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应用物理学专业实验课程设计 题 目 学生姓名 学 号 学 院 专业班级 指导教师 完成日期 太原理工大学 应用物理学专业实验课程设计任务书 课程设计题目 基于单片机的 16LED 摇摇棒的设计 设计目的 针对物理学专业实验课程要求 对学生进行实用型电子线路设计 安装 调试 等各环节的综合性训练 培养学生运用课程中所学的理论与实践紧密结合 独立地 解决实际问题的能力 设计任务和要求 1 基于 AT89S52 单片机设计一款 LED 显式棒 又称摇摇棒 2 该摇摇棒能够显示字母 汉字及简单的图案等 3 掌握点阵屏的显示原理 并将其运用到摇摇棒的显示中去 4 学会使用 Altium Designer 设计印制电路板 设计内容 1 画出摇摇棒的原理图 2 画出软件程序流程图 3 焊接电路板 调试程序 并对不合理之处加以改正 4 递交课程设计报告 打印稿 程序应有适当注释 推荐的主要参考文献 1 张俊谟 单片机中级教程 北京航空航天大学出版社 2006 10 2 赵建领 单片机开发宝典 电子工业出版社 2007 4 3 谭浩强 C 程序设计 清华大学出版社 2009 7 4 电子线路基础轻松入门 人民邮电出版社 2010 6 5 杜洋 制作 SHOOK16 摇摇棒 无线电杂志 2010 1 学生应交出的设计文件 1 课程设计说明书 2 摇摇棒的电路原理图 工作计划及进度 2012 年 12 月 25 日 12 月 27 日 查阅资料 专业班级 要求设计工作的起止日期 指导老师签字 日期 教研室主任审查签字 日期 系主任批准签字 日期 应用物理学专业实验课程设计说明书 基于单片机的 16LED 摇摇棒的设计 应用物理学专业实验课程设计说明书 1 目录 第一章 概述 2 第二章 设计方案 3 2 1 设计目的 3 2 2 设计要求 3 2 3 设计思路 3 第三章 硬件设计 4 3 1 水银开关 4 3 1 1 水银开关的原理 4 3 2 摇摇棒原理图 4 3 2 1 单片机最小系统 5 3 2 2 LED 显示系统 5 3 3 硬件制作 6 第四章 软件设计 8 4 1 软件设计思路 8 4 2 主程序流程图 8 4 3 汉字取模软件 9 4 4 程序编写 10 第五章 总结 16 参考文献 17 应用物理学专业实验课程设计说明书 2 第一章 概述 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 LED 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 本设计要求制作 LED 显示棒 通过摇晃时形成的亮灯区域能分辨出 蓝 色 两个字 标题 黑体 16 磅加粗居中 单倍行距 段前 0 磅 段后 18 磅 内容 宋体 12 磅 多倍行距 1 5 行 段前 段后 0 磅 注意 每一章都要从新的一页开始 应用物理学专业实验课程设计说明书 3 第二章 设计方案 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 2 3 设计思路 本系统要求设计一个 LED 显示棒且需要有按键进行内容切换 它主要是由 中央控制部分 LED 驱动部分 LED 显示部分以及电源部分组成 单片机将提取的字模进行存储 当接收到按键输入的指令时单片机就将相 应的字模代码通过 I O 口输出 使 LED 灯点亮 利用视觉暂留原理最终使图案 完整的显示在摆动的显示屏中 1 LED 灯的选择 高亮 LED 发光二极管 高亮 LED 比普通 LED 的显示效 果要好很多 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 使用水银开关 通过摇 晃使得水银开关的水银珠与触点接触和断开 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 3 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 一级节标题 黑体 14 磅顶左 单倍行距 段前 24 磅 段后 6 磅 应用物理学专业实验课程设计说明书 4 第三章 硬件设计 3 1 水银开关 水银开关 又称倾侧开 关 是电路开关的一种 以 一接着电极的小巧容器储存 着一小滴水银 容器中多数 为真空或注入惰性气体 3 1 1 水银开关的原理 因为重力的关系 水银 水珠会随容器中较低的地方流去 如果同时接触到两个电极的话 开关便会将 电路闭合 开启开关 注 意 水银对人体及环境均有 毒害 因此使用水银开关时 请务必小心谨慎 以免破出 在不再使用时 也 应该妥善处理 3 2 摇摇棒原理图 图 1 水银开关剖析图 二级节标题 黑体 13 磅顶左 单倍行距 段前 12 磅 段后 6 磅 序号与题名间空两格 图 2 摇摇棒原理图 图片标注 楷体 12 磅 置于图片下 居中 序号与图片名间空两格 应用物理学专业实验课程设计说明书 5 上图包含两个主要部分 单片机最小系统和 LED 显示部分 3 2 1 单片机最小系统 本装置采用了 AT89S52 单片机 它支持 直接通过串口线下载程序 对于本设计而言 显示文字需经常改变 AT89S52 方便许多 因 此选择 AT89S52 作为本设计所用的单片机 振荡电路采用 12MHz 晶振 每个机器周 期为 1 s ISP 选择为六脚 ISP 下载口 由于摇摇 棒为长条形外观 使用六脚 ISP 下载口可以 更节省空间 3 2 2 LED 显示系统 本装置采用了 16 个 3MM 高亮 LED 其额定工作电压在 3V 左右 因此可串联 一个可承受较大电流的二极管 1N4007 来 进行分压 为设计方便 二极管采用共 阳接法 16 个 LED 分别接在 P0 和 P2 口 上 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 图 3 振荡电路 图 5 LED显示模块 图 4 ISP下载口 应用物理学专业实验课程设计说明书 6 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 3 2 3 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 整套系统以 AT89S52 单片机作为核心控制系统 使用 16 只 LED 灯作为显示 屏 其中 16 只直接与单片机 I O 口相连 当水银开关触发中断 T1 时 单片机 向 16 只 LED 传送数据 依据人体的视觉暂留原理 随着显示棒的摆动前进 输 出数据的列也不会立刻消失而是随着摆动逐渐显示在了形成的扇形区域 3 3 硬件制作 由于制作 PCB 板的成 本太高 我使用了长条形 的洞洞板 手工焊接 跳 线连接 因此做工比较粗 糙 原先使用的是直径 5mm 的红色 LED 感觉太大 了些 远看效果很好但近 应用物理学专业实验课程设计说明书 7 看 时字不够连贯 后改为 3mm 的高亮 LED 效果好了很多 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 尖朝斜上方 45 角 靠水银珠自身重力的作用减少抖动 IC 座里面隐藏元件 既美观又能保护元件 还可以节省空间 图 6 摇摇棒实物图 水银 开关 图 7 水银开关的位置 图 8 单片机最小系统实物图 应用物理学专业实验课程设计说明书 8 第四章 软件设计 4 1 软件设计思路 在摇动 LED 棒的时候单片机必须单程传送数据否则显示的图形会产生重影 影响视觉效果 因此当系统开始工作后通过惯性开关的位置来使单片机实现单 程传送数据给 LED 如果水银开关位于右边 则进入外部中断 1 并将一变量置 1 在变量为 1 期间让单片机以一定的频率将数据传送给 LED 如果水银开关位于 左边 则进入外部中断 0 并将变量置 0 在这期间单片机不会传送数据给 LED 在送数据时 数据送完后应延时一段时间来使摇动时显示的每个字不会太 拥挤 之后再立刻熄灭 LED 并开始重新判断水银开关的位置 4 2 主程序 流程图 通过软件设 计思路 分析 得到该系 统的主 程序流程图如下 应用物理学专业实验课程设计说明书 9 系统开始运行 内部进行初始化后 等待外部中断 当摇动到指定位置时 由水银开关出触发外部中断 再经过一段时间延时后开始显示 显示完成返回 主程序 等待下一个摇动周期的到来 4 3 汉字取模软件 汉字取模软件采用晓奇工作室提供的液晶汉字取模软件 设置方便 简单 实用 图 10 汉字取模软件 应用物理学专业实验课程设计说明书 10 参数设定为 输出格式 从上到下从左到右 C 语言编程 取模方式 纵向 8 点下高位 字库选择 粗宋 16 点阵 4 4 程序编写 本程序由 keil 软件编写 程序如下 程序名称 LED 摇摇棒显示 64 16 像素 编 写 某某某 时 间 2012 01 11 include define KEY P3 0 定义画面切换按键 unsigned char KY unsigned char pic 0 num 0 pic 为按键次数 汉字模数 unsigned char code newyear 新 0 x00 0 x00 0 x44 0 x22 0 x4C 0 x1A 0 x7C 0 x4E 0 xD7 0 xFF 0 xE6 0 x7F 0 x7C 0 x0E 0 x5C 0 x9A 应用物理学专业实验课程设计说明书 11 0 x44 0 x60 0 xFE 0 x3F 0 xFC 0 x1F 0 x46 0 x00 0 xC2 0 xFF 0 xC3 0 xFF 0 x62 0 x00 0 x40 0 x00 年 0 x00 0 x00 0 x20 0 x04 0 x10 0 x04 0 x18 0 x04 0 xEC 0 x07 0 xCF 0 x07 0 x4A 0 x04 0 x48 0 x04 0 xF8 0 xFF 0 xF8 0 xFF 0 x48 0 x04 0 x48 0 x04 0 x68 0 x04 0 x4C 0 x04 0 x08 0 x06 0 x00 0 x04 快 0 x00 0 x00 0 xC0 0 x00 0 x60 0 x00 0 xFF 0 xFF 0 xFE 0 x7F 0 x30 0 x80 0 x60 0 x41 0 x08 0 x71 0 x08 0 x3D 0 xFF 0 x0F 0 xFE 0 x07 0 x08 0 x0D 0 xF8 0 x39 0 xFC 0 x71 0 x08 0 xE1 0 x00 0 x41 乐 0 x00 0 x00 0 x00 0 x40 0 x80 0 x20 0 x80 0 x30 0 xFE 0 x1C 0 xFC 0 x0E 0 x84 0 x24 0 x84 0 x40 0 xFE 0 xFF 0 xF6 0 x7F 0 x82 0 x00 0 x83 0 x02 0 xC2 0 x0C 0 x80 0 x18 0 x00 0 x70 0 x00 0 x20 unsigned char code school 太 0 x00 0 x00 0 x00 0 x80 0 x20 0 x40 0 x20 0 x60 0 x20 0 x30 0 x20 0 x1C 0 x20 0 x0F 0 xFF 0 x1B 0 xFE 0 x70 0 xA0 0 x23 0 x20 0 x0E 0 x20 0 x38 0 x20 0 x70 0 x30 0 x60 0 x20 0 xC0 0 x00 0 x40 原 0 x00 0 x00 0 x00 0 x80 0 x00 0 x70 0 xFF 0 x3F 0 xFE 0 x4F 0 x02 0 x20 0 xFA 0 x33 0 xF2 0 x5D 0 x5A 0 x49 0 x5E 0 xFF 0 x56 0 x7F 0 x52 0 x05 应用物理学专业实验课程设计说明书 12 0 xF2 0 x0B 0 xFA 0 x19 0 x13 0 x70 0 x02 0 x20 理 0 x00 0 x00 0 x44 0 x10 0 x44 0 x30 0 xFC 0 x1F 0 xFC 0 x1F 0 x46 0 x08 0 x44 0 x48 0 xFF 0 x45 0 xFE 0 x44 0 x92 0 x44 0 xFE 0 x7F 0 xFE 0 x7F 0 x92 0 x44 0 xFE 0 x45 0 xFF 0 x64 0 x02 0 x40 工 0 x00 0 x00 0 x00 0 x40 0 x04 0 x40 0 x04 0 x40 0 x04 0 x40 0 x04 0 x40 0 x04 0 x40 0 xFC 0 x7F 0 xFC 0 x7F 0 x04 0 x40 0 x04 0 x40 0 x04 0 x40 0 x06 0 x40 0 x04 0 x60 0 x00 0 x40 0 x00 0 x00 n us 延时子程序 void delay us unsigned int n while n 显示子程序 void display1 void unsigned char i delay us 5000 延时时间不定 试着调整使得显示内容居中即可 for i 0 i 64 i P0 name i 2 P2 name i 2 1 delay us 1000 应用物理学专业实验课程设计说明书 13 void display2 void unsigned char i delay us 5000 延时时间不定 试着调整使得显示内容居中即可 for i 0 i 64 i P0 newyear i 2 P2 newyear i 2 1 delay us 1000 void display3 void unsigned char i delay us 5000 延时时间不定 试着调整使得显示内容居中即可 for i 0 i 2 pic 0 END 应用物理学专业实验课程设计说明书 16 第五章 总结 应用物理学专业实验课程设计说明书 17 参考文献 1 张俊谟 单片机中级教程 北京航空航天大学出版社 2006 10 2 赵建领 单片机开发宝典 电子工业出版社 2007 4 3 谭浩强 C 程序设计 清华大学出版社 2009 7 4 电子线路基础轻松入门 人民邮电出版社 2010 6 5 杜洋 制作 SHOOK16 摇摇棒 无线电杂志 2010 1