摘要本系統是用微控制器(at89c2051/4051)、三個驅動晶元74hc595、超高亮白色led燈24個、電源、水銀開關等器件製作led顯示棒。該系統是利用手揮動led顯示棒，由位於顯示棒上端的水銀開關產生中斷，並將中斷訊號送微控制器處理，控制三個驅動晶元74hc595，利用該晶元的移位與鎖存功能控制led燈點亮或熄滅，由於人眼的視覺暫留效應，當位於一條直線上的led燈進行逐列掃瞄時，通過軟體的設定，掃瞄過的區域便會顯示出所要求的字元或圖形。用按鍵切換要顯示的內容、控制字元或圖形的縮放。
根據實測結果，表明所設計的系統效能指標完全達到題目基本要求，發揮部分也已經完全滿足題目要求。
為了滿足題目的要求，即能顯示圖形、字元，設計中採用at89c2051/4051微控制器控制24個高亮白色led燈，形成24×24點陣顯示掃瞄區，用其中乙個按鍵來切換要顯示的圖形、字元，同時為了滿足發揮部分的要求，再設計另乙個按鍵來實現顯示圖形、字元的縮放。
根據題目要求，要設計製作乙個led顯示棒，依靠搖動顯示設定的字元、圖形。例如要顯示設定的字元「a」，搖動led顯示棒形成的點陣顯示區如圖2-1所示(以24×16為例講述原理)：
圖2-1 字元『a』示意掃瞄區
其中字元「a」的字模如下，/*-- 寬度x高度=16x24 --*/
0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x07,0x0e,0x1c,0x1c,0x0e,0x07,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00
0x01,0x07,0x1f,0x7e,0xe6,0x86,0x06,0x06,0x06,0x06,0x86,0xe6,0x7e,0x1f,0x07,0x01
0xf0,0xc0,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xc0,0xf0
注：圖2-1中黑色為亮的led燈，白色為熄滅的led燈，實際顯示的是字模中資料的取反。
該裝置由at89c2051/4051微控制器控制，利用24個超高亮白色led燈，縱向排列為一條直線。影象形成的原理是：當開始搖動led顯示棒時，即進行第一列畫素的掃瞄，由微控制器控制將圖形列畫素資料0x00,0x01,0xf0傳輸到三個驅動晶元74hc595中，因為實際電路中的led燈是共陽極連線的，所以24個led燈中對應為0的被點亮，對應為1的被熄滅。
反應到圖2-1中的第一列，圖中黑色點對應的是被點亮的led燈。在第一列畫素資料開始顯示的同時進行第二列畫素資料的序列傳輸。由於74hc595晶元內建資料鎖存器和移位暫存器，所以在移動的過程中，能夠進行下一列資料的傳輸又不會影響本列資料的顯示，在第一列資料顯示結束時，第二列資料已經傳輸完畢，在給出鎖存器選通訊號後，開始新一列畫素資料的顯示，同時開始下一列畫素資料的傳輸，依次類推形成逐列掃瞄，直到16列資料全部掃瞄結束。
只要順序傳送的速率足夠快，由人眼的視覺暫留效應，這個點陣掃瞄區就會形成乙個完整的字元「a」了。因為在軟體中設定了每列資料的顯示時間，所以掃瞄圖形的寬度就由手移動的速度決定了，總體視覺效果如圖2-1示.行數24是由硬體電路決定，但具體多少列由軟體決定，可通過軟體設定改變列數。
其它圖形的顯示原理和字元「a」的顯示原理相同
系統的結構框圖如圖2-2：
圖2-2 系統結構框圖
整個系統由微控制器控制、運動（掃瞄位置）檢測、按鍵、驅動顯示、供電電源等幾部分組成。
各部分作用如下：
1） 微控制器控制部分：接受來自運動檢測部分和按鍵部分送來的資訊，進行處理並提供列畫素資料，驅動顯示部分控制led燈的點亮與熄滅，配合led顯示棒的移動顯示要求的字元、圖形。
2） 運動檢測部分：採用水銀開關，用來檢測顯示棒移動的位置，產生中斷。
3） 按鍵部分：切換要顯示的圖形形狀、控制縮放等。
4） 驅動顯示部分：接收並儲存微控制器送來的畫素資料，由74hc595驅動控制led燈的點亮與熄滅。
5） 供電電源：向整個系統供電，at89c2051/4051微控制器採用5v電源供電。
2.3.1 微控制器控制部分
方案一：採用at89c2051/4051微控制器,序列輸出方式，滿足設計的要求。
at89c2051/4051是一種低電壓（12時的電壓範圍在3v-5v）、高效能cmos8位微控制器，片內含2k/4k位元組的可反覆擦寫的flash程式儲存器rom和節的隨機訪問資料儲存器ram，器件採用高密度、非易失性儲存技術生產，相容標準mcs-51指令系統，片內建8位**處理器和flash儲存單元，其時鐘頻率可以為零，即具備可用軟體設定的睡眠省電功能，價效比較高。
使用at89c2051/4051微控制器，連線三個74hc595驅動晶元，採用序列輸出方式時，利用74hc595的移位鎖存功能，能夠驅動超高亮白色led燈的顯示，具有足夠高的亮度；當採用並行輸出方式時，由於每次只能傳輸8位資料，必然會造成同一列資料顯示的滯後，另一方面又因視覺暫留效應，使顯示的圖案看起來形成錯位。所以當採用at89c2051/4051微控制器時，使用序列輸出方式，滿足設計的要求。
方案二：採用89c51微控制器，滿足設計的要求。
89c51微控制器擁有40個管腳，整合度高，功能強大。當採用89c51微控制器直接驅動時，微控制器單個管腳的輸出電流可以達到20，能夠驅動led燈的顯示，但是設計採用了24個led燈，這樣就會造成總的對地電流很大，微控制器很難負荷如此大的電流，同時又因被分配到每乙個led燈上的電流變小，所以亮度變小；當採用驅動晶元作為中間傳輸媒介時，一方面會使許多管腳處於閒置狀態，造成資源的浪費，另一方面，會造成硬體電路面積較大，不利於顯示棒的移動，影響實驗效果。
方案選擇：從這二個方案可知，選擇任一種微控制器，當採用不同的連線方式時基本能滿足設計的需要，在滿足設計需要的前提下，從設計顯示的效果、資源的節約及硬體電路連線上考慮，選擇方案一併採用序列輸出的方式是最好的設計方案。
2.3.2運動檢測部分
水銀開關是用來檢測顯示棒的移動位置，目的是通過水銀球的擺動控制開關的通斷，產生中斷訊號，並將訊號送到微控制器處理，控制顯示棒的掃瞄週期。此處也可以採用光限位開關，它是機械開關，但機械開關存在抖動，會造成觸發的不穩定。水銀開關相對於機械開關來講，具有許多優點：
結構簡單，體積小，最主要的是它電極間的接觸電阻一般低於100m，其導電性較好，效能可靠。所以該部分設計方案採用的是用水銀開關。
2.3.3掃瞄方式及顯示驅動電路
掃瞄方式：
方案一：採用雙向掃瞄方式。開始擺動時，水銀球觸發電路掃瞄計時開始，在顯示棒運動到最右端時，再次產生中斷，下乙個掃瞄週期開始。
這樣存在的問題是當第乙個週期的顯示尚未結束，下乙個週期的掃瞄便開始，在棒進行回擺時，由於視覺暫留效應，使影象看起來比較混亂。
方案二：採用單向掃瞄方式。第乙個掃瞄週期與雙向掃瞄的情況相同，不同的是在進行下乙個週期的掃瞄時，由於顯示棒運動到最右端時，然後再回擺的過程中，微控制器不再響應中斷，從而使上一次的最後一列的掃瞄資料有足夠的時間顯示完畢，所以掃瞄影象看起來比較清晰，不會有影象重疊的現象。
根據上述實際情況，設計採用方案二。
顯示驅動：驅動晶元74ls164 可以通過同步串列埠驅動led的顯示，但是不具有資料鎖存器，傳輸資料沒法鎖存，造成顯示看起來不清晰，對本系統不太合適。驅動晶元74hc595主要優點時具有資料鎖存器，在移位的過程中，輸出端的資料保持不變，這樣就能保證led燈的同時點亮。
所以決定採用驅動晶元74hc595。與普通的led燈相比，超高亮白色led燈的優點是發光強度高，效能更加的可靠。
2.3.4按鍵
按鍵可採用功能復用方式，採用這種按鍵數量少，節省硬體，但增加了軟體的複雜性，；另一種方案是採用單功能鍵，按鍵有兩個，但操作簡單、直觀。由於該設計硬體相對簡單，所以採用單功能鍵。
2.3.5 供電電源部分
可供選擇的方案有兩種:
方案一：採用鎳鎘/鎳氫蓄電池方案，滿足設計的要求。
方案二：採用一次性乾電池方案，同樣可以滿足設計的要求。
方案選擇：鎳鎘/鎳氫蓄電池供電時內阻小,負載特性硬,雖一次性投資較多，但多次使用可彰顯其經濟性。一次性乾電池由於其內阻相對較大，會使負載電壓特性較軟，其輸出大電流的能力不及鎳鎘/鎳氫蓄電池，雖單只**比較便宜，但壽命短，經濟性差。
由於本設計採用at89c2051/4051微控制器，在頻率為12時其要求輸出在3v到5v之間，由鎳鎘/鎳氫蓄電池的單體標稱電壓為1.2v，採用4個時電壓為4.8v，正好滿足要求，且無需穩壓電路；一次性乾電池的單體標稱電壓為1.
5v，採用3個時只是在最初滿足要求，很快電壓就下降無法驅動微控制器，採用4個時，在最初會超過微控制器極限電壓，這是不允許的。綜合考慮決定採用鎳鎘/鎳氫蓄電池作為供電電源。
根據上述各部分分析，最終設計的原理圖如圖2-3所示：
圖2-3 系統完整電路圖
要想完成led顯示棒的設計，軟體佔據很大一部分作用，其中最主要的問題是如何定時一週期？啟動開關，當led顯示棒靜止時，led燈不會發亮，當擺動顯示棒時，水銀開關接通觸發外部中斷零（int0），微控制器at89c2051/4051啟動t0計時，當顯示棒再次擺回到原位置時int0再次產生中斷，t0停止計時，即可得出擺動一次時間t，既是擺動週期。由於系統設計的是24×24掃瞄區域，所以將t平分24等份，每份時間由定時器t1計時，每列顯示的時間就是t1的定時時間。
具體的軟體系統包括主程式、外部中斷子程式、定時器中斷子程式，具體設計思想見附件1程式流程圖。
4.1測試方法及過程
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