LED彩燈硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 國內(nèi)的一些主要城市大多使用傳統(tǒng)的單一循環(huán)式的彩燈控制器，但因?yàn)槠涔δ軉我唬速M(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，既不方便又不實(shí)用，有被淘汰的趨勢。取而代之的是新一代的單片機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的控制器，其選擇功能更多，人們已經(jīng)開始研究基于單片機(jī)、芯片處理技術(shù)方面的平面循環(huán)彩燈控制器，并且已有一些線路投入運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，主要包括控制模塊、LED模塊、鍵盤模塊組成。LED采用內(nèi)嵌紅、綠、藍(lán)三色燈，通過單片機(jī)進(jìn)行組合三色光得到七種不同顏色的光。設(shè)置四個(gè)按鍵，用戶可通過按鍵顏色選擇、閃爍頻率選擇、復(fù)位等操作。LED采用心形排列，開機(jī)后初始化為穩(wěn)定的紅色，用戶可通過按鍵進(jìn)行不同顏色和不同閃爍頻率。

關(guān)鍵詞： STC89C52單片機(jī) LED 鍵盤

LED彩燈與傳統(tǒng)的LED相比，色彩更豐富，能夠傳達(dá)出更多的信息。國內(nèi)的一些城市采用傳統(tǒng)的單一循環(huán)式的彩燈控制器，但因?yàn)槠涔δ軉我唬速M(fèi)高，又不方便實(shí)用而漸趨淘汰，取而代之的是新一代的單片機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的控制器，它更適合于在中小城市普遍推廣使用。

單片機(jī)，即將計(jì)算機(jī)的CPU，RAM，ROM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種輸入輸出接口集成在一塊芯片上，形成了芯片級的計(jì)算機(jī)。它擁有優(yōu)異的性價(jià)比、集成度高、體積小、可靠性高、控制功能強(qiáng)、低電壓、低功耗的顯著優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用于智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、機(jī)電一體化和消費(fèi)電子類產(chǎn)品等方面，并且取得了顯著的成果。本設(shè)計(jì)將使用單片機(jī)對LED控制實(shí)例化，設(shè)計(jì)一個(gè)32顆LED組成心行形狀，核心控制器給出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)對32只高亮LED進(jìn)行控制。顏色顯示采用的是內(nèi)嵌三種顏色的LED進(jìn)行不同的組合得到不同的顏色，如綠色和紅色組合可以得到藍(lán)色等。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于STC89C52單片機(jī)的LED彩燈控制設(shè)計(jì)。硬件電路設(shè)計(jì)包括基于STC89C52單片機(jī)的最小核心控制系統(tǒng)電路、LED彩燈模塊、鍵盤電路和電源電路。軟件設(shè)計(jì)主要包括LED彩燈的控制、鍵盤對LED顏色和頻率的控制。最終將兩者合并調(diào)試，完成最終的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)將外接的5V直流系統(tǒng)供電，通過單片機(jī)軟件編程對LED和鍵盤實(shí)施控制以完成各種色彩變化。

2.單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)能夠正常工作的最基本的電路由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成。復(fù)位電路：確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過程。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用上電自動(dòng)復(fù)位。時(shí)鐘電路由一個(gè)晶振和兩個(gè)小電容組成，用來產(chǎn)生時(shí)鐘頻率。STC89C52單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩器電路的輸入端和輸出端，時(shí)鐘可由內(nèi)部和外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。系統(tǒng)采用的定時(shí)元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率選擇11.0592MHz，電容值取30PF，電容的大小頻率起微調(diào)的作用。STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.電源模塊電路

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中的電源模塊使用LM7805芯片作為穩(wěn)壓核心，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5V直流電源，保證系統(tǒng)正常順利地運(yùn)行。電源模塊電路原理圖如圖2所示：

圖2 電源模塊電路原理圖

4.LED顯示電路

流水燈采用的是發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode），簡稱LED，是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件，具有體積小、耗電低的優(yōu)點(diǎn)，常被用作微型計(jì)算機(jī)與數(shù)字電路的輸出裝置。當(dāng)LED兩端加上一定的正向電壓，使之流過一定的工作電流就會(huì)發(fā)光，其亮度隨流過的電流的增加而增加，但電流過大LED的壽命也將縮短。普通LED正向電流一般為5～20mA。由于51的I/O是弱上拉的方式，在輸出高電平時(shí)，只能輸出幾十微安的電流，而在輸出低電平時(shí)，I/O最大可以輸入幾十毫安的電流。所以，通常采用灌電流的方式，即電流從電源經(jīng)LED流向I/O口。為了不因流過LED的電流太大而把它燒壞，必須串上限流電阻R，當(dāng)P0和P2口輸出高電平（+5V）時(shí)，LED兩端沒有電壓降，所以熄滅；當(dāng)P0和P2口輸出低電平（即P0/P2=0）時(shí)，LED正向?qū)òl(fā)光。此時(shí)LED兩端電壓約為1.7V，則限流電阻R兩端將存在3.3V（即5-1.7=3.3V）。因STC89C52單個(gè)I/O口的輸入電流不能超過10mA；P0口的輸入電流總和不能超過26mA；P1、P2、P3的輸入電流總和不能超過15mA；所有I/O口的輸入電流總和不能超過71mA。由色度學(xué)原理可知，如果將紅、綠、藍(lán)三原色按照一定比例混合，則在適當(dāng)?shù)娜炼缺鹊慕M合下，理論上就可以獲得無數(shù)種顏色，這時(shí)就可以用3種發(fā)光波長的LED通過點(diǎn)亮和電流控制實(shí)現(xiàn)色彩的調(diào)控，即調(diào)色。下表是這一電路的邏輯真值表。

B（藍(lán)色） G（綠色） R（紅色） 色 彩 顯 示

1 1 1 復(fù)位 0 1 1 藍(lán)色

1 1 0 紅色 0 1 0 紫色

1 0 1 綠色 0 0 1 青色

1 0 0 黃色 0 0 0 白色

LED電路如圖3所示。

圖3 LED模塊電路原理圖

5.鍵盤電路

圖4 鍵盤模塊電路原理圖

本設(shè)計(jì)采用四個(gè)按鍵控制不同的顯示效果，開機(jī)后呈現(xiàn)不同色，按鍵A用于切換LED的不同顏色，按鍵B控制LED的頻率，由穩(wěn)定到100ms閃爍到500ms閃爍到1s閃爍。按鍵C控制不同區(qū)域的LED發(fā)光；按鍵D，使其LED每一秒成不同顏色切換點(diǎn)亮。電路如圖4所示。

6.結(jié)語

本設(shè)計(jì)制作的基于51單片機(jī)控制的LED彩燈系統(tǒng)在多次測試修改之后，最終實(shí)現(xiàn)了對32只高亮LED彩燈控制的功能，并且系統(tǒng)功能穩(wěn)定。此外設(shè)計(jì)中留有很大的擴(kuò)展空間，如：控制多樣化，顏色顯示更豐富，LED燈亮度的調(diào)節(jié)等，推向市場后便于升級開發(fā)。因此基于51單片機(jī)控制的LED彩燈系統(tǒng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場前景。

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