搖搖棒的設計製作及調試
1、前言
人眼在觀察景物時，光信號傳入大腦神經，需經過一段短暫的時間，光的作用結束後，視覺形象並不立即消失，這種殘留的視覺稱“後像”，視覺的這一現象則被稱爲“視覺暫留”。搖搖棒就是基於人的視覺暫留原理的，通過分時刷新16個發光二極管來顯示輸出文字或圖案等信息的顯示裝置。 本次設計要求製作完成一個LED燈顯示的搖搖棒，16個LED燈一字縱向排列，通過搖動時形成的亮燈扇形區域來顯示預先設定的漢字或圖案，且可以用 按鍵對所顯示內容進行切換。
本次搖搖棒的設計作爲生產實習的一部分，綜合了模擬電子技術基礎和數字電子技術等學科的知識，溫固並進一步學習了protel軟件的用法，初步瞭解以單片機爲核心的電子系統體系，對將要學習的單片機技術有了初步的認識。
2、實習目的
1． 非常重要的實踐教學環節
2．培養理論知識與生產實際相結合的能力
3．瞭解單片技術
4．鍛鍊實際動手能力，掌握電子線路焊接、裝配的基本技能
5．瞭解並掌握本專業軟硬件設計的一些基本問題
3、實習時間，及進程安排
8月22日~ 8月23日：理論學習及講座階段
上午講座
下午及課外時間進行資料收集、查找及學習
8月24日：發放元器件，進行焊接準備
8月25日~8月26日：硬件焊接及組裝，及硬件調試
8月27日~9月2日：參考硬件電路繪製原理圖及PCB繪製，參照例程學習軟件程序設計
9月2日~9月9日：總結報告及驗收、答辯
4、實驗地點
西安工業大學電子實驗室
5、實習單位、部門、地點
實習單位 西安工業大學北方信息工程學院
實習部門 電子信息系
實習地點 電子實驗室
6、實習內容
6.1 關鍵技術介紹
本次所設計系統主要由中央控制部分、驅動部分、顯示部分、電源部分以及按鍵和開關等組成，原理框圖如下圖所示
6.1.1 視覺暫留原理 人眼在觀察景物時，光信號傳入大腦神經，需經過一段短暫的時間，光的作用結束後，視覺形象並不立即消失，這種殘留的視覺稱“後像”，視覺的這一現象則被稱爲“視覺暫留”。
是光對視網膜所產生的視覺在光停止作用後，仍保留一段時間的現象，其具體應用是電影的拍攝和放映。原因是由視神經的反應速度造成的.其時
值是二十四分之一秒。是動畫、電影等視覺媒體形成和傳播的根據。視覺實際上是靠眼睛的晶狀體成像，感光細胞感光，並且將光信號轉換爲神經電流，傳回大腦引起人體視覺。感光細胞的感光是靠一些感光色素，感光色素的形成是需要一定時間的`，這就形成了視覺暫停的機理。
6.1.2 89C51單片機介紹
89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反覆擦除100次。該器件採用ATMEL高密度非易失存儲器製造技術製造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由於將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機爲很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 89C51主要特性：
與MCS-51 兼容
4K字節可編程閃爍存儲器
壽命：1000寫/擦循環
數據保留時間：10年
全靜態工作：0Hz-24MHz
三級程序存儲器鎖定
128*8位內部RAM
32可編程I/O線
兩個16位定時器/計數器
5箇中斷源
可編程串行通道
低功耗的閒置和掉電模式
片內振盪器和時鐘電路
6.1.3 點陣字體介紹
點陣字體也叫位圖字體，其中每個字形都以一組二維像素信息表示。這種文字顯示方式於較早前的電腦系統被普遍採用。一般我們使用點陣顯示漢字是用16*16的點陣宋體字庫，所謂16*16就是每一個漢字在縱、橫各16點的區域顯示，然後用每個點的虛實來表示字符的輪廓。
6.1.4 LED發光二極管
發光二極管簡稱爲LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物製成的二極管，當電子與空穴複合時能輻射出可見光，因而可以用來製成發光二極管。在電路及儀器中作爲指示燈，或者組成文字或數字顯示。它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能；常簡寫爲LED。發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發光二極管加上正向電壓後，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴複合，產生自發輻射的熒光。發光二極管的特點是：工作電壓很低；工作電流很小；抗衝擊和抗震性能好，發光均勻穩定、響應速度快，可靠性高，壽命長。發光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯限流電阻以控制通過管子的電流。
6.1.5 PCB板
印製電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，簡稱印製板，英文簡稱PCB或PWB，以絕緣板爲基材，切成一定尺寸，其上至少附有一個導電圖形，並布有孔（如元件孔、緊固孔、金屬化孔等），用來代替以往裝置電子元器件的底盤，並實現電子元器件之間的相互連接。由於這種板是採用電子印刷術製作的，故被稱爲“印刷”電路板。習慣稱“印製線路板”爲“印製電路”是不確切的，因爲在印製板上並沒有“印製元件”而僅有佈線。採用印製板的德可以減少了佈線和裝配的差錯，節省了設備的維修、調試和檢查時間有利於設計上的標準化，利於互換，並且佈線密度高、體積小、重量輕，利於電子設備的小型化，此外也有利於機械化、自動化生產，提高了勞動生產率並降低了電子設備的造價。
6.2 電路原理
6.3 功能原理
6.3.1顯示部分
每個漢字的顯示需要16*16點陣，所以本次所設計系統顯示部分由16個燈組成，由於人的視覺暫留，16個燈在搖動下形成一個類似於扇形的點陣，通過中央控制器的控制，16個燈分時亮滅，可以在此扇形點陣上顯示設定的內容。16個燈分時亮滅閃動頻率較高，而發光二極管具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發光均勻穩定、響應速度快、壽命長等優點，可用各種直流、交流、脈衝等電源驅動點亮等優點，所以可選用發光二極管作爲顯示燈。發光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時串聯了1K的貼片電阻以控制通過管子的電流。其中LED1-LED16爲組成點陣的燈，LED17爲背景燈。
6.3.2中央控制器
本系統使用89C51作爲控制器。89C51具有三級程序存儲器鎖定功能，擁有128*8位內部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數器、5箇中斷源以及可編程串行通道，完全可以滿足本次設計的需要。在本設計中89C51採用外部驅動；使用INT1作爲復位中斷控制端；使用中斷INT0 和水銀開關控制程序開始運行時棒的搖動方向，以防止重影；以P0 、P2和P1.2等17個I/O接口作爲輸出端口分別連接一個LED燈，再結合軟件的運行就可以通過控制LED燈的亮滅來顯示文字和圖案。
6.3.3驅動部分
單片機的時鐘由一個12MHz的晶振和兩個30pF的電容組成。單片機內各部件之間有條不紊協調工作，其控制信號是在基本節拍的指揮下按一定時間順序發出的，這些控制信號在時間上的相互關係就是CPU時序，而產生這種基本節拍的電路就是振盪器和時鐘電路。此振盪器由XTAL1 端向內部時鐘電路提供12MHz 的時鐘源信號。
6.3.4電源部分
電路原理圖如下圖所示，系統電源D5V爲5-6V，由兩節CR2032的鈕釦電池串聯組成。此外在電路輸入輸出端並聯了一個10uF的電容，可改善系統瞬態響應和穩定性。K4爲系統的總電源開關。
6.3.5復位按鍵
電路中的開關K2爲復位按鍵開關，控制處理器89C51的RST端的高低電平，從而實現系統的復位。當按下該鍵後，系統將強行從初始狀態開始運行
6.3.6切換按鍵
電路中的開關K1 爲顯示內容切換按鍵，此按鍵控制89C51的INT1 端的高低電平，從而實現系統可以不同的顯示內容檢切換。
6.3.7水銀開關
棒在搖動時，只能朝某一個方向搖動時顯示，否則會出現重影，所以通過接一個水銀開關來控制。水銀開關一端連接89C51的INT0中斷和電源，一端接地，通過搖晃使得水銀開關兩引腳短接或斷開，當水銀使兩腳連接時，INT0端輸入底電平，反之INT0端輸入高電平。以此控制使搖搖棒從左向右搖動時將內容顯示出來。
6.3.8擴展接口
系統的擴展接口有三個：J1用於和顯示及水銀開關擴展板進行連接；J6用於串口的擴展，同時可以利用該串口進行ISP程序下載，該接口爲5V的電平，如需和計算機連接需要外接電平轉換模塊；J7爲擴展接口，本次設計中有很多89C51的端口端口沒有使用，通過J7接口擴展了出來。這三個擴展接口將單片機的資源全部引出，因此搖搖棒的核心板可以單獨作爲一個單片機的開發板使用。
6.4 PCB板的安裝和調試
1．檢查元器件數量與質量，並將元器件歸類
2．對元器件的引腳進行整形以方便焊接時使用。
3．對烙鐵鍍錫，並清潔焊接部位。
4．焊接。焊接的順序是先低後高、先笑後大、先輕後重、先易後難、先一般元件後特殊元件，且上道工序安裝後不影響下道工序。
5．檢查焊接質量，對不符合要求的進行修整。
6．剪去多餘的引腳。
7．下載程序進行調試。
6.5安裝和調試過程中出現的問題
1．下載程序後LED14燈不亮，經檢查是因爲與其連接的貼片電阻R24不導電，更換電阻R24後正常。
2．雙排針J1引腳密集，引腳間距離較小不方便焊接，致使焊接時部分引腳虛焊，爲防止搖動時引腳鬆動，對其進行了加錫。
7、實結
這次的生產實習讓我對學習和生產有了更深刻的認識，雖然沒有和去富-士-康的同學一樣進入工廠實習，但是在學校實驗室的設計和實踐依然讓我受益匪淺，收穫頗豐。
在這次生產實習中，我們進行了搖搖棒的設計和製作。搖搖棒是一種顯示圖像的設備，由單片機控制一排LED燈有規律的亮滅，再通過搖動使之在空中呈現一幅時間的畫面。看似簡單的一個課題，但在實際設計設計中就會發現不那麼容易，它實際上綜合了以前所學過的多門課程，並且還要利用到單片機。
看似簡單的課題，在設計中發現很多細節都不容易解決，比如搖搖棒需要解決的抗重影能力，即是解決字總是從左往右顯示而不會發生重疊的問題，我們沒有成本較高的傳感器，只能另尋它徑，着實很費腦筋，後來知道老師提出可以使用水銀開關才令我們豁然開朗。由此也可以看出只學好課本的理論知識是不行的，還要能把理論知識運用到實踐中來。此外，還要關注實際生產，課本中只注重原理而並不太注重產品的型號和實際構造，這需要我們在實踐中去認識，才能做到理論和實踐的結合。
生產實習培養了我綜合運用所學知識，發現、提出、分析和解決實際問題的能力，是鍛鍊實踐能力的重要環節，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。通過綜合實習我們能夠比較系統地瞭解理論知識，把理論和實踐相結合，並且應用到生活中。
在這次設計中我也遇到了各種錯誤和困難，但是成功就是建立在不斷失敗的基礎上的。在思考解決一次次失敗的過程中，收穫的是經驗，無形中提高了我們的動手動腦能力。把一個課題設計好不是一步到位的，它是一個反覆修改，不斷調適的過程，其間有困難也有樂趣，使人對工程實踐有了一個初步的認識。在設計中的經驗教訓也讓我認識到了所學知識的侷限，加深了我對電子電路知識的瞭解。
