基于单片机的流水灯设计讲义

黄河科技学院LED流水灯的设置LED流水灯的设计引言发光二极管(LED)，是一种把电能变成光能的特种器件，主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。

当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态，当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。

当在PN结上加以正向电压之后，P区的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些多数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。

它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。

LED大约是在80年代中期开始在电子显示屏中使用的。

进入90年代以后，由于半导体工业的迅猛发展，带动了LED制造材料和工艺的改进，在颜色与亮度方面都有了质的飞跃。

早期的LED显示屏，由于受材料和工艺的限制，视角仅有200-300左右，从而制约了LED显示屏的发展。

在分辨率方而，由于受当时数字技术、集成电路技术和控制技术等技术的限制，很难作出高密度的LED显示屏。

今后随着半导体工业的不断发展，无论是材料，还是加工工艺，都会不断地提高，LED显示屏在颜色、视角、亮度、密度、寿命等方面也会逐步完善，价格也会进一步降低。

目前LED产业大多以2英寸或4英寸的蓝宝石基板为主，如能采用硅基氮化镓技术，至少可节省75%的原料成本。

据日本三垦电气公司估计，使用硅衬底制作大尺寸蓝光氮化镓LED的制造成本将比蓝宝石衬底和碳化硅衬底低90%。

国内外芯片技术差异很大，在国外，欧司朗、美国普瑞、日本三垦等一流企业已经在大尺寸硅衬底氮化镓基LED研究上取得突破，飞利浦、韩国三星、LG、日本东芝等国际LED巨头也掀起了一股硅衬底上氮化镓基LED的研究热潮。

其中，在2011年，美国普瑞在8英寸硅衬底上研发出高光效氮化镓基LED，取得了与蓝宝石及碳化硅衬底上顶尖水平的LED器件性能相媲美的发光效率160lm/W;在2012年，欧司朗成功生产出6英寸硅衬底氮化镓基LED。

反观中国内地，LED芯片企业技术的突破点主要还是提高产能和大尺寸蓝宝石晶体生长技术，除了晶能光电在2011年成功实现2英寸硅衬底氮化镓基大功率LED芯片的量产外，中国芯片企业在硅衬底氮化镓基LED研究上无大的突破，目前中国内地LED芯片企业还是主攻产能、蓝宝石衬底材料及晶圆生长技术，三安光电、德豪润达、同方股份等内地芯片巨头也大多在产能上取得突破。

当今我们随处可见各种形形色色的LED灯，有室内和马路上的照明灯，也有点缀在高楼大厦上彩色绚丽的霓虹灯，还有各种别致动态的广告灯等。

那么小小的LED灯究竟是如何进行动态转换的呢？为此我小组特设计了三种简易的方案来实现LED流水灯的转换，来揭开它神秘的面纱。

其三种方案如下：方案一基于AT89C51单片机设计当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。

单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。

本方案是利用AT89C51单片机自制了一款简易的流水灯，其设计如下：1、硬件组成按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统及典型系统等。

AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，具有丰富的内部资源：4kB闪存、128BRAM、32根I/O口线、2个16位定时/计数器、5个向量两级中断结构、2个全双工的串行口，具有4.25～5.50V的电压工作范围和0～24MHz工作频率，使用AT89C51单片机时无须外扩存储器。

因此，本流水灯实际上就是一个带有八个发光二极管的单片机最小应用系统，即为由发光二极管、晶振、复位、电源等电路和必要的软件组成的单个单片机。

其具体硬件组成如图1所示。

图1 流水灯硬件原理图从原理图中可以看出，如果要让接在P1.0口的LED1亮起来，那么只要把P1.0口的电平变为低电平就可以了;相反，如果要接在P1.0口的LED1熄灭，就要把P1.0口的电平变为高电平;同理，接在P1.1～P1.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。

因此，要实现流水灯功能，我们只要将发光二极管LED1～LED8依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗的做流水灯了。

在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到“流水”效果了。

2、软件编程#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charvoid delay(uint i){uchar t;while(1--) for(t=0;t<120;t++);}}void main(){P1=0xfe;while(1){delay(500);P1=-crol-(P1,1);}}3、说明当上述程序之一编写好以后，我们需要使用编译软件对其编译，得到单片机所能识别的二进制代码，然后再用编程器将二进制代码烧写到AT89C51单片机中，最后连接好电路通电，我们就看到LED1～LED8的“流水”效果了方案二基于数字电路设计本方案设计通过NE555产生脉冲信号，74LS161组成8进制计数器，74LS138进行译码，通过三极管的带负载能力，点亮发光二极管。

其设计如下：1、工作时钟源设计采用555定时器接成的多谐振荡器。

555定时器是多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器，使用灵活，方便。

555定时器在波形产生和交换，测量与控制中应用广泛成熟准确。

555定时器接成的多谐振荡器产生的时钟信号驱动能力较强，555通过改变R和C的参数就可以改变振荡频率，电路参数容易确定，使用简单，信号稳定，调试方便，而三极管多谐振荡器，不易调试，输出信号驱动能力不强且信号不够稳定，故选用555定时器接成的多谐振荡器作为系统的时钟源。

2、流水灯驱动电路设计本方案中使用1片4位同步二进制计数器74LS161，其Q0,Q1,Q2脚输出三位二进制顺序脉冲000-001-010-011-100-101-110-111，时钟源为555定时器的输出方波。

与Q0,Q1,Q2相连接的是一片38译码器74LS138的A0，A1，A2引脚，Y0—Y7依次输出负脉冲。

其是引脚输入脉冲为时钟源为555定时器的输出方波经一片74LS14反相器反相后的时钟脉冲，其74LS138真值表如下：3、电路结构图其具体硬件组成如图2所示图2 电路组成原理图方案三基于PLC的设计PLC即可编程控制器：是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

1、设计原理根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载使LED逐一点亮。

2、设计电路图其具体硬件组成如图3所示图3 电路组成原理图2软件编程ORG0000HAJMP STARTORG 0030HSTART：MOV SP，#60HMOVP A，#0FEHMOV P1，AMOV R0，#7LOOP： RLMOV P1，AACALL DELAYDJNZ R0，LOOPAJMP STARTDELAY：；MOV R0，#255D1： MOV R1，#255DJNZ R1，$DJNZ R0，D1RETEND3、PLC程序指令简单说明MOVP指令。

MOVP指令是如果前面的条件满足后只执行一周期，只在前面的状态为１的瞬间传送一次。

使用MOVP将每一组变化状态的十六进制的数送到输入元件里，让每一组灯随着变幻灯随着变化周期执行下去。

M8013是通（亮）0.5S断（灭）0.5S也就是周期为1S。

M012同理其周期为0.1S 比M8013的频率快十陪，让我们更能看到流水灯的流动美感。

INC/INCP是将某一目标元件的值加1之后，在存回目标元件中。

为了不使加1持续进行，因此通常使用P。

方案对比总结方案一采用AT89S51单片机来控制LED灯亮灭，实现LED逐一循环点亮，电路结构简单，元器件少，比较容易实现。

方案二采用数字电路来实现LED亮灭，需要使用多谐振荡器及译码器，电路时钟频率调节不精准，且电路结构复杂。

方案三采用PLC控制器来实现控制，电路结构简单，操作简便，但PLC芯片价格昂贵且能耗大。

基于此，我组决定采用方案一来实现对LED流水灯的控制。

附录方案一元器件列表编号名称规格数量1 电源+5V 1 个2 电阻110Ω8 个1K 1 个10K 1 个3 LED 8 个4 普通电容30PF 2 个极型电容10UF 1 个5 晶振20MHz 1 个6 单片机AT89S51 1 个7 开关单刀开关 1 个。