【正文】 1 LED 顯示棒 摘要 ：本設(shè)計(jì)以 AT89S52 單片機(jī)為中央控制器，利用視覺暫留效果和單片機(jī)外部中斷技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)了 在搖動(dòng)過程中 形成的扇形平面內(nèi)清晰顯示文字、字母、圖案 的 LED 顯示棒 的制作 。整套系統(tǒng)由中央控制模塊、 LED 顯示模塊、供電模塊等部分組成。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求顯示的全部?jī)?nèi)容，并且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖案的顯示。 關(guān)鍵字 ： LED 視覺暫留 圖案 2 1 引言 LED 顯示棒，又稱搖搖棒，是一種利用視覺暫留效應(yīng)制作的“高科技”玩具?？梢杂谩办o如處子，動(dòng)如脫兔”來形容它，即當(dāng)靜止時(shí) ，它只是幾個(gè) LED 發(fā)光二極 管 （后簡(jiǎn)稱 LED） ， 而一旦 按照一定的頻率去搖晃它，它 就會(huì)隨著位置的變化而變化（亮或滅），最終顯示 一幅圖片或字符串。 本設(shè)計(jì) 要求 制作完成一個(gè) LED 的顯示棒。要求 LED 燈線狀排列，通過 搖動(dòng)時(shí)形成的亮燈扇形區(qū)域能夠分辨出如：“電”、“ A”、五環(huán)之類的漢字或圖案且可以使 用按鍵對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行切換。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路 本系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)一個(gè) LED 顯示棒，且需要有按鍵進(jìn)行內(nèi)容切換，它主要是由中央控制部分、 LED 驅(qū)動(dòng)部分、 LED 顯示部分以及電源部分組成，如圖 1 所示： 圖 1： LED 顯示棒系統(tǒng)框圖 單片 機(jī)將提取的字模進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)接收到按鍵輸入的指令時(shí)單片機(jī)就將相應(yīng)的字模代碼通過 I/O 口輸出，使 LED 點(diǎn)亮，利用視覺暫留原理最終使圖案完整的顯示在擺動(dòng)的顯示屏中。 本題的難點(diǎn)在于送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔以及較長(zhǎng)畫面或文字的完整顯示。以下將對(duì)各模塊的方案進(jìn)行論證與比較： 模塊方案的論證與比較 LED 燈的選擇 方案一：傳統(tǒng) LED 發(fā)光二極管。顏色多樣，在可以同樣顯示圖案的前提下使用它更為經(jīng)濟(jì)，但是顏色較為黯淡，不鮮亮。 方案二：高亮 LED 發(fā)光二極管。正如其名，它的亮度比傳統(tǒng)二極管要亮，而且同樣也有很多顏 色，但是高亮 LED 的工作電流也要大于傳統(tǒng)二極管。 為了使顯示的圖案清晰、明了，我們選擇方案二，經(jīng)過比較，使用藍(lán)色的LED 使得 顯示 畫面更為明顯、突出，使用 3 節(jié) 電池為其供電，提供足夠的 3 電流。 外部中斷信號(hào)產(chǎn)生方式 通過 外部中斷可以控制數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)臅r(shí)刻。選擇好外部中斷 來源 是本次制作的難點(diǎn)及重點(diǎn)。 方案一：使用慣性開關(guān)。通過搖晃使得慣性開關(guān)的擺桿與焊接的左右兩個(gè)觸點(diǎn)接觸，利用這種接觸產(chǎn)生的電平變化來觸發(fā)中斷，結(jié)合軟件控制顯示，制作簡(jiǎn)單，使用方便。 方案二：使用光遮斷器。在棒上裝一個(gè)可以擺動(dòng)的用 來遮擋光遮斷器光線的細(xì)桿，細(xì)桿每左右擺動(dòng)一次這個(gè)桿就會(huì)通過一次光遮斷器，發(fā)生電平變化。同樣通過這種電平變化，結(jié)合軟件控制顯示。 本次設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的中斷是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單程傳輸。如果使用光遮斷器， 其觸發(fā)單片機(jī)的時(shí)刻處于正中間 ，不能解決畫面因?yàn)榉祷嘏c原來圖片重疊的現(xiàn)象。而使用慣性開關(guān)，因?yàn)樵谧笥叶加杏|點(diǎn)，所以很容易的在往返途中產(chǎn)生兩次中斷，方便指令控制，所以選擇使用方案一。 抗重影方案的選擇 方案一：使用外部中斷控制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)刻。外部中斷信號(hào)由慣性開關(guān)產(chǎn)生，觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。慣性開關(guān)左右兩邊的觸 點(diǎn)分別與單片機(jī)兩個(gè)外部中斷接口相連，默認(rèn)為高電平，搖動(dòng)的擺桿接地。慣性開關(guān)處于不同位置進(jìn)入不同的中斷，從而決定何時(shí)送數(shù)據(jù)。該方案簡(jiǎn)單易行，可以保證數(shù)據(jù)是單程傳輸?shù)模苊饬酥赜?。不搖動(dòng)時(shí)把慣性開關(guān)處在左邊就可以使 LED 棒熄滅，可以達(dá)到省電的效果。 方案二：使用定時(shí)器與外部中斷。 當(dāng)我們?cè)跀[動(dòng)手臂的時(shí)候，短時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)位置和左右幅度不會(huì)有太大變化，利用我們手臂的這個(gè)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只要能得到棒從一側(cè)擺動(dòng)到另一側(cè)的時(shí)間，然后把這個(gè)時(shí)間分成 N份，在每一份的時(shí)間里顯示不同的花樣就能實(shí)現(xiàn)圖形的顯示。設(shè)計(jì)中搖動(dòng)的擺子與左右兩個(gè)觸 點(diǎn)接觸各一次的時(shí)間可以通過外部中斷和定時(shí)器計(jì)算出來，然后用 單片機(jī)的 另一個(gè)定時(shí)器 T1，其定時(shí)時(shí)間是 T0 的 N 分之一，每次中斷依次顯示一列，就可以得到預(yù)期顯示的圖案了。該方法可以控制搖動(dòng)頻率低的時(shí)候不顯示圖形。但程序的穩(wěn)定性不高，圖形之間的間隔不易確定，只要電源開關(guān)開著 LED始終是點(diǎn)亮的 。 本次設(shè)計(jì)要求顯示的字符長(zhǎng)度較短， 使用 方案一 中的外部中斷方法 只要控制好延時(shí)就可以達(dá)到完整顯示圖案的 目的， 而且 方案一中只使用了外部中斷，它所占用的內(nèi)存比方案二中既使用外部中斷又使用兩個(gè)定時(shí)器所 占用 的 單片機(jī)資源要少 ，所 以選擇使用方案一。 關(guān)于創(chuàng)新部分的討論 本設(shè)計(jì)的最大特色就是可以使單列的 LED 組合 燈通過一定頻率的 搖動(dòng) 在擺動(dòng) 的扇形區(qū)域 內(nèi)呈現(xiàn)出特定的字符或圖形。 在題目 要求 的基礎(chǔ)上 ，我們決定從硬件和軟件兩部分對(duì)此搖動(dòng)棒進(jìn)行 特別 改造，比如美化外形，實(shí)現(xiàn)畫面的動(dòng)態(tài)顯示等。 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 4 經(jīng)過分析論證，我們決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案，流程圖如下： 圖 2： LED 顯示棒系統(tǒng)原理框圖 整套系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，使用 32 只 LED 燈作為顯示屏，其中前 24 只直接與單片機(jī) I/O 口相連 ，后 8 只由一個(gè) 74HC595 控制。當(dāng)慣性開關(guān)觸發(fā)中斷 T1 時(shí)，單片機(jī)向 32 只 LED 傳送數(shù)據(jù)，依據(jù)人體的視覺暫留原理，隨著顯示棒的擺動(dòng)前進(jìn)，輸出數(shù)據(jù)的列也不會(huì)立刻消失而是隨著擺動(dòng)逐漸顯示在了形成的 扇形區(qū)域 。（整體電路圖見附錄圖 1） 單元電路設(shè)計(jì) 按鍵模塊 使用一個(gè)按鍵對(duì)顯示的所有內(nèi)容進(jìn)行切換，通過按鈕按下的次數(shù)確定顯示的內(nèi)容。 LED 顯示模塊 首先，我們根據(jù) LED 點(diǎn)陣屏的顯示原理：點(diǎn)陣屏的顯示分為行掃描與列掃描兩種，列掃描是將我們的字模數(shù)組通過點(diǎn)陣屏的行驅(qū)動(dòng)進(jìn)行輸入，然后通過列對(duì)每一行進(jìn)行掃描，當(dāng)列 為低（高）電平、 行 為高（低）電平 時(shí)則表示該點(diǎn)為圖案的一部分，將其讀出、顯示。它的順序可以總結(jié)為：行不斷的送數(shù)據(jù)，每送完設(shè)置的信息后列進(jìn)行讀取，然后行再次送數(shù)據(jù)，列再次讀取??依次循環(huán)下去，一幅完整的圖案就顯示在了顯示屏上。 而本次設(shè)計(jì)的 LED 顯示棒數(shù)據(jù)傳輸原理與 LED 點(diǎn)陣屏 相似。可以把 LED顯示棒看成是 LED 點(diǎn)陣屏中的一列。為了使顯示的 圖案清晰 ，我們使用了 32個(gè) LED 管將它們排成一列，整個(gè)屏在靜止時(shí)也就相當(dāng)于 32 行 1 列。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)我們同樣使用行送數(shù)據(jù)、列掃描。在擺動(dòng)