基于單片機的流水燈電路設(shè)計

前面一課掌握了嵌入式程序源代碼級調(diào)試，為復(fù)雜單片機實驗程序的調(diào)試做好了準備工作。本次實驗完成流水燈電路模型設(shè)計和編程，在實驗過程中，學習流水燈電路設(shè)計、編寫延遲函數(shù)、循環(huán)移位宏定義。

流水燈電路設(shè)計

本次實驗設(shè)計要求通過單片機P0口實現(xiàn)流水燈控制電路，P0口8個端口外接8個LED，每個LED串聯(lián)一個200歐姆的限流電阻，8個限流電阻的公共端接5V直流電源。電路設(shè)計如下圖所示：

8個LED正極端通過串聯(lián)電阻接5V直流電源，負極端接P0端口，只要給P0端口一個低電平，就可以點亮LED，若需要熄滅LED，需要給P0端口一個高電平，要實現(xiàn)LED流水燈功能，只要將8個LED依次點亮、熄滅即可。

編寫時間延遲函數(shù)

流水燈電路要求LED依次點亮，每個LED要持續(xù)亮一段時間后熄滅。用程序來控制LED的點亮和熄滅，只需要將與LED連接的端口寫入低電平或高電平即可，代碼如下：

#include
void main()
{
       P0 = 0xFF;
    P0 = 0xFD;
}

上述代碼第1條語句將P0第0位寫入低電平，與第0位連接的lED被點亮，第2條語句將第0位寫入高電平，與第0位連接的lED熄滅。兩條語句連續(xù)執(zhí)行，每條語句的執(zhí)行時間非常短，也就十幾微秒，LED點亮后很快被熄滅，人們通過眼睛感覺不到LED被點亮。因此需要在第1條語句和第2條語句之間進行時間延遲，延遲一段時間后再執(zhí)行第2條語句。

如何用軟件來模擬延時時間呢？在設(shè)計的電路模型中，51單片機的時鐘頻率是12MHZ，一個時鐘周期約0.08微秒，一個機器周期由12個時鐘周期構(gòu)成，一個機器周期約1微秒，51單片機執(zhí)行一個指令的時間是機器周期的倍數(shù)，若使用for循環(huán)語句來實現(xiàn)時間延遲，一條基本的for循環(huán)語句執(zhí)行時間大約為8微秒，若延遲500毫秒，大約需要執(zhí)行500*120次循環(huán)。

// 時間延遲函數(shù)
void delay(unsigned int millisecond)
{
       unsigned int i,j;
       for(i=millisecond;i >0;i--)
              for(j=120;j >0;j--);
}

delay()函數(shù)延遲millisecond毫秒，函數(shù)使用for嵌套循環(huán)，外層for循環(huán)用于控制延遲的毫秒數(shù)，內(nèi)層for循環(huán)用于控制1毫秒執(zhí)行的語句次數(shù)。

循環(huán)移位

流水燈需要在每個時間間隔內(nèi)只有一個LED點亮，其余LED均為熄滅狀態(tài)，流水燈可以通過循環(huán)左移實現(xiàn)。循環(huán)左移是將操作數(shù)的二進制位按1位進行循環(huán)左移，移出的位并不會丟失，而是被后續(xù)移動的位填充。

P0默認值為0xFE，P0第0位的LED被點亮，其它位熄滅；延遲一段時間后，P0循環(huán)左移1位，其值為0xFD，P0第1位LED被點亮，其它位熄滅；延遲一段時間后，P0循環(huán)左移1位，其值為0xFB，P0第2位LED被點亮，其它位熄滅；以此類推，P0不斷循環(huán)左移1位，從而實現(xiàn)了流水燈控制。

C語言并沒有提供循環(huán)左移或循環(huán)右移的運算功能，需要開發(fā)者自己編程實現(xiàn)。

循環(huán)左移位的具體算法如上圖所示：value為操作數(shù)，其值為0xFE，先將value左移1位，賦值給變量a，其值為0xFC，然后將value右移7位，賦值給變量b，其值為0X1，最后計算a|b，計算結(jié)果為value循環(huán)左移1位，并將計算結(jié)果賦值為value。

流水燈算法實現(xiàn)代碼如下：

void main()
{
    unsigned char value=0xfe,a,b;
       unsigned char count = 0;
       while(1)
       {
             
              P0 = value;
              delay(5000);
              a = value < < 1;
              b = value > > 7;
              value = a | b;
              count += 1;
              if( count >= 8 )
              {
                     value = 0xfe;
                     count = 0;
              }
       }
      
}

算法通過while循環(huán)實現(xiàn)流水燈控制，在循環(huán)內(nèi)部，變量value賦值給P0，點亮第0位的LED，其它位的LED為熄滅狀態(tài)，然后調(diào)用delay()函數(shù)延遲5000毫秒，value循環(huán)左移1位，在下輪循環(huán)中，點亮第1位的LED，其它位的LED為熄滅狀態(tài)，以此類推……。

count為計數(shù)變量，當流水燈循環(huán)點亮一次后，將value重新賦值為0xFE，并將conunt清零。

考慮到循環(huán)移位是經(jīng)常使用的操作，可以將循環(huán)左移位操作定義為宏，在代碼中直接調(diào)用宏就可以了。

循環(huán)左移位的宏定義：

#define ROTATE_LEFT(x) ((x) << 1) | ((x) >> 7 )

完整C程序代碼如下：

#include
#define ROTATE_LEFT(x) ((x) < < 1) | ((x) > > 7 )
void delay(unsigned int millisecond)
{
       unsigned int i,j;
       for(i=millisecond;i >0;i--)
              for(j=120;j >0;j--);
}
void main()
{
    unsigned char value=0xfe,count=0;
       while(1)
       {
              P0 = value;
              delay(5000);
              value = ROTATE_LEFT(value);
              count += 1;
              if( count >= 8 )
              {
                     value = 0xfe;
                     count = 0;
              }
       }
      
}

實驗小結(jié)

通過這次實驗，掌握了流水燈的電路模型設(shè)計和編程，流水燈電路模型比較簡單，單片機通過I/O口的8個端口來控制8個LED的點亮和熄滅。流水燈的控制通過編程實現(xiàn)，編程主要涉及到時間延遲函數(shù)和循環(huán)左移位宏定義，時間延遲函數(shù)用于控制間LED點亮和熄滅的隔時間，循環(huán)左移位用于控制I/O口循環(huán)輸出高電平和低電平。