李 蔣

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州建設(shè)交通分院，江蘇 蘇州 215000）

LED燈作為新型綠色環(huán)保光源，因其節(jié)能環(huán)保、壽命長、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)，在現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其中LED流水燈由于其酷似流水般的顯示效果，在城市廣告、工控面板等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用[1]。近年來LED流水燈在汽車工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛，主要有汽車前照燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈、制動(dòng)指示燈、后視鏡燈、儀表盤顯示燈、車內(nèi)氛圍燈等場合。汽車LED流水燈不僅具備裝飾效果，還會(huì)承擔(dān)一些功能性作用，比如汽車后視鏡、前照燈、尾燈上的流水燈就具有轉(zhuǎn)向信號(hào)指示功能。

LED流水燈要想實(shí)現(xiàn)燈光顯示的流水效果，需要專門的控制系統(tǒng)，目前比較常見的主要有兩種方案，一種是采用數(shù)字集成電路（移位寄存器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)/譯碼器等）[2-3]，另外一種是采用單片機(jī)[4-5]。相對于數(shù)字集成電路，單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、成本低、控制電路外圍元件較少、控制程序相對簡單、制作難度低等顯著優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)LED燈流水顯示效果方面具有明顯的優(yōu)越性。

本文采用STC（宏晶）公司的8位51單片機(jī)STC89C52RC為主控芯片，首先進(jìn)行51單片機(jī)最小系統(tǒng)及8位LED硬件電路設(shè)計(jì)，然后利用Keil uVision5集成開發(fā)軟件進(jìn)行C語言軟件編程設(shè)計(jì)，分別通過位輸出操作、移位操作及循環(huán)移位操作3種控制方案進(jìn)行8位LED汽車流水燈顯示功能設(shè)計(jì)和仿真調(diào)試。

1 總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

流水燈顯示是指將多個(gè)LED燈組成的燈串按順序依次點(diǎn)亮，反復(fù)循環(huán)。本設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是控制8個(gè)LED燈珠（按順序分別為D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8），模擬汽車流水燈的顯示效果，根據(jù)人眼的視覺暫留特性設(shè)定燈珠點(diǎn)亮?xí)r間間隔為200ms，按照D1~D8的順序逐次亮滅，產(chǎn)生流水顯示的效果，其工作過程如圖1所示?；谏鲜龌A(chǔ)設(shè)計(jì)，就能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)正反向流水顯示、箭頭流水轉(zhuǎn)向顯示、菱形流水顯示、魚骨流水顯示等功能。

圖1 LED流水燈工作過程

其次，為了防止在開機(jī)或工作中因干擾而使程序失控，或工作中程序運(yùn)行陷入某種死循環(huán)狀態(tài)等，系統(tǒng)需要具備復(fù)位的功能。另外，為了方便設(shè)計(jì)程序的調(diào)試驗(yàn)證，需要能夠下載目標(biāo)程序到單片機(jī)中，即系統(tǒng)還應(yīng)具備通過串口進(jìn)行燒錄的功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的STC89C 52RC是宏晶公司的增強(qiáng)型MCS-51單片機(jī)，是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52RC的主要特性如表1所示，引腳如圖2b所示。

表1 STC89C52RC單片機(jī)的主要特性

單片機(jī)若要正常工作，首先必須要具備一個(gè)最簡單的系統(tǒng)組成，即單片機(jī)最小系統(tǒng)。對于51單片機(jī)，最小系統(tǒng)主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及燒錄電路等部分。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)開發(fā)工作量，由前述總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)8個(gè)LED燈流水顯示效果，因此本設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括兩個(gè)部分：單片機(jī)最小系統(tǒng)和8位LED電路。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于STC89C52RC的單片機(jī)最小系統(tǒng)包括USB供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及串口燒錄電路，如圖2所示。

圖2 基于STC89C52RC的單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.1.1 USB供電電路

作為電子元器件，單片機(jī)也是需要供電的。而單片機(jī)供電有一個(gè)技術(shù)范圍，不同單片機(jī)的供電范圍不盡相同，需要查看相關(guān)的技術(shù)手冊才知道具體的供電范圍。對于STC89C52RC單片機(jī)，需要使用5V電源，本設(shè)計(jì)通過USB接口來獲取5V電源，同時(shí)采用一片電源穩(wěn)壓芯片AMS1117，可輸出穩(wěn)定的3.3V直流電壓，為其它需要3.3V的外圍器件供電，具體如圖2a所示。需要注意的是，單片機(jī)承載不了過高的電壓，千萬不可以把單片機(jī)接到超標(biāo)的電源電壓上，同時(shí)單片機(jī)正負(fù)極也要正確接上，否則容易燒壞單片機(jī)，嚴(yán)重的甚至可能發(fā)生爆炸。

2.1.2 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路主要是產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，提供單片機(jī)工作時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的。單片機(jī)的時(shí)鐘電路可以使用有源晶振或無源晶振。晶振是一種高精度、高穩(wěn)定度的石英晶體振蕩器，可產(chǎn)生頻率穩(wěn)定且峰值穩(wěn)定的正弦波。本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路采用的是11.0592MHz的無源晶振，能夠滿足STC89C52RC單片機(jī)的工作要求。STC89C52RC單片機(jī)的時(shí)鐘輸入引腳是18號(hào)引腳XTAL2和19號(hào)引腳XTAL1，需要兩個(gè)20pF的電容和一個(gè)11.0592MHz晶振作為外圍器件，具體如圖2b所示。

2.1.3 復(fù)位電路

當(dāng)單片機(jī)工作過程中程序失控或者運(yùn)行陷入死循環(huán)等故障狀態(tài)時(shí)，需要復(fù)位電路來讓整個(gè)電路恢復(fù)初始狀態(tài)。復(fù)位電路啟動(dòng)的手段主要有：一是上電復(fù)位，即在給電路通電時(shí)立即進(jìn)行復(fù)位操作；二是在必要時(shí)可以由按鍵手動(dòng)操作復(fù)位；三是根據(jù)程序或者電路運(yùn)行的需要自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位電路的原理一般是利用電容電壓不能突變的原理，將電容與電阻串聯(lián)，上電時(shí)刻，電容沒有充電，兩端電壓為0，此時(shí)提供復(fù)位脈沖，電源不斷地給電容充電，直至電容兩端電壓為電源電壓，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。復(fù)位電路一般比較簡單，大都是只用電阻和電容組合就可以實(shí)現(xiàn)，再復(fù)雜點(diǎn)就利用三極管等配合程序來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)電路采用按鍵復(fù)位，將一個(gè)10pF電容與一個(gè)10kΩ電阻串聯(lián)，復(fù)位按鍵并聯(lián)在電容兩端，一端接于電源VCC上，具體如圖2b所示。

2.1.4 串口燒錄電路

燒錄電路用于將計(jì)算機(jī)開發(fā)的軟件程序傳輸至單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的通信。單片機(jī)燒錄電路通常采用典型的RS232串行接口，本設(shè)計(jì)是采用USB接口進(jìn)行供電和燒錄程序的，因此燒錄電路采用了一片USB轉(zhuǎn)串口的轉(zhuǎn)接芯片CH340G，同時(shí)采用了一個(gè)12MHz的晶振和一些電阻、電容、穩(wěn)壓二極管等外圍電子元器件，具體如圖2c所示。其中，CH340G的第5號(hào)引腳UD+與USB接口的D+端連接，CH340G的第6號(hào)引腳UD-與USB接口的D-端連接；CH340G的第2號(hào)引腳，即串口發(fā)射端TXD與STC89C52RC的P3.0口，即串口接收端RXD連接，CH340G的第3號(hào)引腳，即串口接收端RXD與STC89C52RC的P3.1口，即串口發(fā)射端TXD連接。

2.2 8位LED電路設(shè)計(jì)

STC89C52RC單片機(jī)擁有4個(gè)8位并行的I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立連接方式來控制LED燈，即每一個(gè)LED燈采用一個(gè)獨(dú)立的物理接口來控制。根據(jù)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要控制8個(gè)LED燈工作，因此本設(shè)計(jì)采用了STC89C52RC單片機(jī)的P1.0～P1.7端口，具體電路如圖3所示。由圖3可見，8個(gè)LED為共陽極連接，每個(gè)LED陽極串聯(lián)一個(gè)限流電阻接于電源VCC上，若想使某一個(gè)LED燈亮，只需將它的陰極端變?yōu)榈碗娖郊纯伞＠?，如果想點(diǎn)亮接在P1.0口的D1，那么只要使P1.0口的輸出電平變?yōu)榈碗娖?，LED的陽極電位大于陰極電位，二極管導(dǎo)通，LED發(fā)光。相反，如果想熄滅D1，就需要把P1.0口的輸出電平變?yōu)楦唠娖?，二極管截止。其他的7個(gè)LED燈的點(diǎn)亮和熄滅操作同理。

圖3 8位LED流水燈電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

Keil軟件是目前最流行的開發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件，它提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，并通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。本文利用Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行8位LED流水燈的C語言軟件編程設(shè)計(jì)，軟件主要分為兩個(gè)部分：延時(shí)控制部分和流水控制部分。

3.1 延時(shí)控制及程序

本設(shè)計(jì)的要求是8個(gè)LED燈輪流點(diǎn)亮，一個(gè)LED燈點(diǎn)亮、熄滅后，另一個(gè)LED燈再點(diǎn)亮、熄滅。由于人眼的視覺存在暫留效應(yīng)，即人眼在觀察物體時(shí)，光信號(hào)傳入大腦神經(jīng)，由于視神經(jīng)的反應(yīng)滯后，物體的影像會(huì)停留一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)即使物體消失，視覺中的影像也不會(huì)立即消失。而單片機(jī)執(zhí)行語句的速度是非?？斓模谝曈X暫留的影響下，程序執(zhí)行時(shí)會(huì)使得我們從視覺上感覺所有LED燈均處于長亮狀態(tài)，無法看到輪流點(diǎn)亮的流水效果。因此，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須要加入延時(shí)控制，以消除視覺暫留的影響。

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)延時(shí)通常有兩種方法：一種是硬件延時(shí)，要用到定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，這種方法可以提高CPU的工作效率，也能做到精確延時(shí)；另一種是軟件延時(shí)，這種方法主要采用循環(huán)體進(jìn)行，程序?qū)崿F(xiàn)方便。本設(shè)計(jì)選擇軟件延時(shí)，方法就是讓機(jī)器什么都不做，讓機(jī)器執(zhí)行空指令，機(jī)器就會(huì)延時(shí)。具體做法就是首先將參數(shù)傳遞至for循環(huán)中，確定循環(huán)次數(shù)控制延時(shí)時(shí)間，在for循環(huán)體內(nèi)再嵌套一個(gè)for循環(huán)以延長單個(gè)延時(shí)時(shí)間，通過設(shè)定總循環(huán)次數(shù)來控制延時(shí)時(shí)間，具體程序如下所示：

void delay（unsigned int xms）

{

unsigned int i，j；

for（i=xms；i＞0；i--） //i=xms即延時(shí)約xms毫秒

for（j=112；j＞0；j--）；//嵌套循環(huán)

}

3.2 LED流水燈控制及程序

流水燈的控制方案有很多，其中比較典型的有位輸出操作、移位操作及循環(huán)移位操作3種控制方案，本設(shè)計(jì)分別采用這3種控制方案進(jìn)行8位LED汽車流水燈仿真設(shè)計(jì)。

3.2.1 位輸出操作

位輸出操作是一種最直觀最易理解的方法，采用順序程序結(jié)構(gòu)，用位指令控制P1口每一位輸出高低電平，從而控制相應(yīng)的LED燈的點(diǎn)亮熄滅。位輸出操作的流程如圖4所示，具體的C程序如下所示：

圖4 位輸出操作流程圖

#include＜reg52.h＞ //引用頭文件reg52.h

#define ON 0； //定義低電平時(shí)燈亮，0為低電平，ON為燈亮

#define OFF 1； //定義高電平時(shí)燈滅，1為高電平，OFF為燈滅

sbit LED0=P1^0； //將P1.0接口位定義為LED0，LED0連接第一個(gè)LED燈D1

sbit LED1=P1^1；

sbit LED2=P1^2；

sbit LED3=P1^3；

sbit LED4=P1^4；

sbit LED5=P1^5；

sbit LED6=P1^6；

sbit LED7=P1^7；

void main（）

{

while（1） //加入死循環(huán)，讓8個(gè)LED燈輪流點(diǎn)亮后，繼續(xù)循環(huán)點(diǎn)亮

{

LED0=ON； //點(diǎn)亮第一個(gè)LED燈D1

delay（200）； //延時(shí)200 ms

LED0=OFF； //熄滅第一個(gè)LED燈D1

LED1=ON；

delay（200）；

LED1=OFF；

LED2=ON；

delay（200）；

LED2=OFF；

LED3=ON；

delay（200）；

LED3=OFF；

LED4=ON；

delay（200）；

LED4=OFF；

LED5=ON；

delay（200）；

LED5=OFF；

LED6=ON；

delay（200）；

LED6=OFF；

LED7=ON；

delay（200）；

LED7=OFF；

}

}

3.2.2 移位操作

在移位操作程序中，for語句的表達(dá)式用來描述循環(huán)的次數(shù)，即小燈的個(gè)數(shù)。在硬件電路中C51單片機(jī)的引腳輸出低電平時(shí)，燈亮；反之，燈熄。D1～D8循環(huán)亮的過程通過在for循環(huán)之中將對低點(diǎn)位進(jìn)行移位指令來實(shí)現(xiàn)。移位操作流程見圖5。C程序如下：

圖5 移位操作流程圖

#include＜reg52.h＞ //引用頭文件reg52.h

#define ON 0； //定義低電平時(shí)燈亮，0為低電平，ON為燈亮

#define OFF 1； //定義高電平時(shí)燈滅，1為高電平，OFF為燈滅

void main（）

{

unsigned char i；

while（1）

{

P1=0xfe； //將P1寄存器的8位賦值為二進(jìn)制數(shù)1111 1110，即點(diǎn)亮D1

for（i=0；i＜8；i++）

{

delay（200）； //延時(shí)200 ms

P1＜＜=1； //將P1左移一位

P1=P1|0X01； //將P1與二進(jìn)制數(shù)0000 0001進(jìn)行位或

}

}

}

3.2.3 循環(huán)移位操作

在上述位輸出操作程序中是逐個(gè)控制P1端口的每一位來實(shí)現(xiàn)的，而在移位操作程序中是先將P1寄存器左移一位再進(jìn)行一次位或運(yùn)算，因此程序都略顯復(fù)雜。循環(huán)移位操作是在程序一開始就給P1口送一個(gè)數(shù)，這個(gè)數(shù)讓P1.0為低電平，其他位為高電平，然后延時(shí)一段時(shí)間，再讓這個(gè)數(shù)據(jù)向高位移動(dòng)，然后再輸出至P1口，這樣就實(shí)現(xiàn)“流水”效果。循環(huán)移位操作流程見圖6。具體C程序如下所示，程序中用到了intrins.h庫函數(shù)中的循環(huán)左移指令_crol_，程序結(jié)構(gòu)簡單了很多。

圖6 循環(huán)移位操作流程圖

程序如下：

#include＜reg52.h＞ //引用頭文件reg52.h

#include＜intrins.h＞ //引用頭文件intrins.h

void main（）

{

P1=0Xfe； //將P1寄存器的8位賦值為二進(jìn)制數(shù)1111 1110

while（1）

{

delay（200）； //延時(shí)200 ms

P1=_crol_（P1，1）； //循環(huán)左移函數(shù)，將P1寄存器內(nèi)的數(shù)向左移1位

}

}

4 調(diào)試與驗(yàn)證

應(yīng)用Keil uVision5和STC-ISP軟件進(jìn)行調(diào)試與驗(yàn)證。啟動(dòng)Keil開發(fā)環(huán)境，建立新工程liushuideng.uvproj，將文中流水燈控制程序輸入至主程序main.c中，調(diào)試程序，然后通過編譯生成為hex文件，再通過STC-ISP軟件將hex文件燒錄到設(shè)計(jì)電路板中（圖7）。燒錄完成后，電路板上電，8個(gè)LED燈即呈現(xiàn)流水的效果。通過驗(yàn)證可見，文中所述位輸出、移位及循環(huán)移位3種流水燈操作控制程序均能實(shí)現(xiàn)汽車LED流水燈效果，但是觀察程序復(fù)雜程度，明顯第3種操作，即循環(huán)移位操作程序最為簡潔。需要注意的是，在使用STC-ISP燒錄軟件之前，需要安裝一個(gè)串口軟件，系統(tǒng)會(huì)分配一個(gè)串口號(hào)給電路板，STC-ISP軟件燒錄時(shí)需要正確配置。

圖7 STC-ISP燒錄軟件

5 結(jié)論

本文以宏晶公司的51單片機(jī)STC89C52RC為主控芯片，設(shè)計(jì)了8位LED流水燈的硬件電路，以及位輸出、移位及循環(huán)移位3種操作的C軟件程序，通過Keil和STC-ISP軟件進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件程序完全可應(yīng)用于汽車LED流水燈的實(shí)現(xiàn)，并且可以通過修改文中代碼，進(jìn)一步拓展汽車流水燈應(yīng)用?；谏鲜龌A(chǔ)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，通過各種燈珠形狀排列，就能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)正、反向流水顯示，箭頭流水轉(zhuǎn)向顯示，菱形流水顯示，魚骨流水顯示等功能，比如汽車花式流水燈、汽車燈光模式切換等。