基于AT89C51單片機的LED彩燈控制器設計

1引言
　　隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。LED彩燈由于其豐 富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單等特點而得到了廣泛的應用，用 彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時尚。但目前市場上各式樣的LED彩燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實現(xiàn)，電路結構復雜、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)不同場合、不同時間段的需要來調節(jié)亮燈時間、模式、閃爍頻率等動態(tài) 參數(shù)。這種彩燈控制器結構往往有芯片過多、電路復雜、功率損耗大等缺點。此外從功能效果上看，亮燈模式少而且樣式單調，缺乏用戶可操作性，影響亮燈效果。因此有必要對現(xiàn)有的彩燈控制器進行改進。

　　本文提出了一種基于AT89C51單片機的彩燈控制方案，實現(xiàn)對LED彩燈的控制。本方案以AT89C51單片機作為主控核心，與鍵盤、顯示、驅動等模塊組成核心主控制模塊。在主控模塊上設有8個按鍵和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，利用其內部定時器T0實現(xiàn)一個基本單位時間為5 ms的定時中斷，根據(jù)各種亮燈時間的不同需要，在不同時刻輸出燈亮或燈滅的控制信號，然后驅動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)品實際應用效果較好，亮燈模式多，用戶可以根據(jù)不同場合和時間來調節(jié)亮燈頻率和亮燈時間。與普通LED彩燈相比，具有體積小、價格低、低能耗等優(yōu)點。?

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)過開關電源變換，輸出直流工作電壓，一方面為管內LED模塊提供12 V工作電源，另一方面為主控模塊單片機系統(tǒng)（彩燈控制器）提供5 V工作電源。整個系統(tǒng)工作由軟件程序控制運行，根據(jù)需要，用戶可以在LED彩燈工作時通過主控模塊上的按鍵來設定亮燈時間和燈光閃動頻率。

　　上電后系統(tǒng)經(jīng)過初始化，查詢是否有功能切換鍵按下：有，則進入用戶設定模式狀態(tài)；無，則進入默認缺省工作狀態(tài)。在用戶設定模式狀態(tài)下，用戶可以根據(jù)個人愛好及不同場合的需要來指定調用哪些模式，并且可以改變每種模式的時間Ti、頻率Fi參數(shù)，如果用戶想進入缺省狀態(tài)模式，只需按一下功能切換鍵即可跳入缺省模式，程序會自動順序調用亮燈模式；在缺省工作狀態(tài)下，LED彩燈控制器按照程序設定好的若干亮燈花樣模式程序Model_i順序調用往下走，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，同樣如果想進入用戶設定模式狀態(tài)，只需按下功能切換鍵即可。整個n種亮燈模式時間可以看作一個大周期T，其中的每一種花樣工作模式Model_i（i=1，2，…，n）時間為小周期Ti，對于每一個模式編寫一個獨立工作子程序Model_i，其中設定了LED三色燈（紅、綠、藍）的點亮時刻（RED_on，GREEN_on，BLUE_on）和熄滅時刻（RED_off，GREEN_off，BLU E_off)，以及模式工作時間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）顯示當前工作模式的序號Model_i；后3位（L3，L4，L5）七段碼 顯示三色LED的工作狀態(tài)，若該顏色燈點亮則對應七段碼顯示位為“1”，反之熄滅時則顯示位為“滅”即不顯示，對系統(tǒng)工作狀態(tài)起到了很好的實時監(jiān)控作用。

　　因此在LED彩燈上電工作后，用戶可以方便地通過主控模塊上的顯示器知道LED彩燈當前工作模式Model_i，工作時間Ti，頻率Fi等實時參數(shù)。若實際應用需要根據(jù)不同場合和時間來改變彩燈閃亮效果，用戶可以通過主控模塊上的按鍵來設定LED不同的閃爍頻率Fi和亮燈時間Ti，以便符合實際需要。此外如果用戶對某一種模式感興趣需要仔細觀看該種亮燈模式，可以通過鍵盤選定任意第Model_i模式使系統(tǒng)循環(huán)重復工作在該花樣模式下。?

3硬件設計
　　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；后者是受控模塊，上面焊有三色LED彩燈和信號驅動芯片，模塊置于LED的透明燈管內。

3.1主控模塊電路設計
　　主控模塊電路如圖1所示。主控模塊主要設計器件有89C51，5個七段碼LED顯示器，8個按鍵，2個穩(wěn)壓器（提供12 V，5 V電壓），1個信號輸出驅動模塊芯片(MC4049)等。通過軟件設計，使單片機P0口作為三色LED驅動信號輸出口及移位時鐘CLOCK信號，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LED板模塊設計
　　管內LED板模塊電路見圖2。管內LED板模塊設計主要器件有LED彩燈（紅、綠、藍）、移位觸發(fā)模塊芯片CD4076等。根據(jù)實際應用彩燈長度需要，可將不同數(shù)量的該管內LED模塊實現(xiàn)級連，組成一個完整的LED彩燈?？紤]到功率損耗，LED板模塊之間接口處用信號正向驅動模塊芯片MC4049連接。每個LED板模塊上均勻分布3種顏色 LED燈，在實際制作PCB時采用紅、綠、藍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)、L4(紅)、L5(綠)、L6(藍)……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種燈從前往后驅動點亮閃爍，藍燈從后往前驅動點亮閃爍，這樣具有很好的動感視覺效果。

4軟件設計
　　新型LED彩燈控制器最大特點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子程序。上電后在缺省狀態(tài)以順序調用Model_i花樣亮燈模式流程為主程序，以一個單位時間5 ms的T0定時為中斷服務子程序。在這個5 ms的T0定時基礎上，可以根據(jù)需要來確定各種模式工作時間Ti，以及確定在各種亮燈模式Mode l_i內點亮和熄滅各種顏色LED燈的時刻：Red_on，Red_off，Green_on，Green_off，Blue_on，blue_off以及Clock（移位翻轉脈沖）等。整個系統(tǒng)軟件由主程序（ Main）、各個模式子程序（Model_i）、5 ms中斷服務子程序(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定時器作為定時基本單位，根據(jù)模式需要計算好各控制信號的發(fā)生時刻，根據(jù)不同的模式Mo del_i可以設定不同的工作時間Ti和脈沖翻轉頻率Fi通過P0口輸出，使各色L ED燈的驅動時刻與移位觸發(fā)的翻轉時刻步調一致，使LED彩燈按照設計的模式工作。

　　除了T0定時中斷之外，程序的大部份時間是在處理按鍵的查詢和LED顯示的延時。8個按鍵分別為：4個參數(shù)按鍵（Fi增、減按鍵，Ti增、減按鍵），3個模式改變按鍵（模式上翻UP、模式下翻DOWN、模式保持KEEP），1個功能切換按鍵。在每次的T0定時中斷服務子程序里，需要對各個時間寄存器和模式寄存器進行加1或者清，為主程序查詢作準備，同時查詢是否已中斷6次（30 ms），若30 ms到了，則對參數(shù)按鍵查詢一次，是否有時間Ti頻率Fi增減鍵按下并進行相應子程序處理。

　　主程序除了調用各種子模式子程序（Model_i），調用LED顯示子程序(Display)和延時子程序(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，就會進入相應的按鍵處理。? 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結語
　　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，性價比更高，與普通的全硬件LED彩燈相比具有更好的經(jīng)濟效益。應用主控模塊輸出的控制信號去控制燈管內的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。由于控制程序存儲在89C51單片機 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

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