基于MSP430和Proteus的多模式花樣流水燈設(shè)計(jì)

呂倩 葛文瀟 李金虎

摘 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。本文利用MSP430單片機(jī)、IAR和Proteus軟件對(duì)多模式的花樣流水燈進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過Proteus軟件的仿真，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和正確性得到驗(yàn)證，且具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：MSP430;Proteus;單片機(jī);花樣流水燈

單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，憑借其強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的電路除了能實(shí)現(xiàn)基本功能：花樣燈左右循環(huán)流水點(diǎn)亮和交替點(diǎn)亮，還能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)附加功能：實(shí)現(xiàn)變量控制花樣流水燈頻率可變，實(shí)現(xiàn)跑馬燈的多模式控制。

1 相關(guān)原理介紹

1.1 基本功能原理

從編程角度來考慮，本文用到的兩個(gè)基本功能：循環(huán)移位，延遲環(huán)節(jié)。首先，將循環(huán)移位和延時(shí)環(huán)節(jié)制作成兩個(gè)封裝好的庫函數(shù)，以方便后面調(diào)用。其次，在主程序中進(jìn)行使用端口的屬性設(shè)置，端口設(shè)置寄存器功能及指令說明如下表所示。

設(shè)置好端口類型后，在主循環(huán)中使 8個(gè)LED燈呈現(xiàn)正反向循環(huán)流水點(diǎn)亮，并調(diào)用延時(shí)函數(shù)控制閃爍頻率。當(dāng)按下開關(guān)，使外部中斷請(qǐng)求引腳呈低電平，然后在中斷處理程序中將P端口輸出賦值 0xaa或0x55，再通過環(huán)移指令和延時(shí)環(huán)節(jié)，使LED燈交替點(diǎn)亮，松開開關(guān)后，跳出外部中斷處理，進(jìn)程恢復(fù)至主程序段繼續(xù)執(zhí)行。

1.2 實(shí)現(xiàn)變量控制頻率可變的跑馬燈

這部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的想法建立在延時(shí)函數(shù)的調(diào)用次數(shù)參數(shù)從定值設(shè)為變量n，通過外部控制按鍵的中斷，觸發(fā)對(duì)n的函數(shù)運(yùn)算，從而改變流水燈閃爍周期，影響閃爍頻率，關(guān)鍵在于對(duì)實(shí)際基頻和1s周期的計(jì)算與控制。

由于實(shí)際誤差的存在，可以使用實(shí)測(cè)法，按照理論調(diào)用參數(shù)為1000的Delayms函數(shù)，理論上是1s，將該函數(shù)調(diào)用60次，測(cè)量程序執(zhí)行時(shí)間與一分鐘的誤差，并根據(jù)誤差進(jìn)行調(diào)整，直到誤差可接受為止。

1.3 實(shí)現(xiàn)跑馬燈的多模式控制

由于使用外部按鍵控制的方式調(diào)節(jié)跑馬燈模式的方法太過浪費(fèi)資源，所以本文采用基礎(chǔ)功能中使用的一個(gè)按鍵，將按鍵按下的次序作為變量“FLAG”存儲(chǔ)起來，每次按下操作都會(huì)使FLAG值改變，進(jìn)而通過FLAG值的不同控制不同的流水燈操作方式，這樣可以減少對(duì)于外部串口資源的占用。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中擴(kuò)展的流水燈模式為“流水燈從上向下依次點(diǎn)亮，再反向依次熄滅;再由下向上依次點(diǎn)亮，再反向依次熄滅”。

2 總體設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件設(shè)計(jì)總方案

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程來看，包括：“功能需求分析，功能模塊化，器件選擇，電路設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)，仿真調(diào)試”。其中，仿真調(diào)試需要多次進(jìn)行，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和正確性。

以MSP430為核心芯片，用P1和P2口分別作為中斷端口與I/O口。首先僅對(duì)基礎(chǔ)功能進(jìn)行討論，將功能分為兩個(gè)子模塊：模塊一由P2口主要完成，用于點(diǎn)亮正常的依次循環(huán)的流水燈;模塊二需要加上P1口，用于控制中斷信號(hào)，轉(zhuǎn)向第二種流水燈模式。同時(shí)也負(fù)責(zé)檢測(cè)按鍵的松開，并返回模塊一的功能。

2.2 花樣流水燈電路設(shè)計(jì)

對(duì)于MSP4430的電路設(shè)計(jì)，實(shí)際電路中需要用到對(duì)晶振電路，Vcc以及GND的設(shè)置。但由于Proteus中MSP430默認(rèn)內(nèi)部時(shí)鐘以及供電和地段是設(shè)置好的，所以在仿真界面不予顯示。

如下圖1所示，P1口僅P1.3屬于基本功能控制按鈕，用于為中斷提供觸發(fā)信號(hào)。

P2口并行輸出到八個(gè)LED上，控制流水燈閃爍。“R”均為保護(hù)電阻，在此將其設(shè)置為一般值：330歐姆。此處提供+5V直流電源。LED選用前向電壓為2.2V，工作電流在10Ma左右的普通黃色燈，擊穿電壓為4V，可以算出，供電5V，使用串聯(lián)330歐姆電阻的方案是可取的。

整體上P1引線外端共地，P2引線外端供電。MSP430內(nèi)部時(shí)鐘共有3個(gè)輸出模式：ACLK（一般用于低速模塊）、MCLK（主要用于CPU和系統(tǒng)）、SMCLK（主要用于高速模塊）。本文將MSP430選擇頻率方式定為MCLK，設(shè)為8MHz。

2.3 花樣流水燈程序設(shè)計(jì)

首先，在主程序前進(jìn)行必要的聲明和約定。

其次，在主程序階段對(duì)P1和P2口進(jìn)行設(shè)置。

接著，端口設(shè)置好后編寫延時(shí)子程序以及中斷函數(shù)。延時(shí)程序主要利用i++或i--語句反復(fù)調(diào)用一個(gè)機(jī)器周期的語句進(jìn)行計(jì)時(shí)。中斷函數(shù)則依靠（P1IN & 0x08）==0x08的語句檢測(cè)P1.3是否按下，并轉(zhuǎn)入while循環(huán)中執(zhí)行流水燈交替點(diǎn)亮命令即可。

最后，子程序編寫好后進(jìn)入主程序編寫。利用環(huán)移指令（P2OUT=～（1<

本文用示波器顯示LED電量的P2口輸出，顯示情況為L(zhǎng)ED的交替電量，可以發(fā)現(xiàn)，交替時(shí)間為1s，但低電平存在不平坦現(xiàn)象。

2.4 查詢方式程序設(shè)計(jì)

任何查詢方式程序都滿足如圖3的流程圖，包含狀態(tài)標(biāo)記，狀態(tài)規(guī)則，目標(biāo)操作三個(gè)主要部分。目標(biāo)操作與使用中斷的內(nèi)容一致，就是安排流水燈以一定的規(guī)律閃爍。檢查狀態(tài)標(biāo)志設(shè)為“（P1IN & 0x08）==0x00”，而狀態(tài)規(guī)則是：當(dāng)該條件不滿足的時(shí)候，對(duì)應(yīng)中斷觸發(fā)的情況;當(dāng)該條件滿足時(shí)，對(duì)應(yīng)原本主程序點(diǎn)亮狀態(tài)。

2.5 頻率控制功能設(shè)計(jì)

首先，前面的測(cè)量提供了真實(shí)的工作頻率。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，本文將delayms函數(shù)中的i++最大值設(shè)為167。此時(shí)調(diào)用一次delayms函數(shù)的時(shí)間正好為1ms，在程序中定義整數(shù)型變量n，表示delayms的輸入?yún)?shù)，即調(diào)用次數(shù)。顯然，n=1000時(shí)，表示運(yùn)行的LED閃爍間隔時(shí)間為1s，考慮到人體眼球?qū)︻l率變化的敏感程度，將n=1000設(shè)為頻率初始值。

為了盡量使用較少的鍵位控制較多的頻率變化取值，本文外設(shè)了P1.4～P1.7為四種頻率變化模式：“加速”，“減速”，“速度加倍”，“速度減半”。其中加減速度是通過n加減100得到，由于0.1s的頻率變化接近人體能夠直觀察覺的頻率變化臨界值，所以n的變化量取100為間隔是合理的;但僅通過100的變化量對(duì)頻率進(jìn)行控制可能會(huì)導(dǎo)致變化較慢，或者說操作不便捷，為了彌補(bǔ)大步長(zhǎng)改變頻率的空缺，本文中通過對(duì)n進(jìn)行乘以和除以2的運(yùn)算進(jìn)行大幅的概率調(diào)整。

此外，為了防止頻率調(diào)整后不方便返回默認(rèn)的1s周期，本文中另加了頻率復(fù)位按鍵，通過“n=1000”將頻率之間復(fù)位。

3 調(diào)試過程及問題解決

3.1 問題一：如何在按鍵松開后跳出中斷，并返回主程序

對(duì)按鍵按下的操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)擬用中斷方式觸發(fā)，所以對(duì)于按鍵松開后的操作，有兩種方式：（1）查詢按鍵松開;（2）下降沿觸發(fā)中斷。一開始嘗試使用中斷嵌套，進(jìn)行下降沿中斷觸發(fā)，但由于優(yōu)先級(jí)設(shè)置不當(dāng)以及單一按鍵的資源占用沖突，導(dǎo)致失敗。于是改用查詢方式，當(dāng)檢測(cè)到低電平時(shí)，說明按鍵已經(jīng)松開，且具有抗抖動(dòng)的能力，結(jié)束當(dāng)前循環(huán)，返回主程序。

3.2 問題二：按鍵松開后引腳高阻態(tài)

在按鍵與引腳之間的連線上再連接一個(gè)電阻（一般設(shè)為通常值330R），延伸至地端。這樣保證在按鍵提供的高電平結(jié)束后，由地端提供低電平，以供引腳狀態(tài)監(jiān)測(cè)使用。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的花樣流水燈不僅能實(shí)現(xiàn)基本的循環(huán)點(diǎn)亮、交替點(diǎn)亮功能，還能另外實(shí)現(xiàn)“加速”“減速”“速度加倍”“速度減半”四種模式。本文中的多模式的花樣流水燈控制系統(tǒng)具有良好的正確性和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于生活的中的多種領(lǐng)域，很容易根據(jù)實(shí)際需求生成不同的智能化產(chǎn)品。因此，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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