基于AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易流水燈設(shè)計(jì)方案

引言

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，流水燈是一個(gè)基礎(chǔ)且經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，它能夠幫助初學(xué)者理解單片機(jī)的基本操作、I/O口控制以及簡(jiǎn)單的編程邏輯。本文將以AT89C51單片機(jī)為核心，詳細(xì)介紹如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易的流水燈系統(tǒng)。AT89C51單片機(jī)因其低成本、高性能和廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，成為許多嵌入式項(xiàng)目的首選主控芯片。

一、主控芯片介紹

1.1 AT89C51單片機(jī)概述

AT89C51是ATMEL公司生產(chǎn)的一款低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，它集成了4KB的Flash可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM），并支持1000次寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年。這款單片機(jī)擁有強(qiáng)大的內(nèi)部資源，包括128字節(jié)RAM、32個(gè)可編程I/O口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、2個(gè)全雙工串行通信口等。其工作電壓范圍為4.25V至5.5V，最大工作頻率可達(dá)24MHz，非常適合用于各種嵌入式控制系統(tǒng)。

1.2 AT89C51在設(shè)計(jì)中的作用

在流水燈系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)作為核心控制單元，負(fù)責(zé)接收用戶指令（盡管在簡(jiǎn)單的流水燈系統(tǒng)中可能沒(méi)有直接的用戶指令輸入，但程序流程本身即為“指令”的體現(xiàn)）、控制各I/O口的電平狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)延時(shí)等功能。通過(guò)編程，單片機(jī)能夠控制連接在P1口的8個(gè)LED燈依次點(diǎn)亮，形成流水效果。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于AT89C51的流水燈系統(tǒng)首先需要一個(gè)最小系統(tǒng)，包括單片機(jī)本身、電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。

• 電源電路：為單片機(jī)提供穩(wěn)定的工作電壓，通常為5V。

• 復(fù)位電路：在單片機(jī)上電或復(fù)位按鍵被按下時(shí)，將單片機(jī)內(nèi)部各寄存器恢復(fù)到初始狀態(tài)，確保系統(tǒng)從已知狀態(tài)開始運(yùn)行。

• 時(shí)鐘電路：為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)按照預(yù)定頻率執(zhí)行指令。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)振蕩器，外部只需連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可構(gòu)成時(shí)鐘電路。

2.2 發(fā)光二極管電路

流水燈系統(tǒng)的核心部分是發(fā)光二極管（LED）電路。在本設(shè)計(jì)中，我們采用8個(gè)LED燈，分別連接在AT89C51單片機(jī)的P1口的8個(gè)引腳上。LED燈的正極通過(guò)限流電阻連接到單片機(jī)的相應(yīng)引腳，負(fù)極則統(tǒng)一接地。限流電阻的作用是限制通過(guò)LED的電流，防止其因電流過(guò)大而損壞。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 編程環(huán)境介紹

AT89C51單片機(jī)通常使用Keil C51作為編程環(huán)境，這是一款專為51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），支持C語(yǔ)言編程，方便用戶編寫、調(diào)試和下載程序。

3.2 流水燈控制程序設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)流水燈的關(guān)鍵在于通過(guò)編程控制P1口的電平狀態(tài)，使LED燈依次點(diǎn)亮。以下是幾種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方法：

3.2.1 順序點(diǎn)亮法

這種方法通過(guò)順序改變P1口的每一位的值，使對(duì)應(yīng)的LED燈依次點(diǎn)亮。程序示例如下：

#include <reg51.h>  
  
void delay(unsigned int ms) {  
    unsigned int i, j;  
    for (i = 0; i < ms; i++)  
        for (j = 0; j < 120; j++); // 延時(shí)大約1ms（具體值需根據(jù)晶振頻率調(diào)整）  
}  
  
void main() {  
    while (1) {  
        P1 = 0xFE; // 點(diǎn)亮第一個(gè)LED  
        delay(500); // 延時(shí)  
        P1 = 0xFD; // 點(diǎn)亮第二個(gè)LED  
        delay(500);  
        // 依此類推，點(diǎn)亮所有LED  
        P1 = 0xFB;  
        delay(500);  
        P1 = 0xF7;  
        delay(500);  
        P1 = 0xEF;  
        delay(500);  
        P1 = 0xDF;  
        delay(500);  
        P1 = 0xBF;  
        delay(500);  
        P1 = 0x7F;  
        delay(500);  
    }  
}

3.2.2 循環(huán)移位法

這種方法利用單片機(jī)的循環(huán)移位指令（如RL 或 RRC 等，但考慮到AT89C51并沒(méi)有直接的硬件循環(huán)移位指令，我們可以通過(guò)軟件模擬實(shí)現(xiàn)）或簡(jiǎn)單地通過(guò)位移操作符來(lái)依次點(diǎn)亮LED。以下是一個(gè)使用位移操作符的示例：

復(fù)制代碼

#include <reg51.h>  



void delay(unsigned int ms) {

unsigned int i, j;

for (i = 0; i < ms; i++)

for (j = 0; j < 120; j++); // 延時(shí)函數(shù)，具體值需根據(jù)晶振頻率調(diào)整  

}



void main() {

unsigned char led_pattern = 0x01; // 初始狀態(tài)，只有第一個(gè)LED亮  

while (1) {

P1 = ~led_pattern; // 假設(shè)LED接在P1口，低電平點(diǎn)亮，因此需要取反  

delay(500); // 延時(shí)  

led_pattern = (led_pattern << 1) | (led_pattern >> 7); // 循環(huán)左移，并處理最高位  

// 或者更簡(jiǎn)單地，如果不考慮反向流動(dòng)，僅左移即可：led_pattern = led_pattern << 1;  

// 如果需要反向流動(dòng)，可以在到達(dá)最后一個(gè)LED后重新設(shè)置led_pattern  

if (led_pattern == 0) led_pattern = 0x01; // 如果所有LED都熄滅，重新開始  

}

}

注意：上面的代碼中使用了~操作符來(lái)取反led_pattern的值，這是因?yàn)橥ǔED燈是低電平點(diǎn)亮（即當(dāng)對(duì)應(yīng)的I/O口輸出低電平時(shí)LED亮）。如果你的LED是高電平點(diǎn)亮，那么應(yīng)該去掉~操作符。

另外，上面的led_pattern = (led_pattern << 1) | (led_pattern >> 7);是一個(gè)循環(huán)移位操作，但它實(shí)際上是為了在一個(gè)簡(jiǎn)單的流水燈示例中模擬LED反向流動(dòng)的效果（雖然在這個(gè)場(chǎng)景下并不完全必要，因?yàn)槲覀兛梢院?jiǎn)單地通過(guò)改變位移方向來(lái)實(shí)現(xiàn)）。如果你不需要LED反向流動(dòng)，只需要它們從左到右依次點(diǎn)亮，那么可以簡(jiǎn)化為led_pattern = led_pattern << 1;，并在達(dá)到所有LED都熄滅（即led_pattern == 0x00）時(shí)，重新設(shè)置為led_pattern = 0x01;以開始新一輪的流水。

四、調(diào)試與測(cè)試

完成硬件連接和軟件編程后，接下來(lái)是調(diào)試和測(cè)試階段。這通常包括：

1. 檢查硬件連接：確保所有LED都正確連接到單片機(jī)的P1口，且限流電阻的阻值選擇適當(dāng)。

2. 編譯程序：在Keil C51中編譯你的程序，確保沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤。

3. 下載程序：使用編程器（如ISP下載器）將編譯好的程序下載到單片機(jī)中。

4. 觀察現(xiàn)象：給單片機(jī)上電，觀察LED燈是否按照預(yù)期依次點(diǎn)亮，形成流水效果。

5. 調(diào)整與優(yōu)化：根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整延時(shí)函數(shù)中的循環(huán)次數(shù)，以達(dá)到最佳的視覺(jué)效果。

五、結(jié)論

通過(guò)以上步驟，我們成功實(shí)現(xiàn)了基于AT89C51單片機(jī)的簡(jiǎn)易流水燈系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)不僅展示了單片機(jī)的基本I/O口控制能力，還涉及了基本的編程邏輯和延時(shí)控制。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很好的入門項(xiàng)目，有助于理解單片機(jī)的工作原理和編程方法。隨著對(duì)單片機(jī)技術(shù)的深入學(xué)習(xí)，你可以進(jìn)一步擴(kuò)展這個(gè)系統(tǒng)，增加更多的功能，如使用中斷控制流水燈的速度、加入按鍵控制流水方向等。