魔幻摇摇棒原理(基于AT89S52单片机)

魔幻摇摇棒设计原理

原理：

“摇摇棒”是基于人的视觉暂留原理的，通过分时刷新16个发光二极管来显示输出文字或图案等信息的显示装置。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。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。

一、引言

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。

本设计要求制作完成一个LED的显示棒。要求LED灯线状排列，通过摇动时形成的亮灯扇形区域能够分辨出如：“你最棒”、“0K”、爱心之类的汉字或图案且可以使用按键对显示内容进行切换。

二、系统设计方案

1.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，如图1所示：

图1：LED显示棒系统框图

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。

本题的难点在于送数据的时间间隔以及较长画面或文字的完整显示。以下将对各模块的方案进行论证与比较：

2.模块方案的论证与比较

2.1 LED灯的选择

方案一：传统LED发光二极管。颜色多样，在可以同样显示图案的前提下使用它更为经济，但是颜色较为黯淡，不鲜亮。

方案二：高亮LED发光二极管。正如其名，它的亮度比传统二极管要亮，而且同样也有很多颜色，但是高亮LED的工作电流也要大于传统二极管。

为了使显示的图案清晰、明了，我们选择方案二，经过比较，使用红色的

LED使得显示画面更为明显、突出，使用两片CR2032纽扣电池为其供电，提供足够的电流。

2.2 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。

方案一：使用水银开关。通过摇晃使得水银开关与焊接的左右两个触点接触，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。

方案二：使用光遮断器。在棒上装一个可以摆动的用来遮挡光遮断器光线的细杆，细杆每左右摆动一次这个杆就会通过一次光遮断器，发生电平变化。同样通过这种电平变化，结合软件控制显示。

本次设计中产生的中断是为了实现数据的单程传输。如果使用光遮断器，其触发单片机的时刻处于正中间，不能解决画面因为返回与原来图片重叠的现象。而使用水银开关，因为在左右都有触点，所以很容易的在往返途中产生两次中断，方便指令控制，所以选择使用方案一。

2.3 抗重影方案的选择

方案一：使用外部中断控制数据传输时刻。外部中断信号由惯性开关产生，触发方式为下降沿触发。水银开关左右两边的触点分别与单片机两个外部中断接口相连，默认为高电平，摇动的摆杆接地。水银开关处于不同位置进入不同的中断，从而决定何时送数据。该方案简单易行，可以保证数据是单程传输的，避免了重影。

方案二：使用定时器与外部中断。当我们在摆动手臂的时候，短时间内摆动位置和左右幅度不会有太大变化，利用我们手臂的这个运动规律，只要能得到棒从一侧摆动到另一侧的时间，然后把这个时间分成N份，在每一份的时间里显示不同的花样就能实现图形的显示。设计中摇动的摆子与左右两个触点接触各一次的时间可以通过外部中断和定时器计算出来，然后用单片机的另一个定时器T1，其定时时间是T0 的N 分之一，每次中断依次显示一列，就可以得到预期显示的图案了。该方法可以控制摇动频率低的时候不显示图形。但程序的稳定性不高，图形之间的间隔不易确定，只要电源开关开着LED始终是点亮的。

本次设计要求显示的字符长度较短，使用方案一中的外部中断方法只要控制好延时就可以达到完整显示图案的目的，而且方案一中只使用了外部中断，它所占用的内存比方案二中既使用外部中断又使用两个定时器所占用的单片机资源要少，所以选择使用方案一。

三、系统硬件设计

1.总体设计

2.单元电路设计

2.1 按键模块

使用一个按键对显示的所有内容进行切换，通过按钮按下的次数确定显示的内容。

2.2 LED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。

2.3 单片机最小系统的设计

由于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。它的最小系统包括晶体振荡电路、复位开关和电源部分。图3为AT89S52单片机的最小系统。

图3 AT89S52单片机最小系统

四、系统软件设计

1．软件设计思路

在摇动LED 棒的时候单片机必须单程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送数据给LED。如果惯性开关位于右边，则进入外部中断T1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送给LED。如果惯性开关位于左边，则进入外部中断T0并将变量置0，在这期间单片机不会送数据给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并开始重新判断惯性开关的位置（整体流程图见图4）。

2．系统流程图

图4.系统流程图

3．软件实现功能的完善

本次设计的一个难点是去除重影，我们的解决方法是使用外部中断让数据单程传输。

第二个难点是当显示如“Welcome”这类较长字符时不能完整的显示在一次摇摆的扇形区域内。通过反复试验，我们改变了送数据方式：由一个字符接一个字符传送改为一组字符一起传送，传送结束后再延时，通过不断调试实现了完整显示的功能，同时也解决了画面连续出现没有间断的问题。

综上，只要控制好数据传输方式以及每次传输数据间的延时就可以实现多

种数据的显示方法。

结论、

通过两天的时间完成了摇摇棒的设计，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。

设计具有市场前景，可满足各种大型演出、集会、游行等宣传需要，为人们的生活提供便利，通过这次课程设计，使我学会了编写程序，焊接电路板，增强了我的动手能力，为以后打下了坚实的基础！

附录：

附录1电路图