單片機(jī)AT89C51LED彩燈控制器設(shè)計(jì)

1、第1節(jié) 引 言 11.1 LED彩燈概述 11.2 系統(tǒng)主要功能 1第 2 節(jié) 新型 LED 彩燈硬件設(shè)計(jì) 32.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能 32.1.1 主控模塊電路設(shè)計(jì) 32.1.2 管 LED 板模塊設(shè)計(jì) 32.2 AT89C2051 單片機(jī)及其引腳說明 42.3 LED顯示數(shù)碼管 4第 3 節(jié) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 63.1 軟件設(shè)計(jì) 6第 4 節(jié) 結(jié)語 8參考文獻(xiàn) 9附錄 10基于AT89C51單片機(jī)的LED彩燈控制器設(shè)計(jì)第1節(jié) 引 言隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。 LED 彩燈由于其豐富的燈光色彩， 低廉的造價(jià)以及控制簡單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用， 用彩燈

2、來裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時(shí)尚。但目前市場上各式樣的 LED 彩燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實(shí)現(xiàn)， 電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 功能單一，這樣一旦制作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據(jù)不同場合、不同時(shí)間段的需要來調(diào)節(jié)亮燈時(shí)間、模式、 閃爍頻率等動態(tài)參數(shù)。這種彩燈控制器結(jié)構(gòu)往往有芯片過多、 電路復(fù)雜、功率損耗大等缺點(diǎn)。此外從功能效果上看， 亮燈模式少而且樣式單調(diào)， 缺乏用戶可操作性， 影響亮燈效果。 因此有必要對現(xiàn)有的彩燈控制器進(jìn)行改進(jìn)。1.1 LED彩燈概述該 LED 彩燈控制器是一種基于AT89C51 單片機(jī)的彩燈控制器，實(shí)現(xiàn)對LED 彩燈的控制。本方案以AT89C51 單片機(jī)作為主控核心，與鍵

3、盤、顯示、驅(qū)動等模塊組成核心主控制模塊。在主控模塊上設(shè)有8 個(gè)按鍵和 5 位七段碼 LED 顯示器，根據(jù)用戶需要可以編寫若干種亮燈模式，利用其部定時(shí)器T0 實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本單位時(shí)間為 5 ms 的定時(shí)中斷，根據(jù)各種亮燈時(shí)間的不同需要， 在不同時(shí)刻輸出燈亮或燈滅的控制信號， 然后驅(qū)動各種顏色的燈亮或滅。該新型LED 彩燈與普通LED 彩燈相比，具有體積小、價(jià)格低、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。1.2 系統(tǒng)主要功能新型 LED 彩燈分為2 部分， 即彩燈控制器 （主控模塊） 和管 LED 板模塊 （受控模塊） 。彩燈控制器可直接與220 V 交流市電相連接，經(jīng)過開關(guān)電源變換，輸出直流工作電壓，一方面為管 LED 模塊

4、提供12 V 工作電源，另一方面為主控模塊單片機(jī)系統(tǒng)（彩燈控制器）提供 5 V 工作電源。整個(gè)系統(tǒng)工作由軟件程序控制運(yùn)行，根據(jù)需要，用戶可以在 LED 彩燈工作時(shí)通過主控模塊上的按鍵來設(shè)定亮燈時(shí)間和燈光閃動頻率。上電后系統(tǒng)經(jīng)過初始化，查詢是否有功能切換鍵按下：有，則進(jìn)入用戶設(shè)定模式狀態(tài)；無， 則進(jìn)入默認(rèn)缺省工作狀態(tài)。 在用戶設(shè)定模式狀態(tài)下， 用戶可以根據(jù)個(gè)人愛好及不同場合的需要來指定調(diào)用哪些模式， 并且可以改變每種模式的時(shí)間 Ti 、 頻率 Fi 參數(shù)， 如果用戶想進(jìn)入缺省狀態(tài)模式， 只需按一下功能切換鍵即可跳入缺省模式， 程序會自動順序調(diào)用亮燈模式；在缺省工作狀態(tài)下，LED 彩燈控制器按照程

5、序設(shè)定好的若干亮燈花樣模式程序Model_i順序調(diào)用往下走，從第 Model_1模式開始工作，自 Model_1到Model_2到Model_n 為一個(gè)亮燈周期，然后再回到 Model_1 循環(huán)繼續(xù)工作，同樣如果想進(jìn)入用戶設(shè)定模式狀態(tài)， 只需按下功能切換鍵即可。 整個(gè) n 種亮燈模式時(shí)間可以看作一個(gè)大周期 T ， 其 中的每一種花樣工作模式 Model_i （ i=1 , 2 ,，n ）時(shí)間為小周期Ti ，對于每一個(gè)模式編寫一個(gè)獨(dú)立工作子程序Model_i ，其中設(shè)定了 LED 三色燈（紅、綠、藍(lán)）的點(diǎn)亮?xí)r刻（ RED_on ， GREEN_on ， BLUE_on ）和熄滅時(shí)刻（ RED_o

6、ff ， GREEN_off ， BLU E_off） ， 以及模式工作時(shí)間 Ti 以及該模式LED 閃爍頻率 Fi 。 5 位七段碼顯示器的前2位（ L1 ， L2 ）顯示當(dāng)前工作模式的序號Model_i ；后 3 位（ L3 ， L4 ， L5 ）七段碼 顯示三色 LED 的工作狀態(tài)，若該顏色燈點(diǎn)亮則對應(yīng)七段碼顯示位為“ 1 ”，反之熄滅時(shí)則顯示位為“滅”即不顯示，對系統(tǒng)工作狀態(tài)起到了很好的實(shí)時(shí)監(jiān)控作用。因此在 LED 彩燈上電工作后， 用戶 z 可以方便地通過主控模塊上的顯示器知道 LED 彩 燈當(dāng)前工作模式Model_i ，工作時(shí)間 Ti ，頻率 Fi 等實(shí)時(shí)參數(shù)。若實(shí)際應(yīng)用需要根據(jù)不

7、同場合和時(shí)間來改變彩燈閃亮效果，用戶可以通過主控模塊上的按鍵來設(shè)定LED 不同的閃爍頻率 Fi 和亮燈時(shí)間 Ti ， 以便符合實(shí)際需要。 此外如果用戶對某一種模式感興趣需要仔細(xì)觀看該種亮燈模式，可以通過鍵盤選定任意第 Model_i 模式使系統(tǒng)循環(huán)重復(fù)工作在該花樣模式下。第 2 節(jié) 新型 LED 彩燈硬件設(shè)計(jì)本節(jié)主要新型LED 彩燈系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能，包括AT89C2051 單片機(jī)及其引腳說明、電源、LED顯示數(shù)碼管、開關(guān)。2.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能新型 LED 彩燈系統(tǒng)包括2 大部分， 即 LED 彩燈控制器 （ 89C51 主控模塊） 和 LED 彩燈管（管 LED 板模塊） 。前者是

8、主控模塊，具有按鍵、顯示等功能，并利用 89C51 的 P 口 輸出控制信號； 后者是受控模塊， 上面焊有三色LED 彩燈和信號驅(qū)動芯片， 模塊置于 LED 的透明燈管。2.1.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)主控模塊電路如圖 1 所示。主控模塊主要設(shè)計(jì)器件有89C51 ， 5 個(gè)七段碼 LED 顯示器， 8 個(gè)按鍵， 2 個(gè)穩(wěn)壓器 （提供 12 V ， 5 V 電壓） ， 1 個(gè)信號輸出驅(qū)動模塊芯片 （MC4049） 等。通過軟件設(shè)計(jì)，使單片機(jī)P0 口作為三色LED驅(qū)動信號輸出口及移位時(shí)鐘CLOCK信號，P3 口為按鍵輸入口， P2 口、 P1 口與 5 位七段碼 LED 相接作為顯示器的輸出口。2.1

9、.2 管 LED 板模塊設(shè)計(jì)管 LED 板模塊電路見圖 2 。 管 LED 板模塊設(shè)計(jì)主要器件有LED 彩燈 （紅、 綠、 藍(lán)） 、移位觸發(fā)模塊芯片 CD4076 等。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用彩燈長度需要，可將不同數(shù)量的該管LED 模塊實(shí)現(xiàn)級連， 組成一個(gè)完整的 LED 彩燈。 考慮到功率損耗， LED 板模塊之間接口處用信號正向驅(qū)動模塊芯片 MC4049 連接。每個(gè)LED 板模塊上均勻分布3 種顏色 LED 燈，在實(shí)際制作 PCB 時(shí)采用紅、綠、藍(lán) 3 色互隔焊接方式，在電路板上把LED 發(fā)光管按順序L1（紅）、L2（ 綠）、L3（藍(lán)）、L4（ 紅）、L5（綠）、L6（ 藍(lán)）依次均勻焊在板上成一條直線。

10、為了得到更多的花樣模式效果，可以使紅綠 2 種燈從前往后驅(qū)動點(diǎn)亮閃爍，藍(lán)燈從后往前驅(qū)動點(diǎn)亮閃爍，這樣具有很好的動感視覺效果。2.2 AT89C2051單片機(jī)及其引腳說明AT89C2051單片機(jī)是51系列單片機(jī)的一個(gè)成員，是 8051單片機(jī)的簡化版。部自帶 2K 字節(jié)可編程FLASH存儲器的低電壓、高性能 COMSI位微處理器，與Intel MCS-51系列單片 機(jī)的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPUW閃速存儲器結(jié)合在單個(gè)芯片中，因此， AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡單、造價(jià)最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省 去了外部的RAM RO防口接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成

11、本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。AT89C2051是一個(gè)有20個(gè)引腳的芯片，引腳配置如圖3所示。與8051相比，AT89C2051減少了兩個(gè)對外端口（即 P0、P2 口），使它最大可能地減少了對外引腳下，因而芯片尺寸有所減小。2.3 LED顯示數(shù)碼管LED有共陰極和共陽極兩種。如圖所示。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由 8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)發(fā)光二極管卞成字型“ 8”的各個(gè)筆劃（段）ag,另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時(shí)，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護(hù)各段 LED不被損壞，

12、需外加限流電阻。LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理圖：bcdLgdp高電平驅(qū)動 共陰極a b c defgdp低電平驅(qū)動共陽極PDIP/SOiCRsrci(RXDIPJJOC：(Wil 口XTAUC4HAL1C5 0W32 匚 6 (lim)P33C7 (W3.4dg。1”5 CCND匚201918171615141312113VCC 3P1.7 ：JPL6 ZJP153P1.4 HP13 3F123P1.1(AIN1) JP1.0(A150) 3K.7圖3 AT89C2051引腳配置AT89C2051芯片的20個(gè)引腳功能為：VCC電源電壓。GND接地。RST 復(fù)位輸入。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?2個(gè)機(jī)器周

13、期時(shí)，所有I/O引腳復(fù)位至 T。XTAL1反向振蕩放大器的輸入及部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2來自反向振蕩放大器的輸出。P1 口 8位雙向I/O 口。引腳P1.2P1.7提供部上拉，當(dāng)作為輸入并被外部下拉為低電平時(shí)，它們將輸出電流，這是因部上拉的緣故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1）, P1 口輸出緩沖器能接收 20mA電流， 并能直接驅(qū)動LED顯示器；P1 口引腳寫入“ 1”后，可用作輸入。在閃速編程與編程校驗(yàn) 期間，P1 口也可接收編碼數(shù)據(jù)。P3 口 弓I腳P3.0P3.5與P3.7為7個(gè)帶部上拉的雙向I/O弓I腳。P3.

14、6在部已與片比較器 輸出相連，不能作為通用I/O引腳訪問。P3 口的輸出緩沖器能接收 20mA勺灌電流；P3 口寫 入“1”后，部上拉，可用輸入。P3 口也可用作特殊功能口。第3節(jié)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1 軟件設(shè)計(jì)新型LED彩燈控制器最大特點(diǎn)在于所有亮燈模式均由軟件控制完成。系統(tǒng)中軟件可以分為主程序和中斷服務(wù)子程序。上電后在缺省狀態(tài)以順序調(diào)用Model_i花樣亮燈模式流程為主程序，以一個(gè)單位時(shí)間5 ms的T0定時(shí)為中斷服務(wù)子程序。在這個(gè) 5 ms的T0定時(shí)基礎(chǔ)上，可以根據(jù)需要來確定各種模式工作時(shí)間Ti ,以及確定在各種亮燈模式Mode l_i點(diǎn)亮和熄滅各種顏色 LED燈的時(shí)刻：Red_on , R

15、ed_off , Green_on , Green_off , Blue_on , blue_off 以及Clock （移位翻轉(zhuǎn)脈沖） 等。整個(gè)系統(tǒng)軟件由主程序（Main ）、各個(gè)標(biāo)式子程序（Model_i ）、5 ms中斷服務(wù)子程序（T0 Interrupt）、鍵盤掃描處理子程序（Key Board ）、顯示子程序（Display ）等程序組成。利用 T0定時(shí)器作為定時(shí) 基本單位，根據(jù)模式需要計(jì)算好各控制信號的發(fā)生時(shí)刻，根據(jù)不同的模式Mo del_i可以設(shè)定不同的工作時(shí)間 Ti和脈沖翻轉(zhuǎn)頻率 Fi通過P0 口輸出，使各色L ED燈的驅(qū)動時(shí)刻與 移位觸發(fā)的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻步調(diào)一致，使LED彩燈按照設(shè)計(jì)

16、的模式工作。除了 T0定時(shí)中斷之外，程序的大部份時(shí)間是在處理按鍵的查詢和LED顯示的延時(shí)。8個(gè)按鍵分別為：4個(gè)參數(shù)按鍵（Fi增、減按鍵，Ti增、減按鍵），3個(gè)模式改變按鍵 （模式上翻UP、模式下翻DOWN、模式保持KEEP ） , 1個(gè)功能切換按鍵。在每次的T0定時(shí)中斷服務(wù)子程序里，需要對各個(gè)時(shí)間寄存器和模式寄存器進(jìn)行加1或者清，為主程序查詢作準(zhǔn)備，同時(shí)查詢是否已中斷6次（30 ms ），若30 ms到了，則對參數(shù)按鍵查詢一次，是否有時(shí)間 Ti頻率Fi增減鍵按下并進(jìn)行相應(yīng)子程序處理。主程序除了調(diào)用各種子模式子程序（Model_i ）,調(diào)用LED顯示子程序（Display） 和延時(shí)子程序（Delay） 之外，還一直保持查詢是否有功能切鍵按下以及是否有模式改變按鍵 按下，一旦有功能切換鍵和模式改變鍵按下，就會進(jìn)入相應(yīng)的按鍵處理。主程序流程如圖3所示。亮燈模式子程序Model_i可以編寫若干（n種），只要控制好各色燈觸發(fā)和熄滅時(shí)刻就可以組合成各種亮燈效果。Model_i程序流程如圖4所示。，廂1!仃二匕塞上nJ用寸Pmh；，嘎丸狀總洗也用第 4 節(jié) 結(jié)語與市面上大多數(shù)的LED彩燈相比，該種彩燈具有更好的燈光裝飾效果，性價(jià)比更高，與普通的全硬件LED彩燈相比具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用主控模塊輸出的控制信號去控制燈管 的 L ED 板模塊工作