【51单片机学习笔记】彩 {MOD}呼吸灯

2019-04-15 12:55发布

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鼠标改造计划

               ——基于STC15F104E的彩 {MOD}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 {MOD}的原理，理论上我们可以组合出各种颜 {MOD}。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 {MOD}缓缓变为B {MOD}，B {MOD}缓缓变为C {MOD}……G {MOD}缓缓变为A {MOD}，如此循环。关于颜 {MOD}的组合，根据上图三基 {MOD}原理，3种颜 {MOD}任意组合： 单 {MOD}：红，绿，蓝 双 {MOD}：黄，青，紫 三 {MOD}：百 总共7种颜 {MOD}。          当按下鼠标按键时，我让它对应显示单 {MOD}，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 {MOD}的其他颜 {MOD}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 HEARD 2017/6/25 *******************************************/ #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 WHITE 0x00 //白 ----_-000 #define YELLOW 0x01 //黄 ----_-001 #define PURPLE 0x02 //紫 ----_-010 #define RED 0x03 //红 ----_-011 #define CYAN 0x04 //青 ----_-100 #define GREEN 0x05 //绿 ----_-101 #define BLUE 0x06 //蓝 ----_-110 #define CLOSE_ALL 0x07 //无 ----_-111 /* PWM周期调节 */ #define INITCYCLE 1500 //初值 #define STEPCYCLE 100 //步进值 /* 包含头文件 */ #include "STC15F104E.h" #include #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 {MOD}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 {MOD}原理，对着颜 {MOD}取值，就取出了7种标准颜 {MOD}的值。          那么问题来了，三灯芯的7 {MOD}灯只能显示7种颜 {MOD}吗？我认为，其实不是的。别忘了，我们只是取了标准 {MOD}，如果说，混合颜 {MOD}的“亮度”不同，即颜 {MOD}的深度不同，就可以混合出其他颜 {MOD}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 {MOD}，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 {MOD}，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
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_0000 EA = 1; } /* 外部中断2，3，4 对应 10，11，16 */ void Int2_Left() interrupt 10 { INT_CLKO = 0x8F; //1110_1111 Open_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 {MOD}的对立 {MOD}为红+绿=黄 Open_LED(BLUE); //松开复位颜 {MOD} if(CYCLE < 65400) CYCLE += STEPCYCLE; } } INT_CLKO |= 0x70; } void Int3_Mid() interrupt 11 { INT_CLKO = 0x8F; //1101_1111 Open_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 {MOD}的对立为蓝+红=紫 CYCLE = INITCYCLE; } Open_LED(GREEN); //松开颜 {MOD}复位 } INT_CLKO |= 0x70; } void Int2_Right() interrupt 16 { INT_CLKO = 0x8F; //1011_1111 Open_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 {MOD}的对立为蓝+绿=青 Open_LED(RED); //松开颜 {MOD}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 2017/6/26 Open_LED函数说明： 为方便调节灯 {MOD}，本人将灯 {MOD}选择存在了一个unsigned char变量中 通过位运算 低1位为蓝 {MOD}开关 低2位为绿 {MOD}开关 低3位为红 {MOD}开关 具体三 {MOD}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 {MOD}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 {MOD}，在它灭掉的时候去亮下一种颜 {MOD}，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 {MOD}，本人为灯 {MOD}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 {MOD}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。

最后，附上共享链接： 链接：http://pan.baidu.com/s/1gf5n0vL 密码：yfpz
STC15F104E数据手册： 链接：http://pan.baidu.com/s/1qYuLNas 密码：a3au  

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