搖搖棒課程設計(基于AT89C51單片機).doc

目錄摘要.1一、引言.2二、系統(tǒng)設計方案.21.設計思路.22.模塊方案的論證與比較.2三、系統(tǒng)硬件設計.31.總體設計.32.單元電路設計.4四、系統(tǒng)軟件設計.51.軟件設計思路.52.系統(tǒng)流程圖.63.軟件實現功能的完善.6五、結論.7參考文獻.8附錄.8附錄一元器件明細表.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”是基于人的視覺暫留原理的，通過分時刷新16個發(fā)光二極管來顯示輸出文字或圖案等信息的顯示裝置。輸出信號頻率的控制通過單片機來實現，用搖動傳感器檢測當前搖動狀態(tài)。當進行搖動時，由于人的視覺暫留原理，會在發(fā)光二極管搖動區(qū)域產生一個視覺平面，在視覺平面內的二極管通過不同頻率的刷新，會在搖動區(qū)域內產生圖像，從而達到在該視覺平面上傳達信息的作用。關鍵字：單片機；搖搖棒；發(fā)光二極管；搖動2一、引言LED顯示棒，又稱搖搖棒，是一種利用視覺暫留效應制作的“高科技”玩具?？梢杂谩办o如處子，動如脫兔”來形容它，即當靜止時，它只是幾個LED發(fā)光二極管（后簡稱LED），而一旦按照一定的頻率去搖晃它，它就會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。本設計要求制作完成一個LED的顯示棒。要求LED燈線狀排列，通過搖動時形成的亮燈扇形區(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顯示內容進行切換。二、系統(tǒng)設計方案1.設計思路本系統(tǒng)要求設計一個LED顯示棒，且需要有按鍵進行內容切換，它主要是由中央控制部分、LED驅動部分、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)框圖單片機將提取的字模進行存儲，當接收到按鍵輸入的指令時單片機就將相應的字模代碼通過I/O口輸出，使LED點亮，利用視覺暫留原理最終使圖案完整的顯示在擺動的顯示屏中。本題的難點在于送數據的時間間隔以及較長畫面或文字的完整顯示。以下將對各模塊的方案進行論證與比較：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濟，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，經過比較，使用藍色的3LED使得顯示畫面更為明顯、突出，使用3節(jié)1.5V電池為其供電，提供足夠的電流。2.2外部中斷信號產生方式通過外部中斷可以控制數據開始傳輸的時刻。選擇好外部中斷來源是本次制作的難點及重點。方案一：使用慣性開關。通過搖晃使得慣性開關的擺桿與焊接的左右兩個觸點接觸，利用這種接觸產生的電平變化來觸發(fā)中斷，結合軟件控制顯示，制作簡單，使用方便。方案二：使用光遮斷器。在棒上裝一個可以擺動的用來遮擋光遮斷器光線的細桿，細桿每左右擺動一次這個桿就會通過一次光遮斷器，發(fā)生電平變化。同樣通過這種電平變化，結合軟件控制顯示。本次設計中產生的中斷是為了實現數據的單程傳輸。如果使用光遮斷器，其觸發(fā)單片機的時刻處于正中間，不能解決畫面因為返回與原來圖片重疊的現象。而使用慣性開關，因為在左右都有觸點，所以很容易的在往返途中產生兩次中斷，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據傳輸時刻。外部中斷信號由慣性開關產生，觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。慣性開關左右兩邊的觸點分別與單片機兩個外部中斷接口相連，默認為高電平，搖動的擺桿接地。慣性開關處于不同位置進入不同的中斷，從而決定何時送數據。該方案簡單易行，可以保證數據是單程傳輸的，避免了重影。不搖動時把慣性開關處在左邊就可以使LED棒熄滅，可以達到省電的效果。方案二：使用定時器與外部中斷。當我們在擺動手臂的時候，短時間內擺動位置和左右幅度不會有太大變化，利用我們手臂的這個運動規(guī)律，只要能得到棒從一側擺動到另一側的時間，然后把這個時間分成N份，在每一份的時間里顯示不同的花樣就能實現圖形的顯示。設計中搖動的擺子與左右兩個觸點接觸各一次的時間可以通過外部中斷和定時器計算出來，然后用單片機的另一個定時器T1，其定時時間是T0的N分之一，每次中斷依次顯示一列，就可以得到預期顯示的圖案了。該方法可以控制搖動頻率低的時候不顯示圖形。但程序的穩(wěn)定性不高，圖形之間的間隔不易確定，只要電源開關開著LED始終是點亮的。本次設計要求顯示的字符長度較短，使用方案一中的外部中斷方法只要控制好延時就可以達到完整顯示圖案的目的，而且方案一中只使用了外部中斷，它所占用的內存比方案二中既使用外部中斷又使用兩個定時器所占用的單片機資源要少，所以選擇使用方案一。三、系統(tǒng)硬件設計1.總體設計經過分析論證，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I/O口相連，后8只由一個74HC595控制。當慣性開關觸發(fā)中斷T1時，單片機向32只LED傳送數據，依據人體的視覺暫留原理，隨著顯示棒的擺動前進，輸出數據的列也不會立刻消失而是隨著擺動逐漸顯示在了形成的扇形區(qū)域。（整體電路圖見附錄圖1）2.單元電路設計2.1按鍵模塊使用一個按鍵對顯示的所有內容進行切換，通過按鈕按下的次數確定顯示的內容。2.2LED顯示模塊首先，我們根據LED點陣屏的顯示原理：點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組通過點陣屏的行驅動進行輸入，然后通過列對每一行進行掃描，當列為低（高）電平、行為高（低）電平時則表示該點為圖案的一部分，將其讀出、顯示。它的順序可以總結為：行不斷的送數據，每送完設置的信息后列進行讀取，然后行再次送數據，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。而本次設計的LED顯示棒數據傳輸原理與LED點陣屏相似?？梢园袻ED顯示棒看成是LED點陣屏中的一列。為了使顯示的圖案清晰，我們使用了32個LED管將它們排成一列，整個屏在靜止時也就相當于32行1列。數據傳輸時我們同樣使用行送數據、列掃描。在擺動過程中，應用視覺暫留原理，我們點亮的列不會很快的消失，而是隨著擺動的方向繼續(xù)向前移動，只要移動的速度高于視覺暫留的最短時間顯示內容就不會熄滅，至此，一幅圖案也就可以這樣被“擺動”出來了。2.3單片機最小系統(tǒng)的設計由于本次設計制作的是一個顯示棒，基本要求就是要小巧、輕便，所以要將單片機的系統(tǒng)板簡化設計。它的最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復位開關和電源部分。圖3為AT89S52單片機的最小系統(tǒng)。5圖3AT89S52單片機最小系統(tǒng)四、系統(tǒng)軟件設計1軟件設計思路在搖動LED棒的時候單片機必須單程送數據否則顯示的圖形會產生重影，影響視覺效果。因此當系統(tǒng)開始工作后通過慣性開關的位置來使單片機實現單程送數據給LED。如果慣性開關位于右邊，則進入外部中斷T1并將一變量置1。在變量為1期間讓單片機以一定的頻率將數據送給LED。如果慣性開關位于左邊，則進入外部中斷T0并將變量置0，在這期間單片機不會送數據給LED。在送數據時，數據送完后應延時一段時間來使搖動時顯示的每個字不會太擁擠。之后再立刻熄滅LED并開始重新判斷慣性開關的位置（整體流程圖見圖4）。62系統(tǒng)流程圖圖4.系統(tǒng)流程圖3軟件實現功能的完善本次設計的一個難點是去除重影，我們的解決方法是使用外部中斷讓數據單程傳輸。第二個難點是當顯示如“