畢業(yè)論文---單片機實現(xiàn)搖搖棒設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著科技的不斷發(fā)展，社會的不斷進步，供人們娛樂休閑的工具越來越多，搖搖棒作為科技與娛樂相結(jié)合的產(chǎn)物，必然會隨之成為一個熱點產(chǎn)品?！皳u搖棒”是基于人眼視覺暫留原理而產(chǎn)生的, 當進行搖動時，由于人的視覺暫留會在發(fā)光二極管搖動區(qū)域產(chǎn)生一個視覺平面，從而達到在該視覺平面上傳達信息的作用，其原理類似于掃描顯示。本文介紹了以STC單片機控制

2、為主控芯片、配合高亮度LED二極管以及水銀開關(guān)構(gòu)成簡易搖搖棒的設計過程，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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：搖搖棒； LED；單片機</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1．緒論3</b></p><p>　　2．

3、搖搖棒的基本原理4</p><p>　　2.1缺陷及其解決方案4</p><p><b>　　2.1.1缺陷4</b></p><p>　　2.1.2解決方案5</p><p>　　3．硬件設計與實現(xiàn)6</p><p>　　3.1硬件基本結(jié)構(gòu)6</p><p>

4、　　3.1.1 LED顯示部分7</p><p>　　3.1.2 單片機控制部分7</p><p>　　3.3 LED的顯示原理8</p><p>　　3.4 ISP下載的實現(xiàn)9</p><p>　　4.軟件設計與實現(xiàn)10</p><p>　　4.1軟件設計的結(jié)構(gòu)10</p><p>

5、;　　4.2 LED顯示控制模塊原理及實現(xiàn)方法11</p><p>　　附錄：電路原理圖13</p><p><b>　　參考文獻13</b></p><p><b>　　1．緒論</b></p><p>　　隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對精神生活的追求也愈加強烈，對信息的渴求已成為了人們

6、必不可少的需要，更加簡捷與新穎的信息傳遞方式無疑會給人們帶來耳目一新的感受。而現(xiàn)代工具務求簡捷化、便攜化，因此，搖動顯示裝置的到來，必將會給人們帶來一種新的方便的文化傳遞方式。讓你的心聲閃爍在夜空——LED搖搖棒橫空出世！LED搖搖棒又叫搖搖棒、魔棒、閃光棒、閃字棒、閃圖棒、星光棒 。LED搖搖棒的誕生是閃光系列產(chǎn)品中的一大革命，它最大的神奇之處，是在手中左右搖晃LED搖搖棒，就會在棒子劃過的軌跡上留下清析的文字或圖案。目前市場上，這是

7、最新，價格最低，可遠距離觀看的一款電子產(chǎn)品。設計具有市場前景，可滿足各種大型演出、集會、游行等宣傳需要，為人們的生活提供便利。</p><p>　　目前LED搖搖棒的優(yōu)勢。目前研發(fā)生產(chǎn)LED搖搖棒具有的優(yōu)勢如下：</p><p>　　1、市場比較大，經(jīng)過外觀設計做成一根棒狀產(chǎn)品，搖一搖就會出現(xiàn)精美的圖案或者文字，具有很強的娛樂性。</p><p>　　2、低廉的成本

8、。由于產(chǎn)品所用到的材料相對比較便宜，因此產(chǎn)品價格定位比較低，具有很強的市場競爭力。</p><p>　　3、這種設計的軟件可拓展性能強大，以后拓展可通過USB接口連接線對顯示內(nèi)容進行編輯和更換的功能。未來，將可能實現(xiàn)圖象與音樂自主相結(jié)合的功能等等，前景廣闊。</p><p>　　2．搖搖棒的基本原理 </p><p>　　人的眼睛存在視覺暫留現(xiàn)象，正因為眼睛反應遲

9、鈍，才豐富了人的視覺感受，LED搖搖棒很好地利用了人眼的視覺暫留特性。運用最新專利電子技術(shù)研制而成的線陣LED運動成像的高科技產(chǎn)品。LED搖搖棒是在手擺動到不同位置的時候，讓位于一條直線上的LED顯示二維圖像的不同的列，利用人眼的視覺暫留效應，實現(xiàn)圖形掃描顯示。輸出信號頻率的控制通過單片機來實現(xiàn)，用16個發(fā)光二極管進行不同頻率的亮滅刷新。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(chǎn)生一個視覺平面，在視覺平面內(nèi)的二極管通過

10、不同頻率的刷新，會在搖動區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生圖像，從而達到在該視覺平面上傳達信息的作用。</p><p>　　具體地說，已知搖搖棒從一側(cè)擺動到另一側(cè)所需的時間是0.8秒，把0.8秒分成64份，則每一列的圖形顯示時間為0.0125秒。每一列對應兩個八位的字節(jié)，16位字節(jié)對應16個LED發(fā)光二極管，然后在這每一份的時間里顯示圖形的相應一列，則可以得到完整的圖形顯示。</p><p>　　2.1缺陷及其解

11、決方案</p><p><b>　　2.1.1缺陷</b></p><p>　　LED搖搖棒利用的是人眼的視覺暫留特性制作而成，LED發(fā)光管作為畫面每一列的顯示，左右搖晃起到了掃描的作用，人眼的視覺暫留現(xiàn)象使得看到的是一幅完整的畫面。然而，它也有它的不足之處：</p><p>　　1.在LED顯示模塊中，如果LED燈的數(shù)量過少，在顯示時就會導致

12、最終在顯示文字時分辨率降低，從而顯示的圖像等不夠細膩；</p><p>　　2.搖搖棒在搖晃的過程中，如果顯示的文字，圖像等信息左右不對稱，在回掃的過程中如繼續(xù)顯示圖象信息的話就可能出現(xiàn)反向重影的現(xiàn)象，導致圖象或信息顯示錯誤。</p><p><b>　　2.1.2解決方案</b></p><p>　　1.對于顯示模塊中，LED燈的數(shù)量太少導致

13、的問題?？梢栽谥谱鞯倪^中，適當?shù)脑黾覮ED燈的數(shù)量。比如，通常我們是使用的是16或者32個LED發(fā)光二極管。但是如果需要64或者128個LED發(fā)光二極管，那就得通過單片機外接譯碼器來實現(xiàn)了。</p><p>　　2．對于重影問題，可用水銀開關(guān)或者慣性開關(guān)解決的。搖搖棒在搖動時，通過水銀開關(guān)自身的重力作用，只能在朝某一方向搖動時電路才會接通，同時也才會顯示圖形，文字等信息；在反向回掃過程中開關(guān)自動關(guān)閉，LED就不顯

14、示內(nèi)容，所以可以通過接一只水銀開關(guān)來控制，使搖搖棒從左向右搖動時將內(nèi)容清晰的顯示出來。</p><p>　　3．硬件設計與實現(xiàn) </p><p>　　16只LED發(fā)光管作為畫面每一列的顯示，左右搖晃起到了掃描的作用，人眼的視覺暫留現(xiàn)象使得看到的是一幅完整的畫面。與LED點陣的顯示有幾分相仿。</p><p><b>　　3.1硬件基本結(jié)構(gòu)</b>

15、;</p><p>　　系統(tǒng)電源VCC為5V，下載程序和調(diào)試時一定要保證5V電壓，實際使用時用3節(jié)干電池串聯(lián)4.5V即可。AT89S52單片機作為控制器，在它的P0、P2口接有16只以共陽的方式連接的高亮度LED，由單片機輸出低電平點亮。P0口的上拉電阻RA1不能少。串在LED公共端的二極管D1會產(chǎn)生一定的壓降，用來保護LED，經(jīng)實測LED點亮時兩端電壓為3V左右，在LED的安全承受范圍內(nèi)。K1是畫面切換開關(guān)，用

16、于切換顯示不同內(nèi)容；S1為水銀開關(guān)。</p><p>　　硬件電路包括三部分：LED顯示模塊、單片機控制模塊以及下載口模塊。</p><p><b>　　即：</b></p><p>　　圖3.1硬件電路模塊</p><p><b>　　實物圖：</b></p><p>　　

17、圖3.2搖搖棒實物圖</p><p>　　3.1.1 LED顯示部分</p><p>　　LED顯示部分由：16個高亮度的發(fā)光二極管，16個270歐姆的電阻以及水銀開關(guān)組成。</p><p>　　其中水銀開關(guān)的作用：棒在搖動時，只能在朝某一方向搖動時顯示，否則會出現(xiàn)鏡像字或鏡像畫面，所以通過接一只水銀開關(guān)來控制，使搖搖棒從左向右搖動時將內(nèi)容顯示出來。水銀開關(guān)里的水銀

18、珠很活躍，導致在接通時容易產(chǎn)生抖動，所以將水銀開關(guān)斜向上放置（尖尖朝斜上方45°角），靠水銀珠自身重力的作用減少抖動，如下圖所示：</p><p>　　圖3.3 LED及水銀開關(guān)實物圖</p><p>　　3.1.2 單片機控制部分</p><p>　　單片機部分由：一個11.059MHz的晶振以及兩個305pf的電容構(gòu)成的晶振電路、一個22uF的電容，1

19、0K的電阻以及復位開關(guān)構(gòu)成的復位電路、芯片STC12C5412AD三部分構(gòu)成。</p><p>　　單片機部分如下圖所示：</p><p>　　圖3.4單片機部分實物圖（正/反兩面）</p><p>　　3.3 LED的顯示原理</p><p>　　LED是發(fā)光二極管( Light Emitting Diode, LED)的簡稱，也被稱作發(fā)光

20、二極管，這種半導體組件一般是作為指示燈、顯示板，它不但能夠高效率地直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，而且擁有最長達數(shù)萬小時～10萬小時的使用壽命，同時具備不若傳統(tǒng)燈泡易碎，并能省電等優(yōu)點。</p><p>　　圖3.5 發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　當單片機的P1和P2的十六個口輸出低電平時，LED燈的陰極就是低電平，在水銀開關(guān)的作用下，5V的電壓加到LED的陽極，LED就有電流通過，這樣就能

21、發(fā)光。當單片機的P1和P2口有高電平輸出時，LED的兩端就是高電平，雖然有小的電壓差，但是小的電壓差產(chǎn)生的電流是無法驅(qū)動LED燈發(fā)光的。一般LED的驅(qū)動電壓要有1.5V以上，電流要在200mA以上，不同的LED的驅(qū)動電壓和電流是不同的。</p><p>　　發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與

22、多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。</p><p>　　3.4 ISP下載的實現(xiàn)</p><p>

23、　　在單片機徹底沒電的情況下，給單片機上電復位，使它冷啟動。如果外部手動復位，單片機不會運行ISP程序。單片機冷啟動后，開始進行系統(tǒng)ISP監(jiān)控成序，同時檢測P3.0/RxD有無合法下載命令流，如果沒有則立即跑到用戶程序；有則需要下載用戶程序進行用戶程序區(qū)。</p><p><b>　　4.軟件設計與實現(xiàn)</b></p><p>　　搖搖棒的要實現(xiàn)其功能，除了硬件電路還

24、需要軟件程序的配合。軟件即程序的編寫，使用C語言進行編寫的。C語言是一門極有生命力的程序設計語言。它用途廣泛，語言簡潔，幾乎遍及了程序設計的各個領(lǐng)域，而且，由C語言生成的可執(zhí)行代碼內(nèi)容量少，執(zhí)行效率高。</p><p>　　因此，完成搖搖棒的軟件設計，C語言成了首選。它的方便簡潔給我們帶來了不少益處。</p><p>　　4.1軟件設計的結(jié)構(gòu)</p><p>　　軟

25、件由函數(shù)聲明部分、延時子程序部分、中斷服務程序部分、顯示子程序部分、主函數(shù)部分構(gòu)成。</p><p>　　圖4.1 軟件流程圖</p><p>　　主函數(shù)部分：完成函數(shù)的初始化，運用while循環(huán)語句，對display1程序段進行若干次重復調(diào)用執(zhí)行；</p><p>　　函數(shù)聲明部分：void display1(void)；</p><p>

26、　　延時子程序部分：void DelayUs(uint N){uint x;for(x=0; x<=N;x++);}一列顯示結(jié)束后，延時500ms，再進行下一列的顯示；</p><p>　　中斷服務程序部分：每個搖動來回水銀開關(guān)會在擺幅兩端分別產(chǎn)生下降沿中斷，只提取其中一次（從左向右搖才顯示）；</p><p>　　顯示子程序部分：void display1(void)</p&

27、gt;<p>　　{uchar i;for(i=0;i<64;i++)</p><p>　　{ P1=dian[i*2];</p><p>　　P2=dian[i*2+1];</p><p>　　DelayUs(500);}</p><p><b>　　}；</b></p><

28、p>　　LED搖搖棒顯示的像素為16*64，也就是在函數(shù)里面顯示的圖像分成64列，每一列都是由兩個8位字節(jié)構(gòu)成的。P1=dian[i*2]；P2=dian[i*2+1]指的是一列顯示結(jié)束后調(diào)用數(shù)組中的下一組進行LED顯示；如果P1=dian[i]；P2=[i+1]那么一列顯示結(jié)束后，調(diào)用下一組數(shù)組的時候，會把前一列數(shù)組中的后一個字節(jié)繼續(xù)調(diào)用并作為下一列的前一個字節(jié)，導致最終所需圖像信息顯示不出。</p><p&

29、gt;　　4.2 LED顯示控制模塊原理及實現(xiàn)方法</p><p>　　LED顯示控制模塊主要有單片機程序控制，在程序中主要是顯示部分的函數(shù)，十六個燈分成十六個輸出端口，有P0口和P2口的十六個口一一對應，其中P0口組成8位的字節(jié)，P2口也是8位字節(jié)。8位對應P0.0到P0.7分別是由低到高的排列，在函數(shù)里面顯示的圖像分成64段，那就是依次對每一列顯示的16位字節(jié)編寫，這每一列的16位都是由兩個8位的字節(jié)構(gòu)成，在

30、初始化的時候就在數(shù)組里對這128個字節(jié)分別列出。在顯示函數(shù)里分別對64列數(shù)顯示，這64對數(shù)的顯示是有先后順序的，利用FOR函數(shù)對64對數(shù)依次顯示，而每一列由兩個8位字節(jié)構(gòu)成顯示，顯示之后要對前列的顯示進行500us的延時，在調(diào)用延時函數(shù)的時候要注意延時函數(shù)里面延時1us的函數(shù)使用。利用FOR函數(shù)延時進行設定。第一列顯示完后，在對后面的63列數(shù)顯示，這樣結(jié)束FOR循環(huán)以后就結(jié)束了整幅圖的顯示。</p><p>　　

31、在搖搖棒搖動的瞬間，水銀開關(guān)是起到很重要的作用。在搖動的過程中，水銀開關(guān)保證是開的狀態(tài)，這樣才能確保5V的電壓加到LED的陽極。當搖搖棒停止搖動的時候，水銀由于重力作用，開關(guān)就處于關(guān)的狀態(tài)。第二次搖的時候再次開啟開關(guān)。為了讓開關(guān)在搖動的時候才開，可以將水銀開關(guān)的位置傾斜45度角放置，根據(jù)效果調(diào)整位置。</p><p>　　圖4.2 LED顯示實物圖</p><p><b>　　附

32、錄：電路原理圖</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]譚浩強，C語言程序設計（第二版）[M].北京：清華大學出版社，2008,11</p><p>　　[2]陳元燈，陳宇.LED制造技術(shù)與應用（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.10</p><p>