【51单片机学习笔记】彩色呼吸灯

来源：互联网发布：阿里云服务器购买编辑：程序博客网时间：2024/05/16 19:27

鼠标改造计划

——基于STC15F104E的彩色呼吸灯

青岛科技大学信息科学技术学院集成162 Listen C

一．任务简介

近来本人的鼠标终于光荣下岗了，出于“主子”对“伙计”的“怜悯之情”，加上近来又恰好发现STC15F104E这么个神奇的单片机，居然只有8个脚，于是主决定恩赐它新的生命活力……好吧不瞎说了，只是单纯的想搞个事情而已。不过，从现实的角度来看，好像确实不错，用尽量小的体积做尽量多的事情吧。也是出于上次那个播放器被这芯片坑了一次不服气，打算换个项目“征服”它。好吧其实结局是又发现了新的问题，后文详述，这里就先留个伏笔，哈哈。

二．任务要求

（一）改造对象

原希望改造的鼠标是下图这位“功臣”，因为其体积小外围透明，又光荣下岗，故获此“殊誉”。

但是，在后期改造的过程中，遇上点小麻烦……具体什么情况下文解释，这里为了文体整洁直接说明结果。结果就是，这个鼠标暂时搁置了，换了学长一个暂时不用的鼠标，下图：

关于这两个鼠标技术上的区别，经实验发现，当按下鼠标按键时，前者小黑（第一个鼠标，下同）产生的是高电平，后者小白（第二个鼠标，下同）产生的是低电平，具体为什么考虑这个问题下文讨论。

（二）改造思路

首先，先让我们看下STC15F104E的原理图吧！

由其原理图外加查询数据手册，不难发现，除去Vcc和Gnd，还剩6个IO，其中除了P3.1，都可以做外部中断使用。关于定时器中断，对不同批次的芯片存在争议，需按实际情况做决定，因为本次改造计划没有用到定时器中断，所以不去深究。

而关于外部中断，数据手册上说，P3.2（INT0）和P3.3（INT1）既可做上升沿触发，也可下降沿触发，而剩下的P3.4（INT2）、P3.5（INT3）、P3.6（INT4）只能下降沿触发。

而关于彩灯，我选用了三灯芯共阳灯泡，下图所示：

这样，根据三基色的原理，理论上我们可以组合出各种颜色。请允许我盗个图。

由此，我们的目的也就明确了。

（1）首先，我们需要3个IO去组合灯效

（2）其次，我们需要三个按键来触发中断（鼠标左键、右键、中键）

（3）然后，我们在中断未触发的情况下，让彩灯不断变换灯效

（4）最后，产生中断时，灯效改变

当然，为了不那么死板，通过产生中断，我们可以改变灯效变换的频率，相当于是做了一个调节机制。

这样，细心的朋友一定会发现，哎，所有的IO刚好用完，三个下降沿也够用。这也就是为啥我要低电平的原因了。如果要高电平的话，只有2个中断可触发，所以是有限制的。不过不急，实际上我们可以用非门电路改变电平，比如三极管，反相器。反相器用74HC00的话有4路，多一路，但是要两个输入控制一个输出，详情请自行搜索下数据手册，也可用74HC04，六反相器，一输入对应一输出。当然本人手头只有印了74HC04的74HC00芯片（不要问我为啥。。。贪便宜的我飘过），而且都是直插的，感觉特别大，所以只好先暂时搁浅下，有空再给小黑手术吧。反正，有小白呢。

顺便把原理图也附上吧！

（三）改造效果简述

关于具体的灯效，上文有提，这里详述一下。

首先是未触发中断的情况。

这里，我采用了呼吸灯的原理，通过软件PWM，实现让灯效从A色缓缓变为B色，B色缓缓变为C色……G色缓缓变为A色，如此循环。关于颜色的组合，根据上图三基色原理，3种颜色任意组合：

单色：红，绿，蓝

双色：黄，青，紫

三色：百

总共7种颜色。

当按下鼠标按键时，我让它对应显示单色，目前我的对应原则如下，大家可以随意调换：

左键：红

中键：绿

右键：蓝

当按下右键时再按下左键，我让它亮出自身颜色的其他颜色即蓝的对立黄，此时增加彩灯周期，同理反之减少彩灯周期。为了防止二货的我调乱了，当按下中键时按下任意其他键，我的操作是让周期复位。这样，一个简单的灯效思路就有了。

三．改造与制作

（一）鼠标

首先将鼠标“大卸八块”，探索内部结构，顺便测试是哪种情况（小黑or小白）

（二）焊接电路

根据原理图准备材料

彩灯 x1

STC15F104E x1

220Ω电阻 x3

单片机底座 x1

洞洞板 x0.5（整个太大了就掰开了）

导线若干

然后，根据原理图将它们焊好

最后，将它与鼠标焊在一起。装好就OK啦。

四．程序设计

最后就是我们的重头戏——程序了。老规矩，先让我们看看文件结构。

头文件：

STC15F104E.h 芯片配置

USER_Config.h 用户配置

interrupt.h 中断配置

delay.h 延时配置

LED.h 彩灯配置

程序文件

main.c 主函数文件

it.c 中断服务文件

delay.c 延时函数文件

LED.c 彩灯控制文件

下面分别介绍下各部分的实现

USER_Config.h

/******************************************USER HEARD2017/6/25*******************************************/#ifndef _USERCONFIG_H_#define _USERCONFIG_H_/*    定义数据类型    */#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define NOP() _nop_()/*    灯效    *//*Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0    -    -    -    -    -   红   绿   蓝低电平0为亮，高电平1为暗*/#define WHITE0x00//白 ----_-000#define YELLOW      0x01//黄 ----_-001#define PURPLE      0x02//紫 ----_-010#define RED         0x03//红 ----_-011#define CYAN        0x04//青 ----_-100#defineGREEN0x05//绿 ----_-101#define BLUE      0x06//蓝 ----_-110#define CLOSE_ALL0x07//无 ----_-111/*    PWM周期调节    */#define INITCYCLE1500//初值#define STEPCYCLE100//步进值/*    包含头文件    */#include "STC15F104E.h"#include <intrins.h>#include "interrupt.h"#include "delay.h"#include "LED.h"/*    彩灯    */sbit LED_Blue  =  P3^3;sbit LED_Green =  P3^2;sbit LED_Red   =  P3^1;/*    按键    */sbit Key_Left  =  P3^4;sbit Key_Mid   =  P3^5;sbit Key_Right =  P3^0;#endif

这里包含了用户所有需要的东西，包括定义数据类型、引用头文件、宏定义、定义引脚功能等。这里仅介绍主要部分

先说说PWM调节周期吧。对于PWM调节，我仅仅做了周期调节处理。这里我定义了一个频率初始值和一个调节步进值，便于更改。具体这两个值的作用，在LED.c中详细解释。

对于七种灯效值的由来，大概可以这么理解。首先我将3中颜色点亮与否的值分别存在了一个unsigned char数据中的低3位，二进制中的0表示低电平，而这个LED是共阳的，所以是灌电流模式，这样就产生了一个电势差，故点亮LED。而置1时，两端都为高电平，电势差为0，故灭掉LED。这样，再根据三基色原理，对着颜色取值，就取出了7种标准颜色的值。

那么问题来了，三灯芯的7色灯只能显示7种颜色吗？我认为，其实不是的。别忘了，我们只是取了标准色，如果说，混合颜色的“亮度”不同，即颜色的深度不同，就可以混合出其他颜色了。如果要这么实现的话，我个人认为有两种方案。一是PWM分别调节三色，使得等效为灯的亮度不同。二我们可以采用DAC，直接给模拟量，调节更加方便。这里我们只要等效循环变换，不需要精确取色，故不做深入处理了。

delay.c

普通的延时函数，不过多解释直接上代码

/*************************************延时函数库By LZK频率：12MHz*************************************/#include "USER_Config.h"/*    延时x*9us    */void delay_8us(uint x){uint i,j;for(i=0;i<x;i++)for(j=0;j<1;j++);}/*    延时xms    */void delay_ms(uint x){uint i,j;for(i=0;i<x;i++)for(j=0;j<120;j++);}/*    延时    */void delay(uint x){while(x--);}

it.c

中断服务。这里我们用的是三个外部中断，下降沿触发。关于怎么使用这三个中断，这里就需要查询我们的数据手册了。数据手册我一起扔进了压缩包里大家自取好了。

/*---------------------------------------------------中断服务文件By Listen C    2017/6/25参考自官方数据手册----------------------------------------------------*/#include "USER_Config.h"extern uint CYCLE;/*    中断初始化    */void IT_Config(){/*  开启外部中断  */Key_Left  = 1;Key_Mid   = 1;Key_Right = 1;INT_CLKO |= 0x70;// 0111_0000EA   =   1;}/*    外部中断2，3，4 对应 10，11，16  */void Int2_Left() interrupt 10{INT_CLKO   = 0x8F;//1110_1111Open_LED(BLUE);while(!Key_Left){if(!Key_Right)//如果按下鼠标右键{delay_ms(10);//去抖while(!Key_Right)Open_LED(YELLOW);//默认蓝色的对立色为红+绿=黄Open_LED(BLUE);//松开复位颜色if(CYCLE < 65400)CYCLE += STEPCYCLE;}}INT_CLKO  |= 0x70;}void Int3_Mid() interrupt 11{INT_CLKO   = 0x8F;//1101_1111Open_LED(GREEN);while(!Key_Mid){if((!Key_Left)||(!Key_Right))//在按住鼠标中键时判断是否按下鼠标左键或鼠标右键{//是的话，周期复位Open_LED(PURPLE);//默认绿色的对立为蓝+红=紫CYCLE  = INITCYCLE;}Open_LED(GREEN);//松开颜色复位}INT_CLKO  |= 0x70;}void Int2_Right() interrupt 16{INT_CLKO   = 0x8F;//1011_1111Open_LED(RED);while(!Key_Right){if(!Key_Left)//如果按下鼠标左键{delay_ms(10);//去抖while(!Key_Left)Open_LED(CYAN);//默认红色的对立为蓝+绿=青Open_LED(RED);//松开颜色复位if(CYCLE > 200)CYCLE -= STEPCYCLE;}}INT_CLKO  |= 0x70;}

其中要注意的是，我们的思路是这样的。首先，先触发中断，触发中断后，先暂时关掉中断，注意3个中断标志位不同，注释中是实际位，儿为了避免混乱，我全部都置0了，然后亮相应等效提醒进入中断了。然后继续判断，上文提到的非中键的话判断相反键是否按下，这里用了按键去抖，松开有效，随即对应增加或减少PWM周期。中键的判断只需要按下其他任意键并进行复位，故不需要去抖。

当完成这些工作时，我们的操作是松开最初按下的按键，此时我们需要重新打开中断。

LED.c

我们的核心部分到了，话不多说先上代码。

/*--------------------------------------------------------------------彩灯控制文件By Listen C    2017/6/26Open_LED函数说明：为方便调节灯色，本人将灯色选择存在了一个unsigned char变量中通过位运算低1位为蓝色开关低2位为绿色开关低3位为红色开关具体三色混合效果参见USER_Config.h-------------------------------------------------------------------*/#include "USER_Config.h"uint PWM_LOW  =  0;uint CYCLE    =  INITCYCLE;/*    点灯函数    */void Open_LED(uchar x){LED_Blue  =  x&0x01;LED_Green =  (x&0x02)>>1;LED_Red   =  (x&0x04)>>2;}/*    彩灯效果    */void PWM_LED(uchar x,uchar y){for(PWM_LOW = 1;PWM_LOW < CYCLE;PWM_LOW++){Open_LED(x);delay(PWM_LOW);Open_LED(y);delay(CYCLE-PWM_LOW);}delay(CYCLE);}

首先先让我们详细探索下点灯函数。稍有基础的朋友大概一看就明白了，这里用的是位运算，取某位的值。即，先对对应位进行1位与，其他0位与，以只保留对应位，然后通过右移操作移到最低位，给引脚赋值。

说句题外话，用位运算存储数据真的非常好用，曾经我比赛时对4方位的红外障碍进行了位运算的存储，将四个方位的状态存在一个数据里，就是跟我们这个任务恰好相反的过程，直接优势就是，在判断过程中变的异常容易，只需要判断数据的值就能知道哪里遇到障碍了，除去了冗杂的if判断，程序上反正是舒服多了，也因此那部分做的效果还是不错的。

关于PWM调节的问题，就是我们灯效的控制了。如果知道PWM，这里可能就很明白了，不知道的话可以自行查一下，网络的介绍比我这清楚多了。总之就是，在一个固定的周期内，高电平占一定时间，低电平占剩下的时间，这样等效地调节了灯的亮度。然后，如果低电平慢慢增加，那么就等效认为亮度在增加。我们只考虑一种颜色的情况，那么它在缓慢变亮，反过来就缓慢变暗，如此就是呼吸灯的原理。注意全亮之后给一段时间固定，这样更加逼真。而我们的任务是，亮完这个颜色，在它灭掉的时候去亮下一种颜色，故将点灯部分改为了两种灯效。关于这两个灯效，在主函数中来计算，因为涉及到要让这个函数更加通用嘛。如果不去变换灯效，也一样可以调用它，大不了y取CLOSE_ALL。

main.c

既然核心部分都做好了，剩下的调用就好了。

/*---------------------------------------------------------------基于STC15F104E的鼠标改造方案目的：通过外部中断控制三灯芯小灯通过PWM信号来变换灯效按下鼠标左键时按下鼠标右键，PWM周期增加按下鼠标右键时按下鼠标左键，PWM周期减少按下鼠标中键时按下任意键，PWM周期复位灯效参见it.c的注释为方便调节灯色，本人为灯色选择函数做了优化，详见LED.c  By Listen C    2017/6/25-----------------------------------------------------------------*/#include "STC15F104E.h"#include "USER_Config.h"uchar i = 0;void main(){uchar x,y;Open_LED(CLOSE_ALL);IT_Config();while(1){for(i=0;i<7;i++){x=(i+1)%7;y=i;PWM_LED(x,y);}}}

注意先要中断初始化，然后7色循环闪烁既可。

五．反思与总结

说句良心话，这个作品的Bug还是很大的。我遇到最大的问题是，当按键频率过高时，中断会莫名其妙挂掉了。虽然出了问题应该先考虑自身程序问题，但是我觉得我的中断没有进入这种状态的步骤，况且我在主函数中while里随时开启外部中断都无济于事，于是就上网查了下，果然有网友遇到了相同的问题。有人的解答是初期的该芯片存在Bug，但是后期的修复了。好吧我就暂且认为这锅芯片背吧！

其实，表面上，任务以改造鼠标做依托进行的，但这个灯效的小玩意可以做其他的装饰，比如USB彩灯。恰好又一位挚友过生日，于是亲手又焊了一个给他，礼轻情义重嘛~。不过说句良心话，做USB彩灯的效果，是优于放进鼠标里的。下图为送他的彩灯。