毕业设计 msp430摇摇棒.docx

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毕业设计msp430摇摇棒

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摘要

   本设计以MSP430单片机为中央控制器，显示棒摇动时显示的字符或者图形由LED灯显示。

LED灯成线状排列，每个瞬间线阵只能显示数字编码后的文字或者图形的一列，利用人眼的视觉暂留原理，将需要显示的字符或者图形分成64列，因此，通过单片机控制LED线阵以一较低频率扫描显示字符或者图形的每一刻，摆动显示棒时即可因视觉暂留看出显示的字符或者图形；左右摆动一次通过端口电平变化，调用相应的显示子程序，字符切换通过外部中断实现，该系统设计对程序设计的要求硬件电路要高。

整套系统由中央控制模块，LED显示模块，供电模块等部分构成。

 关键词：

MSP430单片机；LED灯；摇摇棒

                              Abstract

  Thedesignforthecentralcontrollerwithmsp430csmanddisplaygreatwhenshakenbythecharacterorgraphicsappearredthatLEDlights,LEDlightsintolineararray,cachmimentonlydisplaydightalcodingtextorgraphicsafteracolumn,usingtheprincipleofhumanvision,willneedtodisplaycharactersorgraphicsinto64,LEDbyMCUcontrolarrayinalowfrequencyscancharacterorgraphiceachcolumn,swingingrodcanshowthatforalltheharacterorgraphicdisplay,swingingthroughportlevelchanges,oncethecalldisplaysubroutines,characters,byexternalinterruptionswithingsystemdesignforprogramdesignofhardwarecircuittohighrequirment,Thesystembythecontralcontrolmodule,theLEDdisplaymodule,powersupplymodule.

Keywords:

LED;MSP430;Vision;yaoyaobang

第一章绪论....................................................................................................................5

第二章方案论证.............................................................................................................6

2.1设计背景............................................................................................................6

2.2系统设计要求......................................................................................................6

2.3整体方案比较与论证...........................................................................................7

第三章系统硬件设计......................................................................................................8

3.1 硬件基本结构....................................................................................................8

3.2LED显示部分......................................................................................................8

3.3单片机最小系统部分............................................................................................9

3.4 电源部分...........................................................................................................9

3.5MSP430单片机....................................................................................................9

3.6关于创新部分的讨论.........................................................................................13

3.7按键模块............................................................................................................13

3.8LED显示模块....................................................................................................13

3.9惯性开关模块.....................................................................................................14

3.10总体设计..........................................................................................................15

第四章系统软件设计.....................................................................................................17

4.1软件设计思路.....................................................................................................17

4.2软件系统流程图.................................................................................................18

4.3动态图片的实现.................................................................................................18

4.4软件实现功能的完善..........................................................................................19

第五章系统调试

第六章总结...................................................................................................................20

致谢...............................................................................................................................21

参考文献........................................................................................................................22

附录...............................................................................................................................23

附录........................................................................................................................42

           第一章绪论

  摇摇棒是当今比较流行的一种时尚娱乐电子产品，通过在手中左右摇晃棒体，就可在其摇摆出的扇形轨迹面上显示出文字或图像，摇摇棒具有质量轻，无污染，高强抗冲击等优点。

摇摇棒在国内外用处身份广泛，可用于选举活动，演唱会，体育场，KTV，球类比赛，广告，节日聚会，生日庆典等。

本设计采用MSP430单片机来实现摇摇棒的图像显示。

          第二章方案论证

2.1设计背景

     摇摇棒是如今流行的一种玩具，在各种节日和聚会上经常可以看见它的身影。

本设计也追随着摇摇棒的原理，在此基础上进行研发。

通过单片机对其进行控制，从而产生不同的影像。

2.2系统设计要求

    设计并制作一个依靠摇动能显示字符、图形的LED显示棒。

   系统设计的基本要求：

   设计一个基于MSP430单片机的显示棒，其中LED灯必须呈线状排列，并至少使用16只，系统采用电池供电，摇动显示棒时形成的亮灯扇形区域能让人分辨出图形以及文字，并用按键实现显示的切换。

   系统设计的发挥部分：

   摇动显示棒时形成的亮灯扇形能够让人分辨出“谢谢”，

“心形图案”，“笑脸”。

2.3整体方案比较与论证

    根据题目要求设计一个循环的LED显示，要利用人的视觉滞留产生静态显示的现象，这就要求延时部分做的比较小，所以采用石英晶体振荡器。

而目前能够实现这种功能的器件有很多种，不同的类型的器件也能够很好的完成。

   综上所述，提出几种切实可行的方案供大家参考

方案一：

选用单片机AT89C51作为扫描显示控制核心，由其直接控制LED线阵的显示，并外加扫描控制开关控制字符或图形的扫描显示。

该方案线路简单，扫描控制开关可选择机械开关或滚珠开关或水银开关，在显示棒摇摆时接通线路控制单片机扫描输出字符或图形的列编码信号；单片机外另接有中断控制按钮用以切换不同的字符或图形的显示，LED线阵采用普通三极管驱动，电路采用2节7号电池供电。

   此方案的优点是：

单片机C51的端口较多，可实现显示数据并；

缺点是：

为了增大显示清晰度，除去可能由背景LED灯占用的端口外，单片机剩余端口无法使线阵中LED灯数扩展至24只以上；单片机使用的晶振频率较大，软件不易实现对计数的控制。

而且单片体积较大，做出后实物不美观。

（设计框图见图2—1）

方案二：

由单片机MSP430最小系统、寄存器组、驱动电路、LED线阵和电源部分组成。

与方案一比较，方案二中单片机所需输出,端口很少，可选用小型单片机MSP430，不仅功耗低，而且尺寸小，其数据输出串口输出方式，所需端口较少，总体线路较简单，电路板占用而积小；利用寄存器移位功能可轻易实现品示LED灯数量的扩展，不仅具备方案一的大部分优点，而且外围器件更少，能耗更低，电路调试简单，故选择方案二。

（设计框图见图2—2）

方案框图

扫面控制开关

单片机AT89C51

LED驱动电路

电源干电池

 LED线阵显示

      图2——1

按键

惯性开关

Msp430

单片机

LED线阵显示

         图2——2

     第三章系统硬件设计

3.1 硬件基本结构

   硬件电路的系统电源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2节7号干电池串联即可。

MSP430单片机作为控制器，在它的P10、P11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。

K2为水银开关。

硬件电路包括三部分

（1）LED显示模块

（2）单片机控制模块

        （3）外部中断模块 

经过分析论证，我们决定了系统各模块的最终方案如下：

3.2LED显示部分

 LED灯的选择

   方案一：

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，但足颜色较为黯淡，不鲜亮。

   方案二：

高亮LED发光二极管。

正如其名，它的亮度比传统二极管要亮，而且同样也有很多颜色，但是高亮LED的工作电流也要大于传统二极管。

   为了使显示的图案清晰、明了，我们选择方案二，经过比较，使用红色的LED使得显示画面更为明显、突出，使用2节I.5V电池为其供电，提供足够的电流。

 3.3单片机最小系统部分

 由一个12MHz的晶振以及一个10uf的电容，47K的电阻以及复开关构成的复位电路、芯片MSP430三部分构成。

3.4 电源部分

   本次设计采用1.5伏2节干电池串联供电。

（见图3—1）

                     图3——1

3.5MSP430单片机

德州仪器推出的MSP430微处理器（MCU）是一种基于RISC的16位混合信号处理器，专为满足超低功耗（ULP）需求而精心设计。

MSP430MCU将智能外设，易用性，低成本以及业界最低功耗等优异特性完美结合在一起，能满足数以千计应用的要求。

 超低功耗

 MSP430MCU专为超低功耗应用而精心设计。

其高度灵活的时钟系统，多种低功耗模式，即时唤醒以及智能的全自动外设（intelligentautonomousperipheral）不仅壳实现真正的超低功耗优化，同时还能显著延长电池使用寿命。

 灵活的时钟系统—MSP430MCU时钟系统能启用和禁用各种不同的时钟和振荡器，从而使器件能够进入不同的低功耗模式（LPM）。

这种高度灵活的时钟系统可确保仅在适当的时候启用所需时钟，从而能够显著优化总体能耗。

 子系统时钟（SMCLK）—用于各个较快速外设模块的源，可由内部DCO驱动（频率最高达25MHZ），也可采用外部晶体驱动。

 即时唤醒—MSP430MCU可通过LPM即时唤醒。

这种超高速唤醒功能得益于MSP430MCU的内部数控振荡器（DCO），其可实现高达25MHZ的源频率，而且能在1US的时间内激活并实现稳定工作。

即时唤醒功能对超低功耗应用来说非常重要，因为其使微处理器能在极高效的突发任务中充分发挥CPU的作用，并能较长时间处于LPM模式。

零功耗掉电复位（BOR）—MSP430MCUBOR能够在所有操作模式下始终保持启用于工作状态，这不仅能确保实现最可靠的性能，同时还可保持超低功耗运行。

BOR电路可对欠压情况进行检测，并在提供或者断开电源时对器件进行复位。

该功能对电池供电的应用而言尤其重要。

 高集成度

 MSP430MCU拥有卓越的高集成度，能够提供各种高性能模拟及数字外设。

 智能外设

  MSP430MCU的外设旨在确保时间最强大的功能性，并以业界最低功耗提供系统中断，复位和总线判优。

许多外设都能自动工作，因为最大限度减少了CPU处于工作模式的时间。

 高性能集成

超过200种MSP430器件都具备高性能集成优势，完美结合了USB，RF,LCD控制器以及16位△-∑ACD等。

这种可扩展的产品系列使设计人员能够为众多低功耗应用选择适当的MSP430器件。

此外，MSP430MCU的高集成度还能支持物理尺寸较小的解决方案，进而最大限度降低整体物料成本。

  轻松开展设计工作

 MSP430MCU采用现代16位RISC架构以及简单的开发生态系统，因为拥有极佳的易用性。

16位正交架构，MSP430MCU采用的16位架构可提供16个高度灵活的，可完全寻址的单周期操作16位CPU寄存器，以及RISC性能。

该CPU的现代设计不仅简洁，而且功能十分丰富，仅采用了27条简单易懂的指令与7种统一寻址模式。

               图3——2

本实验所采用的单片机是MSP430F2131，MSP430F2131是超低功耗的混合信号控制器，集成了一个16位的定时器和14只I/O管脚。

   低供电电压2.5V-5.5V超低功耗

·        低工作电流，1MHz，3V电压下只有330uA

·        两种节电模式：

o        备用模式：

1.5uA

o        RAM保持关断模式：

0.1uA

·        从备用模式到正常工作最多需要6us

·        16位RISC体系结构，200ns指令循环周期

·        基本时钟模式配置

o        不同的内部电阻器

o        单一外部电阻器

o        32kHz晶振

o        高频晶振

o        谐振器

o        外部时钟源

·        可与外部组件构成单斜率模数转换器

·        16位定时器，带有三个捕获/比较寄存器

·        串行的在线编程

·        安全熔丝程序保护（ProgramCodeProtectionbySecurityFuse）

3.6关于创新部分的讨论

   本设计的最大特色就是可以使单列的LED组合灯通过一定频率的播动在摆动的扇形区域内呈现出特定的字符或图形。

在题日要求的基础上，我们决定从硬件和软件两部分对此摇动棒进行特别改造，比如美化外形，实现画而的动态显示等。

3.7按键模块

   使用一个按键对显示的所有内容进行切换，通过按钮按下的次数确定显示的内容。

（见图3——3）

               图3——3

3.8LED显示模块

   首先，我们根据LED点阵屏的显示原理：

点阵屏的显示分为行扫描和列列扫描两种，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问．显示内容就不会熄火，至此，一幅图案也就可以这样被“摆动”出来了。

3.9惯性开关模块

   惯性开关装置，它由摆杆、触点和导轨组成。

当LED显示棒向左摆动到极点时，摆杆，与左边的触点2接触，此时与2相连的P1.0口变为低电平，按照软件的设定：

从此刻起禁止对行进行数据传输：

同理，当显示棒摆到右边极点时，与3接触，，与此相连的P1.1口变为低电平，软件设定从此刻起数据开始传输。

整个摆动过程就是这样：

摆子摆到左边，禁止数据传输：

摆到右边，开始数据传输……。

使用这种方法就可以让数据单程传输，解决了双程均传输时产生的重影，使得画而更加清晰、明了。

3.10总体设计

        图3——4

        第四章系统软件设计

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送数据给LED。

如果惯性开关位于右边，则进入外部中断Tl并将变量置l。

在变量为1期间让单片机以一定的频率将数据送给LED。

如果惯性开关位于左边，则进入外部中断TO并将变量置0，在这期间单片机不会送数据给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。

之后再立刻熄火LED并开始重新判断惯性开关的位置。

4.2软件系统流程图

  LED灯熄灭

           图4——1

  4.3动态图片的实现  

  设计中实现单个图形或者一个词组的显示方法是将要显示的内容一次性送出，延时一段时问后再进行第二次传送数据。

而要显示一个动态图片，仿照动画制作方法，先要将一个连贯的动作分为几幅独立的动作，分别提取字模，输出数据是一幅接一幅的连续送，当动作结束后延时一会，再进行第二次连贯动作的传输。

同样利用视觉暂留原理，当摇动显示棒时，几幅图接连出现覆盖前面的画面，相同的部分将一直显示，不同的部分就形成了动态的动作，以此一幅动态画面就出现了。

4.4软件实现功能的完善 

  本次设计的一个难点是去除重影，我们的解决方法是使用外部中断让数据单程传输。

   第二个难点是当显示如“Welcome”这类较长字符时不能完整的显示