新年将至，一个漂亮的雪花灯可以增添新的气氛，带来冬日的氛围。本次分享将以这个基于STC公司的51单片机控制的雪花灯为例，讲一讲如何零基础入门嵌入式，搭建51单片机开发环境，新建工程并点亮这个雪花灯。

开发环境的搭建

安装Keil

首先安装Keil软件，一个广泛使用的嵌入式开发工具，其中整合了代码编辑器，C51编译器及调试器为一体。下载该软件时，注意选择C51版本。不同的版本包含了不同的交叉编译工具，比如ARM版可以用来编译ARM架构的一些芯片，比如STM32，而我们的51单片机需要用C51编译器来编译。官网下载地址如下:

https://www.keil.com/download/product/

安装完成后，需要购买软件的许可或通过其它的手段来激活软件，否则试用版只能编译较小的程序。

下载STC-ISP下载编程烧录软件

说是烧录软件，实际上说它是STC单片机的万能工具包也不为过。下面的很多步骤都会用到它。下载地址在STC公司它魔性的官网上：

http://www.stcmcudata.com/

打开程序，可以看到从芯片选型，头文件，程序样例，到下载工具，各种常用功能整合到一起，给开发者节省了很多资料的时间。

向Keil中导入STC芯片的型号库和头文件库

为了能使用keil新建一个STC单片机的工程，需要选择单片机的型号来新建。而Keil软件内自带的芯片中并没有STC芯片的型号库。下面的操作将同时导入STC所有单片机芯片的型号库和头文件库，方便从keil新建工程。

打开STC-ISP软件，找到“Keil仿真设置”一栏，点击图中的按钮并根据提示选择Keil对应的安装路径即可。

新建工程

从原理图可知，我们的单片机具体型号为STC15W204S。它只有8个引脚，256字节的内存，不过控制我们的雪花灯还是基本够用。在Keil的新建工程（New Project）对话框中，选择我们的芯片型号。

注意在选择芯片前，需要先在下拉框中切换到STC MCU Database。之后去找具体的芯片型号即可。

选择好后，Keil会询问是否要将STARTUP.A51这个启动文件添加到工程中，回答是即可。

此时我们的工程已经新建完成，并且包含项目的第一个代码文件，也就是51单片机通用的启动文件STARTUP.A51。这是一个汇编代码，当程序编译时工程中所有的C和汇编代码都会被编译为机器指令。

添加代码文件

在Keil左侧的项目管理器中添加代码文件。在这里可以新建代码分组，在每个分组上右击可以选择新建文件，双击可以添加源代码文件。此处仅添加源文件即可，添加到此处的源代码才会被编译到生成文件中。头文件无需在此添加。

根据项目的需要，我们可以添加以下三个源文件以及对应的头文件。新建的文件为空文件，接下来需要我们来编写内容。

main.c
delay.c/delay.h
ws2812.c/ws2812.h

实现WS2812 LED驱动芯片发送功能

RGB颜色表示方法

雪花板上面的LED灯可以发出的颜色，可以用三个参数来表示：R, G, B,范围为0-255。分别对应WS2812模块中内置的红色、绿色、蓝色三颗发光二极管的亮度。红，绿，蓝为显示的三原色，将三种颜色的光的亮度按照不同的大小叠加起来，就可以得到五彩斑斓的颜色。例如(255,255,255)为白色，(100,100,100)就是暗一些的白色，（255,255,0)则为橙色，因为它是红色和绿色的叠加。

WS2812的单总线数据传输协议

每个WS2812上面有红绿蓝三种颜色的LED灯，需要按照绿-红-蓝的顺序接受到24字节的数据才能正常工作。其中每个颜色的数据长度为8位，因此数据范围为0-255.

WS2812的妙处在于，用单片机向WS2812发送数据，只需要一根线，而不像SPI等协议需要很多根线。而且当有多个WS2812时，不需要从单片机向所有的模块都连一根线，而是可以将前一个WS2812模块的发送端连接到下一个的接收端，这样串起来连接。

https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/WS2812.pdf

通过查阅WS2812的数据手册，可以了解到该模块的通信方式。该芯片可以自动转发，也就是说从单片机可以一次发送多个灯的数据，第一个灯可以吃掉前24位的数据，并将剩余的数据发送给后面的灯。对于后面的灯，它们同样是吃掉它们得到的数据的前24位，用于控制自己的亮度，之后把后面的数据丢到后面的灯。按照这样的协议，单片机可以按照灯的总线连接顺序一次按顺序发送所有WS2812的数据。

数据手册还告诉我们，对于每24bit的数据，绿色在前，接着是红色，蓝色。对于每个颜色，先发高位，后发低位。

那么如何发送每一位的数据是1还是0呢？查阅数据手册，总线上的电平每跳变一次，表示发送了一位数据。而按照规定的时间保持高电平和低电平，就可以表示要发送的是0还是1。保持较长时间的低电平，表示发送的是RESET Code。

实现WS2812发送一位数据

回到我们的STC15W单片机。这个单片机的速率并不快，内部时钟最高也通常只能达到33MHz左右。如何用这个单片机实现数百微秒的延时呢？__nop_()语句可以实现让单片机的CPU执行一个空指令，什么也不做但是可以延时一个时钟周期。通过使用逻辑分析仪，我看可以测试出大约多少个nop()可以达到数据手册规定的延时时长。

我们把单片机的内部时钟调节为33MHz。之后可以编写这样的代码，来实现WS2812发送低位或发送高位。

#define WS2812_Send_Bit_High {\
	DI=1;\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	DI=0;\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
}
	
#define WS2812_Send_Bit_Low {\
	DI=1;\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	DI=0;\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
	_nop_();\
}

实现WS2812发送所有数据

下面的函数用来发送多个字节的WS2812数据，例如发送三个字节可以控制第一个WS2812模块的颜色，发送n*3个字节则可以控制单片机后面的n个灯。

buf为要发送的数据的指针，byte_length为数据长度，单位为字节。

void WS2812_Send(uint8_t *buf, uint8_t byte_length){
	uint8_t i, j;
	for(i = 0; i < byte_length; ++i){
		for(j = 0; j < 8; ++j){
			if(buf[i] & (0x80 >> j)){
				WS2812_Send_Bit_High;
			} else{
				WS2812_Send_Bit_Low;
			}
		}
	}
}

编写一个测试程序

接下来，将使用上面写好的WS2812发送功能，来编写主函数main.c文件。

LED待发送数据结构

定义下面的联合体，使其既可以按照要发送的数据的顺序存储，又可以按照每个灯的r,g,b颜色的方式来访问。

union{
	uint8_t buf[LED_NUM*3];
	struct{
		uint8_t g, r, b;
	}u[LED_NUM];
}LED;

延时函数

粗略的延时可以通过固定次数的循环来实现。STC-ISP中的软件延时计算器可以为我们生成一个粗略的延时函数：

完整的main.c

最后，可以编写如下代码来测试我们的程序是否正常工作。雪花灯将像封面效果一样点亮，并一秒钟交换一次颜色。

#include "ws2812.h"
#include "delay.h"

union{
	uint8_t buf[LED_NUM*3];
	struct{
		uint8_t g, r, b;
	}u[LED_NUM];
}LED;
	
void  main()
{
	LED.u[36].r = LED.u[36].g = LED.u[36].b = 30;
	while(1){
		LED.u[15].r = LED.u[16].g = LED.u[17].b = 0;
		LED.u[16].r = LED.u[17].g = LED.u[15].b = 60;
		WS2812_Send(LED.buf, LED_NUM*3);
		Delay100Ms(10);
		
		LED.u[16].r = LED.u[17].g = LED.u[15].b = 0;
		LED.u[15].r = LED.u[16].g = LED.u[17].b = 60;
		WS2812_Send(LED.buf, LED_NUM*3);
		Delay100Ms(10);
	}
}