基于单片机的LED彩灯控制器

　　1  引言

　　随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。 LED 彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的 LED 彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。

　　本文提出了一种基于AT89S51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。

　　2  设计原理

　　2.1 MCS51

　　引脚说明

　　MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。图1为引脚排列图， 40条引脚说明如下：

　　（1）主电源引脚Vss和Vcc

　　① Vss接地

　　② Vcc正常操作时为+5伏电源

　　（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

　　① XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。

　　② XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。

图1 8051引脚排列图

　　（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/PROG，EA和/Vpp

　　① RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位

　　在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。

　　② ALE/PROG正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。   对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉P冲（PROG功能）

　　③PSEN外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。同样可以驱动八LSTTL输入。

　　④ EA/Vpp 、EA/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。

　　对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。

　　（4）输入/输出引脚P0.0 - P0.7，P1.0 - P1.7，P2.0 - P2.7，P3.0 - P3.7。

　　① P0口（P0.0 - P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。

　　② P1口（P1.0 - P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载……

　　③ P2口（P2.0 - P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。

　　④ P3口（P3.0 - P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。

　　2.2 LED显示数码管

　　LED有共阴极和共阳极两种。如图所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电。

LED数码管结构原理图

　　AT89C2051芯片的20个引脚功能为：

　　VCC  电源电压。

　　GND  接地。

　　RST   复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。

　　XTAL1  反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

　　XTAL2  来自反向振荡放大器的输出。

　　P1口  8位双向I/O口。引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。

　　P3口  引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口。

 

　　2.3 中断指令

　　在CPU和外设交换信息时，存在着快速CPU和慢速外设间的矛盾，机器内部有时也可能出现突发事件，为此，计算机中通常采用中断技术。

　　CPU和外设并行工作，当外设数据准备好（ 或有某种突发事件发生）时向CPU提出请求，CPU暂停正在执行的程序转而为该外设服务（或处 理紧急事件），处理完毕再回到原断点继续执行原程序。

　　中断优先级：当有多个中断源同时 向CPU申请中断时，CPU优先响应需紧急处理的中断请求，处理完毕再响应优先级别较低的 ，这种预先安排的响应次序。

　　中断的嵌套：在中断系统中，高优先级的 中断请求能中断正在进行的较低级的中断源处理，

　　（1）中断技术是实时控制中的常用技术，51系列单片机有三个内部中断，二个外部中断。所谓 外部中断就是在外部引脚上有产生中断所需要的信号。

　　每个中断源有固定的中断服务程序的入口地址（称矢量地址或向量地址）。当CPU响应中断以 后单片机内部硬件保证它能自动的跳转到该地址。因此，此地址是应该熟记的，在汇编程序 中，中断服务程序应存放在正确的向量地址内。

　　（或存放一条转移指令）；而在C语言中是靠Interrupt n的关键字n自动设置的。

　　（2）单片机的中断是靠内部的寄存器管理的，这就是中断允许寄存器IE，中断优先权寄存器IP ，必须在CPU开中断即开全局中断开关EA，开各中断源的中断开关，CPU才能响应该中断源的 中断请求，其中缺一不可。

　　（3）从程序表面看来，主程序和中断服务程序好象是没有关连的，只有掌握中断响应的过程， 才能理解中断的发生和返回，看得懂中断程序，并能编写高质量中断程序。

 

表2.1 常用中断

 

符号	名 称	中 断 引 起 原 因	中断服务程序入口
INT0	外部中断0	P3.2引脚的低电平或下降沿信号	0003H
INT1	外部中断1	P3.3引脚的低电平或下降沿信号	0013H
T0	定时器0中断	定时计数器0计数回零溢出	000BH
T1	定时器1中断	定时计数器1计数回零溢出	001BH
T2	定时器2中断	定时计数器2中断(TF2或T2EX信号）	002BH
TI/RI	串行口中断	串行通信完成一帧数据发送或接收引起中断	0023H

　　3  硬件原理图

　　晶振（12MHz）定时1秒，对于12MHz的晶振而言，其时钟周期T=1/f=1/12us,而89C51的一个机器周期包括12个时钟周期，所以一个机器周期为1us，对于T0而言，使之工作于16-bit，计时为65536*1=65536us，需要多次定时才能实现一秒定时。

　　4  软件设计

　　4.1 流程图

　　4.2 源程序

　　ORG 0000H                     ;中断入口程序；

　　LJMP START

　　ORG 0003H

　　RETI

　　ORG 000BH

　　RETI

　　ORG 0013H

　　RETI

　　ORG 001BH

　　RETI

　　CLEAR: RET;                ; 初始化程序

　　;START:ACALL CLEAR         ; 主 程 序

　　STAR1:MOV P3,#0FFH

　　JNB P3.2,FUN2

　　JNB P3.3,FUN3              ;关闭按纽

　　JNB P3.4,FUN0

　　JNB P3.5,FUN1

　　JNB F0,STAR1               ;曾经有键按下F0置1

　　RET;

　　FUN0:LCALL DL10MS          ;消除抖动

　　JB P3.4,STAR1

　　WAITL0:JNB P3.4,WAITL0     ;等待键释放

　　SETB F0

　　FUN01:LCALL FUN00

　　LCALL STAR1

　　LJMP FUN01;

　　FUN1:LCALL DL10MS          ;消除抖动

　　JB P3.5,STAR1

　　WAITL1:JNB P3.5,WAITL1       ;等待键释放

　　SETB F0

　　FUN10:LCALL FUN11

　　LCALL STAR1

　　LJMP FUN10;

　　FUN2:LCALL DL10MS            ;消除抖动

　　JB P3.2,STAR1

　　WAITL2:JNB P3.2,WAITL2       ;等待键释放

　　SETB F0

　　FUN20:LCALL FUN22

　　LCALL STAR1

　　LJMP FUN20;

　　FUN3:LCALL DL10MS            ;消除抖动

　　JB P3.3,STAR1

　　WAITL3:JNB P3.3,WAITL3       ;等待键释放

　　CLR F0

　　MOV P1,#0FFH                 ;关显示

　　LJMP STAR1;

　　FUN00:MOV A,#0FEH            ；从P1.0到P1.7移动点亮

　　FUN000:MOV P0,A

　　LCALL DL05S

　　JNB ACC.7,OUT

　　RL A

　　AJMP FUN000

　　OUT: RET;

　　FUN11:MOV A,#0FEH            ；从P1.0到P1.7依次点亮

　　FUN111:MOV P1,A

　　LCALL DL05S

　　JZ OUT

　　RL A

　　ANL A,P1

　　AJMP FUN111;

　　FUN22:MOV A,#0FEH               ；间隔点亮

　　FUN222:MOV P1,A

　　LCALL DL01S

　　CPL A

　　RL A

　　MOV P1,A

　　LCALL DL01S

　　RET;

　　FUN33: MOV A,#01H                 ；逐点熄灭

　　FUN333: MOV P1,A

　　LCALL DL01S

　　JNZ OUT

　　RL A

　　ORL A,P1

　　AJMP FUN333

　　DL01S:MOV R2,#0FFH              ; 延时程序

　　MOV R7，#02H

　　LOOP1: DJNZ R2,LOOP1

　　LOOP5：DJNZ R7，DL512

　　RET

　　DL10MS:MOV R3,#14H

　　LOOP2: LCALL DL512

　　DJNZ R3,LOOP2

　　RET

　　DL05S:MOV R4,#0AH

　　LOOP3: LCALL DL10MS

　　DJNZ R4,LOOP3

　　RET

　　DL30S:MOV R5,#03H

　　LOOP4:LCALL DL05S

　　DJNZ R5,LOOP4

　　RET

　　END

　　4.2一秒钟定时程序

　　MOV B,#0AH        ；允许中断

　　MOV TMOD,#01H         ；工作方式1

　　MOV TH0,#0B0H

　　MOV TL0,#3CH

　　SETB TR0                ；启动计数

　　SETB EA                 ；开中断

　　BU:JBC TF0,SHI

　　SJMP BU

　　SHI:MOV TH0,#3CH

　　MOV TL0,#0B0H

　　RET

参考文献:

[1]. AT89S51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89S51_970858.html.
[2]. EPROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPROM_1128137.html.
[3]. AT89C2051 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89C2051_810086.html.
[4]. 89C51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/89C51_105386.html.