陈权发摇摇棒制作与设计.docx
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陈权发摇摇棒制作与设计
得得职业技术学院
毕业设计
题目LED摇摇棒的设计与制作
（软件辅助设计及测试）
系别电子工程系
年级专业电子信息工程技术（智能家电）
学生姓名陈冠希
指导教师英俊牛
专业负责人宋宏宏
答辩日期2012年12月21日
得得职业技术学院毕业论文任务书
电子工程系电子信息工程技术（家电）专业07电子信息1班姓名：
陈冠希
一、毕业论文课题
LED摇摇棒的设计与制作
二、毕业论文内容和目标
本课题是设计一个利用单片机控制，使用少量LED灯显示不同图案文字的摇摇棒，设计好的摇摇棒必须具备功耗低、能显示多种图像、能更新图像的功能,并且能够投入实际的使用中。
三、参考资料
[1]刘丰华，家电控制器开发与制作，高等教育出版社，2009年。
[2]英俊牛，智能家电控制技术，高等教育出版社，2009年。
四、毕业论文课题时间：
2009年12月19日至2010年06月05日
五、进度安排：
周次
工作内容
预定目标及检查方式
1～4
确定题目和收集资料
清楚毕业设计的内容以及所需要的知识。
5～6
硬件电路的设计
画出电路原理图及PCB图。
检查图纸。
7
制版焊接调试
焊接出器件,再测试
8~11
软件的调试
完成系统的各种功能。
看系统运行的情况。
12
软硬件的完善
对不完善的地方进行适当的修改。
13～15
论文撰写
按照论统一的要求撰写论文。
六、备注：
1、本任务书一式三份，系、指导教师和学生各执一份；
2、学生须将此任务书按装订要求进行装订。
指导老师：
系主任：
目录
第一章绪论1
1.1摇摇棒制作理念1
1.2摇摇棒功能说明1
1.3设计中承担的工作2
第二章摇摇棒显示原理3
2.1视觉暂留原理3
2.2点阵生成原理3
2.2.1点阵图的生成3
2.2.2点阵字体的取模4
第三章摇摇棒制作方案6
3.1硬件方框图6
3.2摇摇棒电路原理图与电路基本原理分析6
3.3软件总体设计9
第四章摇摇棒的器件选用及性能参数10
4.1器件清单10
4.1电阻11
4.2二极管11
4.3发光二极管11
4.4电容11
4.5晶振11
4.6水银开关11
4.7AT89S51单片机13
第五章摇摇棒的调试与问题分析18
5.1硬、软件分别测试及联合测试18
5.2摇摇棒显示不够亮18
5.3摇摇棒显示颠倒的图案或字18
5.4摇摇棒摇晃时led不按照摇动方向亮灯18
总结19
附录led摇摇棒原理图20
参考文献21
致谢22
摘要
该设计利用51单片机控制16只led发光二极管构成的毕业作品摇摇棒，只要用手左右摇摆摇摇棒就可以呈现一副完整的画面，可以显示汉字，图案等。
本设计以51单片机为中央控制器，利用视觉暂留效果和单片机外部中断设计，实现了在摇动过程中形成的扇形平面内清晰显示文字、字母、图案的led摇摇棒的制作。
整套系统由主控模块、led显示模块、供电模块等部分组成。
本设计实现了设计要求显示的全部内容，并且可以现实动态图案的显示。
关键词：
摇摇棒、视觉暂留、51单片机、led发光二极管
第一章绪论
1.1摇摇棒制作理念
时下很多观看演唱会或庆典的人为了让自己喜欢的歌手看到注意自己的位置或者庆典时增加现场气氛，都会用很多的led灯或者直接用灯泡来制造出一些图形或字。
现在有了我们设计的摇摇棒就可以只用一排的led发光二极管就可以做出自己喜欢的字和图案了。
摇摇棒每个人的眼睛都存在视觉暂留的现象。
所谓视觉暂留就是人眼在观察景物时，光信号传人大脑神经，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”现在只要用手左右摇摆摇摇棒就可以呈现一副完整的画面，可以显示汉字，图案等。
1.2摇摇棒功能说明
（一）工作条件：
1、摇摇棒工作在3节7号干电池4.5V下。
2、使用STC89C51RC单片机。
（二）功能说明
1．按键操作说明：
①开关“POWER”第一次按下启动。
②工作状态下按下“POWER”进入显示内容切换功能。
第一次：
图案一；
第二次：
图案二；
第三次：
图案三；
第四次：
图案四；
第五次循环返回图案一。
③长按“POWER”2秒关闭。
2．电源指示灯说明：
①工作状态下指示灯亮。
②非工作状态下指示灯灭。
3．LED显示功能：
①进入工作状态时LED全亮0.5s后全关。
②当用户摇动棒子时，LED灯开始显示。
③关机时LED全亮0.5s后全关。
4．一般功能：
①自动关机功能：
I、当在2分钟内不摇动棒子，LED会显示跑马灯。
II、当在10分钟内无摇动棒子，棒子自动关机。
②棒子在摇动时能显示文字和图案。
1.3设计中承担的工作
在这个设计中我承担的工作主要如下：
（1）.收集了摇摇棒的STC89C51RC单片机的详细资料、摇摇棒所需要的电路、查找到电路中应该只需要水银开关不需要加速度传感器；
（2）.根据程序制作了一部分的流程图；
（3）.在焊接电路前测试元器件是否正常；
（4）.电路焊接完成后检测电路是否能正常工作；
（5）.完成了软硬件测试并提出软硬件修改方案；
（6）.软件辅助。
第二章摇摇棒显示原理
2.1视觉暂留原理
人眼在观察景物时，光信号传人大脑神经，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。
2.2点阵生成原理
2.2.1点阵图的生成
点阵字体是把每一个字符都分成16×16或24×24个点等，然后用每个点的虚实来表示字符的轮廓。
从而形成一个字符的点阵图。
如图a的“春”字，就是用那24×24的格子每个格子的虚实不一组成。
其中一个格仔就代表一个点。
点阵字体优点是显示速度快，不像矢量字体需要计算；其最大的缺点是不能放大，一旦放大后就会发现文字边缘的锯齿。
图a
点阵图简单的说，就是最小单位由象素构成的图，缩放会失真。
构成位图的最小单位是象素，位图就是由象素阵列的排列来实现其显示效果的，每个象素有自己的颜色信息，在对位图图像进行编辑操作的时候，可操作的对象是每个象素，我们可以改变图像的色相、饱和度、明度，从而改变图像的显示效果。
举个例子来说，位图图像就好比在巨大的沙盘上画好的画，当你从远处看的时候，画面细腻多彩，但是当你靠的非常近的时候，你就能看到组成画面的每粒沙子以及每个沙粒单纯的不可变化颜色。
2.2.2点阵字体的取模
LED摇摇棒的点阵图要先取得点阵图的模，得到数据后在摇摇棒的程序中做表，再放到显示程序里面。
所有的汉字或者英文的取模都是下面的原理，由左至右，每8个点占用一个字节，最后不足8个点的占用一个字节，而且从最高位向最低位排列。
以该12×12点阵的“我”字做例子，第一行白色的格子为0，黑色格子为1，则得到的数据是000010101000。
由于8个点一个字节，不足8个点的占用一个字节，所以得出数据：
0x0a0x80。
如此类推，取得每一行的数据，就得到一个字模了。
图b
Led摇摇棒的点阵多数属于16×16点阵。
且摇摇棒需要逐列扫描数据；。
本设计用pctolcd2002软件给摇摇棒的图案取模，得到点阵数据。
假如要取分两行没行三个汉字内容为“人之初，性本善”的模方法是：
a）先输入第一行的内容“人之初”这三个字后即可取模，假设是：
{0x11,0x11,0x11,0x11,0x11,0x11,0x11,0x11}
{0x22,0x22,0x22,0x22,0x22,0x22,0x22,0x22}
{0x33,0x33,0x33,0x33,0x33,0x33,0x33,0x33}
b）同a）的方法再取第二行的内容“性本善”这三个字的模，假设是：
{0x44,0x44,0x44,0x44,0x44,0x44,0x44,0x44}
{0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55}
{0x66,0x66,0x66,0x66,0x66,0x66,0x66,0x66}
c）由于摇摇棒是逐列扫描，需要将同一列上下两行16位的数据组成一列32位数据。
按上面的数据，组合后为：
{0x11,0x11,0x44,0x44,0x11,0x11,0x44,0x44,
0x11,0x11,0x44,0x44,0x11,0x11,0x44,0x44,
0x22,0x22,0x55,0x55,0x22,0x22,0x55,0x55,
0x22,0x22,0x55,0x55,0x22,0x22,0x55,0x55,
0x33,0x33,0x66,0x66, 0x33,0x33,0x66,0x66,
0x33,0x33,0x66,0x66，0x33,0x33,0x66,0x66};
这样就得到了一组led摇摇棒的点阵数据了。
led灯就按着“人之初，性本善”的字模数据跟别不同时间地闪着。
每一次16个led灯的亮灭不一，就像图b里面的一列颜色不一的格子，晃动摇摇棒时就会出现16×X的一个平面，这样一列一列地拼出了我们想要的字。
如果数据不这样进行上面步骤c组合的话，就不能同时显示两行字，led摇摇棒摇动时会先出现第一列字“人”和“性”，然后“之”和“本”，最后“性”和“善”。
但是因为列与列之间的时间间隔少，用肉眼看就像是两行字同时出现。
第三章摇摇棒制作方案
3.1硬件方框图
图
（1）硬件方框图
如图
（1）所示电源接通后，开关电路输入低电平入单片机，摇动时水银开关输入高电平入单片机，单片机输出低电平到led。
复位电路启动单片机里的复位数据。
3.2摇摇棒电路原理图与电路基本原理分析
摇摇棒电路原理图如下图
（2），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。
硬件电路如下图（3）与图（4），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。
AT89S51单片机作为控制器，在它的P1.0—P1.7、P0.0——P0.7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。
P0.0口的上拉电阻J1不能少。
因为单片机里面的P0接口没有内部上拉。
所以用上J1为单片机管脚提供4.5V电压。
串在LED公共端的二极管D18——D21能降压，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。
S2是画面切换开关，用于切换显示不同内容。
图
（2）led摇摇棒led部分电路图
图（3）led摇摇棒芯片主控部分电路图
图（4）led摇摇棒其他部分电路图
3.3软件总体设计
主程序流程图如图（5）所示，需实现的功能是初始化各端口和变量。
判断图文切换按键和中断开关是否被按下，若没按下，则延时若干秒后进入休眠省电模式；若按下，则进行字符的切换显示。
图（5）主程序流程图
第四章摇摇棒的器件选用及性能参数
4.1器件清单
LED摇摇棒元件清单
元件
类型
数量
2位排插
1
2位双头排线
150mm
1
4位排插
2
4位双头排线
150mm
1
9脚排阻
10K
1
9针串口
母口
1
高亮度LED
红色5MM
20
MAX232
1
按键
4脚
3
瓷片电容
104pF
7
瓷片电容
22pF
4
单片机
STC89C52
1
电解电容
16V100uF
3
电解电容
16V10uF
4
电阻
10K0.25W
6
电阻
1K0.25W
3
电阻
4700.25W
3
二极管
14007
6
晶振
24MHZ
1
水银开关
5MM
3
自锁按键开关
6脚
2
电池盒
3节7号
1
电池盒
7号电池
3
其中核心硬件有：
STC89C52单片机、水银开关
4.1电阻
R1——R4与为10K0.25W的电阻，R6=4700.25W，R7=1K0.25W。
4.2二极管
D18——D21为14007二极管。
4.3发光二极管
D16——D17为绿色5MM发光二极管
4.4电容
C1是16V10uF的电解电容，C2为16V100uF的电解电容，C3和C4是22pF的瓷片电容，C10为0.1uF的瓷片电容。
4.5晶振
晶振Y1是选用24MHZ。
4.6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。
因为重力的关系，水银水珠会随容器中较低的地方流去，若果同时接触到两个电极的话，开关便会将电路闭合，开启开关。
。
容器的形状亦会影响水银水珠接触电极的条件，例如邮包炸弹使用的会是倒V字型的，令收件人在不知情的情况下倾侧邮包，闭合电路、制动爆炸，但送件人（或是邮包携带者或制造者）则不会。
注意：
水银对人体及环境均有毒害，故此使用水银开关时，请务必小心谨慎，以免破出；在不再使用时，也应该妥善处理。
图（6）水银开关
上图（6）中（a）所示为玻璃壳封装的水银开关，也是使用最多的一种形式，这种水银开关倾斜一个工作角度"时，两个电极通过水银便可进行开关的通、断动作。
玻璃管封装式水银开关的优点是可以从外部观察到它的工作状态，缺点是容易破碎。
为使玻璃管封装式水银开关不易破碎，人们设计了如（b）所示的具有塑料保护外壳的结构。
上图（6）中（c）为金属外壳水银开关，金属外壳本身就是一个电极。
本设计选用的水银开关参数如下：
PZ系列外形
型号
type.No
全长
Lengthmm
直径
Dimetermm
工作角
Operating
Angle
电压
VeltageV
电流
Our-renta
滚珠开关
104
10±1
5±1
70
20
0
水银开关的种类很多，这次制作的摇摇棒是用玻璃壳封装的水银开关。
棒在摇动时，只能在朝某一方向摇动时显示，因为当摇到左右的最低点时，水银开关就会导能，使单片机进入外中断。
那么在摇动的时候单片机只要通过检查进入那一个中断就可以知道棒子的所在位置。
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。
4.7AT89S51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称51单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
（1）主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
（2）管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
（3）振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
（4）芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
第五章摇摇棒的调试与问题分析
5.1硬、软件分别测试及联合测试
（1）阶段测试
各部分线路连接前对各元器件的功能进行检测，确保元件功能正常后，再对局部电路功能进行测试。
软件测试：
采用了自顶向下的测试方法，先测试功能电路，再测试整个系统，测试过程中软件试调和硬件试调相结合，提高了效率。
（2）联合测试
软、硬件联合调试：
当软硬件基本功能分别调试后，进行联合测试，测试过程中发现问题有：
摇摇棒显示不够亮，显示颠倒的图案或字。
5.2摇摇棒显示不够亮
当摇摇棒制作好之后测试的时候发现led不够亮，引起这个问题的原因有两个可能性，1.程序里的显示子程序的延时参数没有调好；2.led灯不是高亮的led。
一开始检查程序改了一下延时的参数发现延时的参数是最佳的参数了，之后发现原来摇摇棒的led不是选用了高亮的led。
由于不是太影响我们的显示效果，所以没有把led换成高亮度led。
5.3摇摇棒显示颠倒的图案或字
测试摇摇棒时发现显示的字符或者图案都上下颠倒了,检查程序之后发现原来是单片机排线序的程序问题，但是考虑到修改程序的话有许多地方需要改正，所以我们选择了把单片机管脚与LED的连线重新排序焊接，解决了这一问题了。
5.4摇摇棒摇晃时led不按照摇动方向亮灯
测试摇摇棒时发现led不按照摇动方向亮灯，检查后发现原来水银开关是180°地焊接的，水银开关里的水银珠是非常活跃的，很容易产生抖动，导致水银开关无法正常接触电极，所以我们将水银开关倾斜45°放置靠水银开关里的水银珠自身重力的作用减少抖动。
总结
摇摇棒与平时用灯泡摆放的字牌相比省力又省钱了很多，但是还不能像灯泡字牌那样能显示多种颜色的字或图片。
或者我们可以换用全彩led，但是由于我对该led的认识还有限所以这也是我的假想，如果换上了全彩led，我们的摇摇棒有可能也能作出七彩的颜色了。
附录led摇摇棒原理图
参考文献
1．XX百科
2．中国电子网
3．51单片机学习网
4．电子电路图网
5．边春元C51单片机典型模块设计及应用北京：
机械工业出版社，2008
6．周志敏等集成稳压电源电路图集北京：
中国电力出版社，2008
致谢
特别感谢我的指导老师英俊牛老师！
牛老师严谨的治学精神、精益求精的工作作风深深地感染和激励着我。
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