基于MSP430和Proteus的多模式花樣流水燈設計

呂倩 葛文瀟 李金虎

摘 要：單片機是采用超大規模集成電路技術的微型計算機系統，現已廣泛應用于各種領域。本文利用MSP430單片機、IAR和Proteus軟件對多模式的花樣流水燈進行設計。通過Proteus軟件的仿真，系統的穩定性和正確性得到驗證，且具有較強的應用價值。

關鍵詞：MSP430;Proteus;單片機;花樣流水燈

單片機作為計算機發展的一個重要分支領域，憑借其強大的控制功能和靈活的編程實現特性，得到了廣泛的應用。本文設計的電路除了能實現基本功能：花樣燈左右循環流水點亮和交替點亮，還能實現兩個附加功能：實現變量控制花樣流水燈頻率可變，實現跑馬燈的多模式控制。

1 相關原理介紹

1.1 基本功能原理

從編程角度來考慮，本文用到的兩個基本功能：循環移位，延遲環節。首先，將循環移位和延時環節制作成兩個封裝好的庫函數，以方便后面調用。其次，在主程序中進行使用端口的屬性設置，端口設置寄存器功能及指令說明如下表所示。

設置好端口類型后，在主循環中使 8個LED燈呈現正反向循環流水點亮，并調用延時函數控制閃爍頻率。當按下開關，使外部中斷請求引腳呈低電平，然后在中斷處理程序中將P端口輸出賦值 0xaa或0x55，再通過環移指令和延時環節，使LED燈交替點亮，松開開關后，跳出外部中斷處理，進程恢復至主程序段繼續執行。

1.2 實現變量控制頻率可變的跑馬燈

這部分系統設計的想法建立在延時函數的調用次數參數從定值設為變量n，通過外部控制按鍵的中斷，觸發對n的函數運算，從而改變流水燈閃爍周期，影響閃爍頻率，關鍵在于對實際基頻和1s周期的計算與控制。

由于實際誤差的存在，可以使用實測法，按照理論調用參數為1000的Delayms函數，理論上是1s，將該函數調用60次，測量程序執行時間與一分鐘的誤差，并根據誤差進行調整，直到誤差可接受為止。

1.3 實現跑馬燈的多模式控制

由于使用外部按鍵控制的方式調節跑馬燈模式的方法太過浪費資源，所以本文采用基礎功能中使用的一個按鍵，將按鍵按下的次序作為變量“FLAG”存儲起來，每次按下操作都會使FLAG值改變，進而通過FLAG值的不同控制不同的流水燈操作方式，這樣可以減少對于外部串口資源的占用。

系統的設計中擴展的流水燈模式為“流水燈從上向下依次點亮，再反向依次熄滅;再由下向上依次點亮，再反向依次熄滅”。

2 總體設計方案與實現

2.1 軟件設計總方案

從系統設計的整個過程來看，包括：“功能需求分析，功能模塊化，器件選擇，電路設計，程序設計，仿真調試”。其中，仿真調試需要多次進行，以確保系統的穩定性和正確性。

以MSP430為核心芯片，用P1和P2口分別作為中斷端口與I/O口。首先僅對基礎功能進行討論，將功能分為兩個子模塊：模塊一由P2口主要完成，用于點亮正常的依次循環的流水燈;模塊二需要加上P1口，用于控制中斷信號，轉向第二種流水燈模式。同時也負責檢測按鍵的松開，并返回模塊一的功能。

2.2 花樣流水燈電路設計

對于MSP4430的電路設計，實際電路中需要用到對晶振電路，Vcc以及GND的設置。但由于Proteus中MSP430默認內部時鐘以及供電和地段是設置好的，所以在仿真界面不予顯示。

如下圖1所示，P1口僅P1.3屬于基本功能控制按鈕，用于為中斷提供觸發信號。

P2口并行輸出到八個LED上，控制流水燈閃爍。“R”均為保護電阻，在此將其設置為一般值：330歐姆。此處提供+5V直流電源。LED選用前向電壓為2.2V，工作電流在10Ma左右的普通黃色燈，擊穿電壓為4V，可以算出，供電5V，使用串聯330歐姆電阻的方案是可取的。

整體上P1引線外端共地，P2引線外端供電。MSP430內部時鐘共有3個輸出模式：ACLK（一般用于低速模塊）、MCLK（主要用于CPU和系統）、SMCLK（主要用于高速模塊）。本文將MSP430選擇頻率方式定為MCLK，設為8MHz。

2.3 花樣流水燈程序設計

首先，在主程序前進行必要的聲明和約定。

其次，在主程序階段對P1和P2口進行設置。

接著，端口設置好后編寫延時子程序以及中斷函數。延時程序主要利用i++或i--語句反復調用一個機器周期的語句進行計時。中斷函數則依靠（P1IN & 0x08）==0x08的語句檢測P1.3是否按下，并轉入while循環中執行流水燈交替點亮命令即可。

最后，子程序編寫好后進入主程序編寫。利用環移指令（P2OUT=～（1<

本文用示波器顯示LED電量的P2口輸出，顯示情況為LED的交替電量，可以發現，交替時間為1s，但低電平存在不平坦現象。

2.4 查詢方式程序設計

任何查詢方式程序都滿足如圖3的流程圖，包含狀態標記，狀態規則，目標操作三個主要部分。目標操作與使用中斷的內容一致，就是安排流水燈以一定的規律閃爍。檢查狀態標志設為“（P1IN & 0x08）==0x00”，而狀態規則是：當該條件不滿足的時候，對應中斷觸發的情況;當該條件滿足時，對應原本主程序點亮狀態。

2.5 頻率控制功能設計

首先，前面的測量提供了真實的工作頻率。根據理論計算和實際測量，本文將delayms函數中的i++最大值設為167。此時調用一次delayms函數的時間正好為1ms，在程序中定義整數型變量n，表示delayms的輸入參數，即調用次數。顯然，n=1000時，表示運行的LED閃爍間隔時間為1s，考慮到人體眼球對頻率變化的敏感程度，將n=1000設為頻率初始值。

為了盡量使用較少的鍵位控制較多的頻率變化取值，本文外設了P1.4～P1.7為四種頻率變化模式：“加速”，“減速”，“速度加倍”，“速度減半”。其中加減速度是通過n加減100得到，由于0.1s的頻率變化接近人體能夠直觀察覺的頻率變化臨界值，所以n的變化量取100為間隔是合理的;但僅通過100的變化量對頻率進行控制可能會導致變化較慢，或者說操作不便捷，為了彌補大步長改變頻率的空缺，本文中通過對n進行乘以和除以2的運算進行大幅的概率調整。

此外，為了防止頻率調整后不方便返回默認的1s周期，本文中另加了頻率復位按鍵，通過“n=1000”將頻率之間復位。

3 調試過程及問題解決

3.1 問題一：如何在按鍵松開后跳出中斷，并返回主程序

對按鍵按下的操作，系統設計時擬用中斷方式觸發，所以對于按鍵松開后的操作，有兩種方式：（1）查詢按鍵松開;（2）下降沿觸發中斷。一開始嘗試使用中斷嵌套，進行下降沿中斷觸發，但由于優先級設置不當以及單一按鍵的資源占用沖突，導致失敗。于是改用查詢方式，當檢測到低電平時，說明按鍵已經松開，且具有抗抖動的能力，結束當前循環，返回主程序。

3.2 問題二：按鍵松開后引腳高阻態

在按鍵與引腳之間的連線上再連接一個電阻（一般設為通常值330R），延伸至地端。這樣保證在按鍵提供的高電平結束后，由地端提供低電平，以供引腳狀態監測使用。

4 總結

本文設計的花樣流水燈不僅能實現基本的循環點亮、交替點亮功能，還能另外實現“加速”“減速”“速度加倍”“速度減半”四種模式。本文中的多模式的花樣流水燈控制系統具有良好的正確性和穩定性，可應用于生活的中的多種領域，很容易根據實際需求生成不同的智能化產品。因此，該系統具有較強的應用價值。

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