基于单片机的摇摇棒课程设计

郑州科技学院《单片机原理及应用》课程设计1课程设计的目的....................................................12课程设计的任务与要求.......................................22.1设计目的........................................................22.2设计要求........................................................23设计方案与论证....................................................33.1LED灯的选择...............................................33.2外部中断信号产生方式................................33.3抗重影方案的选择........................................33.4单元电路设计................................................53.5主程序流程图................................................64硬件电路设计........................................................84.1基本原理图....................................................84.2各部分功能....................................................94.3系统硬件.......................................................104.4传感器系统...................................................105系统软件设计.......................................................115.1软件设计思路...............................................115.2主程序流程...................................................125.3软件实现功能的完善...................................136试验与仿真...........................................................136.1硬件调试方法...............................................136.2软件调试方法...............................................147结论.......................................................................16参考文献.....................................................................18附录1：总体电路原理图.........................................19附录2：源程序..........................................................2011课程设计的目的单片机是随着大规模集成电路的出现极其发展，将计算机的CPU，RAM，ROM，定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机.它拥有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗的显著优点.主要应用于智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面,并且取得了显著的成果.单片机应用系统可以分为:（1）最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉,结构简单，常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。片内有ROM/EPROM的单片机，其最小应用系统即为配有晶振，复位电路，电源的单个单片机。片内无ROM/EPROM的单片机，其最小应用系统除了外部配置晶振，复位电路，电源外，还应外接EPROM或EEPROM作为程序存储器用。（2）最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的功耗最小。（3）典型应用系统是指单片机要完成工业测控功能所必须的硬件结构系统。本文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8051型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。LED显示棒，又称摇摇棒，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2LED），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。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。2课程设计的任务与要求2.1设计目的本次设计制作的是一个显示棒，基本要求就是要小巧、轻便，所以要将单片机的系统板简化设计。通过本次设计，加强学生对MCS-51单片机的深刻理解，提高学生的设计能力和动手能力。2.2设计要求设计一个16只高亮度LED发光二极管构成的摇摇棒，通过单片机编程配合手的左右摇晃就可呈现一幅完整的画面，可以显示字符、图片。33设计方案与论证3.1LED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，但是颜色较为黯淡，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，使用两片CR2032纽扣电池为其供电，提供足够的电流。3.2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。方案一：使用水银开关。通过摇晃使得水银开关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。方案二：使用光遮断器。在棒上装一个可以摆动的用来遮挡光遮断器光线的细杆，细杆每左右摆动一次这个杆就会通过一次光遮断器，发生电平变化。同样通过这种电平变化，结合软件控制显示。本次设计中产生的中断是为了实现数据的单程传输。如果使用光遮断器，其触发单片机的时刻处于正中间，不能解决画面因为返回与原来图片重叠的现象。而使用水银开关，因为在左右都有触点，所以很容易的在往返途中产生两次中断，方便指令控制，所以选择使用方案一。3.3抗重影方案的选择方案一：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。水银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。水银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。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。4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。方案二：使用定时器与外部中断。当我们在摆动手臂的时候，短时间内摆动位置和左右幅度不会有太大变化，利用我们手臂的这个运动规律，只要能得到棒从一侧摆动到另一侧的时间，然后把这个时间分成N份，在每一份的时间里显示不同的花样就能实现图形的显示。设计中摇动的摆子与左右两个触点接触各一次的时间可以通过外部中断和定时器计算出来，然后用单片机的另一个定时器T1，其定时时间是T0的N分之一，每次中断依次显示一列，就可以得到预期显示的图案了。该方法可以控制摇动频率低的时候不显示图形。但程序的稳定性不高，图形之间的间隔不易确定，只要电源开关开着LED始终是点亮的。本次设计要求显示的字符长度较短，使用方案一中的外部中断方法只要控制好延时就可以达到完整显示图案的目的，而且方案一中只使用了外部中断，它所占用的内存比方案二中既使用外部中断又使用两个定时器所占用的单片机资源要少，所以选择使用方案一。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。(1)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。图3-1水银开关(2)单片机部分由：一个11.059MHz的晶振以及两个30pf的电容构成的晶振电路、一个23uF的电容，10K的电阻以及复位开关构成的复位电路、芯片AT89s52构成。53.4单元电路设计图3-2复位电路图3-3时钟电路单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期24个振荡周期以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平（如图4-1）。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。时钟在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，