LED彩燈硬件控制系統設計與實現

摘 要： 國內的一些主要城市大多使用傳統的單一循環式的彩燈控制器，但因為其功能單一，浪費現象嚴重，既不方便又不實用，有被淘汰的趨勢。取而代之的是新一代的單片機功能實現的控制器，其選擇功能更多，人們已經開始研究基于單片機、芯片處理技術方面的平面循環彩燈控制器，并且已有一些線路投入運行。本設計采用STC89C52單片機作為控制核心，主要包括控制模塊、LED模塊、鍵盤模塊組成。LED采用內嵌紅、綠、藍三色燈，通過單片機進行組合三色光得到七種不同顏色的光。設置四個按鍵，用戶可通過按鍵顏色選擇、閃爍頻率選擇、復位等操作。LED采用心形排列，開機后初始化為穩定的紅色，用戶可通過按鍵進行不同顏色和不同閃爍頻率。

關鍵詞： STC89C52單片機 LED 鍵盤

LED彩燈與傳統的LED相比，色彩更豐富，能夠傳達出更多的信息。國內的一些城市采用傳統的單一循環式的彩燈控制器，但因為其功能單一，浪費高，又不方便實用而漸趨淘汰，取而代之的是新一代的單片機功能實現的控制器，它更適合于在中小城市普遍推廣使用。

單片機，即將計算機的CPU，RAM，ROM，定時/計數器和多種輸入輸出接口集成在一塊芯片上，形成了芯片級的計算機。它擁有優異的性價比、集成度高、體積小、可靠性高、控制功能強、低電壓、低功耗的顯著優點。主要應用于智能儀器儀表、工業檢測控制、機電一體化和消費電子類產品等方面，并且取得了顯著的成果。本設計將使用單片機對LED控制實例化，設計一個32顆LED組成心行形狀，核心控制器給出相應的控制數據對32只高亮LED進行控制。顏色顯示采用的是內嵌三種顏色的LED進行不同的組合得到不同的顏色，如綠色和紅色組合可以得到藍色等。

1.系統總體設計

本設計是基于STC89C52單片機的LED彩燈控制設計。硬件電路設計包括基于STC89C52單片機的最小核心控制系統電路、LED彩燈模塊、鍵盤電路和電源電路。軟件設計主要包括LED彩燈的控制、鍵盤對LED顏色和頻率的控制。最終將兩者合并調試，完成最終的設計。系統將外接的5V直流系統供電，通過單片機軟件編程對LED和鍵盤實施控制以完成各種色彩變化。

2.單片機最小系統

單片機能夠正常工作的最基本的電路由單片機、時鐘電路、復位電路等組成。復位電路：確定單片機工作的起始狀態，完成單片機的啟動過程。單片機系統的復位方式有上電自動復位和手動按鍵復位。本設計采用上電自動復位。時鐘電路由一個晶振和兩個小電容組成，用來產生時鐘頻率。STC89C52單片機芯片內部有一個反向放大器構成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩器電路的輸入端和輸出端，時鐘可由內部和外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內部振蕩電路就會產生自激振蕩。系統采用的定時元件為石英晶體和電容組成的并聯諧振回路。晶振頻率選擇11.0592MHz，電容值取30PF，電容的大小頻率起微調的作用。STC89C52單片機的最小系統如圖1所示。

圖1 單片機最小系統

3.電源模塊電路

本次設計的系統中的電源模塊使用LM7805芯片作為穩壓核心，為系統提供穩定的+5V直流電源，保證系統正常順利地運行。電源模塊電路原理圖如圖2所示：

圖2 電源模塊電路原理圖

4.LED顯示電路

流水燈采用的是發光二極管（Light-Emitting Diode），簡稱LED，是一種將電能轉換為光能的半導體器件，具有體積小、耗電低的優點，常被用作微型計算機與數字電路的輸出裝置。當LED兩端加上一定的正向電壓，使之流過一定的工作電流就會發光，其亮度隨流過的電流的增加而增加，但電流過大LED的壽命也將縮短。普通LED正向電流一般為5～20mA。由于51的I/O是弱上拉的方式，在輸出高電平時，只能輸出幾十微安的電流，而在輸出低電平時，I/O最大可以輸入幾十毫安的電流。所以，通常采用灌電流的方式，即電流從電源經LED流向I/O口。為了不因流過LED的電流太大而把它燒壞，必須串上限流電阻R，當P0和P2口輸出高電平（+5V）時，LED兩端沒有電壓降，所以熄滅；當P0和P2口輸出低電平（即P0/P2=0）時，LED正向導通發光。此時LED兩端電壓約為1.7V，則限流電阻R兩端將存在3.3V（即5-1.7=3.3V）。因STC89C52單個I/O口的輸入電流不能超過10mA；P0口的輸入電流總和不能超過26mA；P1、P2、P3的輸入電流總和不能超過15mA；所有I/O口的輸入電流總和不能超過71mA。由色度學原理可知，如果將紅、綠、藍三原色按照一定比例混合，則在適當的三原色亮度比的組合下，理論上就可以獲得無數種顏色，這時就可以用3種發光波長的LED通過點亮和電流控制實現色彩的調控，即調色。下表是這一電路的邏輯真值表。

B（藍色） G（綠色） R（紅色） 色 彩 顯 示

1 1 1 復位 0 1 1 藍色

1 1 0 紅色 0 1 0 紫色

1 0 1 綠色 0 0 1 青色

1 0 0 黃色 0 0 0 白色

LED電路如圖3所示。

圖3 LED模塊電路原理圖

5.鍵盤電路

圖4 鍵盤模塊電路原理圖

本設計采用四個按鍵控制不同的顯示效果，開機后呈現不同色，按鍵A用于切換LED的不同顏色，按鍵B控制LED的頻率，由穩定到100ms閃爍到500ms閃爍到1s閃爍。按鍵C控制不同區域的LED發光；按鍵D，使其LED每一秒成不同顏色切換點亮。電路如圖4所示。

6.結語

本設計制作的基于51單片機控制的LED彩燈系統在多次測試修改之后，最終實現了對32只高亮LED彩燈控制的功能，并且系統功能穩定。此外設計中留有很大的擴展空間，如：控制多樣化，顏色顯示更豐富，LED燈亮度的調節等，推向市場后便于升級開發。因此基于51單片機控制的LED彩燈系統，具有較高的實用價值和廣闊的市場前景。

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