基于单片机的摇摇棒设计1

郑州科技学院单片机课程设计题目基于单片机的摇摇棒设计学生姓名张焦焦专业班级电气工程及其自动化3班学号201147078院（系）电气工程学院指导教师程晓琦完成时间2014年12月12日目录1 前言 (1)2 设计方案与论证 (2)2.1 方案设计 (2)2.2 主要部件原理 (3)3 系统硬件设计 (4)3.1 基本原理设计 (4)3.2 系统硬件设计 (6)4 系统软件设计 (9)4.1 软件设计思路 (9)4.2 主程序流程图 (9)5 系统调试与分析 (11)5.1 常见故障与调试方法 (11)5.2 调试过程 (13)6 总结 (16)参考文献 (17)附录1：总体电路原理图 (18)附录2：实物图 (19)附录3：元器件清单 (20)1 前言摇摇棒是一种利用视觉暂留效应制作的“高科技”玩具。

可以用“静如处子，动如脱兔”来形容它，即当静止时，它只是几个LED发光二极管（后简称LED），而一旦按照一定的频率去摇晃它，它就会随着位置的变化而变化（亮或灭），最终显示一幅图片或字符串。

它是由单片机控制一排LED灯有规律地亮暗，再通过摇动使之在空中呈现一幅段时间的画面。

它的设计需要解决几个问题。

因为通过摇动产生的图像是有方向的，所以，要使图像正确不重叠，就要将摇摇棒设计成单方向才显示图像。

如果摇动一下的速度比显示一幅图像的速度慢，可能会出现：第二幅图的前面部分在第一下摇动的末尾，后面部分在第二下摇动的开始。

这就要使摇摇棒在一次摇动中只显示一次图像。

如果要设计一个16X20分辨率的摇摇棒，LED数为16只，LED每5ms—10ms变换一次，共变换20次组成一幅图像。

测试间隔8ms效果较好。

其中亮灯3ms，暗灯5ms。

这样能使亮点不呈一条横线，黑暗宽度与LED间隔相近。

单片机系统可采用AT89S52单片机。

选择P0和P2口输出，连接16只LED灯。

P3.2为外部中断INT0，低电平触发方式，接一个轻触开关，功能为切换图像。

P3.3为外部中断INT1，低电平触发方式，接一个水银开关，功能是使摇摇棒只有向一个方向摇动时才显示图像，使图像完整。

本系统要求设计一个LED显示棒，它主要是由中央控制部分、LED 驱动部分、LED显示部分以及电源部分组成，LED显示棒系统，单片机将提取的字模进行存储，当接收到按键输入的指令时单片机就将相应的字模代码通过I/O口输出，使LED点亮，利用视觉暂留原理最终使图案完整的显示在摆动的显示屏中。

本设计的难点在于送数据的时间间隔以及较长画面或文字的完整显示。

LED灯的选择为传统LED发光二极管。

颜色多样，在可以同样显示图案的前提下使用它更为经济。

2 设计方案与论证2.1 方案设计（1）总体方案本系统要求设计一个LED显示棒，它主要是由中央控制部分、LED 驱动部分、LED显示部分以及电源部分组成，LED显示棒系统，单片机将提取的字模进行存储，当接收到按键输入的指令时单片机就将相应的字模代码通过I/O口输出，使LED点亮，利用视觉暂留原理最终使图案完整的显示在摆动的显示屏中。

本设计的难点在于送数据的时间间隔以及较长画面或文字的完整显示。

LED灯的选择为传统LED发光二极管。

颜色多样，在可以同样显示图案的前提下使用它更为经济，但是颜色较为黯淡，不鲜亮。

作品本着方便、价格低廉的原则，采用单片机控制，由水银开关的闭合对单片机产生外部中断，从而对中断进行采集。

到达一定数量便进行图象的转换。

整个系统由单片机控制模块，开关及电源模块和输出显示模块三个部分构成。

（2）系统设计单片机将提取的字模进行存储，当接收到按键输入的指令时单片机就将相应的字模代码通过I/O口输出，使LED灯点亮，利用视觉暂留原理最终使图案完整的显示在摆动的显示屏中。

LED灯的选择：传统LED发光二极管，颜色多样，在可以同样显示图案的前提下使用它更为经济。

外部中断信号产生方式：通过外部中断可以控制数据开始传输的时刻，选择好外部中断来源是本次制作的难点及重点，使用惯性开关。

通过摇晃使得惯性开关的摆杆与焊接的左右两个触点接触，利用这种接触产生的电平变化来触发中断，结合软件控制显示，制作简单，使用方便。

抗重影方案的选择：使用外部中断控制数据传输时刻，外部中断信号由惯性开关产生，触发方式为下降沿触发。

惯性开关左右两边的触点分别与单片机两个外部中断接口相连，默认为高电平，摇动的摆杆接地，惯性开关处于不同位置进入不同的中断，从而决定何时送数据。

该方案简单易行，可以保证数据是单程传输的，避免了重影。

不摇动时把惯性开关处在左边就可以使LED 棒熄灭，可以达到省电的效果。

系统框图如下：图2-1 系统框图2.2主要部件原理（1）单片机控制模块用单片机想要控制LED 显示只需要定时输出就可以，但每个人摇动的速度不一样，如何准确的并稳定的变换图案呢，这就需要用到外部中断。

将水银开关的两个引脚一端接VCC ，一端接GND ，这样的话，当摇棒向一边运动时LED 按照程序编辑好的规律显示，而向另一边运动时LED 全灭，此时一个周期就会产生一个下降沿的信号，信号传递给单片机的INT0产生中断，对中断的数量计数，当计到10时便转换显示的图案，当依次显示完后便回到初始状态进行循环。

由于人的视觉滞留时间长达0.1s ，所以在每显示完一列LED 后加输出显示LED单片机 水银开关入一段合适的延时，如5ms，每个字之间加入延时如15ms，这样，我们就能看到静态的稳定的字，并且每个字之间是有空隙的，为了让字能够在空间的中部显示，在启动中断显示后延时一段合适的时间，使棒在半圆轨迹的大约1/4处开始显示，这样看到的字方向上才比较正。

（2）水银开关水银开关，又称倾侧开关，是电路开关的一种，以一接著电极的小巧容器储存著一小滴水银，容器中多数注入惰性气体或真空。

图2-2水银开关实物图仔细观察水银开关，实际上他是一个封闭的玻璃管，里面有两个分开着的导线和一段水银球，当玻璃管的平衡位置变化时，水银球会来回移动，当水银球移动到两根导线时，因水银是金属-导体，故电路变为通路，此时接收器处于工作状态；反之，水银球远离两根导线时为断路，此时接收器处于非工作状态。

3 系统硬件设计3.1 基本原理设计硬件连接上用水银开关产生的电平转换引发中断，传递给单片机，再由单片机调用点阵文件输出到LED上。

图3-1 摇摇棒设计电路图AT89S52单片机作为控制器，在它的P0、P2口接有16只以共阳的方式连接的高亮度LED，由单片机输出低电平点亮。

P0口处接上拉电阻串。

在LED公共端的二极管D1会产生一定的压降，用来保护LED。

K1是画面切换开关，用于切换显示不同内容；S1为水银开关。

系统电源VCC为5V，实际使用时用2节干电池串联3V即可。

16只LED发光管作为画面每一列的显示，左右摇晃起到了扫描的作用，人眼的视觉暂留现象使得看到的是一幅完整的画面。

水银开关的作用：棒在摇动时，只能在朝某一方向摇动时显示，否则会出现镜像字或镜像画面，所以通过接一只水银开关来控制，使摇摇棒从左向右摇动时将内容显示出来。

3.2 系统硬件设计（1）系统功能主要体现在三个部分：单片机控制（AT89S52）AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

图3-1 AT89S52最小系统图AT89S52主要功能：a、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash；b、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）；c、内部程序存储器（ROM）为8KB；d、内部数据存储器（RAM）为256字节；e、32个可编程I/O口线；f、8个中断向量源；g、三个16 位定时器/计数器；单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。

存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

图3-2 AT89S52引脚图（2）显示功能（D1~D16）信息传递主要由显示来完成，本设计显示功能由16个发光二极管来完成。

16个发光二极管分为4组，以共阳的方式连接，共用P1口和P2口作为输出口。

根据LED点阵屏的显示原理：点阵屏的显示分为行扫描与列扫描两种，列扫描是将我们的字模数组通过点阵屏的行驱动进行输入，然后通过列对每一行进行扫描，当列为低（高）电平、行为高（低）电平时则表示该点为图案的一部分，将其读出、显示。

它的顺序可以总结为：行不断的送数据，每送完设置的信息后列进行读取，然后行再次送数据，列再次读取依次循环下去，一幅完整的图案就显示在了显示屏上。

而本次设计的LED显示棒数据传输原理与LED点阵屏相似。

可以把LED显示棒看成是LED点阵屏中的一列。

为了使显示的图案清晰，我们使用了16个LED管将它们排成一列，整个屏在静止时也就相当于16行×1列。

数据传输时我们同样使用行送数据、列扫描。

在摆动过程中，应用视觉暂留原理，我们点亮的列不会很快的消失，而是随着摆动的方向继续向前移动，只要移动的速度高于视觉暂留的最短时间显示内容就不会熄灭，至此，一幅图案也就可以这样被摆动出来了。

（3）.传感器系统硬件传感器主要为摇动传感器，本设计的摇动传感器由滚珠开关构成。

可选摇动开关有水银摇动开关和滚珠开关两种。

水银摇动开关稳定性较高，但容易发生破裂，水银外泄，安全性较差。

滚珠开关稳定性稍差，但不容易损坏，安全度很高。

考虑到实际应用环境，故选用滚珠开关作为系统的摇动传感器。

由滚珠开关带来的不稳定性可以通过软件进行弥补。

4 系统软件设计4.1 软件设计思路在摇动LED棒的时候单片机必须单程传送数据否则显示的图形会产生重影，影响视觉效果。

因此当系统开始工作后通过惯性开关的位置来使单片机实现单程传送数据给LED，如果惯性开关位于右边，则进入外部中断1并将一变量置1，在变量为1期间让单片机以一定的频率将数据传送给LED，如果惯性开关位于左边，则进入外部中断0并将变量置0，在这期间单片机不会传送数据给LED，在送数据时，数据送完后应延时一段时间来使摇动时显示的每个字不会太拥挤。