基于單片機的LED花樣照明時鐘設計

張立萍

（赤峰學院 物理與電子信息工程系，內蒙古 赤峰 024000）

★赤峰學院學人推介——張立萍

張立萍，女，1972年生人，碩士研究生學歷.赤峰學院物理與電子信息工程學院副教授.從事理論教學與實驗教學工作，主講課程：數字電子技術及實驗、模擬電子技術及實驗、數字信號處理及實驗、家電原理及實驗、電工學及實驗等.

近年來，發表學術論文二十余篇，其中SCI收錄2篇，發明實用新型專利2項.現主持內蒙古自治區高等學校科學研究項目《智能型LED植物生長燈關鍵技術研究》；參與內蒙古自治區自然科學基金項目《無線傳感器網絡中防惡意節點的相關技術研究》.2015年在中國原子能出版社出版專著《模擬與數字電子電路原理及應用研究》；2018年是校級創新教學團隊《智能硬件教學團隊》的主要成員.

1 引言

為滿足大眾的審美需求，本文設計了一款既實用又美觀的LED花樣流水燈時鐘.這一款帶有心形花樣流水燈的時鐘在設計上充分考慮到需求者的心理，在設計時集成了多種功能,設計成品不死板，可以滿足大眾在選擇工藝品時的需求.

2 總體設計方案

利用STC89C52RC單片機的P1.0～P1.2三個引腳控制74HC595實現LED花樣照明功能、用P2.0～P2.2三個引腳控制實時時鐘芯片DS1302實現電子時鐘的功能、用P0口、P2.3～P2.5十一個引腳控制點陣圖形液晶顯示模塊LCD12864實現在LCD12864 上顯示年、月、日、星期、時、分、秒、節日及附加功能.P1.3～P1.6四個引腳接四個按鍵K1～K4.其中K1控制LED花樣照明的閃爍模式，K2～K4調節時間、日期.總體方案的框圖如圖1所示.

圖1 總體方案框圖

3 關鍵模塊介紹

3.1 單片機最小系統

圖2 單片機最小系統

能讓單片機在上電后正常工作所需要的最少器件組合而成的系統稱之為單片機最小系統.單片機最小系統中最關鍵的部分是單片機、時鐘電路和復位電路.單片機最小系統如圖2所示.

（1）單片機：本文采用了宏晶公司生產的STC89C52RC單片機，因其價格低廉，功耗較低，可靠性高，無法解密等優點，已經在電子設計行業被廣泛采用.STC89C52RC的工作電壓為直流5V，其內部集成了 8位的 CPU、512B的 RAM、8KB的ROM、4個并行8線I/O端口、3類6個中斷源.單片機內部基本組成如圖3所示.

圖3 單片機的內部基本組成

（2）時鐘電路：單片機的第18和第19引腳間跨接一個晶體振蕩器（簡稱晶振）來形成自激振蕩器，從而產生脈沖并送入單片機內部時鐘電路.這樣就可以在單片機運行過程中產生唯一的單片機時序.

（3）復位電路：單片機在上電運行后單片機會處在一個不確定的初始狀態，這時就需要一個外部電路來讓單片機回到一個確定的初始狀態，并且從這個初始狀態開始工作.讓單片機從不確定的狀態回到初始狀態的過程稱為復位.

3.2 8位串入并出移位緩存器74HC595

由于單片機的輸出端口有限，想要驅動32個LED燈流水工作就會占用單片機全部的輸出端口，不切實際.因此就必須用外部電路進行端口擴展，以減少單片機端口的占用.用74HC595就可以只占用單片機的3個端口并實現8位輸出功能.本設計使用4個74HC595的級聯實現32位輸出.74HC595共有16個引腳，引腳連線圖如圖4所示，其中Q1～Q7為并行輸出端，Q7'為串行數據輸出端為復位端，SHcp為8位存儲寄存器的時鐘信號，STcp為8位移位寄存器的時鐘信號，CE為使能端，Ds為串行輸入端，Q0為并行輸出端.其功能表如表1所示.

圖4 74HC595引腳連線圖

表1 74HC595功能表

3.3 LCD12864液晶顯示

LCD12864是一塊圖形點陣液晶顯示模塊，有128個列點×64個行點.顯示時每個英文字母占16個行點8個列點，每個漢字占16個行點16個列點.LCD12864在本設計中用來顯示輸出.其中第一行顯示重要節日，第二行顯示年、月、日，第三行顯示時、分、秒、星期，第四行顯示一句名言.LCD12864共有20個引腳，引腳連線圖如圖5所示，其中V0為LCD驅動電壓輸入端，RS為并行的指令/數據選擇信號（低電平寫指令，高電平寫數據），R/W是并行的讀寫選擇信號（低電平是寫，高電平是讀），E為并行的使能信號，DB0～DB7為并行數據輸入端，PSB為并/串行接口（高電平是并行，低電平是串行），RST為復位端，VOUT為負壓輸出端.

圖5 LCD12864引腳連線圖

3.4 實時時鐘DS1302

DS1302是DALLAS公司生產的一款帶涓流充電的計時芯片.可以計算年、月、日、時、分、秒、星期，直到2100年，并有閏年調節功能.DS1302的VCC2和GND引腳接電源正極和負極，當外部電源停止工作后DS1302的8引腳VCC1的備用電源會繼續給DS1302供電，這就解決了掉電后數據會丟失的困擾，這也是DS1302的優點之一.DS1302使用的是簡單的3線串行接口，接口容易，并且與單片機連線通信時占用單片機的端口少，可節省單片機有限的輸入輸出端口.DS1302共有8個引腳，引腳連線圖如圖6所示，其中RST為使能信號，SCLK為串行時鐘信號.

圖6 DS1302引腳連線圖

3.5 鍵盤

按鍵是單獨的一個按鈕，按鈕的一端接電源或地，按下按鈕后實現按鈕兩端電位相同的功能.本設計采用的是一端接地的獨立式鍵盤，共4個按鍵分別接在P1.3～P1.6引腳，每個按鍵實現不同的功能.其中按鍵1實現每按一下按鍵LED照明變化一個模式的功能，按鍵2，3，4實現調節時間、日期的功能.

圖7 按鍵抖動波形

本設計所用的按鍵開關為機械彈性開關.機械彈性按鍵開關在按下或松開時會有抖動，如圖7所示，抖動持續的時間非常短，一般只有5～10ms的時間，雖然這個時間非常短，卻不可忽視.這就要求用有效的方法來消除這個電位忽高忽低的抖動過程.我們可以通過編程時延時一段時間的方法來消除抖動.具體做法就是在按鍵按下后不是立即檢測按鍵的電位，而是讓單片機延時5～10ms的時間后再去檢測按鍵的電位，如果5～10ms后按鍵的電位仍為0（按鍵另一端接地）則證明按鍵已經確實按下，反之則沒有按下.

4 程序設計及調試

4.1 LED花樣照明部分的設計

在單片機上電工作后，LED花樣流水燈一開始不工作，在按下K1鍵后LED花樣流水燈開始工作，此時LED花樣流水燈按模式一閃爍.如果不繼續按K1，LED花樣流水燈會一直按模式一閃爍.當再一次按下K1后，LED花樣流水燈按模式二閃爍.如果不繼續按K1，LED花樣流水燈會一直按模式二閃爍.再按下K1后會按模式三閃爍……一共有六種閃爍方式.其中第六種模式為全亮模式，在全亮模式后再按一次按鍵后進入全滅模式（即關閉模式）.進入關閉模式后再次按下K1又會按模式一閃爍，以此循環.

其中六種模式分別為：

模式一：LED燈從下往上依次點亮.

圖8 LED流水燈工作流程圖

圖9 按鍵調時工作流程圖

模式二：LED燈從上往下依次點亮.

模式三：LED燈從第一個開始依次點亮.

模式四：LED燈從最后一個開始依次熄滅.

模式五：LED燈從下往上依次交替點亮.

模式六：LED燈全亮.

4.2 按鍵調時部分的設計

K2～K4實現調節時間的功能.K2按下后實現調節時間、日期的功能，按第一下實現調小時功能，按第二下實現調分鐘功能，按第三下實現調秒功能，按第四下實現調年功能，按第五下實現調月功能，按第六下實現調日功能，按第七下實現調星期功能，按第八下時鐘恢復工作，再按一下又實現調小時功能……如此反復.K3實現調節時間/日期時的加1功能，即每按一次對應調節的時間/日期加1.K4實現調節時間/日期時的減1功能，即每按一次對應調節的時間/日期減1.

4.3 調試

電路焊接完成后，在調試的過程中遇到了以下兩個問題：

問題一：流水燈工作時，本不該亮的LED燈在其他LED燈亮滅變化的瞬間會有短暫的閃爍，而且是所有的不該亮的LED燈都閃爍.

問題二：當只有一個LED燈亮時，LCD12864的屏幕亮度正常；當LED燈亮的個數越來越多時LCD12864的亮度會越來越暗；當LED燈全亮時，LCD12864的亮度最暗；當LED燈都滅時或只有少數幾個LED亮時，LCD12864的亮度恢復正常.

導致LED燈瞬間閃爍的原因是有浪涌電流，在LED燈和限流電阻串聯后的兩端并聯一個電容起到濾波和增加抗干擾的功能.在并聯電容后完美解決了LED燈的瞬間閃爍問題.LED燈全亮時LCD12864屏幕變暗的原因是電流不夠，因為調試時用的是電腦上的USB口提供的電源，而電腦的USB口輸出電流有限導致LED燈全亮時，沒有足夠大的電流來驅動LCD12864.

5 總結

首先經過構思選定方案，把一個整體的設計進行模塊化拆分，各個模塊都設計好之后再進行整合得到最終的設計成果最終設計的原理圖見附圖1.