畢業設計 msp430搖搖棒

畢業設計 msp430搖搖棒

摘要<?xml:namespace prefix = o />

    本設計以MSP430單片機爲中央控制器，顯示棒搖動時顯示的字符或者圖形由LED燈顯示。LED燈成線狀排列，每個瞬間線陣只能顯示數字編碼後的文字或者圖形的一列，利用人眼的視覺暫留原理，將需要顯示的字符或者圖形分成64列，因此，通過單片機控制LED線陣以一較低頻率掃描顯示字符或者圖形的每一刻，擺動顯示棒時即可因視覺暫留看出顯示的字符或者圖形；左右擺動一次通過端口電平變化，調用相應的顯示子程序，字符切換通過外部中斷實現，該系統設計對程序設計的要求硬件電路要高。整套系統由中央控制模塊，LED顯示模塊，供電模塊等部分構成。

 

 關鍵詞： MSP430單片機； LED燈；搖搖棒

 

 

 

 

 

 

 

               

 

 

 

 

 

                               Abstract

 

                            

   The design for the central controller with msp430 csm and display great when shaken by the character or graphics appearred that LED lights, LED lights into linear array,cach miment only display dightal coding text or graphics after a column,using the principle of human vision,will need to display characters or graphics into 64,LED by MCU control array in a low frequency scan character or graphic each column,swinging rod can show that for all the haracter or graphic display,swinging through port level changes,once the call display subroutines,characters,by external interruption swithing system design for program design of hardware circuit to high requirment,The system by the contral control module,the LED display module,power supply module.

Keywords: LED;MSP430;Vision;yaoyaobang

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     

第一章 緒論.................................................................................................................... 5

第二章 方案論證............................................................................................................. 6

2.1 設計背景............................................................................................................ 6

2.2系統設計要求...................................................................................................... 6

2.3 整體方案比較與論證........................................................................................... 7

第三章 系統硬件設計...................................................................................................... 8

3.1  硬件基本結構.................................................................................................... 8

3.2 LED顯示部分...................................................................................................... 8

3.3單片機最小系統部分............................................................................................ 9

3.4  電源部分........................................................................................................... 9

3.5 MSP430單片機.................................................................................................... 9

3.6 關於創新部分的討論......................................................................................... 13

3.7按鍵模塊............................................................................................................ 13

3.8 LED顯示模塊.................................................................................................... 13

3.9慣性開關模塊..................................................................................................... 14

3.10總體設計.......................................................................................................... 15

第四章 系統軟件設計..................................................................................................... 17

4.1軟件設計思路..................................................................................................... 17

4.2軟件系統流程圖................................................................................................. 18

4.3動態圖片的實現................................................................................................. 18

4.4軟件實現功能的完善.......................................................................................... 19

第五章 系統調試

第六章 總結................................................................................................................... 20

致謝............................................................................................................................... 21

參考文獻........................................................................................................................ 22

附錄............................................................................................................................... 23

附錄........................................................................................................................ 42

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           

            第一章 緒論

   搖搖棒是當今比較流行的一種時尚娛樂電子產品，通過在手中左右搖晃棒體，就可在其搖擺出的扇形軌跡面上顯示出文字或圖像，搖搖棒具有質量輕，無污染，高強抗衝擊等優點。搖搖棒在國內外用處身份廣泛，可用於選舉活動，演唱會，體育場，KTV，球類比賽，廣告，節日聚會，生日慶典等。本設計採用MSP430單片機來實現搖搖棒的圖像顯示。

 

           第二章 方案論證

2.1 設計背景

      搖搖棒是如今流行的一種玩具，在各種節日和聚會上經常可以看見它的身影。本設計也追隨着搖搖棒的原理，在此基礎上進行研發。通過單片機對其進行控制，從而產生不同的影像。

 

2.2系統設計要求

     設計並製作一個依靠搖動能顯示字符、圖形的LED顯示棒。

    系統設計的基本要求：

    設計一個基於MSP430單片機的顯示棒，其中LED燈必須呈線狀排列，並至少使用16只，系統採用電池供電，搖動顯示棒時形成的亮燈扇形區域能讓人分辨出圖形以及文字，並用按鍵實現顯示的切換。

    系統設計的發揮部分：

    搖動顯示棒時形成的亮燈扇形能夠讓人分辨出“謝謝”，

“心形圖案”，“笑臉”。

 

 

 

 

 

 

2.3 整體方案比較與論證

     根據題目要求設計一個循環的LED顯示，要利用人的視覺滯留產生靜態顯示的現象，這就要求延時部分做的比較小，所以採用石英晶體振盪器。而目前能夠實現這種功能的器件有很多種，不同的類型的器件也能夠很好的完成。

    綜上所述，提出幾種切實可行的方案供大家參考

方案一：選用單片機AT89C51作爲掃描顯示控制核心，由其直接控制LED線陣的顯示，並外加掃描控制開關控制字符或圖形的掃描顯示。該方案線路簡單，掃描控制開關可選擇機械開關或滾珠開關或水銀開關，在顯示棒搖擺時接通線路控制單片機掃描輸出字符或圖形的列編碼信號；單片機外另接有中斷控制按鈕用以切換不同的字符或圖形的顯示，LED線陣採用普通三極管驅動，電路採用2節7號電池供電。

    此方案的優點是：單片機C51的端口較多，可實現顯示數據並；

缺點是：爲了增大顯示清晰度，除去可能由背景LED燈佔用的端口外，單片機剩餘端口無法使線陣中LED燈數擴展至24只以上；單片機使用的晶振頻率較大，軟件不易實現對計數的控制。而且單片體積較大，做出後實物不美觀。（設計框圖見圖2—1）

方案二：由單片機MSP430最小系統、寄存器組、驅動電路、LED線陣和電源部分組成。與方案一比較，方案二中單片機所需輸出,端口很少，可選用小型單片機MSP430，不僅功耗低，而且尺寸小，其數據輸出串口輸出方式，所需端口較少，總體線路較簡單，電路板佔用而積小；利用寄存器移位功能可輕易實現品示LED燈數量的擴展，不僅具備方案一的大部分優點，而且外圍器件更少，能耗更低，電路調試簡單，故選擇方案二。（設計框圖見圖2—2）

方案框圖

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掃面控制開關

單片機AT89C51

LED驅動電路

電源 乾電池

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			<!--[endif]--><!--[if !mso]--> <!--[endif]-->  LED線陣顯示 <!--[if !mso]--> <!--[endif]--><!--[if !mso & !vml]--> <!--[endif]--><!--[if !vml]-->

<!--[endif]--> 

 

 

 

 

       圖2——1

按鍵

慣性開關

Msp430 單片機

<!--[if !vml]-->

			<!--[endif]--><!--[if !mso]--> <!--[endif]--> LED 線陣顯示 <!--[if !mso]--> <!--[endif]--><!--[if !mso & !vml]--> <!--[endif]--><!--[if !vml]-->

<!--[endif]--> 

 

 

 

 

 

 

          圖2——2

 

 

     第三章 系統硬件設計

3.1  硬件基本結構

    硬件電路的系統電源VCC爲5V，下載程序和調試時一定要保證5V電壓，實際使用時用2節7號乾電池串聯即可。MSP430單片機作爲控制器，在它的P10、P11口接有16只以共陽的方式連接的高亮度LED，由單片機輸出低電平點亮。K2爲水銀開關。

硬件電路包括三部分

         (1) LED顯示模塊

         (2)單片機控制模塊

         (3)外部中斷模塊 

經過分析論證，我們決定了系統各模塊的最終方案如下：

3.2 LED顯示部分

  LED燈的選擇

    方案一：傳統LED發光二極管。顏色多樣，在可以同樣顯示圖案的前提下使用它更爲經濟，但足顏色較爲黯淡，不鮮亮。

    方案二：高亮LED發光二極管。正如其名，它的亮度比傳統二極管要亮，而且同樣也有很多顏色，但是高亮LED的工作電流也要大於傳統二極管。

    爲了使顯示的圖案清晰、明瞭，我們選擇方案二，經過比較，使用紅色的LED使得顯示畫面更爲明顯、突出，使用2節I.5V電池爲其供電，提供足夠的電流。

 

 3.3單片機最小系統部分

 由一個12MHz的晶振以及一個10uf的電容，47K的電阻以及復開關構成的復位電路、芯片MSP430三部分構成。

3.4  電源部分

    本次設計採用1.5伏2節乾電池串聯供電。（見圖3—1） <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

                      圖3——1

3.5 MSP430單片機

德州儀器推出的MSP430微處理器（MCU)是一種基於RISC的16位混合信號處理器，專爲滿足超低功耗（ULP）需求而精心設計。MSP430MCU將智能外設，易用性，低成本以及業界最低功耗等優異特性完美結合在一起，能滿足數以千計應用的要求。

  超低功耗

  MSP430MCU專爲超低功耗應用而精心設計。其高度靈活的時鐘系統，多種低功耗模式，即時喚醒以及智能的全自動外設（intelligent autonomous peripheral)不僅殼實現真正的超低功耗優化，同時還能顯著延長電池使用壽命。

 靈活的時鐘系統—MSP430MCU時鐘系統能啓用和禁用各種不同的時鐘和振盪器，從而使器件能夠進入不同的低功耗模式（LPM）。這種高度靈活的時鐘系統可確保僅在適當的時候啓用所需時鐘，從而能夠顯著優化總體能耗。

  子系統時鐘（SMCLK）—用於各個較快速外設模塊的源，可由內部DCO驅動（頻率最高達25MHZ），也可採用外部晶體驅動。

 即時喚醒—MSP430MCU可通過LPM即時喚醒。這種超高速喚醒功能得益於MSP430MCU的內部數控振盪器（DCO），其可實現高達25MHZ的源頻率，而且能在1US的時間內激活並實現穩定工作。即時喚醒功能對超低功耗應用來說非常重要，因爲其使微處理器能在極高效的突發任務中充分發揮CPU的作用，並能較長時間處於LPM模式。

零功耗掉電覆位（BOR）—MSP430MCU BOR能夠在所有操作模式下始終保持啓用於工作狀態，這不僅能確保實現最可靠的性能，同時還可保持超低功耗運行。BOR電路可對欠壓情況進行檢測，並在提供或者斷開電源時對器件進行復位。該功能對電池供電的應用而言尤其重要。

 高集成度

  MSP430MCU擁有卓越的高集成度，能夠提供各種高性能模擬及數字外設。

  智能外設

   MSP430MCU的外設旨在確保時間最強大的功能性，並以業界最低功耗提供系統中斷，復位和總線判優。許多外設都能自動工作，因爲最大限度減少了CPU處於工作模式的時間。

  高性能集成

超過200種MSP430器件都具備高性能集成優勢，完美結合了USB，RF,LCD控制器以及16位△-∑ACD等。這種可擴展的產品系列使設計人員能夠爲衆多低功耗應用選擇適當的MSP430器件。此外，MSP430MCU的高集成度還能支持物理尺寸較小的解決方案，進而最大限度降低整體物料成本。

  輕鬆開展設計工作

 MSP430MCU採用現代16位RISC架構以及簡單的開發生態系統，因爲擁有極佳的易用性。16位正交架構 ，MSP430MCU採用的16位架構可提供16個高度靈活的，可完全尋址的單週期操作16位CPU寄存器，以及RISC性能。該CPU的現代設計不僅簡潔，而且功能十分豐富，僅採用了27條簡單易懂的指令與7種統一尋址模式。

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                圖3——2

本實驗所採用的單片機是MSP430F2131，MSP430F2131是超低功耗的混合信號控制器，集成了一個16位的定時器和14只I/O管腳。  

    低供電電壓 2.5 V - 5.5 V 超低功耗

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->低工作電流，1 MHz，3 V電壓下只有330 uA

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->兩種節電模式：

<!--[if !supportLists]-->o        <!--[endif]-->備用模式：1.5 uA

<!--[if !supportLists]-->o        <!--[endif]-->RAM 保持關斷模式：0.1 uA

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->從備用模式到正常工作最多需要 6 us

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->16位 RISC 體系結構，200 ns 指令循環週期

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->基本時鐘模式配置

<!--[if !supportLists]-->o        <!--[endif]-->不同的內部電阻器

<!--[if !supportLists]-->o        <!--[endif]-->單一外部電阻器

<!--[if !supportLists]-->o        <!--[endif]-->32 kHz 晶振

<!--[if !supportLists]-->o        <!--[endif]-->高頻晶振

<!--[if !supportLists]-->o        <!--[endif]-->諧振器

<!--[if !supportLists]-->o        <!--[endif]-->外部時鐘源

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->可與外部組件構成單斜率模數轉換器

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->16位定時器，帶有三個捕獲/比較寄存器

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->串行的在線編程

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->安全熔絲程序保護（Program Code Protection by Security Fuse）

3.6 關於創新部分的討論

    本設計的最大特色就是可以使單列的LED組合燈通過一定頻率的播動在擺動的扇形區域內呈現出特定的字符或圖形。在題日要求的基礎上，我們決定從硬件和軟件兩部分對此搖動棒進行特別改造，比如美化外形，實現畫而的動態顯示等。

3.7按鍵模塊

    使用一個按鍵對顯示的所有內容進行切換，通過按鈕按下的次數確定顯示的內容。（見圖3——3） <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

 

                圖3——3

3.8 LED顯示模塊

    首先，我們根據LED點陣屏的顯示原理：點陣屏的顯示分爲行掃描和列列掃描兩種，列掃描是將我們的字模數組通過點陣屏的行驅動進行輸入，然後通過列對每一行進行掃描，當列爲低（高）電平、行爲高（低）電平時則表示該點爲圖案的一部分，將其讀出、顯示。它的順序可以總結爲：行不斷的送數據，每送完設置的信息後列進行讀取，然後行再次送數據，列再次讀取……依次循環下去，一幅完整的圖案就顯示在了顯示屏上。

    而本次設計的LED顯示棒數據傳輸原理與LED點陣屏相似。可以把LED顯示棒看成是LED點陣屏中的一列。爲了使顯示的圖案清晰，我們使用了16個LED管將它們排成一列，整個屏在靜止時也就相當於16行×1列。數據傳輸時我們同樣使用行送數據、列掃描。在擺動過程中，應用視覺暫留原理，我們點亮的列不會很快的消失，而是隨着擺動的方向繼續向前移動，只要移動的速度高於視覺暫留的最短時問．顯示內容就不會熄火，至此，一幅圖案也就可以這樣被“擺動”出來了。

3.9慣性開關模塊

    慣性開關裝置，它由擺杆、觸點和導軌組成。當LED顯示棒向左擺動到極點時，擺杆，與左邊的觸點2接觸，此時與2相連的P1.0口變爲低電平，按照軟件的設定：從此刻起禁止對行進行數據傳輸：同理，當顯示棒擺到右邊極點時，與3接觸，，與此相連的P1.1口變爲低電平，軟件設定從此刻起數據開始傳輸。整個擺動過程就是這樣：擺子擺到左邊，禁止數據傳輸：擺到右邊，開始數據傳輸……。使用這種方法就可以讓數據單程傳輸，解決了雙程均傳輸時產生的重影，使得畫而更加清晰、明瞭。

3.10總體設計

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         圖3——4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         第四章 系統軟件設計

4.1軟件設計思路

    在搖動LED棒的時候單片機必須單程送數據否則顯示的圖形會產生重影，影響視覺效果。因此當系統開始工作後通過慣性開關的位置來使單片機實現單程送數據給LED。如果慣性開關位於右邊，則進入外部中斷Tl並將變量置l。在變量爲1期間讓單片機以一定的頻率將數據送給LED。如果慣性開關位於左邊，則進入外部中斷TO並將變量置0，在這期間單片機不會送數據給LED。在送數據時，數據送完後應延時一段時間來使搖動時顯示的每個字不會太擁擠。之後再立刻熄火LED並開始重新判斷慣性開關的位置。

4.2軟件系統流程圖

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<!--[endif]--><!--[if !mso]--> <!--[endif]-->      LED燈熄滅 <!--[if !mso]--> <!--[endif]--><!--[if !mso & !vml]--> <!--[endif]--><!--[if !vml]-->

<!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

 

 

            圖4——1

   4.3動態圖片的實現  

   設計中實現單個圖形或者一個詞組的顯示方法是將要顯示的內容一次性送出，延時一段時問後再進行第二次傳送數據。而要顯示一個動態圖片，仿照動畫製作方法，先要將一個連貫的動作分爲幾幅獨立的動作，分別提取字模，輸出數據是一幅接一幅的連續送，當動作結束後延時一會，再進行第二次連貫動作的傳輸。同樣利用視覺暫留原理，當搖動顯示棒時，幾幅圖接連出現覆蓋前面的畫面，相同的部分將一直顯示，不同的部分就形成了動態的動作，以此一幅動態畫面就出現了。

4.4軟件實現功能的完善 

   本次設計的一個難點是去除重影，我們的解決方法是使用外部中斷讓數據單程傳輸。

    第二個難點是當顯示如“Welcome”這類較長字符時不能完整的顯示在一次搖擺的扇形區域內。通過反覆試驗，我們改變了送數據方式：由一個字符接一個字符傳送改爲一組字符一起傳送，傳送結束後再延時，通過不斷調試實現了完整顯示的功能，同時也解決了畫面連續出現沒有間斷的問題。

    綜上，只要控制好數據傳輸方式以及每次傳輸數據間的延時就可以實現多種數據的顯示方法。

 

          

 

 

          

              第五章 系統調試

5.1 系統軟件調試

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   圖5——1

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             圖5——2

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              圖5——3

5.2 系統硬件調試

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             圖5——4 （載入程序）

 

                 第六章 總結

    經過了一個多月的學習和努力，我終於完成了《搖搖棒的設計與製作》的畢業設計。從開始選題到設計的成功，再到論文文章的完成，每走一步對我來說都是一個挑戰，畢業設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，也是對自己能力的一種提高。在這段時間裏，我學到了很多知識也有很多感受，爲了更好的利用Keil、proteus、Protel及硬件電路等相關知識，我開始查閱相關的資料和書籍，豐富自己的相關知識，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，能夠更熟練的去運用課本

上的知識。

    在製作硬件電路時，我們遇到了很多問題，比如：在軟件編程的時候字符的取模比較困難，剛開始沒有取模軟件就手工取模特別麻煩！再比如說怎樣使字能夠儘量在搖晃的中間顯示，顯示的時間長短也是特別困難的。後來經過不斷的模擬與調試終於找到了最爲適合的時間。總之，自己動手做了就是一種收穫，會對電路瞭解的更多，學到了很多以前沒有接觸過的知識，也使我瞭解到知識必須通過應用才能實現其價值！有些東西以爲學會了，當到自己運用的時候卻並非如此，所以我認爲只有到真正會用的時候才能算真的學會了。

      此次的畢業設計我曾有過灰心，感覺底氣的不足，但收穫更大的是我學到了很多的東西，不光是學習上帶來的快樂，更多的是在人與人的相處上我學到了團結帶給人的歡樂，所有的這些都爲我的將來奠定了很大的基礎。現在的我就要離開學校，走上工作的崗位了，這也是我人生歷程的又一個起點，我會繼續學習，走實人生的每一步。