单片机AT89C51LED彩灯控制器设计

1、第1节 引 言 11.1 LED彩灯概述 11.2 系统主要功能 1第 2 节 新型 LED 彩灯硬件设计 32.1 系统的硬件构成及功能 32.1.1 主控模块电路设计 32.1.2 管 LED 板模块设计 32.2 AT89C2051 单片机及其引脚说明 42.3 LED显示数码管 4第 3 节 系统的软件设计 63.1 软件设计 6第 4 节 结语 8参考文献 9附录 10基于AT89C51单片机的LED彩灯控制器设计第1节 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

2、来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。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。1.1 LED彩灯概述该 LED 彩灯控制器是一种基于AT89C51 单片机的彩灯控制器，实现对LED 彩灯的控制。本方案以AT89C51 单片机作为主控核心，与键

3、盘、显示、驱动等模块组成核心主控制模块。在主控模块上设有8 个按键和 5 位七段码 LED 显示器，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其部定时器T0 实现一个基本单位时间为 5 ms 的定时中断，根据各种亮灯时间的不同需要， 在不同时刻输出灯亮或灯灭的控制信号， 然后驱动各种颜色的灯亮或灭。该新型LED 彩灯与普通LED 彩灯相比，具有体积小、价格低、低能耗等优点。1.2 系统主要功能新型 LED 彩灯分为2 部分， 即彩灯控制器 （主控模块） 和管 LED 板模块 （受控模块） 。彩灯控制器可直接与220 V 交流市电相连接，经过开关电源变换，输出直流工作电压，一方面为管 LED 模块

4、提供12 V 工作电源，另一方面为主控模块单片机系统（彩灯控制器）提供 5 V 工作电源。整个系统工作由软件程序控制运行，根据需要，用户可以在 LED 彩灯工作时通过主控模块上的按键来设定亮灯时间和灯光闪动频率。上电后系统经过初始化，查询是否有功能切换键按下：有，则进入用户设定模式状态；无， 则进入默认缺省工作状态。 在用户设定模式状态下， 用户可以根据个人爱好及不同场合的需要来指定调用哪些模式， 并且可以改变每种模式的时间 Ti 、 频率 Fi 参数， 如果用户想进入缺省状态模式， 只需按一下功能切换键即可跳入缺省模式， 程序会自动顺序调用亮灯模式；在缺省工作状态下，LED 彩灯控制器按照程

5、序设定好的若干亮灯花样模式程序Model_i顺序调用往下走，从第 Model_1模式开始工作，自 Model_1到Model_2到Model_n 为一个亮灯周期，然后再回到 Model_1 循环继续工作，同样如果想进入用户设定模式状态， 只需按下功能切换键即可。 整个 n 种亮灯模式时间可以看作一个大周期 T ， 其 中的每一种花样工作模式 Model_i （ i=1 , 2 ,，n ）时间为小周期Ti ，对于每一个模式编写一个独立工作子程序Model_i ，其中设定了 LED 三色灯（红、绿、蓝）的点亮时刻（ RED_on ， GREEN_on ， BLUE_on ）和熄灭时刻（ RED_o

6、ff ， GREEN_off ， BLU E_off） ， 以及模式工作时间 Ti 以及该模式LED 闪烁频率 Fi 。 5 位七段码显示器的前2位（ L1 ， L2 ）显示当前工作模式的序号Model_i ；后 3 位（ L3 ， L4 ， L5 ）七段码 显示三色 LED 的工作状态，若该颜色灯点亮则对应七段码显示位为“ 1 ”，反之熄灭时则显示位为“灭”即不显示，对系统工作状态起到了很好的实时监控作用。因此在 LED 彩灯上电工作后， 用户 z 可以方便地通过主控模块上的显示器知道 LED 彩 灯当前工作模式Model_i ，工作时间 Ti ，频率 Fi 等实时参数。若实际应用需要根据不

7、同场合和时间来改变彩灯闪亮效果，用户可以通过主控模块上的按键来设定LED 不同的闪烁频率 Fi 和亮灯时间 Ti ， 以便符合实际需要。 此外如果用户对某一种模式感兴趣需要仔细观看该种亮灯模式，可以通过键盘选定任意第 Model_i 模式使系统循环重复工作在该花样模式下。第 2 节 新型 LED 彩灯硬件设计本节主要新型LED 彩灯系统的硬件构成及功能，包括AT89C2051 单片机及其引脚说明、电源、LED显示数码管、开关。2.1 系统的硬件构成及功能新型 LED 彩灯系统包括2 大部分， 即 LED 彩灯控制器 （ 89C51 主控模块） 和 LED 彩灯管（管 LED 板模块） 。前者是

8、主控模块，具有按键、显示等功能，并利用 89C51 的 P 口 输出控制信号； 后者是受控模块， 上面焊有三色LED 彩灯和信号驱动芯片， 模块置于 LED 的透明灯管。2.1.1 主控模块电路设计主控模块电路如图 1 所示。主控模块主要设计器件有89C51 ， 5 个七段码 LED 显示器， 8 个按键， 2 个稳压器 （提供 12 V ， 5 V 电压） ， 1 个信号输出驱动模块芯片 （MC4049） 等。通过软件设计，使单片机P0 口作为三色LED驱动信号输出口及移位时钟CLOCK信号，P3 口为按键输入口， P2 口、 P1 口与 5 位七段码 LED 相接作为显示器的输出口。2.1

9、.2 管 LED 板模块设计管 LED 板模块电路见图 2 。 管 LED 板模块设计主要器件有LED 彩灯 （红、 绿、 蓝） 、移位触发模块芯片 CD4076 等。根据实际应用彩灯长度需要，可将不同数量的该管LED 模块实现级连， 组成一个完整的 LED 彩灯。 考虑到功率损耗， LED 板模块之间接口处用信号正向驱动模块芯片 MC4049 连接。每个LED 板模块上均匀分布3 种颜色 LED 灯，在实际制作 PCB 时采用红、绿、蓝 3 色互隔焊接方式，在电路板上把LED 发光管按顺序L1（红）、L2（ 绿）、L3（蓝）、L4（ 红）、L5（绿）、L6（ 蓝）依次均匀焊在板上成一条直线。

10、为了得到更多的花样模式效果，可以使红绿 2 种灯从前往后驱动点亮闪烁，蓝灯从后往前驱动点亮闪烁，这样具有很好的动感视觉效果。2.2 AT89C2051单片机及其引脚说明AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是 8051单片机的简化版。部自带 2K 字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能 COMSI位微处理器，与Intel MCS-51系列单片 机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPUW闪速存储器结合在单个芯片中，因此， AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省 去了外部的RAM RO防口接口器件，减少了硬件开销，节省了成

11、本，提高了系统的性价比。AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即 P0、P2 口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。2.3 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个发光二极管卞成字型“ 8”的各个笔划（段）ag,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，

12、需外加限流电阻。LED数码管结构原理图：bcdLgdp高电平驱动 共阴极a b c defgdp低电平驱动共阳极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图3 AT89C2051引脚配置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

13、期时，所有I/O引脚复位至 T。XTAL1反向振荡放大器的输入及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P1.2P1.7提供部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片精确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 弓I脚P3.0P3.5与P3.7为7个带部上拉的双向I/O弓I脚。P3.

14、6在部已与片比较器 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勺灌电流；P3 口写 入“1”后，部上拉，可用输入。P3 口也可用作特殊功能口。第3节系统的软件设计3.1 软件设计新型LED彩灯控制器最大特点在于所有亮灯模式均由软件控制完成。系统中软件可以分为主程序和中断服务子程序。上电后在缺省状态以顺序调用Model_i花样亮灯模式流程为主程序，以一个单位时间5 ms的T0定时为中断服务子程序。在这个 5 ms的T0定时基础上，可以根据需要来确定各种模式工作时间Ti ,以及确定在各种亮灯模式Mode l_i点亮和熄灭各种颜色 LED灯的时刻：Red_on , R

15、ed_off , Green_on , Green_off , Blue_on , blue_off 以及Clock （移位翻转脉冲） 等。整个系统软件由主程序（Main ）、各个标式子程序（Model_i ）、5 ms中断服务子程序（T0 Interrupt）、键盘扫描处理子程序（Key Board ）、显示子程序（Display ）等程序组成。利用 T0定时器作为定时 基本单位，根据模式需要计算好各控制信号的发生时刻，根据不同的模式Mo del_i可以设定不同的工作时间 Ti和脉冲翻转频率 Fi通过P0 口输出，使各色L ED灯的驱动时刻与 移位触发的翻转时刻步调一致，使LED彩灯按照设计

16、的模式工作。除了 T0定时中断之外，程序的大部份时间是在处理按键的查询和LED显示的延时。8个按键分别为：4个参数按键（Fi增、减按键，Ti增、减按键），3个模式改变按键 （模式上翻UP、模式下翻DOWN、模式保持KEEP ） , 1个功能切换按键。在每次的T0定时中断服务子程序里，需要对各个时间寄存器和模式寄存器进行加1或者清，为主程序查询作准备，同时查询是否已中断6次（30 ms ），若30 ms到了，则对参数按键查询一次，是否有时间 Ti频率Fi增减键按下并进行相应子程序处理。主程序除了调用各种子模式子程序（Model_i ）,调用LED显示子程序（Display） 和延时子程序（Delay） 之外，还一直保持查询是否有功能切键按下以及是否有模式改变按键 按下，一旦有功能切换键和模式改变键按下，就会进入相应的按键处理。主程序流程如图3所示。亮灯模式子程序Model_i可以编写若干（n种），只要控制好各色灯触发和熄灭时刻就可以组合成各种亮灯效果。Model_i程序流程如图4所示。，厢1!仃二匕塞上nJ用寸Pmh；，嘎丸状总洗也用第 4 节 结语与市面上大多数的LED彩灯相比，该种彩灯具有更好的灯光装饰效果，性价比更高，与普通的全硬件LED彩灯相比具有更好的经济效益。应用主控模块输出的控制信号去控制灯管 的 L ED 板模块工作