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
ห้องสมุดไป่ตู้
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
电子工艺课程设计
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
拍摄照片：
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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。
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
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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。
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，
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。
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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：
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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。
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。
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 欢迎使用神奇魔幻摇摇棒
心形 LOVE
稳定程序 稳定 稳定 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。
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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。
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
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：
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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。
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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。
（2）水银开关
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电子工艺课程设计 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。