灯具专业单片机LED驱动的软件教学

崔洋

灯具设计专业方向的学生学习单片机LED驱动教学，面对的比较大的一个困难是电子类专业理论基础薄弱，对基本概念的理解和对认知程度较为困难。在这样的前提条件下，教学方法的设计就应该基于灯具专业学生的知识水平来制定。综上所述，本门课程运用了结果反推、先看效果再探原理以及游戏闯关的思想设计教学的具体内容。

首先，长时间的LED理论灌输容易让学生产生畏惧、厌烦心理，同时不利于学生的理解和消化。在灯具专业人才培养方案中，灯具专业学生在学习单片机LED驱动之前，已经学习电工基础、电光学应用等基础电类专业知识。所以在教学设计中，第一步是让学生将学过的电工基础、电光学应用等电路基本知识运用PROTEUS软件来实现，将理论付诸实践，加深LED驱动理论的理解与应用;第二步是利用PROTEUS软件复制实现已有的单片机驱动LED经典实例，可以激发学生了解单片机系统的工作原理的求知欲。这样通过软件虚拟仿真实验，学生对单片机外围电路设计有了一定的认识，学生很自然地思考单片机系统是如何驱动LED灯具电路工作这个问题。在这个基础上，再进行单片机LED驱动的工作原理讲解，效果会事半功倍。第三步是学生在掌握基础的单片机LED驱动知识后，按照游戏闯关思路，由易到难，加入一些综合实验，将前面课程实训时单独的模块组合起来，形成一个完整的单片机LED驱动系统。这样，学生基本可以掌握单片机LED驱动系统设计的核心知识点。

基于这样的教学设计，本文分享几个应用实例，用以说明运用PROTEUS来完成单片机LED驱动系统设计教学的便利、优越。

一、PROTEUS软件在单片机教学中的应用

（一）PROTEUS软件经典单片机外围辅助电路设计：加减法运算电路

加减运算电路设计的原理是：运用运算放大电路的特性，既输出电压与同相输入端信号的电压极性相同，与反相输入端信号电压极性相反。在本实例中，U11、U12是同相输入端，U13、U14是反相输入端，Uo是输出端，R5是负反馈（即减小了放大电路净输入量的反馈）。电路如图1所示。

分析：

1.将反相输入端U13、U14接地，电路即是同相求和运算电路，同相输入端U11、U12和电阻R1、R2、R3、R4、R5之间关系如下：

Uo1=R5*RP/RN*（U11/R1+U12/R2）

RP=R1//R2

RN=R3//R4//R5

由于RP=RN则：

Uo1=R5（U11/R1+U12/R2）

2.将同相输入端U11、U12接地，电路即是反相求和运算电路，反相输入端U13、U14和电阻R1、R2、R3、R4、R5之间关系如下：

Uo2=R5*RP/RN*（U13/R3+U14/R4）

RP=R1//R2

RN=R3//R4//R5

由于RP=RN则：

Uo1=-R5（U13/R3+U14/R5）

3.两者综合，则：

Uo=Uo1+Uo2=R5（U11/R1+U12/R2-U13/R3-U14/R4）

4.若输入电压U11：3V，输入电压U12：5V，输入电压U13：2V，输入电压U14：1V，求输出電压U0

5.仿真结果，如图2所示：

U0=4.31467V

（二）PROTEUS软件在单片机LED驱动电路教学中的综合应用

在PROTEUS软件中，有功能强大的元器件模型和可视化界面，可以实时观察电路端点逻辑的高与低，这样就使得电路设计更加直观明了、清晰易懂且规范。因此PROTEUS软件在单片机系统LED驱动原理分析中有着很好的辅助作用。

综合实验：矩阵LED大屏幕广告的实现。

这个实例中，LED显示系统包括：单片机AT89C51主控单元，行控制74HC154芯片，列数据传输74HC595芯片，该芯片有个优点是具有数据存储寄存器，在移位过程中，输出端的数据可以保持不变，即保证了数码管在切换时没有闪烁感。8*8点阵每列共用一根列线，每行共用一根行线，当行接高电平，列接低电平时，对应的发光二极管被点亮，由于通常情况下一块8*8的LED显示屏无法显示一个完整的汉字，所以本实例选用了8个8*8点阵显示模块组成16*32的显示屏，满足显示两个汉字的需要。显示采用的是扫描方式，原理是利用人的视觉暂留效应，只要刷新速率不大于24帧/秒，人眼是感觉不到闪烁的。基本原理框图如图3所示。

（1）行线译码选择电路

P1口控制74HC154的数据输入，P3.0控制74HC154的使能，74HC154是四六译码器，译码输出的逻辑电平，作为开关信号使用，用来驱动LED显示屏的行，数据结果通过LED显示屏显示出来。

（2）AT89C52单片机I/O口、按键的电路设计

P1口作为连接74HC154译码数据端。P0口连接74HC595芯片的使能端、清零端、时钟端、数据端，用于控制47HC595的工作。P2连接按键控制点阵屏的左右移动、开关/显示、速度加减功能。P3口连接74HC154的使能。XTAL1、XTAL2分别接外部晶振XTAL1、XTAL2端，提供片机时钟信号。RST连接外部电容C与电阻R组成复位系统，在仿真出现故障或者单片机系统死机时，用来将单片机进行复位。

（3）单片机的复位电路

AT89C52单片机有很多复位电路可选择，本实例采用的复位电路，如图4所示。当按键按下上电时，电容C相当于断路，复位端端接地，单片机复位。

二、总结及展望

在本文简短的几个实验分享中，包括了经典的实验例程（如：集成运算放大电路构成的加减运算电路），并运用游戏闯关思想，将单独的经典实例，发挥学生的主观能动性、创新精神，设计了一个中规模的单片机LED驱动系统综合实验（LED大屏幕广告），其中内容相对复杂，电路功能模块也较多。这样复杂的过程，因为PROTEUS软件的使用，使电类专业知识相对薄弱的灯具专业学生，可以较为容易地将枯燥的理论用于实践之中，使灯具专业学生在学习单片机LED驱动课程时，能更好地理解，更好地学以致用，为LED驱动制作课程打好基础。这种利用PROTEUS软件从易到难，游戏闯关的学习方式，提高了单片机LED驱动课程的实用性和趣味性，增强了学生的实践能力。

责任编辑 朱守锂