【導讀】LED搖搖棒利用人眼的視覺暫留特性，通過刷新LED發光二極管，當進行搖動時，會在搖動區域內產生圖像。本文設計的簡單有趣的LED搖搖棒，基于單片機控制，具有按鍵進行畫面切換和消除重影等功能，來看看這款LED搖搖棒是怎么設計的吧！
搖搖棒本為開發套件，全部采用直插的器件。顯示的LED采用了5mm超高亮30度聚光發光二極管，共 32只。控制芯片采用宏晶單片機STC11F03E，其內部有3K的程序存儲空間，256字節的數據存儲空間，另外其內部還有2K的EEPROM空間。設計可以通過串口，把下載的畫面數據到內部的EEPROM，掉電后，也不會丟失。
本文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（簡稱為“搖搖棒”），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AT89C51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，只要搖動就可以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。
1 LED搖搖棒硬件系統的組成
本次設計的簡單有趣的LED搖搖棒，它是基于單片機控制的電子裝置。具有按鍵進行畫面切換和消除重影等功能，能使畫面清晰顯示出來。它主要由單片機控制部分，LED驅動部分，LED顯示部分組成，其硬件組成框圖如圖1 所示。
1.1 LED搖搖棒按鍵模塊
本設計中通過一個畫面切換開關對顯示的內容進行切換。在設計中通過滾珠開關來控制搖搖棒只能向一邊搖動時顯示信息，否則會出現鏡像字或鏡像畫面，也就是重影的現象。可選的搖動控制開關有水銀開關和滾珠開關兩種。水銀開關穩定性較高，但安全性較差。滾珠開關雖然穩定性稍差，但不容易被打破，安全度很高。考慮到實際應用環境，故選用滾珠開關作為系統的搖動控制，由滾珠開關帶來的不穩定性可以通過軟件進行彌補。手動復位開關的功能是控制系統的啟停。
1.2 LED搖搖棒控制部分
單片機最小系統作為整個系統的控制核心，它主要負責控制二極管的亮滅及顯示狀態。通過單片機的軟件編程及外部中斷，來控制搖搖棒的顯示效果。
1.3 LED 顯示模塊
此設計中根據LED點陣的顯示原理來設計顯示部分。點陣的顯示分為行掃描與列掃描兩種，列掃描是將字模數組通過點陣屏的行驅動進行輸入，然后通過列對每一行進行掃描，當列為低（高）電平、行為高（低）電平時則表示該點為圖案的一部分，將其讀出、顯示。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。為了使顯示的圖案清晰，在設計中使用了16 個高亮度LED管將它們排成一列，整個屏在靜止時也就相當于16 行×1 列。數據傳輸時同樣使用行送數據、列掃描。在擺動過程中，應用人眼的視覺暫留原理，被點亮的列不會很快的消失，而是隨著擺動的方向繼續向前移動，只要移動的速度高于視覺暫留的最短時間顯示內容就不會熄滅，這樣，一幅圖案也就可以這樣被“擺動”出來了。
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根據系統分析，具體的硬件電路連如圖2 所示。在具體制作硬件的時候，將16 個3mm 高亮度紅色的LED排列成整齊的一列。
在proteus 下仿真調試的時候，給定的電源VCC 為5V，實際使用時用3 節干電池串聯4.5V 即可。
2 LED搖搖棒系統軟件設計
2.1 LED搖搖棒軟件設計思想
在搖動LED棒的時候單片機必須單程傳送數據，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后通過滾珠開關的位置來使單片機實現單程傳送數據給LED。如果滾珠開關位于右邊，則進入外部中斷1 并將一變量置1，在變量為1期間讓單片機以一定的頻率將數據傳送給LED.如果滾珠開關位于左邊，則進入外部中斷0 并將變量置0。在這期間單片機不會傳送數據給LED.在送數據時，數據送完后應延時一段時間來使搖動時顯示的每個字不會太擁擠，之后再立刻熄滅LED 并開始重新判斷滾珠開關的位置。
2.2 LED搖搖棒軟件設計流程圖
通過軟件設計思想的分析，得到該系統的主程序流程如圖3所示。
系統開始運行，首先初始化整個系統，然后等待外部中斷。當用手搖動到指定位置時，由滾珠開關觸發外部中斷，系統接收到外部中斷信號后，就傳送數據，再經過一段延時后開始顯示。顯示完成返回主程序，等待下一個搖動周期的到來。周而復始的晃動，則會顯示出相應的信息。
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下面將設計一個LED顯示棒且需要有按鍵進行內容切換，它主要是由中央控制部分，LED驅動部分，LED顯示部分以及電源部分組成，如圖4所示。
圖4：LED搖搖棒組成結構
單片機將提取的字模進行存儲，當接收到按鍵輸入的指令時單片機就將相應的字模代碼通過I/O口輸出，使LED燈點亮，利用視覺暫留原理最終使圖案完整的顯示在擺動的顯示屏中。
3.1 LED燈的選擇
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為經濟。
3.2 外部中斷信號產生方式
通過外部中斷可以控制數據開始傳輸的時刻。選擇好外部中斷來源是本次制作的難點及重點。使用慣性開關。通過搖晃使得慣性開關的擺桿與焊接的左右兩個觸點接觸，利用這種接觸產生的電平變化來觸發中斷，結合軟件控制顯示，制作簡單，使用方便。 3.抗重影方案的選擇：使用外部中斷控制數據傳輸時刻。外部中斷信號由慣性開關產生，觸發方式為下降沿觸發。慣性開關左右兩邊的觸點分別與單片機兩個外部中斷接口相連，默認為高電平，搖動的擺桿接地。慣性開關處于不同位置進入不同的中斷，從而決定何時送數據。該方案簡單易行，可以保證數據是單程傳輸的，避免了重影。不搖動時把慣性開關處在左邊就可以使LED棒熄滅，可以達到省電的效果。
4 結論
本次將使用單片機對搖動顯示進行實例化，設計一個LED搖動顯示器來顯示文字、圖像等信息。掌握利用8051型單片機對發光二極管陣列進行搖動控制的方法。在設計中通過調試，使用外部中斷讓數據單程傳輸很好的取消了重影。通過改變傳送數據方式，由一個字符接一個字符傳送改為將一組字符一起傳送，傳送結束后再延時等，使顯示的內容在扇形區域內完整的顯示出來，同時也解決了畫面連續出現沒有間斷的問題。
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