毕业论文---单片机实现摇摇棒设计.doc

led 摇摇棒设计 第 1 页 共 13 页 摘要 随着科技的不断发展，社会的不断 进步，供人 们娱乐休闲的工具越来越多，摇摇棒作为科技 与娱乐相结合的产物，必然会随之成 为一个热点产品。 “摇摇 棒”是基于人眼视觉暂留原理而 产生的, 当进行摇动时，由于人的视觉暂留会在发光二极管摇动区域产生一个视觉平面，从 而达到在该视觉平面上传达信息的作用，其原理 类似于扫 描显示。 本文介绍了以 stc 单片 机控制为主控芯片、配合高亮度 led 二极管以及水银开关构成简易摇摇棒的设计过程，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。 关键词：摇摇棒； led；单片机 led 摇摇棒设计 第 2 页 共 13 页 目录 1绪论 .3 2摇摇棒的基本原理 .4 2.1 缺陷及其解决方案 4 2.1.1 缺陷 .4 2.1.2 解决方案 .5 3硬件设计与实现 .6 3.1 硬件基本结构 6 3.1.1 led 显示部分 .7 3.1.2 单片机控制部分 7 3.3 led 的显示原理 .8 3.4 isp 下载的实现 .9 4.软件设计与实现 .10 4.1 软件设计的结构 .10 4.2 led 显示控制模块原理及实现方法 11 附录：电路原理图 .13 参考文献 .13 led 摇摇棒设计 第 3 页 共 13 页 1绪论 随着人们物质生活水平的提高，人 们对精神生活的追求也愈加 强烈， 对信息的渴求已成 为了人们必不可少的需要，更加 简捷与新颖的信息传递方式无疑会 给人们带来耳目一新的 感受。而现代工具务求简捷化、便携化，因此， 摇动显示装置的到来，必将会给人们带来一种 新的方便的文化传递方式。让 你的心声闪烁在夜空led 摇摇棒横空出世！led 摇摇棒 又叫摇摇棒、魔棒、闪光棒、闪字棒、 闪图棒、星光棒 。led 摇摇棒的诞生是闪光系列产品 中的一大革命，它最大的神奇之处，是在手中左右 摇晃 led 摇摇棒，就会在棒子划 过的轨迹 上留下清析的文字或图案。目前市 场上， 这是最新，价格最低，可远距离观看的一款电子产 品。设计具有市场前景，可满足各种大型演出、集会、游行等宣传需要， 为人们的生活提供便 利。 目前 led 摇摇棒的优势。目前研发生产 led 摇摇棒具有的优势如下： 1、市场比较大，经过外观设计做成一根棒状产品，摇一摇就会出现精美的图案或者文字， 具有很强的娱乐性。 2、低廉的成本。由于产品所用到的材料相对比较便宜，因此产品价格定位比较低，具有 很强的市场竞争力。 3、这种设计的软件可拓展性能 强大，以后拓展可通 过 usb 接口连接线对显示内容进行 编辑和更换的功能。未来，将可能实现图象与音乐自主相结合的功能等等，前景广阔。 2摇摇棒的基本原理 led 摇摇棒设计 第 4 页 共 13 页 人的眼睛存在视觉暂留现象，正因 为眼睛反应迟钝，才丰富了人的视觉感受，led 摇摇 棒很好地利用了人眼的视觉暂留特性。运用最新 专利电子技 术研制而成的线阵 led 运动成 像的高科技产品。led 摇摇棒是在手摆动到不同位置的时候，让位于一条直线上的 led 显 示二维图像的不同的列，利用人眼的 视觉暂留效应， 实现图 形扫描显示。输出信号频率的控 制通过单片机来实现，用 16 个 发光二极管进行不同频率的亮 灭刷新。当 进行摇动时，由于人 的视觉暂留原理，会在发光二极管 摇动区域产生一个视觉 平面，在 视觉平面内的二极管通过 不同频率的刷新，会在摇动区域内 产生图像，从而达到在 该视觉 平面上传达信息的作用。 具体地说，已知摇摇棒从一侧摆动 到另一侧所需的时间是 0.8 秒，把 0.8 秒分成 64 份， 则每一列的图形显示时间为 0.0125 秒。每一列 对应两个八位的字 节， 16 位字节对应 16 个 led 发光二极管，然后在 这每一份的时间里显示图形的相应一列，则可以得到完整的图形显 示。 2.1 缺陷及其解决方案 2.1.1 缺陷 led 摇摇棒利用的是人眼的视觉暂留特性制作而成，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。然而， 它也有它的不足之处： 1.在 led 显示模块中，如果 led 灯的数量过少，在 显示时就会导致最终在显示文字时 分辨率降低，从而显示的图像等不 够细腻； 2.摇摇棒在摇晃的过程中，如果 显示的文字， 图像等信息左右不 对称，在回扫的过程中 如继续显示图象信息的话就可能出现反向重影的现象， 导 致图象或信息显示错误。 2.1.2 解决方案 1.对于显示模块中，led 灯的数量太少导致的问题。可以在制作的过中，适当的增加 led 灯的数量。比如，通常我们是使用的是 16 或者 32 个 led 发光二极管。但是如果需要 64 或者 128 个 led 发光二极管，那就得通过单片机外接译码器来实现了。 2对于重影问题，可用水银开关或者惯性开关解决的。摇摇棒在摇动时，通过水银开关 led 摇摇棒设计 第 5 页 共 13 页 自身的重力作用，只能在朝某一方向摇动时电路才会接通，同时也才会显示图形，文字等信 息；在反向回扫过程中开关自动关闭，led 就不显示内容，所以可以通过接一只水银开关来 控制，使摇摇棒从左向右摇动时 将内容清晰的显示出来。 led 摇摇棒设计 第 6 页 共 13 页 3硬件设计与实现 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。 3.1 硬件基本结构 系统电源 vcc 为 5v，下 载程序和调试时一定要保证 5v 电压，实际使用时用 3 节干电 池串联 4.5v 即可。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 口的上拉 电阻 ra1 不能少。串在 led 公 共端的二极管 d1 会产生一定的 压降，用来保护 led，经实测 led 点亮时两端电压为 3v 左 右，在 led 的安全承受范 围内。k1 是画面切换开关，用于切换显示不同内容；s1 为水银开 关。 硬件电路包括三部分：led 显示模块、 单片机控制模块以及下载口模块。 即： 图 3.1 硬件电路模块 实物图： 图 3.2 摇摇棒实物图 下载口模块单片机控制 模块 led 显示模 块 led 摇摇棒设计 第 7 页 共 13 页 3.1.1 led 显示部分 led 显示部分由：16 个高亮度的发光二极管，16 个 270 欧姆的电阻以及水银开关组成。 其中水银开关的作用：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。 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，如下图所示： 图 3.3 led 及水银开关实物图 3.1.2 单片机控制部分 单片机部分由：一个 11.059mhz 的晶振以及两个 305pf 的电容构成的晶振电路、一个 22uf 的电容，10k 的电阻以及复位开关构成的复位电路、芯片 stc12c5412ad 三部分构成。 单片机部分如下图所示： led 摇摇棒设计 第 8 页 共 13 页 图 3.4 单片机部分实物图（正/ 反两面） 3.3 led 的显示原理 led 是 发 光 二 极 管 ( light emitting diode, led)的 简 称 ，也 被 称 作 发 光 二 极 管 ， 这 种 半 导 体 组 件 一 般 是 作 为 指 示 灯 、显 示 板 ，它 不 但 能 够 高 效 率 地 直 接 将 电 能 转 化 为 光 能 ，而 且 拥 有 最 长 达 数 万 小 时 10 万 小 时 的 使 用 寿 命 ，同 时 具 备 不 若 传 统 灯 泡 易 碎 ，并 能 省 电 等 优 点 。 图 3.5 发 光 二 极 管 结 构 图 当单片机的 p1 和 p2 的十六个口输出低电平时，led 灯的阴极就是低电平，在水 银开 关的作用下，5v 的电压加到 led 的阳极，led 就有电流通过，这样就能发光。当 单片机的 p1 和 p2 口有高电平输出时，led 的两端就是高电平， 虽 然有小的电压差，但是小的电压差 产生的电流是无法驱动 led 灯发光的。一般 led 的驱动电压要有 1.5v 以上，电流要在 200ma 以上，不同的 led 的 驱动电压和电流是不同的。 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称 为 pn 结。在某些半 导体材料的 pn 结中，注入的少数载流子 与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 发光二极管 的结构 led 摇摇棒设计 第 9 页 共 13 页 pn 结加反向电压，少数载流子 难以注入，故不 发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二 极管叫发光二极管，通称 led。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从 led 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有 关。 3.4 isp 下载的实现 在单片机彻底没电的情况下， 给单片机上电复位，使它冷启动。如果外部手动复位，单 片机不会运行 isp 程序。单片机冷启动后，开始 进行系统 isp 监控成序，同时检测 p3.0/rxd 有无合法下载命令流，如果没有 则立即跑到用户程序；有则 需要下载用户程序进行用户程序 区。 led 摇摇棒设计 第 10 页 共 13 页 4.软件设计与实现 摇摇棒的要实现其功能，除了硬件 电路还需要软件程序的配合。软件即程序的编写，使 用 c 语 言进行编写的。c 语言是一门极有生命力的程序设计语言。它用途广泛，语言简洁， 几乎遍及了程序设计的各个领域，而且，由 c 语言生成的可执行代码内容量少，执行效率高。 因此，完成摇摇棒的软件设计 ，c 语言成了首选。它的方便简洁给我们带来了不少益处。 4.1 软件设计的结构 软件由函数声明部分、延时子程序部分、中断服务程序部分、显示子程序部分、主函数 部分构成。 图 4.1 软件流程图 （1（ 主函数部分：完成函数的初始化，运用 while 循环语句，对 display1 程序段进行若干 次重复调用执行； （2（ 函数声明部分：void display1(void)； 初始化 按照数组内的 16 位字节，led 是否显示结束 提取下一组数组 点亮 led 延时 否 led 摇摇棒设计 第 11 页 共 13 页 （3（ 延时子程序部分：void delayus(uint n)uint x;for(x=0; x=n;x+);一列显示结束后， 延时 500ms，再进行下一列的显示； （4（ 中断服务程序部分：每个摇动来回水银开关会在摆幅两端分别产生下降沿中断，只 提取其中一次（从左向右摇才显示）； （5（ 显示子程序部分：void display1(void) uchar i;for(i=0;i64;i+) p1=diani*2; p2=diani*2+1; delayus(500); ； led 摇摇棒显示的像素为 16*64，也就是在函数里面显示的图像分成 64 列，每一列都 是由两个 8 位字节构成的。p1=diani*2；p2=diani*2+1指的是一列显示结束后调用数组中 的下一组进行 led 显示；如果 p1=diani；p2=i+1那么一列显示结束后，调用下一组数组的 时候，会把前一列数组中的后一个字 节继续调用并作为下一列的前一个字 节， 导致最终所需 图像信息显示不出。 4.2 led 显示控制模块原理及实现方法 led 显示控制模块主要有单片机程序控制，在程序中主要是显示部分的函数，十六个灯 分成十六个输出端口，有 p0 口和 p2 口的十六个口一一对应 ，其中 p0 口组成 8 位的字节， p2 口也是 8 位字 节。 8 位对应 p0.0 到 p0.7 分别是由低到高的排列，在函数里面显示的图像 分成 64 段，那就是依次对每一列 显示的 16 位字节编写， 这 每一列的 16 位都是由两个 8 位 的字节构成，在初始化的时候就在数 组里对这 128 个字节 分别列出。在 显示函数里分别对 64 列数显示，这 64 对数的显示是有先后 顺序的，利用 for 函数 对 64 对数依次显示，而每一列 由两个 8 位字节构成显示，显 示之后要对前列的显示进行 500us 的延时，在 调用延时函数的 时候要注意延时函数里面延时 1us 的函数使用。利用 for 函数延时进行设定。第一列 显示 完后，在对后面的 63 列数显示，这样结束 for 循环以后就 结束了整幅图的显示。 在摇摇棒摇动的瞬间，水银开关是起到很重要的作用。在 摇动 的过程中，水银开关保证 是开的状态，这样才能确保 5v 的电压加到 led 的阳极。当摇摇棒停止摇动的时候，水银由 于重力作用，开关就处于关的状 态。第二次 摇的时候再次开启开关。为了让开关在摇动的时 led 摇摇棒设计 第 12 页 共 13 页 候才开，可以将水银开关的位置 倾斜 45 度角放置，根据效果调整位置。 图 4.2 led 显示实物图 le