基于单片机的摇摇棒模型毕业设计论文

基于单片机的摇摇棒模型毕业设计

目录

摘要--------------------------------------------------------------------------------------- 1 Abstract --------------------------------------------------------------------------------- 2绪论--------------------------------------------------------------------------------------- 3 1总体设计方案 --------------------------------------------------------------------- 5

1.1摇摇棒原理及介绍 ------------------------------------------------------- 5

1.2硬件设计 ------------------------------------------------------------------- 5

1.3软件设计 ------------------------------------------------------------------- 6 2硬件电路实现 --------------------------------------------------------------------- 6

2.1STC89c52单片机介绍及基本电路 ----------------------------------- 6

2.1.1STC89C52芯片 --------------------------------------------------- 6

2.1.2复位电路 ----------------------------------------------------------- 9

2.1.3时钟电路 --------------------------------------------------------- 10

2.2LED基本介绍及原理 ------------------------------------------------- 11

2.2.1LED内部结构及原理------------------------------------------ 11

2.2.2LED硬件电路--------------------------------------------------- 11

2.3开关电路 ----------------------------------------------------------------- 12

2.4ISP下载电路 ------------------------------------------------------------ 13 3软件设计及实现 ---------------------------------------------------------------- 14

3.1开发环境 ----------------------------------------------------------------- 14

3.2汉字图形取模软件 ----------------------------------------------------- 15

3.3N-S流程图--------------------------------------------------------------- 16

3.4LED控制软件实现----------------------------------------------------- 17

3.5字模数据处理 ----------------------------------------------------------- 18 4测试及结果 ---------------------------------------------------------------------- 19结束语---------------------------------------------------------------------------------- 20致谢------------------------------------------------------------------------------------- 21

参考文献 ------------------------------------------------------------------------------ 22

附录1 程序源代码------------------------------------------------------------------ 23恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

附录2 电路原理图------------------------------------------------------------------ 30

附录3 摇摇棒实物图--------------------------------------------------------------- 31

摘要

本文详细介绍了一种基于8051单片机的16LED摇摇棒。通过单片机为主控制器控制分时控制高亮LED灯的现实。为了实现摇摇棒所需要的功能，提出了系统的总体设计方案。系统包括了16位LED点阵、单片机最小电路、滚珠开关电路、烧录电路等部分，并对各个部分进行测试。本系统基于STC89C52单片机控制LED的显示，及其他各个部分的功能实现。最后给出了实验的结果和效果分析。通过实验，表明达到的所要的效果，并对一些开发环境、实验过程中所用到的软件进行一定性的介绍。本系统结构简单、实用、能扩展的功能多，前景应用非常可观。

关键词：STC89C52，LED，ISP，摇摇棒

Abstract

This paper describes the 16 LED 8051 based shook his stick. MCU-based controller by sharing control LED lights highlight the reality. In order to achieve the functionality required shook his stick, raised the overall design of the system. System includes a 16-bit LED dot matrix, microcontroller minimum system, vibration sensor system, and some other programming system, and the parts for testing. The system is based on STC89C52 MCU LED display, and other various parts of the function realization. Finally, the experimental results and results analysis. Through the experiment, that meet the technical indicators, and some of the development environment, EDA software and test software used in the process of a certain introduction. The system is simple, practical, able to multi-function expansion, the outlook application is very impressive.

KEYWORDS:STC89C52, LED ,ISP, Shook rods

绪论

社会在进步，科技在发展。今时今日，人们在日常生活或工作后，供给给人的娱乐信息方式不断的发展，各类信息不断的让人接受，各类新奇的产物由此诞生。就如互联网发展的现在，人们能做的事情更多这是个伟大的技术带来的，往后的发展会让人们的生活更加的便捷、能做更多的事情。

人们在娱乐的过程更重要的是满足人的精神，显示技术的诞生，带来了信息的传递，生活水平的提高，技术的发展。比如:电视机、电脑显示器、3D显示技术、点阵屏显示技术等。其中现在的电视机、电脑显示器都发展的非常好，这两类产品在市面上有液晶、等离子、LED、3D显示技术，其中3D是近几年比较热的技术，特别是在国外3D技术比较成熟，但国内还很少能有这样的技术。

随着新的技术不断的涌入，那一些老的技术是不是没有他存在的价值了呢？这个问题要问市场，市场是决定技术是否可持续发展的一个重要指标。LED显示技术发展历程又40年了，但它在当今的社会上还是运用很广，就是因为它还有他的使用价值，并不是每种技术都能适应大众的口味。发展至今LED开始进入多种应用领域，包括宇航、飞机、工业应用、通信、消费类的产品等,遍及国民经济的各个部门和千家万户。日常我们能够看见LED 最直观的技术就是大街小巷的电子广告牌和一些大都市的LED显示屏幕。

在国外LED厂商已经形成各自的技术特色。日本日亚化学处于全球技术领先水平，垄断高端白色、蓝、绿色LED的市场，丰田合成在白光LED及车灯照明技术开发据国际前端；美国Cree的碳化硅衬底生长GaN外延片国际领先，传统照明巨头Philips绝对控股的美国Lumileds功率型白光LED国际领先；传统照明巨头Osram欧司朗控股的德国欧司朗光电半导体功率型LED封装和车用LED灯具开发国际领先

在国内随着LED技术上的突破，不断出现的高亮度LED、蓝光和白光LED、功率LED 和LED模块，早期LED的技术标准远不能满足要求，特别是近年来发展起来的半导体照明产品，更需要重新制定产品标准。近两年科技部、信息产业部等相关部委均在积极推动LED相关标准的制定工作。

从国外国内的对LED的发展前景来看，LED还是很热的技术，发展的前景非常广阔，其实LED技术不只是应用在那些大型的项目在一些较小的项目中也有它的发展优势。

因此提出了摇摇棒这个课题，摇摇棒比传统的荧光棒更加的环保更加的耐用，环保这

个问题和资源的合理应用是各国最头疼的问题。摇摇棒又叫闪字棒、魔幻棒，它最大的特色是现实图形或文字，它主要应用在一些大型的演唱会、歌友会、游行等。人们最大的满足就是精神的最求，在摇摇棒上输入自己喜爱的歌星或一些标语，即可满足精神的需求。

国内生产的摇摇棒主要特征有低功耗、外形小巧、LED灯显示不同的颜色、配备有USB下在程序、自适应摇晃速度等。一般2节3号电池即可驱动，配备更多的取模工具和下载工具，能够显示中文、日文、韩文、英文及图形等效果。在这些基础上可扩展的空间很大，市场的前景也很好。

本文是基于8051单片机16 LED摇摇棒的设计，首先，要实现摇摇棒的硬件设计，并经过测试硬件的可用性。这部分电路主要包括了单片机的最小系统电路、16 LED的硬件电路、ISP的下载电路和中断电路。软件部分主要是完成摇摇棒的程序设计以及取模软件的使用。最后硬件和软件整合实现摇摇棒的功能。这里采用了宏晶公司的STC89C52单片机为主要控制核心。

1总体设计方案

这章节详细介绍了基于8051单片机摇摇棒的总体设计方案。

1.1摇摇棒原理及介绍

众所周知，人的眼睛存在视觉暂留得现象，正是因为眼睛的反应迟钝，才丰富了人的视觉感受。

LED摇摇棒很好地利用人眼睛的视觉暂留得特性，通过一定数量的LED发光二极管配合手的左右摇晃就可以呈现一幅完整的画面，可以显示字符、图片等。

在市面上所出售的摇摇棒具有体积小、功耗小、LED多颜色、可下载程序等功能。

1.2硬件设计

摇摇棒的电路主要由单片机的时钟电路、单片机的复位电路、LED点阵电路、ISP下在电路和外部中断电路构成。

摇摇棒的电路经过仔细的分析和设计采用了单片机上电即可复位，手动复位不合适用在这里使用，这样可以降低成本。外部中断电路使用了滚珠开关，为了保证16颗LED灯这里采用了IN4007整流管做保护，电路中使用STC89C52单片机，MAX232等芯片。图1-1为摇摇棒的总体模块图。

图1-1 总体模块图

1.3软件设计

软件部分，主要通过编程实现单片机对各个电路模块进行控制，这里使用C语言编程。实现的功能主要有如下几个方面：

（1）当摇晃时摇摇棒的外部中断电路会给单片机一个下降沿中断，如果达到左右左一个周期并记录下来；

（2）如果外部中断达到一个周期输入数据给LED灯；

（3）输出数据后延时一段时间；

（4）从置外部中断的次数为0，好为下一次显示数据做好准备；

2硬件电路实现

本章节介绍了摇摇棒的所有模块的电路设计及实现方法。

2.1STC89c52单片机介绍及基本电路

要想顺利的使用单片机，必须对某个型号的单片机进行了解，这里以STC89C52单片机为例理解它的最基本的组成电路。

2.1.1STC89C52芯片

在单片机家族的众多成员中，MCS51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。世界各大单片机厂商都在MCS51上投入了大量的资金和人力，围绕51内核，衍生出许多品种，增强51单片机的各种功能。MCS51家族是目前在单片机领域发展最快的一个品种。

STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。STC89系列单片机高速(最高时钟频率90MHz)，低功耗，在系统/在应用可编程(ISP，IAP),不占用户资源。STC89系列单片机不同的型号除了在ROM有大小的限制，其他的功能类似。所

以在选择单片机的时候可以考虑是否用到那么大的ROM，这样会省去不必要的成本，不同ROM的单片机的价格上也有很大的差异。

STC89C52单片机的主要特性：

（1）80C51核心处理器单元；

（2）3V/5V工作电压，操作频率0~33MHz（STC89LE516AD最高可达90MHz）；5V 工作电压，操作频率0~40MHz；

（3）大容量内部数据RAM：1K字节RAM；

（4）8kB片内Flash程序存储器，具有在应用可编程(IAP) ,在系统可编程(ISP)，可实现远程软件升级，无需编程器；

（5）支持12时钟(默认)或6时钟模式；

（6）双DPTR数据指针；

（7）SPI(串行外围接口)和增强型UART ；

（8）PCA(可编程计数器阵列)，具有PWM的捕获/比较功能；

（9）4个8位I/O口，含3个高电流P1口，可直接驱动LED；

（10）3个16位定时器/计数器；

（11）可编程看门狗定时器(WDT)；

（12）低EMI方式(ALE禁止)；

（13）兼容TTL和COMS逻辑电平；

（14）掉电检测和低功耗模式等；

STC89C52单片机引脚图如2-1所示：

图2-1 单片机引脚图引脚定义见表2-1：

表2-1 引脚定义

2.1.2复位电路

STC89c52单片机的的常用的复位电路主要有两种，一种是上电复位，另外一种是手动复位，其中手动复位包括了上电复位的功能，由于摇摇棒设计中考虑到手动复位多了这里不需要的功能，因此在这里不考虑使用手动复位，而采用了上电复位的方式来实现单片机复位。

上电复位电路组成的元件由一个22uf的电容和一个1K的电阻组成，单片机复位的条件是：必须使RST(第9引脚)加上持续两个以上机器周期(即24个脉冲振荡周期)以上的高电平。若时钟频率为12MHz，每个机器周期为1us,则需要加上持续2us以上的高电平。单片机的复位电路如图2-2所示。

图2-2 复位电路

2.1.3时钟电路

单片机其实是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟控制严格地按时序进行工作。时钟电路用于产生单片机工作所需要的信号。

在MCS-51为核心的单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端引脚为XTAL1,其输出端引脚为XTAL2。只要在XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和瓷片电容，就可以构成自激振荡器，在时钟电路中由1个12MHz的晶振、2个30pF的瓷片电容组成具体电路如图2-3所示。

一般地，晶振比较常用的有6MHz、12MHz。晶振的频率越高，系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也就越快。STC的单片机最到支持可以支持到40MHz的晶振，但为了系统能够稳定的运行还是选择常用的晶震，如果单片机上使用了串行口通信，则一般回考虑使用11.0592MHz的晶振，方便波特率的计算。

图2-3 时钟电路

2.2LED基本介绍及原理

在电路中并不使用使用3MM的LED,而是采用了5MM的高亮LED灯，5MM的高亮LED有多种颜色，除了多种颜色外还有双色的，一只LED可以两出两中颜色，因此5MM 高亮的LED达到想要的效果，远距离观看的效果更佳。

2.2.1LED内部结构及原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片。

在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。(图2-4所示)

图2-4 LED内部结构

2.2.2LED硬件电路

电路中采用了16只红色5MM高亮的LED,所有的LED使用共阳极的方案并联起来，并给电源端加上了IN4007整流二级管，还在LED的正级接上了200欧姆的保护电阻，经过测试如果只接上一只IN4007整流管,实际测量得到LED的电流在30mA左右，LED点亮

久后会发热，这样LED的寿命就会减短，因此必须加上保护电阻，加上保护电阻测量电流达到15~20mA左右，并却没有发热的迹象，因此采用此方案，具体如图2-5所示。

图2-5 LED电路图

2.3开关电路

电路中开关使用了滚珠开关，它和水银开关的原理类似，水银是一种有毒的化学物质，而且不环保，市面上水银开关大多都是玻璃制造的，容易破碎故在电路中没有使用水银开关，而选用了滚珠开关。

滚珠开关也叫钢珠开关，珠子开关，其实都是震动开关的一种只是叫法不一样是通过珠子滚动接触导针的原理来控制电路的接通或者断开的。滚珠开关简单来说，就如同打开或关掉电灯一样，开关触碰里头的金属板电灯就亮，离开就关，滚珠开关也是利用类似的原理。利用开关中的小珠的滚动，制造与金属端子的触碰或改变光线行进的路线，就能产生导通或不导通的效果。

滚珠开关的原理和水银开关的原理和用法差不多相同，当摇晃滚珠滚到金色引脚那一端的时候就会导通，正是这个原理可以用做单片机外部中断的下降沿的信号控制，在使用滚珠开关提供单片机下降沿信号时，要给一个10K的上拉电阻给单片机这样滚珠开关没有接通的时候外部中断引脚就会保持高电平，一但接通会产生一个下降沿中断，摇摇棒要使用滚珠开关，如果没有滚珠开关就摇摇棒就回产生镜像效应，使用滚珠开关的作用就在以此，具体的电路如图2-6所示，电路图中SW-SPST 为滚珠开关。

图2-6 开关电路

2.4ISP下载电路

STC89系列单片机大部分具有在系统可编程(ISP)特性，ISP的好处是：省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，无须将单片机从生产好的产品上拆下来，再用通用编程器将程序代码烧录进单片机内部。有些程序尚未定型的产品可以一边生产，一边完善，加快产品进入市场的速度，减小了新产品由于软件缺陷带来的风险。由于可以将程序直接下载进单片机看运行结果故也可以不用仿真器。

大部分STC89系列单片机在销售给用户之前已在单片机内部固化有ISP系统引导程序，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，故无须编程器（速度比通用编程器快）。不要用通用编程器编程，否则有可能将单片机内部已经固化的ISP 系统引导程序擦除，造成无法使用STC提供的ISP软件下载用户程序代码。

在单片机彻底没电的情况下，给单片机上电复位，是它冷启动。如果外部手动复位，单片机不会运行ISP程序。单片机冷启动后，开始进行系统ISP监控程序，同时检测P3.0/Rxd 有无合法下载命令流，如果没有则立即跑到用户程序。

如下为STC89系列单片机的典型ISP电路图，在这里使用了MAX232替代了STC3232但基本电路图是通用的，电路如图2-7所示。

图2-7 ISP电路

3软件设计及实现

本节介绍了摇摇棒软件设计过程中所需要的一些软件和软件设计的流程。

3.1开发环境

工欲善其事，必先利其器。一个良好的开发环境能够使开发人员事半功倍。单片机的开发工具有很多，各式各样的都有，其中在8051单片机中最常用的就有两款，分别是KEIL C51、和SDCC两款。其中SDCC-Small Devicd C Compiler,SDCC是一个优化的标准C交叉编译器，目标CPU为基于INTEL 8051，Maxim 80DS390,Zilog Z80和Motorola 68HC08的单片机。SDCC是一个免费的开放源代码。同时SDCC也是一款跨平台的开发工具，现在支持Windows、Linux、Unix和Mac等系统，但SDCC没有IDE开发环境，不过有第三方的IDE软件，还需要整合比较麻烦。另外一款开发工具就是Keil C51了，在8051单片机开发上应用很广。Keil C51是一个IDE开发工具，除了界面美观之外，并对c语言支持的很好。

由于SDCC对8051单片机方面的资料比较少，故选用了Keil C51作为主要的开发环境，Keil C51在8051单片机资料非常的广，因此在它上面做开发会有较多的参考，图3-1为Keil C51的界面。

图3-1 Keil主界面

3.2汉字图形取模软件

取模软件非常之多，但选取的时候应该考虑到LED电路中是否适合正在使用的取模软件，经过多款取模软件的测试，选定了xiao-qi汉字图形取模软件。Xiao-qi汉字图形取模

软件是晓奇工作室所开发的一款界面友好，多功能的取模软件。如图3-2所示。

图3-2 QiaoQi主界面

在使用过程中选用了数据的排列方式为从上到下从左到右、输出的格式选择了C语言、取模方式选择了纵向8点下高位，其他的不变，取模的方式是根据LED电路而决定的。

3.3N-S流程图

Dia是基于GTK的图形绘制程序，适用于Linux、Unix、Windows,以GPL许可发布。通俗的说，一个10MB轻量级的免费软件，使用上不输给visio,因此在做N-S流程图时使用了Dia,在使用过程中不必考虑版权的问题，而却使用很方便。

Dia可以用于制作各种图表，目前可以使用它来制作流程图、UML图表、网络图表等，

并能够输出为EPS、SVG、XFIG、WMF、PNG等格式。图3-3为Dia的启动界面。

图3-3 Dia界面

摇摇棒的整体N-S流程图如图3-4所示。

图3-4 程序流程图

3.4LED控制软件实现

程序主要的思想采用了外部中断的方式来控制LED灯，外部下降沿中断2次就为摇摇棒左右摇晃的一个周期，通过一个变量记录中断的状态，如KY = 0,KY的初始值为0如果中断一次就给KY取反，这样一个周期后就是KY=0，通过这样的机制判断使用者是否摇