用单片机实现流水灯的控制设计
摘要：本文介绍了一简易流水灯的软硬件设计过程，重点给出了其软件编程的思想方法，以期给单片机学习者以启发。
关键字：单片机；流水灯；编程
1.引言
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。目前，一个学习与应用单片机的高潮正在工厂、学校及企事业单位大规模地兴起。学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，本文笔者用AT89C51单片机自制了一款简易的流水灯，重点介绍了其软件编程方法，以期给单片机初学者以启发，更快地成为单片机领域的优秀人才。
2.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。
3.软件编程
单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能看到流水灯循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么来进行工作，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的一亮一灭。软件编程是单片机应用系统中的一个重要的组成部分，是单片机学习的重点和难点。下面我们以最简单的流水灯控制功能即实现8个LED灯的循环点亮，来介绍实现流水灯控制的几种软件编程方法。
3.1位控法
这是一种比较笨但又最易理解的方法，采用顺序程序结构，用位指令控制P1口的每一个位输出高低电平，从而来控制相应LED灯的亮灭。程序如下：
ORG 0000H ；单片机上电后从0000H地址执行
AJMP START ；跳转到主程序存放地址处
ORG 0030H ；设置主程序开始地址
START：MOV SP，#60H ；设置堆栈起始地址为60H
CLR P1.0 ；P1.0输出低电平，使LED1点亮
ACALL DELAY ；调用延时子程序
SETB P1.0 ；P1.0输出高电平，使LED1熄灭
CLR P1.1 ；P1.1输出低电平，使LED2点亮
ACALL DELAY ；调用延时子程序
SETB P1.1 ；P1.1输出高电平，使LED2熄灭
CLR P1.2 ；P1.2输出低电平，使LED3点亮
ACALL DELAY ；调用延时子程序
SETB P1.2 ；P1.2输出高电平，使LED3熄灭
CLR P1.3 ；P1.3输出低电平，使LED4点亮
ACALL DELAY ；调用延时子程序
SETB P1.3 ；P1.3输出高电平，使LED4熄灭
CLR P1.4 ；P1.4输出低电平，使LED5点亮
ACALL DELAY ；调用延时子程序
SETB P1.4 ；P1.4输出高电平，使LED5熄灭
CLR P1.5 ；P1.5输出低电平，使LED6点亮
ACALL DELAY ；调用延时子程序
SETB P1.5 ；P1.5输出高电平，使LED6熄灭
CLR P1.6 ；P1.6输出低电平，使LED7点亮
ACALL DELAY ；调用延时子程序
SETB P1.6 ；P1.6输出高电平，使LED7熄灭
CLR P1.7 ；P1.7输出低电平，使LED8点亮
ACALL DELAY ；调用延时子程序
SETB P1.7 ；P1.7输出高电平，使LED8熄灭
ACALL DELAY ；调用延时子程序
AJMP START ；8个LED流了一遍后返回到标号START处再循环
DELAY： ；延时子程序
MOV R0，#255 ；延时一段时间
D1： MOV R1，#255
DJNZ R1，$
DJNZ R0，D1
RET ；子程序返回
END ；程序结束
3.2循环移位法
在上个程序中我们是逐个控制P1端口的每个位来实现的，因此程序显得有点复杂，下面我们利用循环移位指令，采用循环程序结构进行编程。我们在程序一开始就给P1口送一个数，这个数本身就让P1.0先低，其他位为高，然后延时一段时间，再让这个数据向高位移动，然后再输出至P1口，这样就实现“流水”效果啦。由于8051系列单片机的指令中只有对累加器ACC中数据左移或右移的指令，因此实际编程中我们应把需移动的数据先放到ACC中，让其移动，然后将ACC移动后的数据再转送到P1口，这样同样可以实现“流水”效果。具体编程如下所示，程序结构确实简单了很多。
ORG 0000H ；单片机上电后从0000H地址执行
AJMP START ；跳转到主程序存放地址处
ORG 0030H ；设置主程序开始地址
START：MOV SP，#60H ；设置堆栈起始地址为60H
MOV A，#0FEH ；ACC中先装入LED1亮的数据（二进制的11111110）
MOV P1，A ；将ACC的数据送P1口
MOV R0，#7 ；将数据再移动7次就完成一个8位流水过程
LOOP： RL A ；将ACC中的数据左移一位
MOV P1，A ；把ACC移动过的数据送p1口显示
ACALL DELAY ；调用延时子程序
DJNZ R0，LOOP ；没有移动够7次继续移动
AJMP START ；移动完7次后跳到开始重来，以达到循环流动效果
DELAY： ；延时子程序
MOV R0，#255 ；延时一段时间
D1： MOV R1，#255
DJNZ R1，$
DJNZ R0，D1
RET ；子程序返回
END ；程序结束
3.3查表法
上面的两个程序都是比较简单的流水灯程序，“流水”花样只能实现单一的“从左到右”流方式。运用查表法所编写的流水灯程序，能够实现任意方式流水，而且流水花样无限，只要更改流水花样数据表的流水数据就可以随意添加或改变流水花样，真正实现随心所欲的流水灯效果。我们首先把要显示流水花样的数据建在一个以TAB为标号的数据表中，然后通过查表指令“MOVC A，@A+DPTR”把数据取到累加器A中，然后再送到P1口进行显示。具体源程序如下，TAB标号处的数据表可以根据实现效果的要求任意修改。
ORG 0000H ；单片机上电后从0000H地址执行
AJMP START ；跳转到主程序存放地址处
ORG 0030H ；设置主程序开始地址
START：MOV SP，#60H ；设置堆栈起始地址为60H
MOV DPTR，# TAB ；流水花样表首地址送DPTR
LOOP： CLR A ；累加器清零
MOVC A，@A+DPTR ；取数据表中的值
CJNE A，#0FFH，SHOW；检查流水结束标志
AJMP START ；所有花样流完，则从头开始重复流
SHOW： MOV P1，A ；将数据送到P1口
ACALL DELAY ；调用延时子程序
INC DPTR ；取数据表指针指向下一数据
AJMP LOOP ；继续查表取数据
DELAY： ；延时子程序
MOV R0，#255 ；延时一段时间
D1： MOV R1，#255
DJNZ R1，$
DJNZ R0，D1
RET ；子程序返回
TAB： ；下面是流水花样数据表，用户可据要求任意编写
DB 11111110B ；二进制表示的流水花样数据，从低到高左移
DB 11111101B
DB 11111011B
DB 11110111B
DB 11101111B
DB 11011111B
DB 10111111B
DB 01111111B
DB 01111111B ；二进制表示的流水花样数据，从高到低右移
DB 10111111B
DB 11011111B
DB 11101111B
DB 11110111B
DB 11111011B
DB 11111101B
DB 11111110B
DB 0FEH，0FDH，0FBH，0F7H ；十六进制表示的流水花样数据
DB 0EFH，0DFH，0BFH，7FH
DB 7FH，0BFH，0DFH，0EFH
DB 0F7H，0FBH，0FDH，0FEH
……
DB 0FFH ；流水花样结束标志0FFH
END ；程序结束
4.结语
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。本文所给程序实现的功能比较简单，旨在抛砖引玉，用户可以自己在此基础上扩展更复杂的流水灯控制，比如键盘控制流水花样、控制流水灯显示数字或图案等等。
参考文献：
[1]徐煜明，韩雁.单片机原理及接口技术[M].北京：电子工业出版社，2005.1
[2]万光毅，严义，邢春香.单片机实验与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.4
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