

（2）外设特点

● 两个具有独立预分频器8 位定时器/ 计数器, 其中之一有比较功能 ● 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 ● 具有独立振荡器的实时计数器RTC ● 三通道PWM

● TQFP与MLF 封装的8 路ADC ● 路10 位ADC ● 8 路10 位ADC ● 面向字节的两线接口 ● 两个可编程的串行USART ● 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 ● 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 ● 片内模拟比较器

（3）特殊的处理器特点

● 上电复位以及可编程的掉电检测 ● 片内经过标定的RC 振荡器 ● 片内/ 片外中断源

● 5种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式及Standby 模式。

（4）I/O 和封装

● 23个可编程的I/O 口

● 28引脚PDIP 封装,32 引脚TQFP 封装,32 引脚MLF 封装

（5）工作电压

● 2.75.5V(ATmega8)（6）速度等级

● 016 MHz(ATmega8)● 4 Mhz 时功耗, 3V, 25°C

● 工作模式: 3.6 mA ● 空闲模式: 1.0 mA ● 掉电模式: 0.5 μA ● 具有8KB 系统内可编程 Flash 的 ● 8 位 微控制器

ATmega8引脚图

ATmega8内部结构简图

（7）引脚说明

VCC 数字电路的电源。GND 地。

端口B(PB7..PB0)XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。通过时钟选择熔丝位的设置，PB6 可作为反向振荡放大器或时钟操作电路的输入端。通过时钟选择熔丝位的设置PB7 可作为反向振荡放大器的输出端。若将片内标定RC 振荡器作为芯片时钟源，且ASSR 寄存器的AS2 位设置，PB7..6 作为异步 T/C2 的TOSC2..1 输入端。端口B 的其他功能见P55“ 端口B 的第二功能” 及P 22“ 系统时钟及时钟选项”。

端口C(PC5..PC0)端口C 为7 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。

PC6/RESET 若RSTDISBL 熔丝位编程，PC6 作为I/O 引脚使用。注意PC6 的电气特性与端口C 的其他引脚不同若RSTDISBL 熔丝位未编程，PC6 作为复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P 35Table 15。持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。

端口C 的其他功能见后。

端口D(PD7..PD0)端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 的其他功能见后。

RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见 P35Table 15。持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。

AVCC AVCC 是A/D转换器、端口C(3..0)及ADC(7..6)的电源。不使用ADC

时，该引脚应直接与VCC 连接。使用ADC 时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。注意，端口C(5..4)为数字电源，VCC。

AREF A/D 的模拟基准输入引脚。

ADC7..6(TQFP 与MLF 封装)TQFP与MLF封装的ADC7..6作为A/D转换器的模拟输入。为模拟电源 且作为10位ADC通 道。

（8）ATmega8状态寄存器

状态寄存器包含了最近执行的算术指令的结果信息。这些信息可以用来改变程序流程以实现条件操作。如指令集所述，所有ALU 运算都将影响状态寄存器的内容。这样，在许多情况下就不需要专门的比较指令了，从而使系统运行更快速，代码效率更高。在进入中断服务程序时状态寄存器不会自动保存，中断返回时也不会自动恢复。这些工作需要软件来处理。AVR 中断寄存器 SREG 定义如下：

• Bit 7 – I: 全局中断使能I 置位时使能全局中断。单独的中断使能由其他独立的控制寄存器控制。如果I 清零，则不论单独中断标志置位与否，都不会产生中断。任意一个中断发生后I 清零，而执行RETI指令后I 恢复置位以使能中断。I 也可以通过SEI 和CLI 指令来置位和清零。

• Bit 6 – T: 位拷贝存储位拷贝指令BLD 和BST 利用T 作为目的或源地址。BST 把寄存器的某一位拷贝到T，而BLD 把T 拷贝到寄存器的某一位。

• Bit 5 – H: 半进位标志半进位标志H 表示算术操作发生了半进位。此标志对于BCD 运算非常有用。详见指令集的说明。

• Bit 4 – S: 符号位, S = N ⊕ VS 为负数标志N 与2 的补码溢出标志V 的异或。详见指令集的说明。

• Bit 3 – V:2 的补码溢出标志支持2 的补码运算。详见指令集的说明。• Bit 2 – N: 负数标志表明算术或逻辑操作结果为负。详见指令集的说明。

• Bit 1 – Z: 零标志表明算术或逻辑操作结果为零。详见指令集的说明。• Bit 0 – C: 进位标志

（9）通用寄存器

文件寄存器文件针对AVR 增强型 RISC 指令集做了优化。为了获得需要的性能和灵活性，寄存器文件支持以下的输入/ 输出方案： • 输出一个 8 位操作数，输入一个 8 位结果。• 输出两个 8 位位操作数，输入一个 8 位结果。• 输出两个 8 位位操作数，输入一个 16 位结果。• 输出一个 16 位位操作数，输入一个 16 位结果。

CPU 32 个通用工作寄存器的结构

（10）堆栈指针

堆栈指针主要用来保存临时数据、局部变量和中断/ 子程序的返回地址。堆栈指针总是指向堆栈的顶部。要注意AVR 的堆栈是向下生长的，即新数据推入堆栈时，堆栈指针的数值将减小。堆栈指针指向数据SRAM 堆栈区。在此聚集了子程序堆栈和中断堆栈。调用子序和使能中断之前必须定义堆栈空间，且堆栈指针必须指向高于0x60 的地址空间。使用PUSH指令将数据推入堆栈时指针减一；而子程序或中断返回地址推入堆栈时指针将减二。使用POP 指令将数据弹出堆栈

时，堆栈指针加一；而用RET 或RETI 指令从子程序或中断返回时堆栈指针加二。AVR的堆栈指针由I/O空间中的两个8位寄存器实现。实际使用的位数与具体器件有关。请注意某些AVR 器件的数据区太小，用SPL 就足够了。此时将不给出SPH 寄存器。

指令执行时序这一节介绍指令执行过程中的访问时序。AVR CPU 由系统时钟clkCPU 驱动。此时钟直接来自选定的时钟源。芯片内部不对此时钟进行分频。Figure 5 说明了由Harvard 结构决定的并行取指和指令执行，以及可以进行快速访问的寄存器文件的概念。这是一个基本的流水线概念，性能高达1 MIPS/MHz，具有优良的性价比、功能/ 时钟比、功能/ 功耗比。

（11）复位与中断

处理AVR有不同的中断源。每个中断和复位在程序空间都有独立的中断向量。所有的中断事件都有自己的使能位。当使能位置位，且状态寄存器的全局中断使能位I 也置位时，中断可以发生。根据程序计数器PC 的不同，在引导锁定位BLB02 或BLB12 被编程的情况下，中断可能被自动禁止。这个特性提高了软件的安全性。详见 P 209“ 存储器编程” 的描述。程序存储区的最低地址缺省为复位向量和中断向量。完整的向量列表请参见P 43“ 中断”列表也决定了不同中断的优先

级。向量所在的地址越低，优先级越高。RESET 具有最高的优先级，第二个为INT0 – 外部中断请求0。通过置位通用中断控制寄存器(GICR)的IVSEL，中断向量可以移至引导Flash的起始处，参见P 43“中断”。编程熔丝位BOOTRST也可以将复位向量移至引导Flash 的起始处。具体参见P 196“ 支持引导装入程序 －在写的同时可以读(RWW, Read-While-Write)的自我编程能力”。任一中断发生时全局中断使能位I 被清零，从而禁止了所有其他的中断。用户软件可以在中断程序里置位I 来实现中断嵌套。此时所有的中断都可以中断当前的中断服务程序。执行RETI 指令后I 自动置位。从根本上说有两种类型的中断。第一种由事件触发并置位中断标志。对于这些中断，程序计数器跳转到实际的中断向量以执行中断处理程序，同时硬件将清除相应的中断标志。中断标志也可以通过对其写”1” 的方式来清除。当中断发生后，如果相应的中断使能位为“0”，则中断标志位置位，并一直保持到中断执行，或者被软件清除。类似的，如果全局中断标志被清零，则所有已发生的中断都不会被执行，直到I 置位。然后挂起的各个中断按中断优先级依次执行。

2.点阵显示器（1）16*16点阵原理图

（2）16*16点阵实物图

图为8×8点阵LED外观及引脚图，其等效电路如图（2）所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴

（3）16*16点阵扫描方式

LED一般采用扫描式显示，实际运用分为三种方式（1）点扫描（2）行列扫描

16×64=1024Hz，周期小于1ms即可。若使用第二和第三种方式，则频率必须大于16×8=128Hz，周期小于7.8ms即可符合视觉暂留要求。此外一次驱动一列或一行（8颗LED）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。

（4）16*16点阵应用举例

点阵内部结构及外形如下，8X8点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置1电平，某一列置

0电平，则相应的二极管就亮；如要将第一个点点亮，则9脚接高电平13脚接低电平，则第一个点就亮了；如果要将第一行点亮，则第9脚要接高电平，而（13、3、4、10、6、11、15、16）这些引脚接低电平，那么第一行就会点亮；如要将第一列点亮，则第13脚接低电平，而（9、14、8、12、1、7、2、5）接高电平，那么第一列就会点亮。

一般我们使用点阵显示汉字是用的16*16的点阵宋体字库，所谓16*16，是每一个汉字在纵、横各16点的区域内显示的。也就是说得用四个8*8点阵组合成一个16*16的点阵。如下图所示，要显示“你”则相应的点就要点亮，由于我们的点阵在列线上是低电平有效，而在行线上是高电平有效，所以要显示“你”字的话，它的位代码信息要取反，即所有列（13~16脚）送(***1，0xF7，0x7F)，而第一行（9脚）送1信号，然后第一行送0。再送第二行要显示的数据（13~16脚）送(***1，0xF7，0x7F)，而第二行（14脚）送1信号。依此类推，只要每行数据显示时间间隔够短，利用人眼的视觉暂停作用，这样送16次数据扫描完16行后就会看到一个“你”字；第二种送数据的方法是字模信号送到行线上再扫描列线也是同样的道理。同样以“你”字来说明，16行（9、14、8、12、1、7、2、5）上送（***0，0x00，0x00）而第一列（13脚）送、“0”。同理扫描第二列。当行线上送了16次数据而列线扫描了16次后一个“你”字也就显示出来了。

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因此，形成的列代码为 00H，00H，3EH，41H，41H，3EH，00H，00H；只要把这些代码分别依次送到相应的列线上面，即可实现“0”的数字显示。

3.驱动芯片4-16译码器CC4514（1）推荐工作条件

电源电压范围„„„„„ „.3V～15V 输入电压范围„„„„„„..0V～VDD（2）工作温度范围

M 类„„„„„„.－55℃～125℃ E 类„„„„„ „.－40℃～85℃

（3）极限值

电源电压„...－0.5V～18V 输入电压„ „－0.5V~VDD+0.5V 输入电流„ „„„.±10mA 储存稳定„„„„„.－65℃～150℃

CD4514引脚图

三

广告控制器系统设计

1.系统硬件设计

（1）主控制器ATmega8 本控制系统采用存储容量大的AVR单片机ATmega8作为主控制器，直接可以将容量较大的系统字库存储在ATmega8内部存储器内，节约了资源，也使整个系统变得简洁。

（2）电路原理图

扫描电路采用CD4514，即4-16的译码器来进行行列扫描，用单片机控制其选通端INH来控制送行列字库码，控制扫描，并在输出端加一个非门，来提高其驱动能力，以满足点阵发光的需求。

2.系统软件设计（1）程序流程图

（2）程CNTA EQU 30H COUNT EQU 31H

ORG 00H

LJMP START

ORG 0BH

LJMP T0X

ORG 30H START: MOV CNTA,#00H

MOV COUNT,#00H

MOV TMOD,#01H

MOV TH0,#(65536-4000)/ 256

MOV TL0,#(65536-4000)MOD 256

SETB TR0

SETB ET0

SETB EA WT: JB P2.0,WT

MOV R6,#5

MOV R7,#248 D1: DJNZ R7,$

DJNZ R6,D1

JB P2.0,WT

INC COUNT

MOV A,COUNT

CJNE A,#03H,NEXT

MOV COUNT,#00H NEXT: JNB P2.0,$

SJMP WT

T0X: NOP

MOV TH0,#(65536-4000)/ 256

MOV TL0,#(65536-4000)MOD 256

MOV DPTR,#TAB

MOV A,CNTA

MOVC A,@A+DPTR

MOV P3,A

MOV DPTR,#GRAPH

MOV A,COUNT

MOV B,#8

MUL AB

ADD A,CNTA

MOVC A,@A+DPTR

MOV P1,A

INC CNTA

MOV A,CNTA

CJNE A,#8,NEX

MOV CNTA,#00H NEX:RETI

TAB: DB 0FEH,0FDH,0FBH,0F7H,0EFH,0DFH,0BFH,07FH GRAPH: DB 12H,14H,3CH,48H,3CH,14H,12H,00H

DB 00H,00H,38H,44H,44H,44H,38H,00H

DB 30H,48H,44H,22H,44H,48H,30H,00H

END（2）程序清单

(1)． “★”在16X16LED点阵上显示图如下图所示 2 3

7 8

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12H，14H，3CH，48H，3CH，14H，12H，00H(2)． “●”在16X16LED点阵上显示图如下图所示 1 2 35 7 8

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00H，00H，38H，44H，44H，44H，38H，00H(3)． 心形图在16X16LED点阵上显示图如下图所示 1 2 35 7 8

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30H，48H，44H，22H，44H，48H，30H，00H

四

总结：

经过这段时间的努力学习和实践，在各位老师和同学们的帮助下，在我的不断努力下，我的课程设计终于完成了。从设计中我学到许多知识，也理解到了不管做任何事情都要细心谨慎的道理。知识的积累是一点一滴的，在设计中我也感受颇深。在此我真的感到团结力量大，在设计过程中在兄弟组严格督促和帮助下

顺利的完成了此次任务，并且及时的帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难，在整个毕业设计过程中都给我鼓励和分析讲解，并主动为我提供各种相关技术资料，在指导老师的帮助和指导下我顺利完成了本次毕业设计，也让我在这次课程设计中受益匪浅，最后感谢评阅和阅读本设计论文的老师为此付出了辛勤劳动，我们会把这种认真做事和一丝不苟的精神继续发扬下去的！

五

参考文献：

[1]李建忠编著.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2002 [2]李群芳，肖看编著.单片机原理、接口及应用.北京：清华大学出版社，2005 [3]于海生编著.微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，2008 [4]戴梅萼，史嘉权编著.微型计算机技术及应用(第3版).北京：清华大学出版社，2008 [5]江晓安，董秀峰编著.数字电子技术(第二版).西安：西安电子科技大学出版社，2005