【導(dǎo)讀】LED搖搖棒利用人眼的視覺(jué)暫留特性，通過(guò)刷新LED發(fā)光二極管，當(dāng)進(jìn)行搖動(dòng)時(shí)，會(huì)在搖動(dòng)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生圖像。本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單有趣的LED搖搖棒，基于單片機(jī)控制，具有按鍵進(jìn)行畫(huà)面切換和消除重影等功能，來(lái)看看這款LED搖搖棒是怎么設(shè)計(jì)的吧！
搖搖棒本為開(kāi)發(fā)套件，全部采用直插的器件。顯示的LED采用了5mm超高亮30度聚光發(fā)光二極管，共 32只。控制芯片采用宏晶單片機(jī)STC11F03E，其內(nèi)部有3K的程序存儲(chǔ)空間，256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，另外其內(nèi)部還有2K的EEPROM空間。設(shè)計(jì)可以通過(guò)串口，把下載的畫(huà)面數(shù)據(jù)到內(nèi)部的EEPROM，掉電后，也不會(huì)丟失。
本文通過(guò)研究利用事先編好程序來(lái)控制16個(gè)LED發(fā)光二極管，并配合左右手的搖晃來(lái)顯示字符和簡(jiǎn)易圖形的電子裝置（簡(jiǎn)稱為“搖搖棒”），設(shè)計(jì)并制作一個(gè)依靠搖動(dòng)能顯示字符、圖形的LED 顯示棒。此裝置利用AT89C51單片機(jī)對(duì)發(fā)光二極管陣列進(jìn)行控制。用滾珠開(kāi)關(guān)檢測(cè)當(dāng)前搖動(dòng)狀態(tài)，單片機(jī)控制16個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行不同頻率的亮滅刷新，只要搖動(dòng)就可以顯示輸出文字及圖案等信息，從而達(dá)到在該視覺(jué)平面上傳達(dá)信息的作用。
1 LED搖搖棒硬件系統(tǒng)的組成
本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單有趣的LED搖搖棒，它是基于單片機(jī)控制的電子裝置。具有按鍵進(jìn)行畫(huà)面切換和消除重影等功能，能使畫(huà)面清晰顯示出來(lái)。它主要由單片機(jī)控制部分，LED驅(qū)動(dòng)部分，LED顯示部分組成，其硬件組成框圖如圖1 所示。
1.1 LED搖搖棒按鍵模塊
本設(shè)計(jì)中通過(guò)一個(gè)畫(huà)面切換開(kāi)關(guān)對(duì)顯示的內(nèi)容進(jìn)行切換。在設(shè)計(jì)中通過(guò)滾珠開(kāi)關(guān)來(lái)控制搖搖棒只能向一邊搖動(dòng)時(shí)顯示信息，否則會(huì)出現(xiàn)鏡像字或鏡像畫(huà)面，也就是重影的現(xiàn)象。可選的搖動(dòng)控制開(kāi)關(guān)有水銀開(kāi)關(guān)和滾珠開(kāi)關(guān)兩種。水銀開(kāi)關(guān)穩(wěn)定性較高，但安全性較差。滾珠開(kāi)關(guān)雖然穩(wěn)定性稍差，但不容易被打破，安全度很高。考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，故選用滾珠開(kāi)關(guān)作為系統(tǒng)的搖動(dòng)控制，由滾珠開(kāi)關(guān)帶來(lái)的不穩(wěn)定性可以通過(guò)軟件進(jìn)行彌補(bǔ)。手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)的功能是控制系統(tǒng)的啟停。
1.2 LED搖搖棒控制部分
單片機(jī)最小系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它主要負(fù)責(zé)控制二極管的亮滅及顯示狀態(tài)。通過(guò)單片機(jī)的軟件編程及外部中斷，來(lái)控制搖搖棒的顯示效果。
1.3 LED 顯示模塊
此設(shè)計(jì)中根據(jù)LED點(diǎn)陣的顯示原理來(lái)設(shè)計(jì)顯示部分。點(diǎn)陣的顯示分為行掃描與列掃描兩種，列掃描是將字模數(shù)組通過(guò)點(diǎn)陣屏的行驅(qū)動(dòng)進(jìn)行輸入，然后通過(guò)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。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，在設(shè)計(jì)中使用了16 個(gè)高亮度LED管將它們排成一列，整個(gè)屏在靜止時(shí)也就相當(dāng)于16 行×1 列。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)同樣使用行送數(shù)據(jù)、列掃描。在擺動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)用人眼的視覺(jué)暫留原理，被點(diǎn)亮的列不會(huì)很快的消失，而是隨著擺動(dòng)的方向繼續(xù)向前移動(dòng)，只要移動(dòng)的速度高于視覺(jué)暫留的最短時(shí)間顯示內(nèi)容就不會(huì)熄滅，這樣，一幅圖案也就可以這樣被“擺動(dòng)”出來(lái)了。
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根據(jù)系統(tǒng)分析，具體的硬件電路連如圖2 所示。在具體制作硬件的時(shí)候，將16 個(gè)3mm 高亮度紅色的LED排列成整齊的一列。
在proteus 下仿真調(diào)試的時(shí)候，給定的電源VCC 為5V，實(shí)際使用時(shí)用3 節(jié)干電池串聯(lián)4.5V 即可。
2 LED搖搖棒系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 LED搖搖棒軟件設(shè)計(jì)思想
在搖動(dòng)LED棒的時(shí)候單片機(jī)必須單程傳送數(shù)據(jù)，否則顯示的圖形會(huì)產(chǎn)生重影，影響視覺(jué)效果。因此當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作后通過(guò)滾珠開(kāi)關(guān)的位置來(lái)使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)單程傳送數(shù)據(jù)給LED。如果滾珠開(kāi)關(guān)位于右邊，則進(jìn)入外部中斷1 并將一變量置1，在變量為1期間讓單片機(jī)以一定的頻率將數(shù)據(jù)傳送給LED.如果滾珠開(kāi)關(guān)位于左邊，則進(jìn)入外部中斷0 并將變量置0。在這期間單片機(jī)不會(huì)傳送數(shù)據(jù)給LED.在送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)送完后應(yīng)延時(shí)一段時(shí)間來(lái)使搖動(dòng)時(shí)顯示的每個(gè)字不會(huì)太擁擠，之后再立刻熄滅LED 并開(kāi)始重新判斷滾珠開(kāi)關(guān)的位置。
2.2 LED搖搖棒軟件設(shè)計(jì)流程圖
通過(guò)軟件設(shè)計(jì)思想的分析，得到該系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。
系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，首先初始化整個(gè)系統(tǒng)，然后等待外部中斷。當(dāng)用手搖動(dòng)到指定位置時(shí)，由滾珠開(kāi)關(guān)觸發(fā)外部中斷，系統(tǒng)接收到外部中斷信號(hào)后，就傳送數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后開(kāi)始顯示。顯示完成返回主程序，等待下一個(gè)搖動(dòng)周期的到來(lái)。周而復(fù)始的晃動(dòng)，則會(huì)顯示出相應(yīng)的信息。
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下面將設(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4所示。
圖4：LED搖搖棒組成結(jié)構(gòu)
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(guò)I/O口輸出，使LED燈點(diǎn)亮，利用視覺(jué)暫留原理最終使圖案完整的顯示在擺動(dòng)的顯示屏中。
3.1 LED燈的選擇
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)。
3.2 外部中斷信號(hào)產(chǎn)生方式
通過(guò)外部中斷可以控制數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸?shù)臅r(shí)刻。選擇好外部中斷來(lái)源是本次制作的難點(diǎn)及重點(diǎn)。使用慣性開(kāi)關(guān)。通過(guò)搖晃使得慣性開(kāi)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(lái)觸發(fā)中斷，結(jié)合軟件控制顯示，制作簡(jiǎn)單，使用方便。 3.抗重影方案的選擇：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(kāi)關(guān)產(chǎn)生，觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。慣性開(kāi)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(kāi)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)模苊饬酥赜啊２粨u動(dòng)時(shí)把慣性開(kāi)關(guān)處在左邊就可以使LED棒熄滅，可以達(dá)到省電的效果。
4 結(jié)論
本次將使用單片機(jī)對(duì)搖動(dòng)顯示進(jìn)行實(shí)例化，設(shè)計(jì)一個(gè)LED搖動(dòng)顯示器來(lái)顯示文字、圖像等信息。掌握利用8051型單片機(jī)對(duì)發(fā)光二極管陣列進(jìn)行搖動(dòng)控制的方法。在設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)試，使用外部中斷讓數(shù)據(jù)單程傳輸很好的取消了重影。通過(guò)改變傳送數(shù)據(jù)方式，由一個(gè)字符接一個(gè)字符傳送改為將一組字符一起傳送，傳送結(jié)束后再延時(shí)等，使顯示的內(nèi)容在扇形區(qū)域內(nèi)完整的顯示出來(lái)，同時(shí)也解決了畫(huà)面連續(xù)出現(xiàn)沒(méi)有間斷的問(wèn)題。
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