项目2 制作流水灯
【项目引入】
在现代城市的夜晚，到处可以见到各种各样的流水灯、霓虹灯、广告灯箱，这些灯变换着各种动感的图案和色彩，如图2-1所示。这些流水灯实际上都是简单的单片机控制电路，它可以根据客户的需要来变换各种不同的图案。在项目1中学会了点亮一个LED，本项目要实现的是按照一定的规律点亮多个LED。
图2-1 霓虹灯
【知识目标】
● 掌握单片机I/O口的应用；
● 掌握单片机最小系统的组成；
● 掌握流水灯的三种程序设计方法。
【技能目标】
● 熟悉单片机开发工具；
● 熟悉Keil、Proteus的安装和使用；
● 能制作流水灯硬件电路。
2.1 任务描述
用电子元器件和单片机制作一个流水灯，含有8个发光二极管，可以实现8个LED灯各种显示方式的点亮（例如从上到下逐个点亮）。
2.2 准备知识
在实施项目之前先来认识单片机I/O口。
单片机经常要和外设之间传输数据（输入，输出），P0，P1，P2，P3就是可以和外设完成并行数据传输的接口。
1.P1口
（1）结构
P1口是8位双向I/O口，1位的结构原理如图2-2所示。P1口由8个这样的电路组成，它由如下几个部分组成：数据输出锁存器（D触发器），起输出锁存作用；场效应管（FET）V、上拉电阻组成输出驱动器，以增大带负载能力；上下两个三态门分别是读锁存器端口和读引脚。
图2-2 P0口内部结构图
（2）功能
P1口通常作为通用的I/O口使用，每一位可单独定义为输入/输出口。
① 输出。若P1口外接发光二极管，则应定义为输出口，可以用语句P1=0Xdata输出数值。假设某一位需要输出0，则内部总线输出“0”，则D=0，
，V导通，则输出0。
② 输入。若P1口外接按键，则应定义为输入口。
假设读引脚脉冲有效为高电平，把该三态缓冲器打开，这样P1端口引脚上的数据经过三态门缓冲器读入到内部总线。如果输入数据走该通道，那么场效管V对该引脚有影响的。
如果锁存器原来寄存的数据Q=0，那么场效应管V导通，引脚始终被嵌位在低电平，不可能输入外接电路的高电平。所以在输入前，必须用输出指令向锁存器写入“1”，使场效应管V截止（断开），保证单片机输入的电平与外接电路电平相同。所以P0口被称为一个准双向口。
2.P0口
（1）结构
P0口1位的结构原理如图2-3所示。在电路结构上，比P1口增加了：多路选择开关（MUX），配合非门、与门用来实现两种功能的切换；输出驱动电路由两个场效应管（FET）V1、V2组成的漏极开路电路组成。
图2-3 P0口内部结构图
（2）功能
P0口有两种功能：通用I/O口和地址/数据分时复用总线。
① 通用I/O口。
● 输出。P0口作为通用输出口使用时，内部控制信号为低电平，开关连接B点，同时与门输出0，V1截止。此时，此电路就与P1口的内部结构相似，唯一不同的是输出电路为漏极开路电路，因此使用时必须外接上拉电阻才有高电平输出。
● 输入。P0口作为通用输入口使用时，和输出口相似，必须外接上拉电阻。另外因为P0口也是准双向口，所以要先向电路中写入“1”。
② 地址/数据线。当作为地址/数据线时，内部发出控制信号，打开与门，使多路选择开关接通A，V2导通，V1、V2形成推拉式电路结构，使负载能力大为提高。可以输出低8位地址信号或输出/输入8位数据信号。
3.P2口
（1）结构
P2口的1位内部结构图如图2-4所示。此电路结构比P1口增加了：多路转换电路MUX，反相器。
图2-4 P2口内部结构图
（2）功能
P2口有两种功能：通用I/O口和地址总线
① 通用I/O口。在无外部扩展存储器系统中，多路转换开关打向B，P2口作为通用I/O口使用，此时和P1口功能一样。
② 地址总线（高8位）。在有外部扩展存储器系统中，多路转换开关打向A，P2口通常作为高8位地址线使用，P0口分时送出低8位地址线和8位数据线。由于有了16位地址，单片机最大可外接60KB的程序存储器和64KB数据存储器。
4.P3口
（1）结构
P3口的1位内部结构图如图2-5所示。此电路结构比P1口增加了：与非门第二功能输出控制电路，第二功能输入缓冲器。
图2-5 P3口内部结构图
（2）功能
P3口有两种功能：通用I/O口和第二功能。
① 通用I/O口。P3口作为通用I/O口使用，此时和P1口功能一样。
② 第二功能。在真正的单片机应用电路中，第二功能显得更为重要。因为第二功能信号有输入、输出两种情况，所以下面分两种情况说明。
● 第二功能输入。作为第二功能信号输入引脚时，在输入通路上增加了一个缓冲器，输入的第二功能信号就是从这个缓冲器的输出端取得的。
● 第二功能输出。作为第二功能信号输出引脚时，该位的锁存器应置1，Q端输出高电平，与非门对第二功能信号的输出是通畅的，从而实现了第二功能信号输出。P3第二功能各引脚功能定义如表1-1所示。
5.带负载能力
带负载能力是指在一定的电压（0～5V）下能够灌入或拉出的最大电流，也称为驱动能力。
拉电流和灌电流是衡量电路输出驱动能力的参数，这种说法一般常用在数字电路中。
（1）灌电流（输出低电平）
当负载的另一端接VCC，输出端口输出低电平时，就会产生灌电流。它是从负载流向输出端口，“灌进去”的电流，一般是要吸收负载的电流，其吸收电流的数值叫“灌电流”。
（2）拉电流（输出高电平）
当负载的另一端接地，输出端口输出高电平时，就会产生拉电流。它是从输出端口流向负载，“拉出来”的电流，一般是对负载提供电流，其提供电流的数值叫“拉电流”。
一般地，1个LSTTL（低功耗肖特基晶体管）其拉电流（高电平）0.20μA，灌电流（低电平）0.35mA。所以灌电流一般比拉电流要大得多。因此用单片机I/O驱动LED一般采用低电平输出方式（灌电流）。
（3）I/O口驱动能力
P0的负载能力为驱动8个TTL门电路，P1、P2、P3口的负载能力为驱动4个TTL门电路。
4个端口的引脚，每个引脚灌电流≤10mA，每个端口8个引脚灌电流之和：
P0≤26mA
P1、P2、P3≤15mA
2.3 项目实现
2.3.1 设计思路
本项目要求制作含有8个发光二极管，可以实现各种显示方式（例如从上到下）逐个点亮的流水灯。
2.3.2 硬件电路设计
根据前面讲解的I/O口的内容，流水灯需要8个LED作输出，所以可以选择单片机的4个I/O口中的任一个连接8个LED。考虑到方便连接，选用P1口输出驱动8个LED，电路图如图2-6所示。从图上可以看出，P1口引脚输出低电平时，对应的LED灯亮，输出高电平时，对应LED灯熄灭。
图2-6 流水灯硬件电路图
在图2-6中，考虑到单片机P1口的带负载能力，我们选择了发光二极管共阳极接法。另外在设计中用到了排阻RP1。8个电阻的大小、功能完全一样，加工到一个器件中，这种器件叫排阻。此处排阻起到限流的作用，阻值选择300Ω。LED的工作电流大概10mA左右，正向导通压降大概为1.7V左右，则限流电阻计算如下：
2.3.3 程序流程设计
LED流水灯电路设计完成后，还看不到LED流水的现象，因此还需要编写程序控制单片机引脚电平的高低变化，来控制LED的亮灭，实现LED流水的现象。要求8只发光二极管按一定的规律循环点亮，假设设计8个LED从上到下逐个点亮。
第一次：D1亮，D2～D7灭，则P1.7输出低电平，其他都输出高电平，P1=FEH；
第二次：D2亮，D1、D3～D7灭，P1.6输出低电平，其他都输出高电平，P1=FDH；
第三次：D3亮，D1、D2、D4～D7灭，P1.6输出低电平，其他都输出高电平，P1=FBH；
………
第八次：D8亮，P1.0输出低电平，其他都输出高电平，P1=7FH
8次P1口输出的值分别为FE，FD，FB，F7，EF，DF，BF，7F。
下面介绍三种编程方法。
1.方法一
此方法为最简单和直观的方法，只适用于灯个数较少的情况。
/*****************************************************************************/
#include<reg51.h> //包含头文件，文件内包含了51单片机的功能定义
void Delay(unsigned int t)
{
unsigned int i, j;
for(i=0;i<t;i++)
{
for(j=0;j<255;j++);}
}
}
void main (void)
{
P1=0XFF;
while(1)
{
P1=0XFE; Delay(1000);
P1=0XFD; Delay(1000);
P1=0XFB; Delay(1000);
P1=0XF7; Delay(1000);
P1=0XEF; Delay(1000);
P1=0XDF; Delay(1000);
P1=0XBF; Delay(1000);
P1=0X7F; Delay(1000);
}
}
/*****************************************************************************/
程序说明：
● 程序中加入了延时程序，主要是考虑到人眼有视觉暂留效应，而单片机的执行速度又很快，所以加入了延时程序。此延时程序含有参数，可以通过改变参数的大小来改变延时程序时间的长短。
● 程序中经常反复执行的部分可以写成一个子函数，然后就可以在程序中反复地调用。例如Delay()函数。
● 函数调用。可以把一些具有一定功能的程序打包为一个个独立的函数，用到此功能时直接调用即可。如在本节的几个程序中，主函数都调用了延时函数。函数的调用是单片机程序模块化设计的一个方法。函数的调用让C语言的单片机程序具有很强的可移植性，同时也大大简化了程序的结构。
函数调用比较简单，如本例和上一节的程序中，主函数中出现的Delay()语句就是一种函数调用，当单片机运行主函数的Delay（1000）语句时，调用延时函数Delay（unsigned int t），其中1000为延时函数的实参，t为函数的形参。在形参函数中，实参必须与形参类型统一，本例中如果t为char变量，则程序运行中会出错。
2.方法二
仔细观察8次赋给P1口的值，不难发现，这8个值是有规律的。每一个值可以由前一个循环左移一位得到。程序设计如下。
/*****************************************************************************/
#include<REG51.H> //包含头文件，文件内包含了51单片机的功能定义
#include<INTRINS.H> //包含头文件，文件内循环左移函数的
void Delay(unsigned int t)
{
unsigned int i, j;
for(i=0;i<t;i++)
{
for(j=0;j<255;j++);
}
}
void main (void)
{
unsigned char m;
P1=0XFF;
while(1)
{
P1=0xfe;
for(m=0;m<8;m++)
{
P1=_crol_(P1,1);
Delay(1000)
}
}
}
/*****************************************************************************/
程序说明：
在复杂的单片机程序中也常常用到文件包含。本例中程序前面的#include<reg51.h>和#include <INTRINS.H>语句都是一种文件包含形式。所谓文件包含，是指一个文件将另外一个文件的内容全部包含进来。程序使用了包含命令#include <INTRINS.H>，因为INTRINS.H头文件内有循环左移函数，程序中要使用_crol_循环左移函数是为了由上一个控制码得到下一个控制码。所以在一开始使用了包含命令#include <INTRINS.H>。
_crol_(unsigned char val，unsigned char n)； //将变量val循环左移n位
_irol_(unsigned int val，unsigned char n)； //将变量val循环左移n位
3.方法三
此方法为数组方法，适用于控制码毫无规律，花样流水灯。可以把每次对应的控制码预先存入数组中，程序循环读取数组中的每个控制码送往端口，就可以实现自定义花样的自由显示。
/*****************************************************************************/
#include <REG51.h>
unsigned char code sz1[]={0x7e,0xbd,0xdb,0xe7,0xdb,0xbd,0x7e,0x00,0xff};
void Delay(unsigned int t)
{
unsigned int i, j;
for(i=0;i<t;i++)
{
for(j=0;j<255;j++);
}
}
void main()
{
unsigned char i;
while (1)
{
for(i=0;i<9;i++)
{
P1=sz1[i];
Delay(1000);
}
}
}
/*****************************************************************************/
程序说明：
在C语言编程中，可以将这些运行过程中不会发生变化的数据定义为code存储类型，将这些数据保存在程序内存而不是数据内存。因为数组所占空间较大，且预设后相对固定，因此sz1的存储类型设为code。如果将code改为data也不会影响程序执行，只是在程序运行时数组会被分配到数据RAM。
2.3.4 仿真调试
程序设计采用前面介绍的Keil软件。在计算机上运行Keil，首先新建一个项目工程，项目使用的单片机为AT89C51，这个项目暂且命名为lsd。然后新建一个文件，保存为“lsd.c”文件，并添加到工程项目中。直接在Keil软件界面中编写程序，也可以先把程序清单形成一个TXT文件，然后剪切到Keil的程序编辑界面中。当程序设计完成后，通过Keil编译并创建lsd.HEX目标文件。在Keil的应用过程中，由于编译过程中产生很多文件，因此新建一个项目需在一个目录中建立。
在安装过Proteus软件的PC上运行ISIS文件，即可进入Proteus电路原理仿真界面。利用该软件仿真时操作比较简单，其过程是首先构造电路，然后双击单片机加载HEX文件，最后执行仿真。Proteus界面以及本案例的仿真电路如图2-7所示。仿真过程中，单片机加载程序模拟运行实际状态。电路中单片机采用AT89C51，单片机默认为最小系统，也可以不需要再外接晶体振荡电路和复位电路。仿真时，8个LED灯从上到下逐个点亮，然后循环。
图2-7 Proteus仿真
软件仿真是程序设计结果的验证，能够在没有硬件的条件下验证程序的完整性。计算机是单片机程序设计的重要工具，但单片机的程序设计或相关产品开发必须有相关的软件和硬件，软件仿真虽然节约了一定硬件的投入，但软件仿真不能测试软件的安全性和可靠性，也不能测试电路的完整性。程序的设计往往需要软件仿真和硬件仿真相结合，并且在有限的时间内稳定完成项目的设计工作。
2.3.5 程序烧录
在单片机的开发板或自己焊接的电路板中，编制好程序后需要把程序下载到实验板或电路板中的单片机芯片内。程序下载的过程是把Keil软件生成HEX文件通过一定的接口或手段从PC保存到单片机的内部ROM中。程序下载需要专门的下载软件、下载接口或烧录器完成下载。
1.单片机的下载接口
要完成单片机程序的下载，首先要有一个单片机程序烧写器。单片机的实验板大多支持在线下载，因此在有单片机实验板的情况下，还要有一个能在PC运行的下载工具或软件。由于单片机无法直接与PC联机，因此程序下载还需要一个接口电路。常用的单片机下载接口有并口、串口和USB接口三种下载方式。随着计算机应用普及和技术发展，进来的PC已经省去了并口和串口。因此单片机的下载接口使用的USB接口较多。
不同厂商的单片机下载端口相差较大，如AT89S51采用API总线下载，需要通过专用接口电路与PC的并行口连接。STC89C51单片机采用串口下载方式，但单片机数据电压格式与PC串口输出不同，仍需要专用的下载接口电路。
（1）串口下载接口
STC89C51使用的串口下载电路由一片MAX232电平转换电路组成。MAX232为单一+5V供电，一个芯片能完成发送转换和接收转换的双重功能，如图2-8所示。
图2-8 MAX232引脚及连接图
（2）USB串行通信接口
一些芯片如PL2303、CH341等可以把PC的一个USB接口模拟一个串口，这样很方便地就可以实现单片机程序的USB接口下载。图2-9所示为经常使用的PL2303HX下载电路，图中的USB接口接PC机，R、T分别接单片机的RXD、TXD引脚。
图2-9 PL2303HX连接的USB接口下载电路
PL2303HX支持USB 1.1协议，但需要在PC上先安装PL2303HX的驱动程序。接口电路第一次接入PC时，PC会弹出一个对话框，发现新硬件并安装驱动，同时会在PC的硬件设备管理器界面增加一个串口。这时就可以利用专用的软件，利用此模拟串口下载单片机程序了。
单片机程序下载接口实际是单片机与PC之间的通信接口，在学习单片机与PC通信过程中，还需要利用到这些接口。
2.下载软件
常用的下载软件为STC-ISP，启动即出现如图2-10所示的界面。
图2-10 STC-ISP V391界面
程序的界面主要分为两个部分：左面部分为软件的烧录部分，右面提供了一些常用的工具以及软件的设置。
3.下载过程
如果采用USB接口下载，则首先在PC上安装PL2303芯片的驱动程序。在加电情况下接口电路与PC通过USB数据线连接时，PC会自动识别到新硬件并加载驱动，并会在PC硬件的端口中增加一个串口，如COM3，可以在“我的电脑”的属性下的硬件管理器中查看。USB下载接口实际通过一个串口交换数据。如果知道下载接口占用PC的哪一个串口，通过下载软件就可以下载程序了。
（1）下载软件设置
运行STC-ISP，首先在界面左上方的“MCU Type”栏中选择自己使用的单片机的型号，如STC89C51RC；然后单击“OpenFile/打开文件”按钮，在弹出的对话框中寻找要下载的HEX文件，最后设置下载端口为COM3。
① 基本设置。在“MCU Type”中有5个系列单片机的型号，分别为89C5xRC/RD+系列、12C2052系列、12C5410系列、89C16RD系列和89LE516AD系列，如图2-11所示。在左侧的“+”展开后选择目标机器上使用的MCU的具体型号。“AP Memory”中显示所选用型号的内存范围。
图2-11 选择烧录单片机的型号
COM的下拉菜单中有16个COM口。旁边的绿色灯指示串口开关情况。当端口打开时绿灯点亮。选择与单片机连接的COM口。如果对使用的串口号码不清楚，可以在打开计算机的“设备管理器”查看“端口”一项，防止端口冲突，如图2-12所示。
图2-12 设置烧录端口
② 数据波特率设置。最高波特率通过查询所连接串口的速率来确定。查看的方法是，双击单片机连接的串口，打开“通信端口（COM1）属性”对话框，选取“端口设置”选项卡，如图2-13所示。这里最高波特率选择“9600”，最低波特率不用设置。
图2-13 检查设备管理器内的端口传输速率
③ 倍速设置。这里可以选择单倍速或者双倍速、放大器的增益等项目。对于“下次冷启动P1.0，P1.1”下部的状态框有明确的说明，不再累述。一般使用默认值“与下载无关”，如图2-14所示。
图2-14 倍速设置
（2）程序下载
STC-ISP下载区域如图2-15所示，此时需要注意的是先打开“下载”按钮，再打开单片机电源，进行冷启动。一般情况下，每次需要写入时都需要遵守先“下载”后“上电”的顺序操作。操作时在信息框中反映出来工作情况，如图2-15所示。
图2-15 下载信息
复选项“当目标代码发生变化后自动调入文件，并立即发送下载命令”含义为，对第二步中所选定的文件进行检测，当发现文件被重新生成就开始下载，此时需要做的就是重新冷启动单片机，新的程序就被烧录入单片机。下载设置如图2-16所示。
图2-16 下载设置
STC-ISP在主界面的右上部还提供了几个常用的工具“文件缓冲区”、“串口调试助手”、“工程文件”等实用工具，如图2-17所示。程序烧录完成后，就可在目标板上看到现象。
图2-17 实用工具
【项目总结】
1.单片机的4个8位并行输入/输出口：P0、P1、P2、P3，这是单片机与外部电路联络的引脚。每个口都可以并行输出/输入8位数据，也可以按位使用。每个口都可以作为通用的I/O口，另外P0、P2、P3口都还有其他功能。P0口在作为通用的I/O口使用时，要外接上拉电阻。
2.在使用单片机4个I/O口时，要考虑各个口的驱动能力。一般来讲，P1～P3口引脚输出高电平时拉电流很小（约为30～60μA），属于“弱上拉”，要谨慎使用；输出低电平时，可吸收灌电流约为1.6～15mA，负载能力较强，可以直接驱动发光二极管点亮，所以较常使用。
3.单片机的存储器空间重点是掌握其结构以及片内、片外的大小和分布。
思考与练习
1.AT89C51的4个I/O口使用时有哪些分工和特点？试作比较。
2.AT89C51的4个I/O口作为输入口时，为什么要先写“1”？
3.能否把项目2的LED循环点亮改为LED双向循环点亮？
4.在C语言里，包含单片机管脚定义、特殊功能寄存器定义的头文件是哪些？