基于單片機(jī)的LED 搖搖棒的研究

魏雅

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，高科技產(chǎn)品以其簡(jiǎn)潔化、便攜等，給人們帶來(lái)了很大的方便。而“搖搖棒”以其更加簡(jiǎn)捷與新穎的信息傳遞方式給人們帶來(lái)耳目一新的感受，也必將會(huì)給人們帶來(lái)一種新的方便的文化傳遞方式，常用在晚會(huì)及大型的娛樂(lè)節(jié)目場(chǎng)合。

本文通過(guò)研究和設(shè)計(jì)一個(gè)利用事先編好程序來(lái)控制16個(gè)LED[1]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”），來(lái)傳遞有趣的信息。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，則只要搖動(dòng)就可以可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 硬件系統(tǒng)的組成

本設(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 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 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[2]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。

圖1 硬件框圖

圖2 硬件連接圖

圖3 主程序流程圖

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 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 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)[3]，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 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。

3 結(jié)論

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。所以得出，只要控制好數(shù)據(jù)傳輸方式以及每次傳輸數(shù)據(jù)間的延時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的顯示方法。整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，趣味性好。經(jīng)過(guò)繼續(xù)研究可以應(yīng)用到LED廣告等行業(yè)中。

[1]LED 發(fā)光二極管.百度百科.

[2]董少明.微控制器開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)出版社.

[3]樊梅香、崔琳.單片機(jī)控制LED 顯示屏動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技2011第28卷第5期：306～308