基于AT89C51單片機(jī)的LED彩燈控制器設(shè)計(jì)

1引言
　　隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場(chǎng)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(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，用 彩燈來(lái)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(chǎng)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(chǎng)合、不同時(shí)間段的需要來(lái)調(diào)節(jié)亮燈時(shí)間、模式、閃爍頻率等動(dòng)態(tài) 參數(shù)。這種彩燈控制器結(jié)構(gòu)往往有芯片過(guò)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(duì)現(xiàn)有的彩燈控制器進(jìn)行改進(jìn)。

　　本文提出了一種基于AT89C51單片機(jī)的彩燈控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED彩燈的控制。本方案以AT89C51單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤、顯示、驅(qū)動(dòng)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，利用其內(nèi)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(hào)，然后驅(qū)動(dòng)各種顏色的燈亮或滅。該新型LED彩燈及其控制器是上海某公司委托開發(fā)產(chǎn)品，產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用效果較好，亮燈模式多，用戶可以根據(jù)不同場(chǎng)合和時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)亮燈頻率和亮燈時(shí)間。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)。?

2系統(tǒng)功能
　　新型LED彩燈分為2部分，即彩燈控制器（主控模塊）和管內(nèi)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(guò)開關(guān)電源變換，輸出直流工作電壓，一方面為管內(nèi)LED模塊提供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(guò)主控模塊上的按鍵來(lái)設(shè)定亮燈時(shí)間和燈光閃動(dòng)頻率。

　　上電后系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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(wú)，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(ài)好及不同場(chǎng)合的需要來(lái)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(huì)自動(dòng)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Mod el_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(duì)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_off，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(hào)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(duì)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(duì)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，用戶可以方便地通過(guò)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)不同場(chǎng)合和時(shí)間來(lái)改變彩燈閃亮效果，用戶可以通過(guò)主控模塊上的按鍵來(lái)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(duì)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(guò)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。?

3硬件設(shè)計(jì)
　　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（管內(nèi)LED板模塊）。前者是主控模塊，具有按鍵、顯示等功能，并利用89C51的P口輸出控制信號(hào)；后者是受控模塊，上面焊有三色LED彩燈和信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片，模塊置于LED的透明燈管內(nèi)。

3.1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(hào)輸出驅(qū)動(dòng)模塊芯片(MC4049)等。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，使單片機(jī)P0口作為三色LED驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出口及移位時(shí)鐘CLOCK信號(hào)，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。

3.2管內(nèi)LED板模塊設(shè)計(jì)
　　管內(nèi)LED板模塊電路見(jiàn)圖2。管內(nèi)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(zhǎng)度需要，可將不同數(shù)量的該管內(nèi)LED模塊實(shí)現(xiàn)級(jí)連，組成一個(gè)完整的LED彩燈?？紤]到功率損耗，LED板模塊之間接口處用信號(hào)正向驅(qū)動(dòng)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。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(dòng)點(diǎn)亮閃爍，藍(lán)燈從后往前驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮閃爍，這樣具有很好的動(dòng)感視覺(jué)效果。

4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(lái)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內(nèi)點(diǎn)亮和熄滅各種顏色LED燈的時(shí)刻：Red_on，Red_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)模式子程序（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(hào)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(guò)P0口輸出，使各色L ED燈的驅(qū)動(dòng)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)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(duì)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(duì)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(huì)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。

　　下面以第一種模式工作為例。
　　
　　
　　
　　

5結(jié)語(yǔ)
　　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(hào)去控制燈管內(nèi)的L ED板模塊工作，使得產(chǎn)品性能穩(wěn)定，便以安裝容易操作。由于控制程序存儲(chǔ)在89C51單片機(jī) 的電可擦除Flash閃存EPROM中，如果用戶需要更改系統(tǒng)的亮燈模式Model_i，無(wú)須改變系統(tǒng)硬件電路，只需修改其中程序即可，是一種很有發(fā)展前途的彩燈控制器。

參考文獻(xiàn)

［1］蔡美琴，張為民，沈新群等.MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，1992.
［2］何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選篇（5）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997.
［3］楊光友.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2002