基于單片機(jī)的創(chuàng)意彩燈控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉 勇

（1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院；2.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，江蘇蘇州215104）

隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。LED彩燈由于其豐富的燈光色彩、低廉的造價以及控制簡單等特點，而得到了廣泛的應(yīng)用，用彩燈來裝飾街道和城市建筑物，已經(jīng)成為一種時尚。但目前市場上各式樣的LED彩燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能單一，這樣一旦制作成品，只能按照固定的模式閃亮，不能根據(jù)不同場合、不同時間段的需要，來調(diào)節(jié)亮燈時間、模式、閃爍頻率等動態(tài)參數(shù)。這種彩燈控制器結(jié)構(gòu)往往有芯片過多、電路復(fù)雜、功率損耗大等缺點。此外，從功能效果上看，亮燈模式少而且樣式單調(diào)，缺乏用戶可操作性，影響亮燈效果。

采用單片機(jī)設(shè)計的彩燈，就可以克服上述缺點。本文所設(shè)計的彩燈，與傳統(tǒng)的彩燈相比較，具有硬件電路簡單、閃爍模式多且可以控制、形式新穎等特點。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示，系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，本系統(tǒng)包括以下方面：電源電路模塊，顯示模塊，彩燈控制模塊。電源模塊為單片機(jī)提供5V的直流電壓，單片機(jī)主要完成各種彩燈顯示模式的控制，鍵盤采用獨立式按鍵，選擇彩燈的顯示模式。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源電路

電源電路為串聯(lián)穩(wěn)壓電源，如圖2所示。其由變壓器T1、橋式整流電路D1、濾波電容C1、C2和電容C3以及三端集成穩(wěn)壓器CW7805組成一個輸出電壓為5V的電源電路。電源變壓器采用220V/9V的交流變壓器，給變壓器T1輸入一個220V交流電壓，經(jīng)過降壓送到次級電壓為9V，然后再經(jīng)過橋式整流和濾波后，再在CW7805的作用下輸出固定的5V電壓，作為電源電壓使用。

圖2 電源電路

2.2 彩燈控制電路

彩燈控制電路如圖3所示，一共使用32個發(fā)光二極管，分為紅、綠、藍(lán)3種顏色，相同顏色的發(fā)光二極管相串聯(lián)，采用單片機(jī)的P1口和P2口控制，其中P1.0控制的是兩個紅色的發(fā)光二極管，P1.1控制的是兩個紅色的發(fā)光二極管，P1.2控制的是兩個綠色的發(fā)光二極管，P1.3控制的是兩個藍(lán)色的發(fā)光二極管，P1.4到P2.7按P1.1到P1.3的規(guī)律，分別控制紅、綠、藍(lán)3種顏色的發(fā)光二極管。

圖3 彩燈控制電路

發(fā)光二極管在安裝時，將32個發(fā)光二極管排列成心形，心形的上下的中心采用P1.0控制的兩個紅色發(fā)光二極管，P1.1控制的兩個紅色發(fā)光二極管排在上面的中心的兩側(cè)，其余相串聯(lián)的兩個發(fā)光二極管在安裝時依次左右各安排一個，因此心形的兩側(cè)是相對稱的，這樣接通電源后，根據(jù)設(shè)計的程序，會有不同的顯示效果，并且心形的左右顯示效果是一致的。

2.3 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管內(nèi)部由7個條形發(fā)光二極管和1個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。常見數(shù)碼管有10根管腳。其中COM為公共端，根據(jù)內(nèi)部發(fā)光二極管的接線形式，可分為共陰極和共陽極兩種。使用時，共陰極數(shù)碼管公共端接地，共陽極數(shù)碼管公共端接電源。每段發(fā)光二極管需5～10 mA的驅(qū)動電流，才能正常發(fā)光，一般需加限流電阻控制電流的大小。

LED數(shù)碼管的a～g共7個發(fā)光二極管。加正電壓的發(fā)光，加零電壓的不能發(fā)光，不同亮暗的組合，就能形成不同的字型，這種組合稱為字型碼。共陽極和共陰極的字型碼，是不同的。

數(shù)碼管顯示有很多方法。按顯示方式分有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示，就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出去后，數(shù)碼管始終顯示該數(shù)據(jù)（不變），CPU不再控制LED。到下一次顯示時，再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點，是顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無閃爍，占用CPU時間少。其缺點，是由于數(shù)碼管始終發(fā)光，功耗比較大。

系統(tǒng)中采用共陰極結(jié)構(gòu)的4個單個數(shù)碼管，由于彩燈正常工作時，數(shù)碼管始終顯示“LOVE”這4個字母，所以數(shù)碼管只需采用靜態(tài)顯示，并且這里所使用的數(shù)碼管與其他一些場合使用的數(shù)碼管的工作情況不同。一般情況數(shù)碼管都是用單片機(jī)控制其顯示，而這里的數(shù)碼管只需根據(jù)數(shù)碼管的顯示原理，在其相應(yīng)的管腳接上高電平和低電平，4個數(shù)碼管的公共端都必須接地，這樣數(shù)碼管就能按照設(shè)計的要求顯示出“LOVE”這4個字母。第一個顯示“L”的數(shù)碼管的d、e、f這3個管腳接高電平，其余接低電平；第二個顯示“O”的數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f這 6 個管腳接高電平，其余接低電平；第三個顯示“V”的數(shù)碼管的 b、c、d、e、f這 5 個管腳接高電平，其余接低電平；第四個顯示“E”的數(shù)碼管的 a、d、e、f、g 這 5 個管腳接高電平，其余接低電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分的設(shè)計，使心形彩燈在4個按鍵的控制下，可以顯示5種不同的燈光效果。

第一種顯示效果，是接通電源后，使所有的燈全部閃爍：全亮—全滅—全亮循環(huán)閃爍，間隔時間為1 s；

第二種顯示效果是按鍵SB1按下：從上向下依次點亮，始終左右各一個燈亮，燈亮?xí)r間為1 s；

第三種顯示效果是按鍵SB2按下：不同顏色燈輪流顯示，依次是紅—綠—藍(lán)—紅—綠—藍(lán)……循環(huán)點亮，燈亮?xí)r間為1s；

第四種顯示效果是按鍵SB3按下：從下往上依次點亮，點亮后不再熄滅，每點亮一個燈到點亮下一個燈的時間間隔為1s；

第五種顯示效果為按鍵SB4按下：燈全亮后再從下往上依次熄滅，時間間隔為1s。

軟件部分采用模塊化設(shè)計，包括一個主程序和兩個子程序，其中一個子程序是顯示子程序，一個子程序是延時子程序，因此程序結(jié)構(gòu)緊湊，便于閱讀和調(diào)試。

3.1 主程序設(shè)計

主程序主要完成系統(tǒng)的初始化和對按鍵的檢測。初始化工作主要使 SP至 60H，P1至 00H，P2至 00H，P0至 0FH，R1至2，使32個發(fā)光二極管全部不亮，按鍵處于斷開狀態(tài)。然后對4個控制按鍵進(jìn)行檢測，檢測到某個按鍵按下時，就執(zhí)行相應(yīng)的功能程序，如果沒有鍵按下，則按第一種顯示效果顯示，使所有的燈全亮，延時1 s，然后全滅，延時1 s，然后再重復(fù)檢測按鍵，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 顯示子程序

顯示子程序主要實現(xiàn)4個按鍵對應(yīng)的4種燈光效果的顯示，32個彩燈分為16組，分別由P1口和P2口控制，奇數(shù)次查表的內(nèi)容送P1口，偶數(shù)次查表的內(nèi)容送P2口，4個按鍵依次對應(yīng)第二種到第五種的顯示效果，顯示程序采用查表程序，一共需要4個表格與之對應(yīng)，每一個表格和一個按鍵控制的一種顯示效果相對應(yīng)，當(dāng)檢測到一個按鍵按下時，在執(zhí)行顯示程序時就查相對應(yīng)的表格，使得彩燈顯示相應(yīng)的效果，直到查到表格的結(jié)束標(biāo)志結(jié)束。因此，4個表格的內(nèi)容，是根據(jù)所需的顯示效果設(shè)計的，如果要改變顯示效果，只需改變表格的內(nèi)容，其流程圖如圖5所示。

圖5 顯示子程序流程圖

3.3 延時子程序

延時子程序?qū)崿F(xiàn)的是1 s延時，延時時間控制的是燈亮的時間。1 s的延時子程序可以用三重循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計，也可以采用定時器設(shè)計，采用定時器設(shè)計的延時子程序精度高，本程序可以采用定時器0方式1設(shè)計，晶振頻率使用12 MHz，選擇定時時間為50 ms，因此要達(dá)到1 s的延時時間，定時次數(shù)應(yīng)選擇20次，定時器工作在查詢方式。

4 結(jié)束語

與市面上大多數(shù)的LED彩燈相比，該種彩燈具有形式新穎，顯示模式多，性價比高，與普通的全硬件LED彩燈相比，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用主控模塊輸出的控制信號去控制彩燈工作，使得產(chǎn)品性能穩(wěn)定，便于安裝，容易操作。由于控制程序存儲在單片機(jī)中，如果用戶需要更改系統(tǒng)的亮燈模式，無須改變系統(tǒng)硬件電路，只需修改其中程序即可，是一種很有發(fā)展前途的彩燈控制器。

[1]江 力.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006．

[2]劉訓(xùn)非．單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2010．