搖搖棒課程設(shè)計(jì)(基于AT89C51單片機(jī)).doc

目錄摘要.1一、引言.2二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.21.設(shè)計(jì)思路.22.模塊方案的論證與比較.2三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).31.總體設(shè)計(jì).32.單元電路設(shè)計(jì).4四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).51.軟件設(shè)計(jì)思路.52.系統(tǒng)流程圖.63.軟件實(shí)現(xiàn)功能的完善.6五、結(jié)論.7參考文獻(xiàn).8附錄.8附錄一元器件明細(xì)表.8附錄二系統(tǒng)程序.9附錄三電路圖.121魔幻搖搖棒摘要：“搖搖棒”是基于人的視覺(jué)暫留原理的，通過(guò)分時(shí)刷新16個(gè)發(fā)光二極管來(lái)顯示輸出文字或圖案等信息的顯示裝置。輸出信號(hào)頻率的控制通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，用搖動(dòng)傳感器檢測(cè)當(dāng)前搖動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行搖動(dòng)時(shí)，由于人的視覺(jué)暫留原理，會(huì)在發(fā)光二極管搖動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)視覺(jué)平面，在視覺(jué)平面內(nèi)的二極管通過(guò)不同頻率的刷新，會(huì)在搖動(dòng)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生圖像，從而達(dá)到在該視覺(jué)平面上傳達(dá)信息的作用。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)；搖搖棒；發(fā)光二極管；搖動(dòng)2一、引言LED顯示棒，又稱搖搖棒，是一種利用視覺(jué)暫留效應(yīng)制作的“高科技”玩具?？梢杂谩办o如處子，動(dòng)如脫兔”來(lái)形容它，即當(dāng)靜止時(shí)，它只是幾個(gè)LED發(fā)光二極管（后簡(jiǎn)稱LED），而一旦按照一定的頻率去搖晃它，它就會(huì)隨著位置的變化而變化（亮或滅），最終顯示一幅圖片或字符串。本設(shè)計(jì)要求制作完成一個(gè)LED的顯示棒。要求LED燈線狀排列，通過(guò)搖動(dòng)時(shí)形成的亮燈扇形區(qū)域能夠分辨出如：“電”、“A”、五環(huán)之類的漢字或圖案且可以使用按鍵對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行切換。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1.設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)一個(gè)LED顯示棒，且需要有按鍵進(jìn)行內(nèi)容切換，它主要是由中央控制部分、LED驅(qū)動(dòng)部分、LED顯示部分以及電源部分組成，如圖1所示：圖1：LED顯示棒系統(tǒng)框圖單片機(jī)將提取的字模進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)接收到按鍵輸入的指令時(shí)單片機(jī)就將相應(yīng)的字模代碼通過(guò)I/O口輸出，使LED點(diǎn)亮，利用視覺(jué)暫留原理最終使圖案完整的顯示在擺動(dòng)的顯示屏中。本題的難點(diǎn)在于送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔以及較長(zhǎng)畫(huà)面或文字的完整顯示。以下將對(duì)各模塊的方案進(jìn)行論證與比較：2.模塊方案的論證與比較2.1LED燈的選擇方案一：傳統(tǒng)LED發(fā)光二極管。顏色多樣，在可以同樣顯示圖案的前提下使用它更為經(jīng)濟(jì)，但是顏色較為黯淡，不鮮亮。方案二：高亮LED發(fā)光二極管。正如其名，它的亮度比傳統(tǒng)二極管要亮，而且同樣也有很多顏色，但是高亮LED的工作電流也要大于傳統(tǒng)二極管。為了使顯示的圖案清晰、明了，我們選擇方案二，經(jīng)過(guò)比較，使用藍(lán)色的3LED使得顯示畫(huà)面更為明顯、突出，使用3節(jié)1.5V電池為其供電，提供足夠的電流。2.2外部中斷信號(hào)產(chǎn)生方式通過(guò)外部中斷可以控制數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸?shù)臅r(shí)刻。選擇好外部中斷來(lái)源是本次制作的難點(diǎn)及重點(diǎn)。方案一：使用慣性開(kāi)關(guān)。通過(guò)搖晃使得慣性開(kāi)關(guān)的擺桿與焊接的左右兩個(gè)觸點(diǎn)接觸，利用這種接觸產(chǎn)生的電平變化來(lái)觸發(fā)中斷，結(jié)合軟件控制顯示，制作簡(jiǎn)單，使用方便。方案二：使用光遮斷器。在棒上裝一個(gè)可以擺動(dòng)的用來(lái)遮擋光遮斷器光線的細(xì)桿，細(xì)桿每左右擺動(dòng)一次這個(gè)桿就會(huì)通過(guò)一次光遮斷器，發(fā)生電平變化。同樣通過(guò)這種電平變化，結(jié)合軟件控制顯示。本次設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的中斷是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單程傳輸。如果使用光遮斷器，其觸發(fā)單片機(jī)的時(shí)刻處于正中間，不能解決畫(huà)面因?yàn)榉祷嘏c原來(lái)圖片重疊的現(xiàn)象。而使用慣性開(kāi)關(guān)，因?yàn)樵谧笥叶加杏|點(diǎn)，所以很容易的在往返途中產(chǎn)生兩次中斷，方便指令控制，所以選擇使用方案一。2.3抗重影方案的選擇方案一：使用外部中斷控制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)刻。外部中斷信號(hào)由慣性開(kāi)關(guān)產(chǎn)生，觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。慣性開(kāi)關(guān)左右兩邊的觸點(diǎn)分別與單片機(jī)兩個(gè)外部中斷接口相連，默認(rèn)為高電平，搖動(dòng)的擺桿接地。慣性開(kāi)關(guān)處于不同位置進(jìn)入不同的中斷，從而決定何時(shí)送數(shù)據(jù)。該方案簡(jiǎn)單易行，可以保證數(shù)據(jù)是單程傳輸?shù)?，避免了重影。不搖動(dòng)時(shí)把慣性開(kāi)關(guān)處在左邊就可以使LED棒熄滅，可以達(dá)到省電的效果。方案二：使用定時(shí)器與外部中斷。當(dāng)我們?cè)跀[動(dòng)手臂的時(shí)候，短時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)位置和左右幅度不會(huì)有太大變化，利用我們手臂的這個(gè)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只要能得到棒從一側(cè)擺動(dòng)到另一側(cè)的時(shí)間，然后把這個(gè)時(shí)間分成N份，在每一份的時(shí)間里顯示不同的花樣就能實(shí)現(xiàn)圖形的顯示。設(shè)計(jì)中搖動(dòng)的擺子與左右兩個(gè)觸點(diǎn)接觸各一次的時(shí)間可以通過(guò)外部中斷和定時(shí)器計(jì)算出來(lái)，然后用單片機(jī)的另一個(gè)定時(shí)器T1，其定時(shí)時(shí)間是T0的N分之一，每次中斷依次顯示一列，就可以得到預(yù)期顯示的圖案了。該方法可以控制搖動(dòng)頻率低的時(shí)候不顯示圖形。但程序的穩(wěn)定性不高，圖形之間的間隔不易確定，只要電源開(kāi)關(guān)開(kāi)著LED始終是點(diǎn)亮的。本次設(shè)計(jì)要求顯示的字符長(zhǎng)度較短，使用方案一中的外部中斷方法只要控制好延時(shí)就可以達(dá)到完整顯示圖案的目的，而且方案一中只使用了外部中斷，它所占用的內(nèi)存比方案二中既使用外部中斷又使用兩個(gè)定時(shí)器所占用的單片機(jī)資源要少，所以選擇使用方案一。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.總體設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)分析論證，我們決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案，流程圖如下：4圖2：LED顯示棒系統(tǒng)原理框圖整套系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，使用32只LED燈作為顯示屏，其中前24只直接與單片機(jī)I/O口相連，后8只由一個(gè)74HC595控制。當(dāng)慣性開(kāi)關(guān)觸發(fā)中斷T1時(shí)，單片機(jī)向32只LED傳送數(shù)據(jù)，依據(jù)人體的視覺(jué)暫留原理，隨著顯示棒的擺動(dòng)前進(jìn)，輸出數(shù)據(jù)的列也不會(huì)立刻消失而是隨著擺動(dòng)逐漸顯示在了形成的扇形區(qū)域。（整體電路圖見(jiàn)附錄圖1）2.單元電路設(shè)計(jì)2.1按鍵模塊使用一個(gè)按鍵對(duì)顯示的所有內(nèi)容進(jìn)行切換，通過(guò)按鈕按下的次數(shù)確定顯示的內(nèi)容。2.2LED顯示模塊首先，我們根據(jù)LED點(diǎn)陣屏的顯示原理：點(diǎn)陣屏的顯示分為行掃描與列掃描兩種，列掃描是將我們的字模數(shù)組通過(guò)點(diǎn)陣屏的行驅(qū)動(dòng)進(jìn)行輸入，然后通過(guò)列對(duì)每一行進(jìn)行掃描，當(dāng)列為低（高）電平、行為高（低）電平時(shí)則表示該點(diǎn)為圖案的一部分，將其讀出、顯示。它的順序可以總結(jié)為：行不斷的送數(shù)據(jù)，每送完設(shè)置的信息后列進(jìn)行讀取，然后行再次送數(shù)據(jù)，列再次讀取依次循環(huán)下去，一幅完整的圖案就顯示在了顯示屏上。而本次設(shè)計(jì)的LED顯示棒數(shù)據(jù)傳輸原理與LED點(diǎn)陣屏相似?？梢园袻ED顯示棒看成是LED點(diǎn)陣屏中的一列。為了使顯示的圖案清晰，我們使用了32個(gè)LED管將它們排成一列，整個(gè)屏在靜止時(shí)也就相當(dāng)于32行1列。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)我們同樣使用行送數(shù)據(jù)、列掃描。在擺動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)用視覺(jué)暫留原理，我們點(diǎn)亮的列不會(huì)很快的消失，而是隨著擺動(dòng)的方向繼續(xù)向前移動(dòng)，只要移動(dòng)的速度高于視覺(jué)暫留的最短時(shí)間顯示內(nèi)容就不會(huì)熄滅，至此，一幅圖案也就可以這樣被“擺動(dòng)”出來(lái)了。2.3單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于本次設(shè)計(jì)制作的是一個(gè)顯示棒，基本要求就是要小巧、輕便，所以要將單片機(jī)的系統(tǒng)板簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。它的最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復(fù)位開(kāi)關(guān)和電源部分。圖3為AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)。5圖3AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1軟件設(shè)計(jì)思路在搖動(dòng)LED棒的時(shí)候單片機(jī)必須單程送數(shù)據(jù)否則顯示的圖形會(huì)產(chǎn)生重影，影響視覺(jué)效果。因此當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作后通過(guò)慣性開(kāi)關(guān)的位置來(lái)使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)單程送數(shù)據(jù)給LED。如果慣性開(kāi)關(guān)位于右邊，則進(jìn)入外部中斷T1并將一變量置1。在變量為1期間讓單片機(jī)以一定的頻率將數(shù)據(jù)送給LED。如果慣性開(kāi)關(guān)位于左邊，則進(jìn)入外部中斷T0并將變量置0，在這期間單片機(jī)不會(huì)送數(shù)據(jù)給LED。在送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)送完后應(yīng)延時(shí)一段時(shí)間來(lái)使搖動(dòng)時(shí)顯示的每個(gè)字不會(huì)太擁擠。之后再立刻熄滅LED并開(kāi)始重新判斷慣性開(kāi)關(guān)的位置（整體流程圖見(jiàn)圖4）。62系統(tǒng)流程圖圖4.系統(tǒng)流程圖3軟件實(shí)現(xiàn)功能的完善本次設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)是去除重影，我們的解決方法是使用外部中斷讓數(shù)據(jù)單程傳輸。第二個(gè)難點(diǎn)是當(dāng)顯示如“