摇摇棒 实验报告

系 别： 电子信息系

专 业： 通信工程专业 班 级： B080307 学 号：B08030722 姓 名： 张维国 指导教师： 张妮 实习题目： 摇摇棒的设计 实习地点： 电子实验室

教务处印制 2011 年 9 月 4 日

生产实习报告

指导教师填阅

前言今年暑假学校为了使我们没有去富士康实习的同学有事可

做,给我们安排了很多的实习和课程设计。这次生产实习摇摇棒的制作

就是其中一个，本次实习介绍了一种新型的LED彩灯控制系统的设计

方法，以AT-89C51单片机作为主控核心，与按键、水银开关等较少的

辅助硬件电路相结合，利用软件实现对LED彩灯进行控制。本系统具

有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。

基本原理与硬件电路设计：

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。

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2个钮扣电池。AT89S51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口的上拉电阻RA1不能少。串在LED公共端的二极管D1

会产生一定的压降，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。K1是画面切换开关，用于切换显示

不同内容；K3为水银开关。

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。

硬件制作：

使用的是直径3mm的红色LED，颜色可根据个人喜好选择。

水银开关里的水银珠很活跃，导致在接通时容易产生抖动，所以将水银开关斜向上放置（尖尖朝斜上方45°角），靠水银珠自身重力的作

用减少抖动

1 实习目的

1．非常重要的实践教学环节

2．培养理论知识与生产实际相结合的能力

3．了解单片技术

4．锻炼实际动手能力，掌握电子线路焊接、装配的基本技能

5．了解并掌握本专业软硬件设计的一些基本问题

2实习时间，及进程安排

8月22日~ 8月23日：理论学习及讲座阶段

上午讲座

下午及课外时间进行资料收集、查找及学习

8月24日：发放元器件，进行焊接准备

8月25日~8月26日：硬件焊接及组装，及硬件调试

8月27日~9月2日：参考硬件电路绘制原理图及PCB绘制，参照例程学习软件程序设计

9月2日~9月9日：总结报告及验收、答辩

3实习地点

电子实验室

4实习单位、部门、地点

实习单位西安工业大学北方信息工程学院

实习部门电子信息系

实习地点电子实验室

5实验内容

一电路的模块设计

1.1 主控单元：

单片机以其集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、价格廉、使用灵活等一系列优点得到迅速的发展，渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统等，这些都离不开单片机。

此次设计主要采用宏晶科技的STC89C51RC单片机为主控单元。

STC89C52RC的芯片管脚图如图所示。

图1.1 STC89C51RC的芯片管脚图

1.2 电源与复位：

任何电路都离不开电源部分，单片机也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所忽略，其实有将近一半的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。两个钮扣电池是最好的，电池输出的电压是最干净的，不会有任何干扰波动。

图1.21 电源电路

上电复位：保障上电时能准确地启动系统。

掉电复位：当电源失效或电压降到某一电压值以下时，复位系统自动保存数据。

除上电复位和掉电复位外，很多监控电路集成了系统所需的功能。电源测控：供电电压出现异常时提供预警指示或中断请求信号，方便系统实现异常处理。数据保护：当电源或系统工作异常时，对数据进行必要的保护，如保护数据备份或切换后备电池。

图1.22 复位电路

1.3二极管显示模块：

首先，我们根据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。

LED显示器具有功耗低，接口控制方便等优点，而且模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性，并能直接与单片机接口，可方便地实现各种不同的操作，在各类测量及控制仪表中被广泛的应用。当在LED上显示汉字时，应先取得汉字的点阵构成数据，然后将其写入显示存储器中进行显示。

摇摇棒显示是一种通过同步控制发光二极位置和点亮状态来实现图文显示的新型显示器，其结构新颖，成本低廉，可视角度达360°。

本设计采用16个并排发光二极管，利用人眼的“视觉暂留效应”显示文字及图案。显示模块如图所示

图 1.3 显示模块框图

1.4电路总设计图

电路总图由五个模块组成：

1.电源模块

2.复位开关模块

3.水银开关模块

4.二极管显示模块

5.单片机模块

其中单片机模块为电路图图的主控模块

图1.4 电路的总设计图

二PCB制作工艺及流程

2.1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。

2.2 PCB设计流程

2.2.1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，本文摇摇棒PCB的大小为：30.1cm*5.1cm。

3.设置参数

主要是设置软件中电路板的工作层，PCB编辑器的工作参数，自动布局等。

4.装入网络表及元件的封装形式

网络表是PCB自动布线的核心（笔者用的单面板，用的手动布线），也是电路理图设计与印制电路板设计系统的接口。只有正确装入网络表后，才能进行对电路板的自动布局等。

Part

Type Designator Footprint

0.1uF C2 RAD0.1

1K R22 0805R

1K R23 0805R

1K R20 0805R

1K R21 0805R

1K R26 0805R

1K R27 0805R

1K R24 0805R

1K R25 0805R

1K R13 0805R

1K R14 0805R

1K R11 0805R

1K R12 0805R

1K R15 0805R

1K R18 0805R

1K R19 0805R

1K R16 0805R

1K R17 0805R

10K R4 AXIAL0.4

10uF C1 RB.1/.2W

10uF C5 RB.1/.2W1

12MHz Y2 XTAL

30pF C3 RAD0.1

30pF C4 RAD0.1

89C51 U1 DIP40

100K R28 0805R

100K R2 AXIAL0.4

BAT3V B1 BAT2032

BAT3V B2 BAT2032

POWER K4 SIP3

Reset K2 K1

UART1 J6 SIP4

图2.1 电路需要的封装参数

5.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。

6.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。

三实验测试及问题分析与解决

3.1 实验测试

首先，硬件的电路的测试，输送理论上是应该都点亮LED的简单程序（#includemain( ){P1=0x00;P2=0x00;}）检查硬件电路是否完好。然后，将设计完整的确定正确的软件程序通过RS232接口下载到硬件电路，检查是否能显示所需图像，文字信息等。

效果图如下：

图3.1 实验效果图

图3.2 实物图

3.2 制作过程中的问题及解决方法

3.2.1 硬件电路调试

1．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。

2.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。

3.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。

3.2.2 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。

6实习总结

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。