燈具專業單片機LED驅動的軟件教學

崔洋

燈具設計專業方向的學生學習單片機LED驅動教學，面對的比較大的一個困難是電子類專業理論基礎薄弱，對基本概念的理解和對認知程度較為困難。在這樣的前提條件下，教學方法的設計就應該基于燈具專業學生的知識水平來制定。綜上所述，本門課程運用了結果反推、先看效果再探原理以及游戲闖關的思想設計教學的具體內容。

首先，長時間的LED理論灌輸容易讓學生產生畏懼、厭煩心理，同時不利于學生的理解和消化。在燈具專業人才培養方案中，燈具專業學生在學習單片機LED驅動之前，已經學習電工基礎、電光學應用等基礎電類專業知識。所以在教學設計中，第一步是讓學生將學過的電工基礎、電光學應用等電路基本知識運用PROTEUS軟件來實現，將理論付諸實踐，加深LED驅動理論的理解與應用;第二步是利用PROTEUS軟件復制實現已有的單片機驅動LED經典實例，可以激發學生了解單片機系統的工作原理的求知欲。這樣通過軟件虛擬仿真實驗，學生對單片機外圍電路設計有了一定的認識，學生很自然地思考單片機系統是如何驅動LED燈具電路工作這個問題。在這個基礎上，再進行單片機LED驅動的工作原理講解，效果會事半功倍。第三步是學生在掌握基礎的單片機LED驅動知識后，按照游戲闖關思路，由易到難，加入一些綜合實驗，將前面課程實訓時單獨的模塊組合起來，形成一個完整的單片機LED驅動系統。這樣，學生基本可以掌握單片機LED驅動系統設計的核心知識點。

基于這樣的教學設計，本文分享幾個應用實例，用以說明運用PROTEUS來完成單片機LED驅動系統設計教學的便利、優越。

一、PROTEUS軟件在單片機教學中的應用

（一）PROTEUS軟件經典單片機外圍輔助電路設計：加減法運算電路

加減運算電路設計的原理是：運用運算放大電路的特性，既輸出電壓與同相輸入端信號的電壓極性相同，與反相輸入端信號電壓極性相反。在本實例中，U11、U12是同相輸入端，U13、U14是反相輸入端，Uo是輸出端，R5是負反饋（即減小了放大電路凈輸入量的反饋）。電路如圖1所示。

分析：

1.將反相輸入端U13、U14接地，電路即是同相求和運算電路，同相輸入端U11、U12和電阻R1、R2、R3、R4、R5之間關系如下：

Uo1=R5*RP/RN*（U11/R1+U12/R2）

RP=R1//R2

RN=R3//R4//R5

由于RP=RN則：

Uo1=R5（U11/R1+U12/R2）

2.將同相輸入端U11、U12接地，電路即是反相求和運算電路，反相輸入端U13、U14和電阻R1、R2、R3、R4、R5之間關系如下：

Uo2=R5*RP/RN*（U13/R3+U14/R4）

RP=R1//R2

RN=R3//R4//R5

由于RP=RN則：

Uo1=-R5（U13/R3+U14/R5）

3.兩者綜合，則：

Uo=Uo1+Uo2=R5（U11/R1+U12/R2-U13/R3-U14/R4）

4.若輸入電壓U11：3V，輸入電壓U12：5V，輸入電壓U13：2V，輸入電壓U14：1V，求輸出電壓U0

5.仿真結果，如圖2所示：

U0=4.31467V

（二）PROTEUS軟件在單片機LED驅動電路教學中的綜合應用

在PROTEUS軟件中，有功能強大的元器件模型和可視化界面，可以實時觀察電路端點邏輯的高與低，這樣就使得電路設計更加直觀明了、清晰易懂且規范。因此PROTEUS軟件在單片機系統LED驅動原理分析中有著很好的輔助作用。

綜合實驗：矩陣LED大屏幕廣告的實現。

這個實例中，LED顯示系統包括：單片機AT89C51主控單元，行控制74HC154芯片，列數據傳輸74HC595芯片，該芯片有個優點是具有數據存儲寄存器，在移位過程中，輸出端的數據可以保持不變，即保證了數碼管在切換時沒有閃爍感。8*8點陣每列共用一根列線，每行共用一根行線，當行接高電平，列接低電平時，對應的發光二極管被點亮，由于通常情況下一塊8*8的LED顯示屏無法顯示一個完整的漢字，所以本實例選用了8個8*8點陣顯示模塊組成16*32的顯示屏，滿足顯示兩個漢字的需要。顯示采用的是掃描方式，原理是利用人的視覺暫留效應，只要刷新速率不大于24幀/秒，人眼是感覺不到閃爍的。基本原理框圖如圖3所示。

（1）行線譯碼選擇電路

P1口控制74HC154的數據輸入，P3.0控制74HC154的使能，74HC154是四六譯碼器，譯碼輸出的邏輯電平，作為開關信號使用，用來驅動LED顯示屏的行，數據結果通過LED顯示屏顯示出來。

（2）AT89C52單片機I/O口、按鍵的電路設計

P1口作為連接74HC154譯碼數據端。P0口連接74HC595芯片的使能端、清零端、時鐘端、數據端，用于控制47HC595的工作。P2連接按鍵控制點陣屏的左右移動、開關/顯示、速度加減功能。P3口連接74HC154的使能。XTAL1、XTAL2分別接外部晶振XTAL1、XTAL2端，提供片機時鐘信號。RST連接外部電容C與電阻R組成復位系統，在仿真出現故障或者單片機系統死機時，用來將單片機進行復位。

（3）單片機的復位電路

AT89C52單片機有很多復位電路可選擇，本實例采用的復位電路，如圖4所示。當按鍵按下上電時，電容C相當于斷路，復位端端接地，單片機復位。

二、總結及展望

在本文簡短的幾個實驗分享中，包括了經典的實驗例程（如：集成運算放大電路構成的加減運算電路），并運用游戲闖關思想，將單獨的經典實例，發揮學生的主觀能動性、創新精神，設計了一個中規模的單片機LED驅動系統綜合實驗（LED大屏幕廣告），其中內容相對復雜，電路功能模塊也較多。這樣復雜的過程，因為PROTEUS軟件的使用，使電類專業知識相對薄弱的燈具專業學生，可以較為容易地將枯燥的理論用于實踐之中，使燈具專業學生在學習單片機LED驅動課程時，能更好地理解，更好地學以致用，為LED驅動制作課程打好基礎。這種利用PROTEUS軟件從易到難，游戲闖關的學習方式，提高了單片機LED驅動課程的實用性和趣味性，增強了學生的實踐能力。

責任編輯 朱守鋰