基于单片机的流水灯电路设计

前面一课掌握了嵌入式程序源代码级调试，为复杂单片机实验程序的调试做好了准备工作。本次实验完成流水灯电路模型设计和编程，在实验过程中，学习流水灯电路设计、编写延迟函数、循环移位宏定义。

流水灯电路设计

本次实验设计要求通过单片机P0口实现流水灯控制电路，P0口8个端口外接8个LED，每个LED串联一个200欧姆的限流电阻，8个限流电阻的公共端接5V直流电源。电路设计如下图所示：

8个LED正极端通过串联电阻接5V直流电源，负极端接P0端口，只要给P0端口一个低电平，就可以点亮LED，若需要熄灭LED，需要给P0端口一个高电平，要实现LED流水灯功能，只要将8个LED依次点亮、熄灭即可。

编写时间延迟函数

流水灯电路要求LED依次点亮，每个LED要持续亮一段时间后熄灭。用程序来控制LED的点亮和熄灭，只需要将与LED连接的端口写入低电平或高电平即可，代码如下：

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

上述代码第1条语句将P0第0位写入低电平，与第0位连接的lED被点亮，第2条语句将第0位写入高电平，与第0位连接的lED熄灭。两条语句连续执行，每条语句的执行时间非常短，也就十几微秒，LED点亮后很快被熄灭，人们通过眼睛感觉不到LED被点亮。因此需要在第1条语句和第2条语句之间进行时间延迟，延迟一段时间后再执行第2条语句。

如何用软件来模拟延时时间呢？在设计的电路模型中，51单片机的时钟频率是12MHZ，一个时钟周期约0.08微秒，一个机器周期由12个时钟周期构成，一个机器周期约1微秒，51单片机执行一个指令的时间是机器周期的倍数，若使用for循环语句来实现时间延迟，一条基本的for循环语句执行时间大约为8微秒，若延迟500毫秒，大约需要执行500*120次循环。

// 时间延迟函数
void delay(unsigned int millisecond)
{
       unsigned int i,j;
       for(i=millisecond;i >0;i--)
              for(j=120;j >0;j--);
}

delay()函数延迟millisecond毫秒，函数使用for嵌套循环，外层for循环用于控制延迟的毫秒数，内层for循环用于控制1毫秒执行的语句次数。

循环移位

流水灯需要在每个时间间隔内只有一个LED点亮，其余LED均为熄灭状态，流水灯可以通过循环左移实现。循环左移是将操作数的二进制位按1位进行循环左移，移出的位并不会丢失，而是被后续移动的位填充。

P0默认值为0xFE，P0第0位的LED被点亮，其它位熄灭；延迟一段时间后，P0循环左移1位，其值为0xFD，P0第1位LED被点亮，其它位熄灭；延迟一段时间后，P0循环左移1位，其值为0xFB，P0第2位LED被点亮，其它位熄灭；以此类推，P0不断循环左移1位，从而实现了流水灯控制。

C语言并没有提供循环左移或循环右移的运算功能，需要开发者自己编程实现。

循环左移位的具体算法如上图所示：value为操作数，其值为0xFE，先将value左移1位，赋值给变量a，其值为0xFC，然后将value右移7位，赋值给变量b，其值为0X1，最后计算a|b，计算结果为value循环左移1位，并将计算结果赋值为value。

流水灯算法实现代码如下：

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;
              }
       }
      
}

算法通过while循环实现流水灯控制，在循环内部，变量value赋值给P0，点亮第0位的LED，其它位的LED为熄灭状态，然后调用delay()函数延迟5000毫秒，value循环左移1位，在下轮循环中，点亮第1位的LED，其它位的LED为熄灭状态，以此类推……。

count为计数变量，当流水灯循环点亮一次后，将value重新赋值为0xFE，并将conunt清零。

考虑到循环移位是经常使用的操作，可以将循环左移位操作定义为宏，在代码中直接调用宏就可以了。

循环左移位的宏定义：

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

完整C程序代码如下：

#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;
              }
       }
      
}

实验小结

通过这次实验，掌握了流水灯的电路模型设计和编程，流水灯电路模型比较简单，单片机通过I/O口的8个端口来控制8个LED的点亮和熄灭。流水灯的控制通过编程实现，编程主要涉及到时间延迟函数和循环左移位宏定义，时间延迟函数用于控制间LED点亮和熄灭的隔时间，循环左移位用于控制I/O口循环输出高电平和低电平。