摇摇棒的设计

系 别： 电 子 信 息 系专 业： 电 子 信 息 工 程 班 级： B110301 学 号： B1030114 姓 名： 刘云飞 指导教师： 张妮 实习题目： 摇摇棒的设计 实习地点： 电子实验室教务处印制2014 年 7 月 9 日生产实习报告指导教师填阅摇摇棒的设计制作及调试一前言：今年暑假学校给我们安排了很多的实习和课程设计。

这次生产实习摇摇棒的制作就是其中一个，本次实习介绍了一种新型的LED彩灯控制系统的设计方法，以单片机作为主控核心，与按键、水银开关等较少的辅助硬件电路相结合，利用软件实现对LED彩灯进行控制。

本系统具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。

摇摇棒就是基于人的视觉暂留原理的，通过分时刷新16个发光二极管来显示输出文字或图案等信息的显示装置。

基本原理与硬件电路设计：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。

与LED点阵的显示有几分相仿。

本次设计要求制作完成一个LED灯显示的摇摇棒，16个LED灯一字纵向排列，通过摇动时形成的亮灯扇形区域来显示预先设定的汉字或图案，且可以用按键对所显示内容进行切换。

2、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、硬件制作：使用的是直径3mm的红色LED，颜色可根据个人喜好选择。

水银开关里的水银珠很活跃，导致在接通时容易产生抖动，所以将水银开关斜向上放置（尖尖朝斜上方45°角），靠水银珠自身重力的作用减少抖动。

二实习目的1．非常重要的实践教学环节2．培养理论知识与生产实际相结合的能力3．了解单片技术4．锻炼实际动手能力，掌握电子线路焊接、装配的基本技能5．了解并掌握本专业软硬件设计的一些基本问题三实习时间，及进程安排6月28日至6月29日：理论学习及讲座阶段，上午讲座下午及课外时间进行资料收集，查找及学习。

7月1日：发放元器件，进行焊接准备，硬件焊接及组装，及硬件调试。

7月3日至7月9日：参考硬件电路，绘制原理图及PCB绘制。

7月9日：总结报告及验收四实习地点电子实验室五实习单位、部门、地点实习单位西安工业大学北方信息工程学院实习部门电子信息系实习地点电子实验室六实习内容（包括关键技术及设计方案介绍、功能原理、电路原理、PCB板的设计及安装调试过程、安装调试过程中出现的问题及解决方法等内容）1 电路的模块设计1.1主控单元：单片机以其集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、价格廉、使用灵活等一系列优点得到迅速的发展，渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统等，这些都离不开单片机。

1.1.1视觉暂留原理人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。

是光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍保留一段时间的现象，其具体应用是电影的拍摄和放映。

原因是由视神经的反应速度造成的其时中央控制器驱动显示器电源切换按键复位按键水银开关值是二十四分之一秒。

是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。

视觉实际上是靠眼睛的晶状体成像，感光细胞感光，并且将光信号转换为神经电流，传回大脑引起人体视觉。

感光细胞的感光是靠一些感光色素，感光色素的形成是需要一定时间的，这就形成了视觉暂停的机理。

1.1.2电源与复位：任何电路都离不开电源部分，单片机也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所忽略，其实有将近一半的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。

两个钮扣电池是最好的，电池输出的电压是最干净的，不会有任何干扰波动。

上电复位：保障上电时能准确地启动系统。

掉电复位：当电源失效或电压降到某一电压值以下时，复位系统自动保存数据。

除上电复位和掉电复位外，很多监控电路集成了系统所需的功能。

电源测控：供电电压出现异常时提供预警指示或中断请求信号，方便系统实现异常处理。

数据保护：当电源或系统工作异常时，对数据进行必要的保护，如保护数据备份或切换后备电池。

1.1.3 LED发光二极管发光二极管简称为LED。

由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。

在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

发光二极管的特点是：工作电压很低；工作电流很小；抗冲击和抗震性能好，发光均匀稳定、响应速度快，可靠性高，寿命长。

发光二极管的反向击穿电压约5伏。

它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。

摇摇棒显示是一种通过同步控制发光二极位置和点亮状态来实现图文显示的新型显示器，其结构新颖，成本低廉，可视角度达360°，本设计采用16个并排发光二极管，利用人眼的“视觉暂留效应”显示文字及图案。

显示模块如图所示I O 0图1显示模块框图1.1.4 PCB 板印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，简称印制板，英文简称PCB 或PWB ，以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔（如元件孔、紧固孔、金属化孔等），用来代替以往装置电子元器件的底盘，并实现电子元器件之间的相互连接。

由于这种板是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。

习惯称“印制线路板”为“印制电路”是不确切的，因为在印制板上并没有“印制元件”而仅有布线。

采用印制板的德可以减少了布线和装配的差错，节省了设备的维修、调试和检查时间有利于设计上的标准化，利于互换，并且布线密度高、体积小、重量轻，利于电子设备的小型化，此外也有利于机械化、自动化生产，提高了劳动生产率并降低了电子设备的造价。

1.2电路总设计图电路总图由五个模块组成： 1.电源模块：如图2uFB11123K4图2 电源模块原理图2.复位开关模块：如图3图3 复位开关模块3.水银开关模块：如图4图4 水银开关模块4.二极管显示模块：如图5I O 0图5 二极管显示模块5.单片机模块，其中单片机模块为电路图图的主控模块：如图6图6 单片机控制模块6.摇摇棒原理图：如图7F图7摇摇棒的电路总设计图1.3 功能原理1.3.1驱动部分：单片机的时钟由一个12MHz的晶振和两个30pF的电容组成。

单片机内各部件之间有条不紊协调工作，其控制信号是在基本节拍的指挥下按一定时间顺序发出的，这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序，而产生这种基本节拍的电路就是振荡器和时钟电路。

此振荡器由XTAL1端向内部时钟电路提供12MHz 的时钟源信号。

1.3.2水银开关：棒在摇动时，只能朝某一个方向摇动时显示，否则会出现重影，所以通过接一水银开关来控制。

水银开关一端连接89C51的INT0中断和电源，一端接地，通过摇晃使得水银开关两引脚短接或断开，当水银使两脚连接时，INT0端输入底电平，反之INT0端输入高电平。

以此控制使摇摇棒从左向右摇动时将内容显示出来。

1.3.3电源部分系统电源D5V为5-6V，由两节CR2032的纽扣电池串联组成。

此外在电路输入输出端并联了一个10uF的电容，可改善系统瞬态响应和稳定性。

K4为系统的总电源开关。

1.3.4扩展接口系统的扩展接口有三个：J1用于和显示及水银开关扩展板进行连接；J6用于串口的扩展，同时可以利用该串口进行ISP程序下载，该接口为5V的电平，如需和计算机连接需要外接电平转换模块；J7为扩展接口，本次设计中有很多89C51的端口端口没有使用，通过J7接口扩展了出来。

这三个扩展接口将单片机的资源全部引出，因此摇摇棒的核心板可以单独作为一个单片机的开发板使用。

2 PCB设计流程2.1印制电路板的设计的一般步骤：1.绘制印制电路板主要任务是绘制摇摇棒原理图，并且确保无误后，生成网络表，用与PCB设计时自动布局。

2.规划电路板主要完成确定电路板的物理边界，电气边界，电路板的层数，各种元件的封装形式和布局要求等任务，本文摇摇棒PCB的大小为：30.1cm*5.1cm。

3.设置参数主要是设置软件中电路板的工作层，PCB编辑器的工作参数，自动布局等。

4.装入网络表及元件的封装形式网络表是PCB自动布线的核心（笔者用的单面板，用的手动布线），也是电路理图设计与印制电路板设计系统的接口。

只有正确装入网络表后，才能进行对电路板的自动布局等。

5.元件的布局元件的布局包括自动和手动调整两个过程。

在规划好电路板和装入网络表之后，系统能自动装入元件，并自动将它们放置在电路板上。

自动布线是系统根据某种算法在电气边界内自动摆放元件的位置。

如果自动布局不尽如意，则在进行手工调整。

6.手动布线手动布线时，要注意相连导线之间要有一定的绝缘距离；信号线在拐弯处不能走直线；电源线和地线的布线要短，粗且避免形成回路。

2.2.1 PCB板的安装和调试1．检查元器件数量与质量，并将元器件归类2．对元器件的引脚进行整形以方便焊接时使用。

3．对烙铁镀锡，并清洁焊接部位。

4．焊接。

焊接的顺序是先低后高、先笑后大、先轻后重、先易后难、先一般元件后特殊元件，且上道工序安装后不影响下道工序。

5．检查焊接质量，对不符合要求的进行修整。

6．剪去多余的引脚。

7．下载程序进行调试。

2.2.2安装和调试过程中出现的问题1．下载程序后LED14灯不亮，经检查是因为与其连接的贴片电阻R24不导电，更换电阻R24后正常。

2．双排针J1引脚密集，引脚间距离较小不方便焊接，致使焊接时部分引脚虚焊，为防止摇动时引脚松动，对其进行了加锡。

2.2制作过程中的问题及解决方法2.2.1硬件电路调试1．在绘制元器件封装图的过程中，常常会忽略元器件封装型号与原理图中的一一对应，导致在元器件加载的过程中，系统会报错。

那么，绘制电路原理图以及元器件封装的过程中，要特别注意两者中的元器件封装号的一致性。

2.在用复写纸将布线图复制到复铜板上的过程中，容易产生图纸移动。

复制布线图前应先用锉刀将复铜板四周边缘锉至平直整齐,而且尺寸尽量与设计图纸尺寸相符,并将复写纸裁成与复铜板一样的尺寸,并且用胶纸将图纸左右两端与印刷板贴紧，图纸不易移动。