標題: 基于單片機的搖搖棒硬件電路設計 [打印本頁]
作者: Prara 時間: 2020-10-22 21:09
標題: 基于單片機的搖搖棒硬件電路設計
搖搖棒硬件電路制作出來的實物圖如下：
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2020-10-23 23:12 上傳
振動開關：選用滾珠彈式開關，型號為SW-28020P。開關在靜止時為開路OFF狀態， 當受到外力碰觸而達到相應震動力時,或移動速度達到適當離(偏)心力時，導電接腳會產生瞬間導通呈瞬間ON狀態;當外力消失時,開關恢復為開路OFF狀態。適用于小電流控制的觸發。本項目也可用水銀開關。因為重力的關系，水銀水珠會向容器中較低的地方流去，如果同時接觸到兩個電極的話，開關便會將電路閉合，開啟開關。但水銀開關易被損壞，水銀對人體及環境均有毒害，因此使用水銀開關時，需小心謹慎，本項目用滾珠彈式開關更為合適。
3、發光二極管：選用3mm紅色LED。普通發光二極管的正向飽和壓降為1.6Ｖ～2.1Ｖ, 正向工作電流為5～20mA 。3mm紅光LED最大耗散電流0.05W；最大工作電流20mA；最大正向電壓2V；最小反向電壓5V；最大反向電流50uA；波長為650nm。
4、兩腳自鎖開關 六腳自鎖開關
5、晶振 11.0592M
6、10K排阻
7、直插電阻
8、鋁電解電容 瓷片電容
三、系統功能分析
整套系統以52單片機為核心控制系統，使用LED燈作為顯示屏，燈直接與單片機I/O口相連，當慣性開關觸發中斷T1時，單片機向16只LED傳送數據，依據人的視覺暫留原理，隨著顯示棒的擺動前進，輸出數據的列也不會立刻消失而是隨著擺動逐漸顯示在形成的扇形區域， LED發光管作為畫面每一列的顯示，左右搖晃起到了掃描的作用，人眼的視覺暫留現象看到的是一幅完整的畫面。與LED點陣的顯示有幾分相似。
圖3-1搖搖棒系統框圖
本項目通過研究利用事先編好程序來控制16個LED發光二極管，并配合左右手的搖晃來顯示字符和簡易圖形的電子裝置，設計并制作一個依靠搖動能顯示字符、圖形的 LED 顯示棒。此裝置利用STC89C52單片機對發光二極管陣列進行控制。用滾珠開關檢測當前搖動狀態，單片機控制16個發光二極管進行不同頻率的亮滅刷新，則只要搖動就可以可顯示輸出文字及圖案等信息，從而達到在該視覺平面上傳達信息的作用。
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四、硬件及測試
（一）搖搖棒原理圖
圖4-1 搖搖棒原理圖
STC89C52單片機作為控制器控制著整個電路。在它的P0、P2口接有16只高亮度LED，通過編寫單片機代碼，能夠自由的控制LED的亮滅。六腳按鍵開關，電池和一個led指示燈構成電源，單排針RXD、TXD連接單片機進行程序的下載工作；為確保單片機系統中電路穩定可靠工作，兩腳按鍵開關，鋁電解電容和電阻構成復位電路，利用電解電容電壓不能突變的特性，對電路起到保護作用。單片機的時鐘由晶振和電容組成。XTAL1向內部時鐘電路提供時鐘源信號，保證單片機內各部件之間有條不紊協調工作。兩腳按鍵開關和一個電阻構成畫面切換電路，按鍵控制單片機RO端的高低電平，從而實現系統可以不同顯示內容的切換。振動開關和電阻構成一個振動通斷電路，通過搖晃控制單片機INTO端的高低電平，以此控制使搖搖棒從左向右搖動時將內容顯示出來。
1.電源程序及下載模塊
圖4-2 電源及程序下載電路
該模塊分為由單排針構成的程序下載部分和電池盒供電的電源電路，程序下載部分2、3管腳分別連接單片機的RXD、TXD管腳，作為下載程序的輸入輸出端口，電池供電通過六腳自鎖按鍵開關來控制通斷，通過指示燈判斷電源供電是否正常。
焊接P1、S1、R1、D1。
使用下載器CH340，用杜邦線將CH340連接在電腦主機USB和P1之間，測量VCC5的電位，按下六腳自鎖開關，觀察燈是否點亮。測試CH340之后，斷開CH340。焊接電池盒引線，裝上電池，測量兩引線間電壓、VCC5電位，按下六腳自鎖開關，觀察燈是否點亮。
測試結果：使用下載器CH340，連接電腦主機USB和P1之間，測得VCC5=5.042V，按下六腳自鎖開關，燈亮。斷開CH340，裝上電池，測得兩引線電壓V=4.848v，VCC5=4.848v，按下六腳自鎖開關，燈亮。
2.單片機最小系統
1）單片機
圖4-3 單片機
STC89C52RC單片機40引腳供電，20引腳接地，21-28引腳和32-39引腳I/O來控制led通斷，9引腳接復位電路實現復位功能，10、11引腳是單片機下載輸入輸出端口，12引腳為振動信號輸入端口，17引腳為畫面切換信號輸入端口，18、19引腳為單片機的振蕩信號輸入端口。
焊接單片機芯片座。
插上單片機芯片STC89C52RC，去掉電池，CH340供電，測量各引腳電位并記錄。
測試結果：V（XTAL1）=1.971v，V（XTAL2）=2.023v，V（GND）=0,V(P0)=3.570v，測得其他引腳電壓值V=5.016v。斷開CH340，電池供電，測得V（XTAL1）=1.744v，V（XTAL2）=1.743v，V（GND）=0，V（P0）=3.026v，測得其他引腳電壓值V=4.695v，與CH340供電相比，各引腳電位降低0.5v。
2）復位電路
圖4-4 復位電路
兩腳按鍵開關，鋁電解電容和電阻構成復位電路，利用電解電容在上電后兩端電壓不能突變的原理，對電路起到保護作用。
焊接C1、S1、R1、R2。
上電復位功能：CH340供電，按下六腳自鎖開關，用示波器觀察RESET引腳電位變化情況。
圖4-5 RESET引腳波形1
測量自鎖開關打開和閉合兩種狀態下穩定后單片機RESET電位，自鎖開關打開V（RESET）=0v，自鎖開關閉合V（RESET）=5.038v。比較過渡過程（C2充電）持續時間與
的關系。
按鍵復位功能：CH340供電，按下兩腳輕觸開關S1并松手（C1先通過R1放電，后通過R2充電），用示波器觀察RESET。
圖4-6 RESET引腳波形2
3）晶振電路
圖4-7 晶振電路
晶振能夠產生中央處理器（CPU）執行指令所必須的時鐘頻率信號，CPU一切指令的執行都是建立在這個基礎上的。
焊接：C3、C4、Y1。
CH340供電，用示波器觀察XTAL1和XTAL2兩引腳間的波形，并記錄波形、頻率及有效值。
圖4-8 晶振電路波形
4）下載程序測試
秒表和搖搖棒：CH340供電，在Keil中寫一段小程序（比如使P1.0為低電平），安裝CH340驅動，通過STC-isp下載，觀察下載成功。
5）單片機最小系統
圖4-9 單片機最小系統
①52單片機
52單片機是最核心的器件，最小系統板里的其它器件都是為了滿足52單片機正常運行而存在的。52單片機芯片是一個微處理器，所編寫的程序加載到單片機里才能夠正常運行。
②時鐘電路
時鐘電路的主要器件為晶振，為52單片機提供穩定的時鐘，相當于單片機的心臟，沒有時鐘，單片機無法運行。時鐘電路根據晶振的類型不同，可能有電感和電容配合使用。
③復位電路
復位電路的作用是將單片機程序復位到初始狀態，從初始狀態重新開始運行。當程序跑飛或電源不穩定時，可實行復位功能。
④電源電路
電源電路是的目的是為52單片機最小系統板供電，將輸入電源轉化為52單片機所需的穩定電源。
⑤程序加載口
將編寫好的單片機程序通過該接口加載到52單片機里運行。
3.外圍電路
1）畫面切換開關和振動開關
圖4-9 畫面切換開關和振動開關
畫面切換開關：通過按下畫面切換開關的一瞬間, 按鍵控制單片機RO端的高低電平，從而實現系統可以不同顯示內容的切換。
焊接P37、R20。
CH340供電，松開S3，測試P37電位V（P37）=3.161v，按下P37，再次測試P37電位V（P37）=3.074v。
振動開關：通過搖晃振動開關來控制振動開關的通斷，進而改變單片機P32端口的電壓，把振動信號轉變為電位變化輸入單片機。
焊接R21、S4。
CH340供電，S4靜止，測試P32電位V（P32）=4.206v，按下S4晃動，再次測試P32電位V（P32）=0v。
2)LED電路
圖4-10 LED電路
焊接R2-R17、D2-D17，測量V（VCC）=0.169v、V（LED）=0.010v。下載程序（使P0.0為低電平），再次測量D2兩端電位V=1.966v，觀察D2亮。D3-D17測試結果同前，均正常點亮。
五、系統調試與結果分析
在焊接的過程中，出現問題最多的是電池盒的焊接，電池盒引線中細絲較多，在焊接旋轉并插入焊盤的過程中容易遺漏，導致接觸不良。于是只能用吸錫器將錫去除，重新焊接。但溫度過高也會導致引線斷裂，所以電池盒的引線需要留出較長的長度。此外，電池盒內部正極引線的位置會導致電池與接觸面接觸不良，導致電池無法正常有效的工作，需要用鑷子將引線拉到旁邊，固定位置。
圖5-1 實物圖
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圖5-2 PCB圖
六、展望和總結
在開始本實驗時，因為知識的匱乏，對搖搖棒的原理不甚清楚。初始，便按照老師的圖完成原理圖，在完成原理圖工作后，老師細講了一遍其工作原理，對搖搖棒的原理有了更深刻的認識。在完成本項目時，印象最深刻的步驟便是畫元件的封裝，這是一個需要細心，追求精細的一個過程，大到元件的外部尺寸，小到元件引腳的大小。但在這個過程中，急于求成，并未達到這個要求，便一直重復修改。在畫PCB圖時，上課未認真聽講，導致電源線放在了底層，出現了一個極大的錯誤。在完成本實驗項目的過程中，擴展了自己的知識層面，加強了自己的動手能力，積累了寶貴的經驗。明白了只有不斷的去實踐，才能發現自己的不足和錯誤，并且不斷地改正自己和完善自己，才能不斷地進步、不斷地提高自己的能力。希望在以后的學習過程中能有更多實踐的機會來檢驗自己和提高自己
視頻:
搖搖棒.zip
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2020-10-22 21:08 上傳
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單片機代碼暫不分享
作者: 51hei團團 時間: 2020-10-24 04:00
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