呼吸灯实训

呼吸灯

摘要：设计了灯光在51单片机的控制下完成由亮到暗变化的呼吸灯，本设计

是基于单片机的原理与接口设计，采用单片机I/O口，加以C语言编程实现LED 渐亮再渐暗，类似人的呼吸一样的效果。利用KEIL软件进行C语言程序编写及调试，再利用Proteus仿真软件进行仿真实验，

关键词：LED灯，51单片机。

1 系统设计 (3)

1.1 设计要求 (3)

1.1.1 设计任务 (3)

1.2 方案比较 (3)

1.2.1 计数存储方案 (3)

1.3 方案论证 (3)

1.3.1 总体思路 (3)

1.3.2 设计方案 (3)

2 单元电路设计 (4)

2.1 RCL响应电路 (4)

2.2 PWM控制 (5)

2.3 呼吸灯应用系统的硬件设计 (5)

2.3.1 呼吸灯硬件系统的模块划分 (5)

2.3.2 呼吸灯硬件系统的电路 (6)

2.3.3 硬件模块基础 (6)

3 软件设计 (7)

3.1 呼吸灯应用系统软件设计 (7)

3.1.1 呼吸灯应用系统的软件流程 (7)

4 呼吸灯应用系统的仿真 (7)

4.1利用Proteus和Ｋeil uVision对51单片机进行仿真 (7)

4.1.1 Proteus中的虚拟示波器 (8)

4.1.2 呼吸灯的仿真 (8)

5 总结 (8)

1 系统设计

1.1 设计要求

呼吸灯就是让LED灯的闪烁像呼吸一样，时呼时吸，时亮时暗，利用LED 的余晖和人眼的暂留效应，看上去和人的呼吸一样。

1.1.1 设计任务

设计并制作一个在51单片机控制下完成由亮到暗变化的呼吸灯。

1.2 方案比较

1.2.1 计数存储方案

计数存储方案的选择主要是数据的准确性。

方案一：利用李氏无竞争计数实现的方案

李氏无竞争计数码既具有制约竞争编码的特点，即每次只允许一位数据发生变化，同时又具有适合计数方式的编码结构，可以采用特征序列的循环移位实现递增和递减的计数。又因为呼吸灯的明暗周期可调，则只需通过输入周期的变化控制李氏计数码的变化即可。

方案二：利用单片机计数实现的方案

单片机是在单一芯片上构成的微型计算机，CPU由控制器和运算器组成。控制器主要完成指令的读取，指令的译码和指令的执行等工作，并协调单片机内部各部分工作，运算器主要完成算数运算和逻辑运算。

上述两种方案从计数准确性来说，方案一对计数方式加以约束，每次计数只允许1bit发生变化，从跟不上限制了多位同时变化，有可能带来数据的不确定性。

1.3 方案论证

1.3.1 总体思路

（1）要发光，则需要一个合适的光源；

（2）需要一个能这个光源进行相应控制的驱动电路；

（3）作为控制系统的51单片机要能和这个驱动电路进行接口；

（4）需要设计合适的单片机软件

1.3.2 设计方案

系统工作流程如图1.3.1所示。

对于51单片机的应用系统而言，最常用的发光源是发光二极管（LED）。发光二极管的发光强弱和通过其的电流大小相关，当电流越大时，发光二极管的亮度就越大；反之灯光则变暗，通过控制这个电流的大小，即可实现发光二极管亮度的控制。

2 单元电路设计

2.1 RCL响应电路

51单片机的输出是一个数字信号，只有0和1两种状态，也就是说只有大电流和小电流，不能直接对LED进行控制，此时需要一个相应的电路来将这个数字信号转化为模拟信号。如果在RCL电路的R1和L1串联一个发光二极管，而在电容两端加上高低的数字逻辑电平，则可以控制发光二极管上电流的变化。

2.2 PWM控制

虽然RCL电路能将对应的数字逻辑高低电平转换为模拟信号，并且能控制电流的大小变化，但还是需要51单片机提供这个数字逻辑电平，此时可以应用PWM控制原理来实现转换功能。PWM是脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种使用51单片机或者其他处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的方法，这种方法可用数字方式来控制模拟电路，能大幅度降低系统的成本和功耗。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，利用51单片机的I/O引脚输出一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，来代替正弦波或其他所需要的波形，并按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变电路输出电压的大小，，也可改变输出频率。其关键参数有两个：脉冲的频率和脉冲的宽度。在呼吸灯实例中，修改PWM的输出波形，可以改变外加在RCL电路的电源时间长度和对RCL电路进行充电的频率，从而可以分别控制吸气和呼气的长度以及呼吸的频率。

2.3 呼吸灯应用系统的硬件设计

呼吸灯应用系统的硬件设计重点是如何使用RCL电路对发光二极管进行驱动。

2.3.1 呼吸灯硬件系统的模块划分

呼吸灯的硬件模块是由51单片机、三极管开关电路、RCL电路和发光二极管构成，如图所示，其各个部分的详细说明如下。

（1）51单片机：是呼吸灯系统的核心控制器。

（2）三极管开关电路：受到51单片机的PWM输出波形驱动，当输出为高电平时，三极管打开，电源给RCL电路充电；当输出为低电平时，三极管截止，电源从RCL电路上断开，RCL电路开始放电。

（3）RCL电路：利用充/放电原理将51单片机输出的数字信号转换为模拟信号后，用于对发光二极管进行控制。

（4）发光二极管：发光器件。

2.3.2 呼吸灯硬件系统的电路

呼吸灯硬件系统的电路如图所示，途中51单片机使用P2.0引脚驱动了一个由PNP和NPN三极管构成的三极管开关电路（Q1和Q2）；一个5Ｖ的电源通过三极管开关电路给Ｌ１、Ｃ４和Ｒ２构成的ＲＣＬ电路供电，在Ｒ２上串联了一个用于显示的发光二极管Ｄ１.

2.3.3 硬件模块基础

发光二极管（LED）：51单片机系统中发光二极管的典型应用电路可分为“灌电流“和“拉电流”两种。

三极管：在呼吸灯应用系统中，使用两个三极管构成了一个开关电路，用于控制电源对RCL电路的充电。三极管是一种用电流来控制电流的半导体器件，是51单片机系统中最常用的功率驱动器件，其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号，也常常用作无触点开关。（注意：控制端上的电阻必须选取合适，因为较小的电流将不足以使三极管导通。）