基于51單片機(jī)的花樣流水燈設(shè)計(jì)

段婷

摘要：本文以AT89C51單片機(jī)為核心，采用單片機(jī)技術(shù)和C語(yǔ)言編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一款8位LED流水燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的LED燈并排排列可以按照某種既定的規(guī)律進(jìn)行閃爍，對(duì)于其他同類燈光美化系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言具有一定的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī);流水燈;單片機(jī)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）12-0156-02

本文以AT89C51單片機(jī)芯片為核心，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)工作和軟件設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)控制8個(gè)發(fā)光LED二極管的閃爍，即使LED二極管按照某種位置放置，按照時(shí)間先后和間隔順序進(jìn)行發(fā)光與熄滅的實(shí)現(xiàn)，也稱流水燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為三部分，即系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的目的主要是為了能夠控制8個(gè)LED發(fā)光二極管的閃爍工作，對(duì)于一般的基于單片機(jī)技術(shù)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而言，需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)復(fù)位以及功能擴(kuò)展。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作量，因此本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框架搭建主要分為單片機(jī)最小工作系統(tǒng)模塊、燈光控制模塊、以及LED發(fā)光二極管電路模塊3部分，而單片機(jī)最小工作系統(tǒng)模塊中又分為時(shí)鐘電路模塊和復(fù)位電路模塊，以及單片機(jī)芯片。

2 AT89C51單片機(jī)

單片機(jī)全稱為單片微型計(jì)算機(jī)，又被稱為單片微控制器，經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)迭代和改進(jìn)，如今的單片機(jī)已將一個(gè)基本完整的、能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)基本功能的器件集成于一塊微型芯片當(dāng)中。開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)各種控制系統(tǒng)時(shí)，常常將單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，通過(guò)其接口來(lái)擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)其他功能，通過(guò)向單片機(jī)內(nèi)燒錄已經(jīng)制定好的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制。

AT89C51型單片機(jī)是51系列單片機(jī)眾多款型中最為的經(jīng)典的單片機(jī)之一。該單片機(jī)以其低廉的價(jià)格、可靠的性能、良好的擴(kuò)展和兼容性占據(jù)了廣大的單片機(jī)市場(chǎng)，獲得了許多電子工程師的應(yīng)用。

2.1 單片機(jī)最小工作系統(tǒng)

要想驅(qū)動(dòng)一塊單片芯片正常工作，需要為其提供合適的工作電壓，需要能夠提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)來(lái)控制單片機(jī)內(nèi)部各個(gè)指令的有序執(zhí)行和操作的時(shí)鐘電路，以及能夠控制系統(tǒng)復(fù)位操作的復(fù)位電路三部分。它們是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)正常工作的最小條件，在單片機(jī)芯片的接口上也具有專門(mén)的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)這些條件。

2.1.1 工作電壓

單片機(jī)在封裝過(guò)程中提供了正負(fù)極兩個(gè)獨(dú)立的引腳，以便外部供電電源的接入。AT89C51型單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)電壓為+5V，因此只需將電源+5V接口接入單片機(jī)正極，而單片機(jī)的負(fù)極則接地便可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的正常供電條件。

2.1.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)若想按照預(yù)期進(jìn)行有序、穩(wěn)定地運(yùn)行，執(zhí)行各種操作，離不開(kāi)時(shí)鐘電路所產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。時(shí)鐘脈沖是按照某種周期而產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。通常而言，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，單片機(jī)完成一條指令的操作。

單片機(jī)內(nèi)部通常具有專門(mén)用于振蕩器的高增益反向放大器，而單片機(jī)芯片的XTAL1與XTAL2接口即該放大器的I端和O端。本設(shè)計(jì)采用了內(nèi)部時(shí)鐘激勵(lì)方式來(lái)搭建時(shí)鐘電路，這樣使得電路更加簡(jiǎn)單、生成的時(shí)鐘信號(hào)也更加穩(wěn)定。在單片機(jī)的兩個(gè)關(guān)于時(shí)鐘信號(hào)放大器的輸入輸出引腳上分別接入石英晶體振蕩器的兩端，同時(shí)各自并接入電容值相同的電容器件，兩電容的另一端共同接地，從而組成了一個(gè)完整的并聯(lián)諧振電路。電路中的電容可以將振蕩器頻率更加穩(wěn)定，同時(shí)還可以縮短起振過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間。

2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

當(dāng)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作或遭遇故障時(shí)進(jìn)行重啟操作的情況下，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電路復(fù)位。電路復(fù)位的具體內(nèi)容是將單片機(jī)內(nèi)部的某些寄存器內(nèi)容恢復(fù)至系統(tǒng)燒錄程序的起點(diǎn)，即初始狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的重啟工作。但通常單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有集成完整的復(fù)位電路，需要開(kāi)發(fā)人員根據(jù)實(shí)際情況在外部搭建復(fù)位電路接入單片機(jī)預(yù)留的復(fù)位引腳RST上來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位功能。

如圖1所示，該復(fù)位電路結(jié)合了上電復(fù)位電路與按鍵復(fù)位電路兩種方式，上電復(fù)位電路由電阻R1、電容C3，以及供電電源接口VCC、單片機(jī)的復(fù)位接口RST和接地接口VSS共同組成，利用電容充放電原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RST端給予持續(xù)的高電平信號(hào)，使得單片機(jī)接收到復(fù)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。當(dāng)電路中的電流在接通瞬間時(shí)，RST端與供電電源端VCC電平信號(hào)相同，接著電容充電電流持續(xù)降低，導(dǎo)致電位下降，直至低于RST端的施密特觸發(fā)器可接收高電平信號(hào)的下限值。在圖中的復(fù)位電路中，電容兩端還并接了一個(gè)串聯(lián)電阻的按鍵開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的按鍵操作便可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位功能。通常情況下，當(dāng)RST引腳接收到持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平信號(hào)后，單片機(jī)便自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位操作，重置單片機(jī)內(nèi)部各寄存器與堆指針，而RAM不受影響。此外，RST端接收的高電平信號(hào)可持續(xù)時(shí)間主要受電阻R1與電容C3共同影響。

2.3 單片機(jī)P1接口控制的8位發(fā)光二極管電路設(shè)計(jì)

為了能夠完全控制8只LED發(fā)光二極管的工作，本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立連接方式來(lái)設(shè)計(jì)控制LED發(fā)光二極管，即單片機(jī)每個(gè)獨(dú)立的物理接口通過(guò)串聯(lián)電阻分別對(duì)應(yīng)連接到一個(gè)LED發(fā)光二極管的，而二極管另一端則共同接地。在本設(shè)計(jì)中，使用了單片機(jī)的P1.1～P1.7端接口，具體電路圖如圖1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 LED發(fā)光二極管的工作特點(diǎn)分析

根據(jù)二極管工作特性，要想驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光二極管發(fā)出燈光，就需要有電流流過(guò)該LED發(fā)光二極管電路，當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，發(fā)光二極管熄滅。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)芯片通過(guò)其P1端接口控制著8位二極管的電流流向狀態(tài)，從而使得LED發(fā)光二極管進(jìn)行閃爍。在數(shù)字電路中，電流的高低電平分別用“1”和“0”來(lái)表示，在單片機(jī)中，也是通過(guò)“0”、“1”信號(hào)來(lái)控制其接口的高低電平狀態(tài)。當(dāng)連接著LED發(fā)光二極管的某接口電平狀態(tài)為高電平時(shí)，LED進(jìn)行閃爍，當(dāng)為低電平時(shí)則熄滅。

當(dāng)8個(gè)LED二極管全部熄滅時(shí)，P1端口的狀態(tài)為P1= 11111111B，用16進(jìn)制表示則為P1=0XFF，若想改變某一LED燈的狀態(tài)，則將對(duì)應(yīng)位數(shù)字進(jìn)行改變即可。

3.2 軟件設(shè)計(jì)思路

在本設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)流水燈控制，即將排列好的LED發(fā)光二極管按照先后順序依次閃爍一段時(shí)間，當(dāng)最后一個(gè)LED閃爍完畢后，接著第一個(gè)LED開(kāi)始閃爍，進(jìn)行循環(huán)閃爍。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)使用單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)8個(gè)LED發(fā)光二極管的閃爍控制。按照?qǐng)D2電路原理圖搭建起系統(tǒng)的硬件電路，再將2.3節(jié)中的程序代碼段燒錄到單片機(jī)芯片中后，通電啟動(dòng)系統(tǒng)，便實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的效果和目的，使得系統(tǒng)中的8個(gè)LED發(fā)光二極管其能夠按照排列的先后順序進(jìn)行順序閃爍。當(dāng)然，我們也可以通過(guò)改寫(xiě)控制程序代碼來(lái)改變系統(tǒng)中的LED發(fā)光效果。

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Design of Flow Lamp Based on 51 Single Chip Microcomputer

DUAN Ting

（Datong No. 1 Middle School， Datong Shanxi? 037000）

Abstract：This paper takes AT89C51 single chip computer as the core， adopts single chip computer technology and C language programming technology to realize an 8-bit LED pipeline lamp system. The LED lights in the system can flicker in accordance with certain rules， which has certain reference value for other similar lighting beautification system design.

Key words：51 MCU; pipeline lamp; MCU design