摇摇棒课程设计报告

重庆三峡学院

电子工艺工程设计报告书课程名称：基于单片机的摇摇棒

学院（系）：电子与信息工程学院

年级专业：2012级电子信息工程(自动化)

学号： 201207014338

学生姓名：王平山

指导教师：谢辉

教师职称：教授

成绩：

制作日期2015 年6 月` 8 日

目录

一、作品摘要 (2)

二、作品说明 (2)

三、工艺流程 (3)

四、系统总体设计 (5)

五、硬件设计 (7)

六、软件设计 (8)

七、系统调试与分析 (9)

八、课程作品制作体会 (11)

九、附录 (12)

基于STC89C52的16LED摇摇棒设计

一、作品摘要

摘要：本设计以STC89C52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技术，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、图像的Led显示棒的制作。整套系统由中央控制模块、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内容。

关键字：Led 视觉暂留图案

二、作品说明

摇摇棒是如今流行的一种玩具，在各种聚会、节日中均见得到它的身影。本设计也追随着摇摇棒的原理，利用人眼的视觉暂留特性，通过STC89C52单片机对16只高亮度LED发光二极管进行控制，配合手的左右摇晃就可呈现一幅完整的画面。

下图是基于51单片机控制16只高亮度LED发光二极管构成的摇摇棒，

该摇摇棒具有如下功能：

1) 显示“欢迎使用神奇魔幻摇摇棒！”；

2) 显示心形图案；

3) 显示“LOVE”；

4) 可以通过开关实现转换，轮流显示并循环。

三、PCB制作工艺及流程

1、印制电路板的介绍

印制电路版（Printed Circuit Board,简称PCB），它是以一定尺寸的绝缘板为基材，以铜箔为导线，经特定工艺加工，用一层或若干层导电图形（铜箔的链接关系）以及设计好的孔（如元件孔、机械安装孔、金属化过孔等）来实现元件间的电气连接关系，它就像在纸上印刷上去似的，故得名印制电路板或称印刷线路板。在电子设备中，印制电路板可以对各种元件提供必要的机械支撑，提供电路的电气连接并用标记符号把板上安装的各个元件标注出来，以便于插件、检查及调试。

按照在一块板上导电图形的层数，印制电路板可分为一下三类。

1)单面板

指仅一面又导电图形的电路板，也称单面板。

2)双面板

指两面都有导电图形的电路板，也称双层板。其两面的导电图形之间的电连接通过过孔来完成。

3）多层板

由交替的导电图形层及绝缘材料层叠压粘合而成的电路板。除电路板两个面有导电图形外，内部还有一层或都多层相互绝缘的导电层，各层之间通过金属化过孔实现电气连接。它主要应用于复杂的电路设计。

PCB设计流程

1、印制电路板的设计的一般步骤

1）绘制印制电路板

主要任务是绘制摇摇棒原理图，并且确保无误后，生成网络表，用与PCB设计时自动布局。

2）规划电路板

主要完成确定电路板的物理边界，电气边界，电路板的层数，各种元件的封装形式和布局要求等任务

2、元件的布局

元件的布局包括自动和手动调整两个过程。在规划好电路板和装入网络表之后，系统能自动装入元件，并自动将它们放置在电路板上。自动布线是系统根据某种算法在电气边界内自动摆放元件的位置。如果自动布局不尽如意，则在进行手工调整。

3、手动布线

手动布线时，要注意相连导线之间要有一定的绝缘距离；信号线在拐弯处不能走直线；电源线和地线的布线要短，粗且避免形成回路。

4、元件的布局

元件的布局包括自动和手动调整两个过程。在规划好电路板和装入网络表之后，系统能自动装入元件，并自动将它们放置在电路板上。自动布线是系统根据某种算法在电气边界内自动摆放元件的位置。如果自动布局不尽如意，则在进行手工调整。

5、手动布线

手动布线时，要注意相连导线之间要有一定的绝缘距离；信号线在拐弯处不能走直线；电源线和地线的布线要短，粗且避免形成回路。

6、在绘制元器件封装图的过程中，常常会忽略元器件封装型号与原理图中的一一对应，导致在元器件加载的过程中，系统会报错。那么，绘制电路原理图以及元器件封装的过程中，要特别注意两者中的元器件封装号的一致性。

7、在用复写纸将布线图复制到复铜板上的过程中，容易产生图纸移动。复制布线图前应先用锉刀将复铜板四周边缘锉至平直整齐,而且尺寸尽量与设计图纸尺寸相符,并将复写纸裁成与复铜板一样的尺寸,并且用胶纸将图纸左右两端与印刷板贴紧，图纸不易移动。

8、进行化学腐蚀时，电路板中的导线易断；腐蚀时间太长。在对电路板进行化学腐蚀时，要注意三氯化铁的浓度，浓度太大会将导线腐蚀断；浓度太小，导致腐蚀时间太长。腐蚀速度与腐蚀液的浓度,温度及腐蚀过程中采取抖动有关,为保证制板质量及提高腐蚀速度,可采用抖动和加热的方法。

软件程序调试

1、在字模选取时，字模走向，点阵格式等方面选取不当会导致显示出的图像，文字信息等不完整或不能显示；那么，字模的选取方面，点阵格式，字模走向等的选择必须与硬件电路中的一一对应；

2、在软件设计程序编程时，延时子程序设计的时间长短会出现一些问题。时间设的太长，在摇晃过程中，LED发光二极管点亮的速度会很慢，致使在使用过程中左右摇晃的频率，幅度会很大，画面就不容易显示或者不清晰，只出现部分画面等情况；时间设的太短，LED发光二极管点亮的速度会很快，那么摇晃过程中，甚至有些应该亮的频率比较高的二极管根本来不急点亮，那么在人眼看来，那些二极管根本就没点亮。因此，在设置延

时子程序时间的问题上，要计算出单向甩出摇摇棒所需的具体时间。这样，LED 灯亮的速度才会适中，致使演示效果完好。

四、系统总体设计 1、总体方案比较与论证

所谓的“摇摇棒”，其实就是一个循环的LED 显示，利用人的视觉滞留产生静态显示的现象。要实现这个目标，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。

本作品本着方便、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。系统框图如下：

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跳沿的信号，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

输出显示LED

单片机

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。

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。

事实上采用震动开关代替水银开关可以取得更好的效果，但局限于器材方面的原因，未能采用震动开关。

（3）LED简介

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光

能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。不同颜色的发光二极管有不同的开启电压，具体如下：

普通的发光二极管正偏压降红色为1.6V，黄色为1.4V左右，蓝白为至少2.5V 。工作电流5－10mA左右

超亮发光二极管主要有三种颜色，然而三种发光二极管的压降都不相同，具体压降参考值如下：

红色发光二极管的压降为2.0--2.2V

黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V

绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V

正常发光时的额定电流约为20mA。

3、系统设计

本系统包括单片机控制模块，开关及电源模块和输出显示模块三个部分。

单片机控制模块由Keil uVision4进行编写，实现起来简单，主要有三部分，主程序、中断服务部分还有字符点阵。

开关及电源模块采用5V变压器并配合水银开关使用。输出显示模块采用16个LED灯，在版上一字排开。

五、硬件设计

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。

原理图如下所示：

PCB图如下

本电路采用16只LED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画面，与LED点阵的显示相仿。电路中STC89C51单片机为控制器，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。S1为滚珠开关，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，所以通过接一只滚珠开关来控制，使摇摇棒从左向右摇动时将内容显示出来；S2是画面切换开关，单片机中已经写入能显示多个画面的程序，工作时通过这个开关来切换。

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。

注意：安装滚珠开关S1时，要注意其引脚方向，如果装反了显示的画面会出现镜像。

六、软件设计

软件部分包括主函数程序、中断服务程序、延时子程序以及三个显示子程序。软件设计流程如下：

七、系统调试与分析

主要测试单片机的工作情况，能否正常用LED显示出各图案，并且记录各图案持续的时间和稳定显示度以及一个循环周期所用的时间。并且检查LED的发光亮度，使之可以明显的分辩出来。

图案稳定程序

欢迎使用神奇魔幻摇摇棒稳定

心形稳定

LOVE 稳定

经过测试，当摆动的幅度和速度适当时，各个画面均可以明显的显示出来。整体来说，本方案设计比较成功。

拍摄照片：

八、课程作品制作体会

通过两周时间的摸索我们完成了摇摇棒的设计与原理图的绘制，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。

本次实习将会为我将来的工作敲响警钟。我们已经步入大四，在将来的工作中仅仅靠书本里的理论知识是不行的。学生时代的我们对一些东西虽然知道该怎么做，但是就是老出问题，自己又解决不了。所以我们要通过实践来提高我们的动手能力。我们在学校里所学到的知识是不是真理，唯有通过我们以后的实践，因为实践是检验真理的唯一标准。

通过一学期的《电子工艺实训》课程的学习，对单片机有了一定的认识和体会。作为电子方向的学生，要想深入发展，尤其是对自动化感兴趣的我，电子设计是必须要学好的一门课程。从小喜欢敲敲打打，对制作单片机很感兴趣，满心希望能做出一个让自己满意的作品。

但是想起来容易做起来难，由于种种原因，我在学习、制作过程中遇到了很多的困难。首先，作为单片机的先修课程《单片机原理与应用》这门课，我们虽然上学期学过，但是当时掌握效果很差，所以在单片机课程开始阶段，涉及到相关知识时感到很吃力，花了很多的时间去“补课”。其次，焊接的基本功不扎实，上学期虽然做过焊接收音机的实习，但是那次是在设计电路已给出、精密度较低的情况下糊里糊涂的完成的，跟这次课程设计要完成的任务差距甚大,所以也花了不少的代价去弥补基本功的不扎实。最后还有一

个问题就是，程序的编写与调试。由于程序冗长，调试也比较困难，这使我花了比较长的时间，我唯一能做的就是，抓紧时间，少走弯路，提高效率。

通过请教了有经验的同学后，我开始在网上搜各种相关程序和资料，根据自己的想法进行修改和整理。由于以前学过C语言，有一定的基础，所以就不顾老师强烈推荐的汇编语言，毅然选择用C语言设计了。相关知识理解得差不多了以后便开始设计电路。由于画图的软件应用不很熟悉，又没有经验，刚开始的图又丑又乱，焊起来很是麻烦，改了又改，加上基本功的不扎实，因此烧坏了第一块板子……，沮丧之后，我请教了上届实验室的一个师兄，在他的指导下我修改并完善了电路图，重新做了板子从头做起。这次为了避免犯大的错误，我遇到没有把握的地方认真分析，实在不会的就及时请教，一点一点踏实做起。

然而，好事多磨，就在我仔细焊接完成之后，测试的时候却发现显示的字和画面都是反的！我又认真检查、分析了一下，发现自己把STC89C52的两个端口搞反了，水银开头的方向也接反了。问题找到了，我又耐着性子，把线拆了重新焊起。一鼓作气，终于再次把电路板焊好。这次，终于成功了！

通过此次课程作品制作，我对书本上很多以前不理解的内容有了新的实际的认识，也把很多抽象的知识具体化了，收获颇多。看来，很多时候我们只是读书是远远不够的，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，尤其是对于我们这些理工科的学生。以后的学习过程中，希望能有更多的实践的机会。

九、附录

源程序

#Include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int //宏定义

#define KEY P3_0 //定义画面切换按键

uchar KY; //KY作用在后面说明

uchar disp; //显示汉字指针

uchar pic=0,num=0; //pic为按键次数；num为中断次数

uchar code love[] = {

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFE,0x3F,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,

0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xF8,0x0F,

0x04,0x10,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x04,0x10,0xF8,0x0F,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x00,0xFE,0x07,0x00,0x08,0x00,0x10,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x10,

0x00,0x08,0xFE,0x07,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFE,0x3F,0x82,0x20,0x82,0x20,

0x82,0x20,0x82,0x20,0x82,0x20,0x82,0x20,0x82,0x20,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/*LO VE*/

};

uchar code loveyou[] = {

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x78,0x00,0xFC,0x00,0xFE,0x01,0xFE,0x03,0xFE,0x07,0xFE,0x0F,0xFE,0x1F,0xFC,0x3F,

0xF8,0x7F,0xFC,0x3F,0xFE,0x1F,0xFE,0x0F,0xFE,0x07,0xFE,0x03,0xFE,0x01,0xFC,0x00,

0x78,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/*心形图案*/

};

unsigned char code hanzi[] = {

//-- 欢--

0x04,0x10,0x34,0x08,0xC4,0x06,0x04,0x01,

0xC4,0x82,0x3C,0x8C,0x20,0x40,0x10,0x30,

0x0F,0x0C,0xE8,0x03,0x08,0x0C,0x08,0x10,

0x28,0x60,0x18,0xC0,0x00,0x40,0x00,0x00,

//-- 迎--

0x40,0x00,0x42,0x40,0x44,0x20,0xC8,0x1F,

0x00,0x20,0xFC,0x47,0x04,0x42,0x02,0x41,

0x82,0x40,0xFC,0x7F,0x04,0x40,0x04,0x42,

0x04,0x44,0xFE,0x63,0x04,0x20,0x00,0x00,

//-- 使--

0x40,0x00,0x20,0x00,0xF8,0xFF,0x07,0x00,

0x04,0x80,0xF4,0x43,0x14,0x45,0x14,0x29,

0x14,0x19,0xFF,0x17,0x14,0x21,0x14,0x21,

0x14,0x41,0xF6,0xC3,0x04,0x40,0x00,0x00,

//-- 用--

0x00,0x80,0x00,0x60,0xFE,0x1F,0x22,0x02,

0x22,0x02,0x22,0x02,0x22,0x02,0xFE,0x7F,

0x22,0x02,0x22,0x02,0x22,0x42,0x22,0x82,

0xFF,0x7F,0x02,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

//-- 神--

0x08,0x01,0x88,0x00,0x49,0x00,0xEE,0xFF,

0x58,0x00,0x88,0x00,0x00,0x00,0xF8,0x1F,

0x88,0x08,0x88,0x08,0xFF,0xFF,0x88,0x08,

0x88,0x08,0xFC,0x1F,0x08,0x00,0x00,0x00,

//-- 奇--

0x40,0x00,0x40,0x00,0x44,0x00,0x44,0x3E,

0x64,0x12,0x54,0x12,0x4C,0x12,0x47,0x12,

0x4C,0x3F,0x54,0x42,0x74,0x80,0xC6,0x7F,

0x44,0x00,0x60,0x00,0x40,0x00,0x00,0x00,

//-- 魔--

0x00,0x40,0x00,0x30,0xFE,0x8F,0x4A,0x80,

0xAA,0x5F,0x9A,0x4A,0xFE,0x2A,0xAA,0x1A,

0xCB,0x0F,0xAA,0x7A,0xFE,0x8A,0x9A,0xAA,

0xAA,0x8F,0x6B,0x80,0x22,0xE0,0x00,0x00,

//-- 幻--

0x80,0x20,0xC0,0x30,0xA0,0x28,0x98,0x24,

0x87,0x22,0x80,0x21,0xC4,0x30,0x04,0x60,

0x04,0x00,0x04,0x20,0x04,0x40,0x04,0x80,

0x04,0x40,0xFE,0x3F,0x04,0x00,0x00,0x00,

//-- 摇--

0x10,0x02,0x10,0x42,0x10,0x81,0xFF,0x7F,

0x90,0x04,0x54,0x05,0xCC,0xF4,0xB4,0x44,

0x84,0x44,0xBC,0x7F,0x82,0x44,0xA2,0x44,

0x9B,0xF4,0x82,0x06,0x00,0x04,0x00,0x00,

//-- 摇--

0x10,0x02,0x10,0x42,0x10,0x81,0xFF,0x7F,

0x90,0x04,0x54,0x05,0xCC,0xF4,0xB4,0x44,

0x84,0x44,0xBC,0x7F,0x82,0x44,0xA2,0x44,

0x9B,0xF4,0x82,0x06,0x00,0x04,0x00,0x00,

//-- 棒--

0x10,0x04,0x10,0x03,0xD0,0x00,0xFF,0xFF,

0x90,0x00,0x54,0x05,0x44,0x12,0xD4,0x15,

0x74,0x14,0x5F,0xFF,0xD4,0x14,0x54,0x15,

0x56,0x12,0x44,0x06,0x40,0x02,0x00,0x00,

//-- ！--

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x00,0x7C,0x10,0xFE,0x3B,

0xFE,0x3B,0x7C,0x10,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00 };

/*****函数声明*****/

void display1(void);

void display2(void);

void display3(void);

/*****n（us）延时子程序*****/

void DelayUs(uint N)

{

uint x;

for(x=0; x<=N;x++);

}

/*****中断服务程序*****/

void intersvr0(void) interrupt 0 using 1

{

KY=~KY; //每个摇动来回水银开关会在摆幅两端分别产生下降沿中断，只提取其中一次（从左向右摇才显示）

if(KY==0)

{

num++; //计算中断次数

switch(pic) //选择画面

{

case 0:{display1();}break;

case 1:{display2();}break;

case 2:{display3();}break;

default:{display1();}

}

}

}

/*****显示子程序1（汉字）*****/

void display1(void)

{

uchar i;

if(num>10){disp++;num=0;} //12个汉字分为3次显示完（每次显示4个），每中断10次切换

if(disp>2)disp=0;

DelayUs(5200); //此处延时时间依各硬件差别而各不相同，试着调整使得显示内容居中即可

for(i=0;i<64;i++)

{

P0=~hanzi[disp*128+i*2];

P2=~hanzi[disp*128+i*2+1];

DelayUs(100);

}

}

/*****显示子程序2（LOVE）*****/

void display2(void)

{

uchar i;

DelayUs(4000);

for(i=0;i<64;i++)

{

P0=~love[i*2];

P2=~love[i*2+1];

DelayUs(120);

}

}

/*****显示子程序3（心形图案）*****/ void display3(void)

{

uchar i;

DelayUs(4000);

for(i=0;i<64;i++)

{

P0=~loveyou[i*2];

P2=~loveyou[i*2+1];

DelayUs(120);

}

}

/*****主函数*****/

void main(void)

{

IT0=1;

EX0=1;

EA=1; //开中断，下降沿中断

KY=0;

while(1) //主程序中只检测按键{

if(KEY==0) //画面切换键按下{

DelayUs(10000); //按键去抖

if(KEY==0);

pic++;}

if(pic>3)pic=0;

}

}

/*****END*****/