基于51單片機的汽車用LED流水燈仿真設計

李 蔣

（江蘇聯合職業技術學院蘇州建設交通分院，江蘇 蘇州 215000）

LED燈作為新型綠色環保光源，因其節能環保、壽命長、經濟實惠等特點，在現代社會各個領域應用廣泛，其中LED流水燈由于其酷似流水般的顯示效果，在城市廣告、工控面板等諸多領域都有應用[1]。近年來LED流水燈在汽車工業領域應用尤為廣泛，主要有汽車前照燈、轉向信號指示燈、制動指示燈、后視鏡燈、儀表盤顯示燈、車內氛圍燈等場合。汽車LED流水燈不僅具備裝飾效果，還會承擔一些功能性作用，比如汽車后視鏡、前照燈、尾燈上的流水燈就具有轉向信號指示功能。

LED流水燈要想實現燈光顯示的流水效果，需要專門的控制系統，目前比較常見的主要有兩種方案，一種是采用數字集成電路（移位寄存器、十進制計數/譯碼器等）[2-3]，另外一種是采用單片機[4-5]。相對于數字集成電路，單片機具有體積小、功能強、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點，在實現LED燈流水顯示效果方面具有明顯的優越性。

本文采用STC（宏晶）公司的8位51單片機STC89C52RC為主控芯片，首先進行51單片機最小系統及8位LED硬件電路設計，然后利用Keil uVision5集成開發軟件進行C語言軟件編程設計，分別通過位輸出操作、移位操作及循環移位操作3種控制方案進行8位LED汽車流水燈顯示功能設計和仿真調試。

1 總體設計目標

流水燈顯示是指將多個LED燈組成的燈串按順序依次點亮，反復循環。本設計的首要目標是控制8個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，根據人眼的視覺暫留特性設定燈珠點亮時間間隔為200ms，按照D1~D8的順序逐次亮滅，產生流水顯示的效果，其工作過程如圖1所示。基于上述基礎設計，就能進一步實現正反向流水顯示、箭頭流水轉向顯示、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，為了防止在開機或工作中因干擾而使程序失控，或工作中程序運行陷入某種死循環狀態等，系統需要具備復位的功能。另外，為了方便設計程序的調試驗證，需要能夠下載目標程序到單片機中，即系統還應具備通過串口進行燒錄的功能。

2 硬件電路設計

本設計采用的STC89C 52RC是宏晶公司的增強型MCS-51單片機，是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器，可為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、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單片機的主要特性

單片機若要正常工作，首先必須要具備一個最簡單的系統組成，即單片機最小系統。對于51單片機，最小系統主要包括電源電路、時鐘電路、復位電路及燒錄電路等部分。為了簡化系統設計，減少系統開發工作量，由前述總體設計目標，本設計需要實現8個LED燈流水顯示效果，因此本設計的硬件電路主要包括兩個部分：單片機最小系統和8位LED電路。

2.1 單片機最小系統設計

本設計基于STC89C52RC的單片機最小系統包括USB供電電路、時鐘電路、復位電路及串口燒錄電路，如圖2所示。

圖2 基于STC89C52RC的單片機最小系統

2.1.1 USB供電電路

作為電子元器件，單片機也是需要供電的。而單片機供電有一個技術范圍，不同單片機的供電范圍不盡相同，需要查看相關的技術手冊才知道具體的供電范圍。對于STC89C52RC單片機，需要使用5V電源，本設計通過USB接口來獲取5V電源，同時采用一片電源穩壓芯片AMS1117，可輸出穩定的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，單片機承載不了過高的電壓，千萬不可以把單片機接到超標的電源電壓上，同時單片機正負極也要正確接上，否則容易燒壞單片機，嚴重的甚至可能發生爆炸。

2.1.2 時鐘電路

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

2.1.3 復位電路

當單片機工作過程中程序失控或者運行陷入死循環等故障狀態時，需要復位電路來讓整個電路恢復初始狀態。復位電路啟動的手段主要有：一是上電復位，即在給電路通電時立即進行復位操作；二是在必要時可以由按鍵手動操作復位；三是根據程序或者電路運行的需要自動進行復位。復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，上電時刻，電容沒有充電，兩端電壓為0，此時提供復位脈沖，電源不斷地給電容充電，直至電容兩端電壓為電源電壓，電路進入正常工作狀態。復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現，再復雜點就利用三極管等配合程序來實現。本設計電路采用按鍵復位，將一個10pF電容與一個10kΩ電阻串聯，復位按鍵并聯在電容兩端，一端接于電源VCC上，具體如圖2b所示。

2.1.4 串口燒錄電路

燒錄電路用于將計算機開發的軟件程序傳輸至單片機，實現計算機和單片機的通信。單片機燒錄電路通常采用典型的RS232串行接口，本設計是采用USB接口進行供電和燒錄程序的，因此燒錄電路采用了一片USB轉串口的轉接芯片CH340G，同時采用了一個12MHz的晶振和一些電阻、電容、穩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號引腳UD+與USB接口的D+端連接，CH340G的第6號引腳UD-與USB接口的D-端連接；CH340G的第2號引腳，即串口發射端TXD與STC89C52RC的P3.0口，即串口接收端RXD連接，CH340G的第3號引腳，即串口接收端RXD與STC89C52RC的P3.1口，即串口發射端TXD連接。

2.2 8位LED電路設計

STC89C52RC單片機擁有4個8位并行的I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。本設計采用獨立連接方式來控制LED燈，即每一個LED燈采用一個獨立的物理接口來控制。根據總體設計目標，需要控制8個LED燈工作，因此本設計采用了STC89C52RC單片機的P1.0～P1.7端口，具體電路如圖3所示。由圖3可見，8個LED為共陽極連接，每個LED陽極串聯一個限流電阻接于電源VCC上，若想使某一個LED燈亮，只需將它的陰極端變為低電平即可。例如，如果想點亮接在P1.0口的D1，那么只要使P1.0口的輸出電平變為低電平，LED的陽極電位大于陰極電位，二極管導通，LED發光。相反，如果想熄滅D1，就需要把P1.0口的輸出電平變為高電平，二極管截止。其他的7個LED燈的點亮和熄滅操作同理。

圖3 8位LED流水燈電路圖

3 軟件設計

Keil軟件是目前最流行的開發MCS-51系列單片機的軟件，它提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，并通過一個集成開發環境（uVision）將這些部分組合在一起。本文利用Keil uVision5集成開發環境進行8位LED流水燈的C語言軟件編程設計，軟件主要分為兩個部分：延時控制部分和流水控制部分。

3.1 延時控制及程序

本設計的要求是8個LED燈輪流點亮，一個LED燈點亮、熄滅后，另一個LED燈再點亮、熄滅。由于人眼的視覺存在暫留效應，即人眼在觀察物體時，光信號傳入大腦神經，由于視神經的反應滯后，物體的影像會停留一段時間，在這段時間內即使物體消失，視覺中的影像也不會立即消失。而單片機執行語句的速度是非?？斓?，在視覺暫留的影響下，程序執行時會使得我們從視覺上感覺所有LED燈均處于長亮狀態，無法看到輪流點亮的流水效果。因此，在軟件設計時必須要加入延時控制，以消除視覺暫留的影響。

單片機實現延時通常有兩種方法：一種是硬件延時，要用到定時器/計數器，這種方法可以提高CPU的工作效率，也能做到精確延時；另一種是軟件延時，這種方法主要采用循環體進行，程序實現方便。本設計選擇軟件延時，方法就是讓機器什么都不做，讓機器執行空指令，機器就會延時。具體做法就是首先將參數傳遞至for循環中，確定循環次數控制延時時間，在for循環體內再嵌套一個for循環以延長單個延時時間，通過設定總循環次數來控制延時時間，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即延時約xms毫秒

for（j=112；j＞0；j--）；//嵌套循環

}

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、移位操作及循環移位操作3種控制方案，本設計分別采用這3種控制方案進行8位LED汽車流水燈仿真設計。

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，采用順序程序結構，用位指令控制P1口每一位輸出高低電平，從而控制相應的LED燈的點亮熄滅。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； //定義低電平時燈亮，0為低電平，ON為燈亮

#define OFF 1； //定義高電平時燈滅，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，讓8個LED燈輪流點亮后，繼續循環點亮

{

LED0=ON； //點亮第一個LED燈D1

delay（200）； //延時200 ms

LED0=OFF； //熄滅第一個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語句的表達式用來描述循環的次數，即小燈的個數。在硬件電路中C51單片機的引腳輸出低電平時，燈亮；反之，燈熄。D1～D8循環亮的過程通過在for循環之中將對低點位進行移位指令來實現。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； //定義低電平時燈亮，0為低電平，ON為燈亮

#define OFF 1； //定義高電平時燈滅，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位賦值為二進制數1111 1110，即點亮D1

for（i=0；i＜8；i++）

{

delay（200）； //延時200 ms

P1＜＜=1； //將P1左移一位

P1=P1|0X01； //將P1與二進制數0000 0001進行位或

}

}

}

3.2.3 循環移位操作

在上述位輸出操作程序中是逐個控制P1端口的每一位來實現的，而在移位操作程序中是先將P1寄存器左移一位再進行一次位或運算，因此程序都略顯復雜。循環移位操作是在程序一開始就給P1口送一個數，這個數讓P1.0為低電平，其他位為高電平，然后延時一段時間，再讓這個數據向高位移動，然后再輸出至P1口，這樣就實現“流水”效果。循環移位操作流程見圖6。具體C程序如下所示，程序中用到了intrins.h庫函數中的循環左移指令_crol_，程序結構簡單了很多。

圖6 循環移位操作流程圖

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位賦值為二進制數1111 1110

while（1）

{

delay（200）； //延時200 ms

P1=_crol_（P1，1）； //循環左移函數，將P1寄存器內的數向左移1位

}

}

4 調試與驗證

應用Keil uVision5和STC-ISP軟件進行調試與驗證。啟動Keil開發環境，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文件燒錄到設計電路板中（圖7）。燒錄完成后，電路板上電，8個LED燈即呈現流水的效果。通過驗證可見，文中所述位輸出、移位及循環移位3種流水燈操作控制程序均能實現汽車LED流水燈效果，但是觀察程序復雜程度，明顯第3種操作，即循環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，需要安裝一個串口軟件，系統會分配一個串口號給電路板，STC-ISP軟件燒錄時需要正確配置。

圖7 STC-ISP燒錄軟件

5 結論

本文以宏晶公司的51單片機STC89C52RC為主控芯片，設計了8位LED流水燈的硬件電路，以及位輸出、移位及循環移位3種操作的C軟件程序，通過Keil和STC-ISP軟件進行調試和驗證，達到了預期的設計目標。本設計的硬件電路和軟件程序完全可應用于汽車LED流水燈的實現，并且可以通過修改文中代碼，進一步拓展汽車流水燈應用?；谏鲜龌A設計和驗證，通過各種燈珠形狀排列，就能進一步實現正、反向流水顯示，箭頭流水轉向顯示，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。