基于单片机的摇摇棒设计1.docx
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基于单片机的摇摇棒设计1
郑州科技学院
单片机课程设计
题目基于单片机的摇摇棒设计
学生姓名张焦焦
专业班级电气工程及其自动化3班
学号201147078
院（系）电气工程学院
指导教师程晓琦
完成时间2014年12月12日
1前言
摇摇棒是一种利用视觉暂留效应制作的“高科技”玩具。
可以用“静如处子，动如脱兔”来形容它，即当静止时，它只是几个LED发光二极管（后简称LED），而一旦按照一定的频率去摇晃它，它就会随着位置的变化而变化（亮或灭），最终显示一幅图片或字符串。
它是由单片机控制一排LED灯有规律地亮暗，再通过摇动使之在空中呈现一幅段时间的画面。
它的设计需要解决几个问题。
因为通过摇动产生的图像是有方向的，所以，要使图像正确不重叠，就要将摇摇棒设计成单方向才显示图像。
如果摇动一下的速度比显示一幅图像的速度慢，可能会出现：
第二幅图的前面部分在第一下摇动的末尾，后面部分在第二下摇动的开始。
这就要使摇摇棒在一次摇动中只显示一次图像。
如果要设计一个16X20分辨率的摇摇棒，LED数为16只，LED每5ms—10ms变换一次，共变换20次组成一幅图像。
测试间隔8ms效果较好。
其中亮灯3ms，暗灯5ms。
这样能使亮点不呈一条横线，黑暗宽度与LED间隔相近。
单片机系统可采用AT89S52单片机。
选择P0和P2口输出，连接16只LED灯。
P3.2为外部中断INT0，低电平触发方式，接一个轻触开关，功能为切换图像。
P3.3为外部中断INT1，低电平触发方式，接一个水银开关，功能是使摇摇棒只有向一个方向摇动时才显示图像，使图像完整。
本系统要求设计一个LED显示棒，它主要是由中央控制部分、LED驱动部分、LED显示部分以及电源部分组成，LED显示棒系统，单片机将提取的字模进行存储，当接收到按键输入的指令时单片机就将相应的字模代码通过I/O口输出，使LED点亮，利用视觉暂留原理最终使图案完整的显示在摆动的显示屏中。
本设计的难点在于送数据的时间间隔以及较长画面或文字的完整显示。
LED灯的选择为传统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。
2设计方案与论证
2.1方案设计
（1）总体方案
本系统要求设计一个LED显示棒，它主要是由中央控制部分、LED驱动部分、LED显示部分以及电源部分组成，LED显示棒系统，单片机将提取的字模进行存储，当接收到按键输入的指令时单片机就将相应的字模代码通过I/O口输出，使LED点亮，利用视觉暂留原理最终使图案完整的显示在摆动的显示屏中。
本设计的难点在于送数据的时间间隔以及较长画面或文字的完整显示。
LED灯的选择为传统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，但是颜色较为黯淡，不鲜亮。
作品本着方便、价格低廉的原则，采用单片机控制，由水银开关的闭合对单片机产生外部中断，从而对中断进行采集。
到达一定数量便进行图象的转换。
整个系统由单片机控制模块，开关及电源模块和输出显示模块三个部分构成。
（2）系统设计
单片机将提取的字模进行存储，当接收到按键输入的指令时单片机就将相应的字模代码通过I/O口输出，使LED灯点亮，利用视觉暂留原理最终使图案完整的显示在摆动的显示屏中。
LED灯的选择：
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。
外部中断信号产生方式：
通过外部中断可以控制数据开始传输的时刻，选择好外部中断来源是本次制作的难点及重点，使用惯性开关。
通过摇晃使得惯性开关的摆杆与焊接的左右两个触点接触，利用这种接触产生的电平变化来触发中断，结合软件控制显示，制作简单，使用方便。
抗重影方案的选择：
使用外部中断控制数据传输时刻，外部中断信号由惯性开关产生，触发方式为下降沿触发。
惯性开关左右两边的触点分别与单片机两个外部中断接口相连，默认为高电平，摇动的摆杆接地，惯性开关处于不同位置进入不同的中断，从而决定何时送数据。
该方案简单易行，可以保证数据是单程传输的，避免了重影。
不摇动时把惯性开关处在左边就可以使LED棒熄灭，可以达到省电的效果。
系统框图如下：
输出显示LED
单片机
水银开关
图2-1系统框图
2.2主要部件原理
（1）单片机控制模块
用单片机想要控制LED显示只需要定时输出就可以，但每个人摇动的速度不一样，如何准确的并稳定的变换图案呢，这就需要用到外部中断。
将水银开关的两个引脚一端接VCC，一端接GND，这样的话，当摇棒向一边运动时LED按照程序编辑好的规律显示，而向另一边运动时LED全灭，此时一个周期就会产生一个下降沿的信号，信号传递给单片机的INT0产生中断，对中断的数量计数，当计到10时便转换显示的图案，当依次显示完后便回到初始状态进行循环。
由于人的视觉滞留时间长达0.1s，所以在每显示完一列LED后加入一段合适的延时，如5ms，每个字之间加入延时如15ms，这样，我们就能看到静态的稳定的字，并且每个字之间是有空隙的，为了让字能够在空间的中部显示，在启动中断显示后延时一段合适的时间，使棒在半圆轨迹的大约1/4处开始显示，这样看到的字方向上才比较正。
（2）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。
图2-2水银开关实物图
仔细观察水银开关，实际上他是一个封闭的玻璃管，里面有两个分开着的导线和一段水银球，当玻璃管的平衡位置变化时，水银球会来回移动，当水银球移动到两根导线时，因水银是金属-导体，故电路变为通路，此时接收器处于工作状态；反之，水银球远离两根导线时为断路，此时接收器处于非工作状态。
3系统硬件设计
3.1基本原理设计
硬件连接上用水银开关产生的电平转换引发中断，传递给单片机，再由单片机调用点阵文件输出到LED上。
图3-1摇摇棒设计电路图
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口处接上拉电阻串。
在LED公共端的二极管D1会产生一定的压降，用来保护LED。
K1是画面切换开关，用于切换显示不同内容；S1为水银开关。
系统电源VCC为5V，实际使用时用2节干电池串联3V即可。
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。
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。
3.2系统硬件设计
（1）系统功能主要体现在三个部分：
单片机控制（AT89S52）
AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
图3-1AT89S52最小系统图
AT89S52主要功能：
a、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash；
b、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）；
c、内部程序存储器（ROM）为8KB；
d、内部数据存储器（RAM）为256字节；
e、32个可编程I/O口线；
f、8个中断向量源；
g、三个16位定时器/计数器；
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
图3-2AT89S52引脚图
（2） 显示功能（D1~D16）
信息传递主要由显示来完成，本设计显示功能由16个发光二极管来完成。
16个发光二极管分为4组，以共阳的方式连接，共用P1口和P2口作为输出口。
根据LED点阵屏的显示原理：
点阵屏的显示分为行扫描与列扫描两种，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间显示内容就不会熄灭，至此，一幅图案也就可以这样被摆动出来了。
（3）.传感器系统
硬件传感器主要为摇动传感器，本设计的摇动传感器由滚珠开关构成。
可选摇动开关有水银摇动开关和滚珠开关两种。
水银摇动开关稳定性较高，但容易发生破裂，水银外泄，安全性较差。
滚珠开关稳定性稍差，但不容易损坏，安全度很高。
考虑到实际应用环境，故选用滚珠开关作为系统的摇动传感器。
由滚珠开关带来的不稳定性可以通过软件进行弥补。
4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传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传送数据给LED，如果惯性开关位于右边，则进入外部中断1并将一变量置1，在变量为1期间让单片机以一定的频率将数据传送给LED，如果惯性开关位于左边，则进入外部中断0并将变量置0，在这期间单片机不会传送数据给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。
之后再立刻熄灭LED并开始重新判断惯性开关的位置。
4.2主程序流程图
软件部分包括主函数程序、中断服务程序、延时子程序以及四个显示子程序。
软件设计流程如下：
图4-1系统流程图
系统开始运行，内部进行初始化后，等待外部中断。
当摇动到指定位置时，由滚珠开关出触发外部中断，再经过一段时间延时后开始显示。
显示完成返回主程序，等待下一个摇动周期的到来。
5系统调试与分析
5.1常见故障与调试方法
（1）常见的硬件故障
a、逻辑错误
样机硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的。
这类错误包括：
错线，开路，短路等几种，其中短路时最常见的故障。
在印刷电路板布线密度高的情况下，极易因工艺原因造成短路。
b、器件失效
元器件失效的原因有两个方面：
一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是由于组装错误而造成的元器件失效，如电解电容，二极管的极性错误，集成块安装方向错误等。
c、可靠性差
引起系统不可靠的因素很多，如金属化孔，接插件接触不良会造成系统时好时坏；内部和外部的干扰，电源纹波系数过大，器件负载过大等造成逻辑电平不稳定；另外，走线和布局的不合理等也会引起系统可靠性差
d、电源故障
若样机中存在电源故障，则加电后将造成器件损坏。
电源的故障包括：
电压值不符合设计要求，电源引出线和插座不对应，电源功率不足，负载能力差。
（2）硬件调试方法
a、脱机调试
脱机调试是在电路板加电之前，先用万用表等工具，根据硬件电气原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号，规格和安装是否符合要求。
应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查拓展系统总线是否存在相互间的短路或其他信号线的短路。
对于样机所用的电源事先必须单独调试，调试好后，检查其电压值，负载能力，极性等均符合要求，才能加到系统的各个部件上。
在不插片子的情况下，加电检查各插件上引脚的电位，仔细检查各地点电位是否正常，尤其应注意单片机插座上的各点电位是否正常，若有高压，联机时将会损坏开发机。
b、联机调试
通过脱机调试可排除一些明显的硬件故障。
有些硬件故障还是要通过联机调试才能发现和排除。
联机前先断电，把开发系统的仿真插头插到样机的单片机插座上，检查一下开发机与样机之间的电源、接地是否良好。
一切正常，即可打开电源。
通电后执行开发机读写指令，对用户机的存储器、I/O端口进行读写操作、逻辑检查，若有故障，可用示波器观察波形。
通过对波形的观察分析，寻找故障原因，并进一步排除故障。
可能的故障有：
线路连接上的逻辑错误、有断线或短路现象、集成电路失效等。
（3）软件调试方法
软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关。
如果采用模块程序设计技术，则逐个模块调试好以后，再进行系统程序总调试。
如果采用实时多任务操作系统，一般是逐个任务，下面进一步予以说明。
对于模块结构程序，要一个个子程序分别调试。
调试子程序时，一定要符合现场环境，即入口条件和出口条件。
调试的手段可采用单步运行方式和断点运行方式，通过检查用户系统CPU的现场、RAM的内容和I/O口的状态，检测程序执行结果是否符合设计要求。
通过检测，可以发现程序中的死循环错误、机器码错误及转移地址的错误，同时也可以发现用户系统中的硬件故障、软件算法及硬件设计错误。
在调试过程中不断调整用户系统的软件和硬件，逐步通过一个个程序模块。
各程序模块通过后，可以把各功能块联系起来一起进行整体程序综合调试。
在这阶段若发生故障，可以考虑各子程序在运行时是否破坏现场，缓冲单元是否发生冲突，零位的建立和清除在设计上有否失误，堆栈区域有否溢出，输入设备的状态是否正常，等等。
若用户系统是在开发系统的监控程序下运行时，还要考虑用户缓冲单元是否和监控程序的工作单元发生冲突。
单步和断点调试后，还应进行连续调试，这是因为单步运行只能验证程序的正确与否，而不能确定定时精度、CPU的实时响应等问题。
待全部完成后，应反复运行多次，除了观察稳定性之外，还要观察用户系统的操作是否符合原始设计要求、安排的用户操作是否合理等，必要时还要做适当修正。
对于实时多任务操作系统的应用程序是由若干个任务程序组成，一般是逐个任务进行调试，在调试某一个任务时，同时也调试相关的子程序、中断服务程序和一些操作系统的程序。
逐个任务调试好以后，再使各个任务同时运行，如果操作系统中没有错误，一般情况下系统就能正常运转。
在全部调试修改完成后，将用户软件固化于EPROM中，插入用户样机后，用户系统即能离开发机独立工作，至此系统研制完成。
5.2调试过程
在开始实验设计前，根据实验要求，分析实验所涉及的相关知识点，查阅身边的资料，并根据自己以前所学的理论知识，有了大概设计框图后，在PROTEL中画出原理图，然后根据原理图分析模块焊出电路板，并对模块进行测试。
第一步，测试LED显示电路和C51单片机最小系统。
首先测试LED，输入一个简单程序,发现有一个LED不亮，于是检查该LED的引脚，发现线路断了，接好后LED亮了。
于是输入摇摇棒程序，但LED灯不闪，猜测是数码管芯片与插槽接触不良的问题，就把插槽重新焊接，之后，再次检测时，发现有时闪烁有时灯不亮。
说明不是插槽的问题，于是反复检查最小系统模块，通过用电压表最数码管的每个引脚进行高低电平测试，最总发现原来是接线问题，即是一根线忘了连接。
使得硬件与软件的设置不匹配，从而导致了LED显示不正常。
改正后重新测试。
手动摇晃可呈现图像。
第二步，测试驱动电路，该模块完好。
第三步，软件测试。
在软件方面，改部分主要调延时函数，调试过程简单但费时。
于是，多次耐心尝试后软件调试才成功，能够完整并较为清晰地完整图像。
最终，实现摇摇棒功能
表5-1调试结果记录
图案
稳定程序
欢迎使用神奇魔幻摇摇棒
较稳定
心形
较稳定
笑脸
较稳定
LOVE
较稳定
拍摄照片：
图5-1“LOVE”拍摄图
图5-2“爱心“拍摄图
6总结
在程老师的指导下，通过两周的时间完成了摇摇棒的设计，本次设计以传感器和单片机的实际应用为背景，介绍了以单片机和传感器为核心系统摇动传感器和显示设计的基本结构和基本原理。
本次将使用单片机对摇动显示进行实例化，设计一个LED摇动显示器来显示文字、图像等信息。
掌握利用单片机对发光二极管阵列进行摇动控制的方法。
输出信号频率的控制通过单片机来实现，用摇动传感器检测当前摇动状态，用16个发光二极管进行不同频率的亮灭刷新，通过手动摇动可显示输出文字及图案等信息。
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。
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，通过这次课程设计，使我学会了编写程序，焊接电路板，增强了我的动手能力，为以后打下了坚实的基础！
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.
参考文献
[1] 张淑清，姜万录等，单片微型计算机接口技术及应用，国防工业出版社，2003
[2] 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉，8052单片机实践与应用，清华大学出版社，2001
[3] 冯博琴，微型计算机原理与接口技术，清华大学出社，2004
[4] 张毅刚，MCS-51单片机应用设计，哈尔滨工业大学出版社，2004
附录1：
总体电路原理图
附录2：
实物图
附录3：
元器件清单
序号
元件名称
规格
数量
1
晶振
12MHZ
1
2
发光二极管
Ψ红色
16
3
单片机
AT89S52
1
4
水银开关
1
5
电解电容
10Uf
1
7
电容
0.03uF
1
8
电阻
470Ω
1
10KΩ
1
9
电池
1.5Ｖ
2
10
万能板
2
11
导线
若干
12
按键开关
1
13
总开关
1
升级会员 