毕业设计(论文)--旋转led显示屏设计.doc

设计说明书 课题名称： 旋 转 LED 显 示 屏 学 校：新会机电高级职业技术学校 专 业： 电子信息技术 学生姓名： 指导教师： 2013 年 1 月 10 日2摘要LED显示屏广泛应用于广告、车站、银行、商场等公共场所，它具有功耗低、寿命长、色彩好等优点。现在的 LED 显示屏的发光器件主要采用 LED 平板模块。 本文给出了一种新型的柱式旋转LED显示屏，平面模拟出机械时钟，以旋转扫描方式代替逐行扫描，可视范围达到了360 度，成本大大降低，克服了LED平板显示屏的不足，具有一定的创新性和实际应用价值。旋转led显示屏的设计理念是利用人眼视觉暂留效应，开发出的一种旋转式LED显示屏。其在具有一定转速地载体上安装16个LED发光器件，各LED发光管等间距排位一条直线，随着旋转速度的加快，在计算机软件精确的时序控制下，不断扫描出预设的文字、图案等。本文主要介绍旋转led显示屏的显示原理、制作过程关键词：LED、视觉暂留效应、STC89C52、电机、旋转 目 录1绪论- 12方案论证- 2 2.1设计主要模块的选择- 2 2.1.1旋转模块的选择- 22.1.2电机模块的选择- 22.1.3 显示部分的选择- 22.2设计思路- 33主要元器件介绍- 43.1 LED- 43.2 主控芯片STC89C52RC- 53.21主要主要特性- 53.2.2 STC89C52RC 单片机的工作模式- 63.2.3 STC89C52RC 引脚功能说明- 63.3 传感器- 74 硬件电路的设计与实现- 84.1无线供电模块；- 84.2单片机主控电路模块- 86 软件部分- 105实物的制作简介- 135.1硬件调试- 135.2软件调试- 136 结果分析- 147 总 结- 15致 谢- 16参考文献- 17附 图- 18 1 绪 论LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成在面积显示屏幕，以使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。由于物理学的重大突破，电子技术在20世纪取得了惊人的进步。特别是近40年来，电子技术的发展突飞猛进，无论是工业、农业，还是国防领域都随之发生了重大变革，也为技术创新打下了坚实的理论基础。我们则应当具备开发和创新的能力。本文所介绍的旋转LED显示屏就是一个例子。通过单片机的应用和普通直流电机的改装实现这一功能，通过良好的视觉效果激发我们对电子科学的兴趣。 旋转LED显示屏是一种新颖的显示屏，总的来看，成本低是一大优点，另外 360 度的可视角度使之非常适合于像大厅和候车室之类的场合。如果能较好的解决显示亮度问题，可应用于室外，尤其是一些广告塔、楼顶等场合，是LED显示屏的一个新品种、发展的新方向。此类显示屏如果更进一步，解决视频数据的传输，则可以做出旋转柱式视频显示屏，视频显示的控制电路较为成熟，显示器件只需换为 RGB 阵列即可，这样应用的范围可大大增加。 本文所设计的旋转LED显示屏以STC89S52单片机为核心，最大限度的利用单片机的资源，与LED发光二极管紧密结合，通过直流电机带动旋转，实现显示功能。它需要实现侧面360度环形显示字体和图形，平面模拟出机械时钟等显示功能。 292 方案论证2.1设计主要模块的选择2.1.1旋转模块的选择：方案1：采用固定电池供电。即在电路板是直接附带一个蓄电池，为系统供电，这种供电方式比较简单。但是，有两个问题难以解决。首先，高亮度LED的功耗比较大，而电池的蓄电量有限，这就难以实现系统的长期运作；其二，由于电池的体积和重量比较大，若固定在板子上，电量用完后，难以替换。若不固定，在电机转动的时候可能会甩出去，引起安全隐患。同时，也增加了旋转重心的调节难度。故不采用此方法。方案2：采用电刷供电。即在电机的转轴上，手工增加一个电刷，通过电刷为系统微控制器供电，此方法能够长期为系统供电，但是增加电刷，电机的摩擦增大，势必会使 系统的功耗增加。故不采用此方法。方案3：采用无线供电，利用电磁效应的原理。用两个线圈，一个发射线圈，把电信号转换磁场，另一个接收线圈再把磁场转换为电信号，为系统提供电源。使用无触点供电法，减少了电机的摩擦力，为系统提供足够的电源。故采用此方法。2.1.2电机模块的选择： 方案1：采用步进电机。步进电机能够准确的定向，但是图像或者文字的分辨率受到步进电机的步进角度的限制。并且步进电机以及控制电路成本较高，并且需要单片机控制，占用CPU的资源。 方案2：采用普通的直流电机。此方案不占用单片机I/O口，节省单片机资源，使用方便，成本较低，通过简单的改装，可以给系统供电。综合各方面考虑，为了节省成本，简单系统电路，以及更方便的为系统供电，使系统能够长期工作，故采用方案2。2.1.3 显示部分的选择： 方案1：Led显示屏是整个显示屏全由LED 模块组成，器件数量多，成本高；另外，由于显示屏是一个平面，同时 LED 象素点有一定视角限制，使显示屏的可视范围被局限到正面某个范围之内，在应用中使显示屏的信息发布受到了一定的空间限制。方案2：旋转led显示屏是用电机带动一列LED发光二极管形成360度环形显示画面，平面模拟机械时钟。旋转led显示屏是利用视觉暂留效应设计出来的，物体在快速运动时, 当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像0.01-0.04秒左右的图像，这种现象被称为视觉暂留现象。假设我们设定我们的眼睛的暂留时间是0.04秒，如果我们的16个LED旋转一周的时间快过0.04秒，那么我们看到的图像就是这一列LED在各个位置显示的图像的叠加那么我们就可以得到一个累加的图像效果了，故采用方案2。 2.2设计思路：本旋转屏主要由硬件和软件两大部分组成。图1是旋转支架图；图2是旋转LED显示屏的总结构图。硬件由机械旋转部分，显示电路，通信电路，无线供电电路等几部分构成。软件则是利用电脑把要显示的字符和图形编写成程序，再把程序下载到单片机中。本显示屏采用了两种颜色的LED发光二极管。利用单片机来控制LED发光二极管的亮灭。其中，平面采用了16个绿色的LED发光二极管，主要用于显示时钟，在电机带动单片机和LED发光二极管旋转时通过扫描的方式显示出时钟的时针、分针、秒针 ;侧面采用16个白色的LED发光二极管，用于显示字符和图形。图1图23主要元器件介绍上一章本设计对LED显示屏的功能、原理及结构进行了详细的说明，这一章本设计将介绍设计中所使用的主要元器件，以便于更好的为编程服务。本设计LED旋转显示屏的器件有：LED发光二极管、主控芯片STC89C52单片机、一个对管红外线传感器、b772三极管用作无线驱动三极管、直流电机、两个供电线圈、5v稳压管AMS1117等元件组成。3.1 LED: 图3LED是发光二极管( Light Emitting Diode, LED)的简称，也被称作发光二极管，这种半导体组件一般是作为指示灯、显示板，它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有最长达数万小时10 万小时的使用寿命，同时具备不若传统灯泡易碎，并能省电等优点。二极管是由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算： R（EUF）IF 式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。 与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。 3.2 主控芯片STC89C52RC：此次设计主要采用宏晶科技的STC89C52RC单片机为主控单元STC89C52RC的芯片管脚图如图4所示。图4 STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单 片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周 期可以任意选择。 3.2.1主要特性 1. 增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任 意选择，指令代码完全兼容传统 8051。 2. 工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）。 3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工 作频率可达 48MHz。 4. 用户应用程序空间为 8K 字节。 5. 片上集成 512 字节 RAM。 6. 通用 I/O 口 （32 个） 复位后为，P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 8. 具有 EEPROM 功能。 9. 具有看门狗功能。 10. 共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2。 11. 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒。 12. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。 13. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。 3.2.2 STC89C52RC 单片机的工作模式1.掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。 2.空闲模式：典型功耗 2mA。 3.正常工作模式：典型功耗 4Ma7mA 。 3.2.3 STC89C52RC 引脚功能说明 VCC（40 引脚）：电源电压 VSS（20 引脚）：接地 P0 端口（P0.0P0.7 ，3932 引脚） ：P0 口是一个漏极开路的8位双向 I/O 口。作为输出端口，每个引脚能驱动 8 个 TTL 负载，对端口 P0 写入每个引脚能驱动 写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0 口也可以提供低 8 位地址和 8 位数据的复用总线。此时，P0 口内部上拉电阻有效。在 Flash ROM编在程时，P0 端口接收指令字节；而在校验程序时， 则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。 P1 端口（P1.0P1.7，18 引脚） ：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。3.3 传感器图5对管红外线传感器，分为一个发射端和一个接收端。接通电源时发射端不断的向外发射红外线，当接收端接收到红外线时就可以有电流流过接收端的两个引脚，形成导通。4 硬件电路的设计与实现4.1无线供电模块 12V交流电经过桥式整流、滤波为电机和无线驱动电路供电。无线供电模块，由（b772 PNP型三极管、电阻R1 560、 R2 560、R3 10K、C5涤纶电容、9014 NPN型三极管、 线圈L1）组成互补正反贵震荡电路。 利用电磁效应的原理，用两个线圈，一个发射线圈，把电信号转换磁场，另一个接收线圈再把磁场转换为电信号，为单片机和LED发光二极管提供电源。无线驱动电路图如图6.在底座上有一个红外发射管，这个红外发射管不断地向旋转的主电路板发射红外线。图64.2单片机主控电路模块在接通电源时，线圈接收到另一个线圈发射的磁场把磁场转换为电信号，经过D1D4二极管的桥式整流、CC1和C3的滤波、5v稳压管AMS1117、C22和C4滤波形成5V直流电，为主控模块提供电源。如图7图7图8为振荡电路，由C1和C2、Y1（12M）晶振组成，连接到单片机的第18、19引脚。图8旋转的主板上有一个红外接收管采用高灵敏的方型接收管，板上的红外接收管每转动一圈就会导通一次，让单片机知道从哪一点开始播放字符和图形。如图9：是一个红外线接收管当Q1接收到红外线时Q1导通，电流从电源流过限流电阻经过Q1下地形成回路，P3.3变为低电平。当Q1截止是P3.3变为高电平。图9通过单片机的P0口和P1口输出显示数据，利用P2.6、P2.7口控制Q1和Q2的导通、截止，来控制平面显示或侧面显示。在平面显示时用单片机内部的定时器，定时一个时间来模拟显示机械时钟。原理图如图10。这个接收管的一脚连接在单片机的P3.3口上。显示电路，5v电源经过限流电阻从LED发光二极管的正极入负极出，发光二极管的负极连接到单片机的P0、P1口，利用单片机输出的高低电平来控制led发光二极管的亮灭。图105软件部分由于汇编语言比较繁琐，所以我采用了C语言编写程序。#include /头文件定义#define uchar unsigned char /宏定义#define uint unsigned int sbit KEY=P33 ;sbit s1=P25;sbit s2=P26;sbit s3=P27;uchar i=50 ;uint Pt,S,k,m,n; uint D=0;uchar miao,Cent,Hour,Month,Day,Week,miaot,centt,hourt,num; uchar code tade= /显示字体和图形的字码 ;/模拟机械时钟中断函数 显示时钟的时针、分针、秒针void timer2(void)interrupt 5 using 1 TF2=0;TH2=(65536-480)/256 ; TL2=(65536-480)%256 ; S+;i=70;s2=1; switch(S) case 15 :/0点 case 30 : /1点 case 45 : /2点 case 60 : /3点 case 75 : /4点 case 90 : /5点 case 105 : /6点 case 120 : /7点 case 135 : /8点 case 150 : /9点 case 165 :/10点case 2 : /11点 P1=0Xfc ; i=90; while(i-); P1=0xff; break ;/12点 if(miaot=S) P1=0Xef ; P0=0Xff ;i=110;while(i-); P1=0X07 ; P0=0X00 ;i=50; while(i-); P1=0Xef ; P0=0Xff ;i=110;while(i-); /0-180 0-60 if(centt=S) P1=0X7f ; P0=0Xff ;i=110; while(i-); P1=0X3f ; P0=0X00i=50; while(i-); P1=0X7f ; P0=0Xff ;i=110; while(i-); /0-180 0-60 if(hourt=S) P1=0XFF P0=0Xfd ;i=110; while(i-); P1=0XFF ;P0=0X00 ;i=50; while(i-); P1=0XFF ; P0=0Xfd ;i=110; while(i-); P0=0XFF ;P1=0XFF ;s2=0;void delay(uint j) /延时函数uint z, k;for(z=j;z0;z-)for(k=10;k0;k-);void main(void)/主函数uchar q; TMOD=0x11 ;TH1 = 0x3C; TL1 = 0x0B0; ET1 = 1; TR1 = 1; IT0=1; ET2=1 ; TH2=(65536-480)/256 ; TL2=( 65536-480)%256 ; TR2=1 ;RCAP2H=(65536-480)/256 ;RCAP2L =(65536-480)%256 ; EA=1 ; s3=0;s2=0;s1=0;P0=0xff;P1=0xff; miao=30;Cent=30;Hour=3;ET2=1;TR2=1; m=0; while(1) q=0; centt=Cent*3;miaot=miao*3; hourt=(Hour*15+Cent/4);if(KEY=0)S=0; if(miao50)q=0; if(KEY=0) for(n=m,k=0;k=780) m=0; ET2=1;TR2=1;q=0; void Timer1Interrupt(void) interrupt 3/定时器中断函数 定时出模拟机械时钟的时间 TH1 = 0x3C;TL1 = 0x0B0; num+; if(num=20) num=0; miao-; if(miao=0) miao=60;Cent-;if(Cent=1)Cent=60;Hour-;if(Hour=1)Hour=12;/*END*/ 6实物的制作简介实物图如图11图116.1硬件调试旋转LED显示屏是通过一个旋转支架，支架上安装了主控模块。在直流电机带动支架上的主控模块旋转时单片机利用扫描的方式控制LED发光二极管显示。首先我们要调试电源模块。单片机处理器是系统的灵魂，所以先对单片机的供电进行检测调试。单片机供电正常了才可以工作。通过外接12V电压电源来进行供电模块供电，把了b772三极管用做无线驱动管。线圈的调试，断路、短路问题的检查。检查了没问题，单片机供电正常，就可以进行软件的调试了。6.2软件调试硬件测试完成以后，软件测试就非常重要了，它是整个系统的灵魂，系统显示的字体和图形，平面模拟机械时钟等功能倒是由软件编程来完成。首先编写程序控制平面和侧面的LED发光二极管控制是否正常。在检查正常了后，再检查传感器的接收是否正常。调试正常了后就可以系统联调 。经过不断的尝试，无数次的改程序，我们的显示屏才可以完成显示。7 结果分析一、研究的主要问题1.旋转用电动机转速的确定与旋转部分的供电2.旋转体空气阻力的减小与噪声减小3.控制电路板的设计与制作4.LED点亮与熄灭的精确控制二、重点控制电路板的设计和制作LED点亮与熄灭的精确控制三、难点旋转用电动机转速的确定与旋转部分的供电可行性分析:该设计是模仿其他电子爱好者的作品进行设计与制作，并在其基础上改进，理论和实际基础已经得到验证，具有很高的可行性。通过我对单片机技术的掌握与李能老师的指导，该设计一定可以完成并取得较好的效果。研究的特色与创新之处：1.改变以往LED点阵方式显示形式，大大减少LED数量。2.可视角度大大扩展，几乎能360观看。3.可以在自行车等轮式交通工具车轮上安装，使信息表现方式更加多样。8总 结 这个旋转显示屏它包括了模拟电路、数字电路、单片机应用等多方面的知识，特别是软件编程是一个难点，在调试的时候花费了我不少时间。本旋转LED显示屏，它的设计理念是利用人眼视觉暂留效应，通过高速电机带动LED阵列旋转，形成360度环形显示画面。平面可以模拟出机械时钟。它只用了一列led发光二级管可以把字符或图形漂浮360度的显示，是一种新的视觉体验。这电机是在收音里面拆出来的，由于旋转的速度不够快，所以显示的字体和图形不是很稳定，有闪烁的现象。如过采用转速更高的电机，再增加个稳速电路，显示的字符和图形就不会有闪烁的现象。平面模拟显示出的机械时钟，它的时间只是利用单片机内部的定时器定时出的时间，与现实生活的时间相比有一定的偏差。应该用时钟芯片来提供准确的时间，再利用单片机控制LED发光二极管显示时间。还有，它还需一个遥控器，利用遥控器来调整显示的时间和显示的字体和图形。也可以多增加个温度传感器，用温度传感器为单片机提供温度数据，单片机再控制LED发光二极管旋转时通过扫描的方式显示出温度系数。致 谢 本次旋转LED显示屏的制作历时多个星期，在制作过程中李能老师的耐心指导，我才能如此顺利完成。在我每次遇到困难时，李能老师都能不厌其烦的讲解，指出我的不足，而且还教我分析问题的方法。他那种对教学工作一丝不苟的精神值得我们学习。通过本次设计，使我得到了一次全面解决问题的机会。让我对单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在编程设计思路方法的掌握方面都有所提高。为将来的就业打下了良好的基础。我在李能老师的的精心指导和严格要求下，不仅获得了丰富的单片机知识，而且动手能力也有所提高。并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，这对我今后进一步学习单片机方面的知识有极大的帮助。对于学校对电子电工的重视力度不够，经常遇到实习的资源的不足的情况，很多时候都是老师自己出资这才让我们有如此机会接触单片机。在此我忠心的感谢李能老师对我的耐心教导，悉心照顾。在以后的学习中，我会以更好的成绩回报老师。 在此，我还要感谢曾经给予我帮助的老师和同学们。由于你们的帮助和大力支持，我才能顺利完成。克服一个又一个艰难险阻。直至本文的顺利完成。特别是感谢崔老师，由于我们是中专学生没学过论文的书学格式，是她特别抽出时间教会了我写论文，帮我改论文。最后感谢我的父母，你们辛苦了。 参考文献1 陈尚松,雷加,郭庆.电子测量与仪器M.北京：电子工业出版社，2005：1081262 徐科军.传感器与检测技术M.北京：电子工业出版社，2004：12333 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计M.北京：北京航空航天大学出版社，1999：2083 4 王幸之.AT89系列单片机原理与接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2004：3352 5 Schultz. C and the 8051: Programming and Multitasking. 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