毕业论文-线阵LED图文显示系统.docx

毕 业 设 计题目： 线阵LED图文显示系统学 生： 周 炎 学 号： 2110311230 院 （系）： 职业技术学院 专 业： 电子信息工程 指导教师： 陈晓莉 2015 年 5月 25 日陕 西 科 技 大 学毕业设计任务书职业技术 学院 电子信息工程 专业 11 班级 学生：周炎 题目： 线阵LED图文显示系统 毕业设计（论文）从 2015 年 3 月 1 日起到 2015 年 6 月 20 日课题的意义及培养目标：LED有高亮度、低能耗等优点，广泛应用于车站、商场、学校等公共场所的大屏幕图文信息显示中。本设计要求设计并制作制一个由16只 LED构成的线状点阵及其控制电路，安装于可旋转的平台上，电机带动平台以合适速度旋转，能够显示图文信息。通过本设计，使学生掌握电子系统设计的基本方法和开发流程，以提高分析问题、解决问题以及综合运用所学知识的能力。设计（论文）所需收集的原始数据与资料： 1.电子系统设计相关资料； 2. A/D和D/A转换器资料； 3. 单片机或EDA技术资料 课题的主要任务（需附有技术指标分析）： （1）设计并制作制一个由16只 LED构成的线状点阵及其控制电路，安装于可旋转的平台上，在平台的中心设置一个按键，用于功能的切换，电机带动平台以合适速度旋转。 （2）开机时装置完成显示自检，能对点阵中16只LED逐个点亮，每只LED显示时间约为1秒，此时平台不旋转。 （3）通过按键切换，实现16个同心圆图形分别顺序（由大到小）和逆序（由小到大）显示，每个同心圆图形显示时间为0.3秒左右。 （4）通过按键切换，显示字符“TI杯”，要求字符显示稳定，无明显漂移。 设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周 次设计（论文）任务及要求12学习LED图文系统显示原理 34 熟悉单片机系统应用 58完成系统硬件设计 911完成软件设计1213 综合测试1416撰写论文，准备答辩学生签名： 日期： 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： III线阵LED图文显示系统摘 要 随着信息技术的发展,LED显示屏这一信息技术的前沿领域也得到了飞速发展，而线阵LED便是LED显示屏中的一种。在户外广告屏上，LED是不可缺少的，因此单片机技术的应用注定是不可或缺的，所以利用AVR单片机技术制作的旋转LED显示屏的应用价值及科研价值是很高的。我们利用AVR单片机，通过stc89c52rc芯片制作出的旋转LED显示屏，可以顺利完成我们所要求的显示的内容，现场演示。通过自制的ISP下载线与电脑之间的链接，将电脑中的程序文件输入到单片机中，根据我们的需要显示不同的内容。该设计主要包括：基板硬件的设计、硬件驱动的设计、显示程序的设计等。它具有设计思路简捷、程序简短、结构简单等特点。旋转LED显示屏用于教学演示，可以使学生了解动态扫描的原理，同时对相关知识的综合应用有一个清晰的认识，易于加深对相关知识的了解、掌握。能更好的应用所学到的知识，更好的把所学到的知识应用的实物中去，能引导同学们去开发想象到的东西，能是学到的理论知识更好的与实际相结合。关键词：线阵，图文，LED,单片机,设计HE DESIGN AND PRODICTION OF THE ROTATING LED DISPLAYABSTRACTWith the development of information technology, linear array LED display of information technology frontier has been rapid development, and the main application is in the rotating LED display microcontroller.Outdoor advertising screen, high-tech is indispensable for the application of single-chip technology is bound to be an integral part of the rotating LED display using AVR microcontroller technology to produce value and scientific value is very high. We use the AVR microcontroller, the Atmega16 chip to produce a rotating LED display, the successful completion of the contents of the display we are asking, live demonstration. Link between the homemade ISP download cable from the computer, the computers program files are input to the microcontroller, display different content according to our needs.This design mainly includes: a substrate hardware design, hardware-driven design, showing the design of the program. It has a simple design ideas, a brief program, simple structure and other characteristics.The rotation LED display for teaching demonstration, to enable students to understand the principle of dynamic scanning, the integrated application of knowledge at the same time have a clear understanding, easy to deepen the knowledge to understand and master. Better able to apply my knowledge and better application of knowledge learned in kind to guide students to develop imagine things, the theoretical knowledge learned better with practice combination.Key words：; linear array，image-text，LED, Single Chip Microcomputer，design目录摘 要IABSTRACTII1.绪论11.1课题背景及意义11.1.1 课题背景11.1.2 研究意义11.2国内外发展与现状21.2.1国内LED显示屏研究现状21.2.2国外LED显示屏研究现状21.3研究内容22线阵LED图文显示系统设计方案42.1 系统总体设计方案42.2 系统设计方案的比较与选择42.2.1主控芯片的选择42.2.2电源模块选择42.2.3驱动电机模块的选择52.2.4标志杆装置的选择52.2.5显示模块的设计选择63 线阵LED图文显示系统原理73.1 系统总体设计原理73.2 微控制器原理73.2.1 微控制器的介绍73.2.2STC89C52的介绍及引脚定义83.2.3STC89C52相应寄存器简介103.3 电源模块153.3.1 三端稳压器介绍153.3.2元件3296电位器介绍163.4 显示模块173.4.1LED 应用简介173.5 红外感应模块183.5.1 红外发射对管工作原理183.5.2 红外感应模块接口电路194线阵LED图文显示系统的硬件设计214.1 硬件的整体设计214.2微处理器模块最小系统实现214.3 LED显示模块的接口设计224.4红外感应模块的接口设计234.5系统实物制作234.5.1PCB的介绍234.5.2PCB的设计244.5.3 系统的调试244.6 本章小结245线阵LED显示系统软件设计265.1开发环境265.2 软件设计265.2.1 主程序设计265.2.2 LED显示程序设计285.3 本章小结296 总结306.1 结论306.2 展望30致 谢31参 考 文 献32附录线阵LED图文显示系统原理图33附录线阵LED图文显示系统实物图34附录 线阵LED图文显示系统程序代码365线阵LED图文显示系统1.绪论1.1 课题背景及意义1.1.1 课题背景随着信息化社会的到来，促进了现代信息显示技术的发展，形成了CRT、LCD、PDP、LED、EL、DLP等系列的信息显示产品，纵观各类显示产品，各有其所长和适宜的市场应用需求。随着LED材料技术和工艺的提升，LED显示屏以突出的优势成为平板显示的主流产品之一，并在社会经济的许多领域得到广泛应用，主要包括：证券交易、金融信息显示；机场航班、汽车站动态信息显示；港口、车站旅客引导信息显示；体育场馆信息显示；道路交通信息显示；调度指挥中心信息显示；邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示；广告媒体新产品介绍；大型演出和集会；展览会、宣讲会。进入新世纪，光电子产业得到社会广泛的重视，信息显示技术发展迅速，随着LED器件材料性能的不断提高，已广泛应用于室内外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所。尤其在没有投影仪的地方,旋转LED的优越性体现得非常明显，传统的LED字屏相比价格高昂、操作麻烦，放置位置固定、应用面狭窄、挪动不变；而传统的平面显示，信息量不大，互动性不强，显得十分的不便。因此，设计一个可以经常方便变换内容、能够携带方便、信息容量大、价格低廉、结构简单的信息播放系统旋转LED显示屏，具有十分重大的意义。1.1.2 研究意义LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达8090%。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lmW，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lmW，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lmW，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED为2028lmW，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。由于LED的种种优势，使得其在现在的各个领域里运用越来越广泛，我们设计的旋转LED显示屏幕，具有结构新颖，节约材料的特点，一列16个LED灯旋转显示之后，可以代替显示近似于16x180像素的显示宽度和内容，我想以后不断完善和改进之后应该可以在灯箱广告和儿童玩具方面有一定的发展空间。1.2 国内外发展与现状1.2.1国内LED显示屏研究现状 我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，LED所占的市场将会越来越大，影响也会越来越深远。我国的LED显示屏产业已成较大规模，技术水平相对领先，应用领域也很广泛的特点。 2008年北京举行的奥运盛会虽已顺利闭幕，但所展现出的种种前所未有的规模已经深深的烙在了全世界人的心中。特别是奥运盛会上所应用的LED产品类型和数量规模都是空前的。LED显示屏作为一种新型的显示器件出现在2008 年北京奥运会的开幕式、比赛场馆、奥运文化广场以及奥林匹克公园等LED项目中，国内LED企业承接了主要的工程项目，提供了大量的LED产品,总体上展示了我国LED行业的技术产品优势和产业发展水平。也体现了我国LED产业的力量和技术这也在一定程度上预示着 LED 产业必是未来的一种趋势。1.2.2国外LED显示屏研究现状日本Hibino公司展示了新产品STEALTH，这是一款能透视背景的穿透式LED 显示屏，可呈现出一个综合汇聚了影像、照明、舞台道具、背景灯元素的立体影像空间。从可视性影像到体验型影像，展示演出及舞台设计创意空间得到扩展，视觉表现的世界无限延伸。随着LED高性能材料的发展，LED显示屏也必将得到发展，从而旋转LED显示屏也将随之发展，并相信，旋转LED显示屏将会给人们的生活带来更多的便利，造福于人类。1.3 研究内容LED旋转显示器时基于视觉暂留原理，开发的一种旋转式LED显示屏。本设计基于STC12C5A60S2单片机，通过直流电机带动旋转，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，不断扫描出预设的文字，图案等。使用一个霍尔传感器作为定位传感器，当旋转一周时，挡光板遮挡光源，光敏三极管的集电极输出高电平，当离开挡光板时，集电极再次输出低电平，从而给单片机一个下降沿的跳变型号，产生一个中断，从而更新显示。针对传统LED显示屏视角单一、体积较大、需要的发光二极管数目较多等特点，利用电机带动LED显示阵列高速旋转实现环形显示，达到360全视角，在相同显示信息量上降低产品体积，减少对发光二极管的使用，设计一个可以经常方便变换内容、能够携带方便、信息容量大、价格低廉、结构简单的信息播放系统，即旋转LED显示屏实际制作的LED旋转显示屏技术参数的测试结果，以及实际的运行效果表明，本文设计和制作的旋转显示屏符合设计要求，具有一定的创新性和实际应用价值。2线阵LED图文显示系统设计方案2.1 系统总体设计方案该系统由六个模块组成,分别为CPU处理单元模块，电动机模块，红外对管模块，LED模块，按键模块，电刷模块。本设计选用STC89C52为主控制芯片，利用人的视觉停留效应，控制电动机转速带动在单片机控制下的16个LED发出对应位置亮度。当转到标志杆时，通过红外一体接收器检测到，给单片机一信号，然后单片机知道已经扫完一屏了。单片机会准备下一屏要显示的文字或图形。继续开始扫，框图如下。直流电动机LED显示器MCU红外控制按键控制图2-1 系统总体设计方框图2.2 系统设计方案的比较与选择2.2.1主控芯片的选择方案一：采用STC89C52单片机，内部资源较少，支持在线下载程序，价格便宜，软件编程较简单。方案二：采用ATmega16单片机，此单片机具有一整套的编程与系统开发工具，支持片内编程与调试，该单片机为单调指令，执行速度快，而且I/O口驱动能力强，应用灵活，价格低廉。由于本设计应用资源少，STC89C52基本可完成设计需要，所以采用方案一。2.2.2电源模块选择旋转LED显示屏设计的成败，不但取决于电路和程序，而且取决于供电系统。那么该实现对指针板的供电？ 根据所学知识，LED线阵图文显示系统的供电方式一般有以下三种：(1)自感应发电这种方法就是从指针板上引出导线，接入到电机内部绕在转子上，电机旋转时该导线切割磁场产生感应电动势，经过整流后作为指针板上的电源。这种方式的优点是：设计很巧妙，无机械磨损。更巧妙的是，由于感应出来的电动势是交流的，所以可以利用该过零信号来定位，不必另外准备定位信号了。这种方式的缺点是：提供的电流有限，只能适合LED较少的旋转时钟，当LED 数量较多时，需要更多的电流，这种方式就不能满足了。其次，这种方式要对电机本身进行改造，也有一定的难度。并不是所有的电机都适合这种改造。而且这种改造可能会给电机带来损害。 (2)自备电池这种方式，就是在指针板上安装电池，由电池供电。一般是用两到三节 7 号电池。这种方式的优点是：不用担心电压波动。也不存在机械磨损，不用担心接触不良之类问题的困扰。这种方式的缺点是：损耗大，成本高，既不经济也不环保。此外电池很重，一般的电机带不动，必须用很大的电机。这也意味了成本的上升。(3)机械传导供电这种方式就是采用滑环和电刷，通过机械接触传导电流。这种方式的优点是：能够提供比较大的工作电流。这种方式的缺点是：有机械摩擦，会产生磨损。因此要求滑环和电刷材料要耐磨。另外，还得有足够的弹性，并且要耐锈，否则会导致接触不良。有机械阻力，因此要求电机有比较大一点的功率，有机械噪音。 综合系统以及相关的要求我们选择机械传导供电方案。2.2.3驱动电机模块的选择方案一：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。方案二：采用普通的直流电机。此方案，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，故采用方案二。2.2.4标志杆装置的选择方案一:红外对管光耦合具有，响应速度快，驱动简单，安装容易，容易于单片机通信等特点。如图2-2所示，当上电之后，光耦的光敏二极管的负极输出低电平，当有物体挡住了光敏二极管感应的红外光线时，光敏二极管的处于高阻态，所以集电极输出高电平，当光敏二极管再次感应到红外光源的时候，负极极再次输出低电平，从而给单片机一个标志信号。图2-2 红外对管装置图方案二：一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流 I 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。由于本设计既要显示数字，又要显示汉字，出于以上考虑，选用方案一。2.2.5显示模块的设计选择LED显示器具有功耗低，接口控制方便等优点，而且模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性，并能直接与单片机接口，可方便地实现各种不同的操作，在各类测量及控制仪表中被广泛的应用。当在LED上显示汉字时，应先取得汉字的点阵构成数据，然后将其写入显示存储器中进行显示。旋转LED显示器是一种通过同步控制发光二极位置和点亮状态来实现图文显示的新型显示器，其结构新颖，成本低廉，可视角度达360。本设计采用16个并排发光二极管，利用人眼的“视觉暂留效应”显示文字及图案。 线阵LED图文显示系统 293 线阵LED图文显示系统原理3.1 系统总体设计原理旋转时钟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0.1-0.4秒左右的图像，这种现象被称为视觉暂留现象。是人眼具有的一种性质。人眼观看物体时，成像于视网膜上，并由视神经输入人脑，感觉到物体的像。但当物体移去时，视神经对物体的印象不会立即消失，而要延续0.1 -0.4秒的时间，人眼的这种性质被称为“眼睛的视觉暂留”。假设我们设定我们的眼睛的暂留时间是0.4秒，如果我们的16个LED旋转一周的时间快过0.4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，如右图，如果我们用定时器把LED旋转一周的各个位置分割出180分，让它在相应的位置显示相应的图像，那么我们就可以得到一个累加的图像效果了。LED旋转显示器时基于视觉暂留原理，开发的一种旋转式LED显示屏。本设计基于STC12C5A60S2单片机，通过直流电机带动旋转，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，不断扫描出预设的文字，图案等。使用一个红外传感器作为定位传感器，当旋转一周时，挡光板遮挡光源，光敏三极管的集电极输出高电平，当离开挡光板时，集电极再次输出低电平，从而给单片机一个下降沿的跳变型号，产生一个中断，从而更新显示。3.2 微控制器原理3.2.1 微控制器的介绍单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域7。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成到复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。3.2.2STC89C52的介绍及引脚定义（1）STC89C52单片机在本设计中，选用STC公司生产的单片机，型号为STC89C528。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案3。STC89C52具有以下标准功能： （a）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。（b）具有8K字节程序存储空间。（c）内带4K字节EEPROM存储空间。（d）512字节数据存储空间。（e）工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）。（f）工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz。（g）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。（h）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。（i）具有看门狗功能。（j）共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。（k）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。（l）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。（m）工作温度范围：-40+85(工业级)/075（商业级）。（n）封装：LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。（2）STC89C52单片机的工作模式和引脚定义（a）STC89C52RC单片机的工作模式：掉电模式：典型功耗=(35)T/2;C=(0.7I)/(Ef)C等于以法拉为单位的电容值，L等于以安培为单位的负载电流，E等于峰峰纹波电压，f等于纹波频率(一般全波为120Hz，半波为60Hz），0.7为整流器电流占空因数的补偿系数，这里假设占空因数为2.1 图3-3系统供电电路图3.4 显示模块3.4.1LED 应用简介LED(light emitting diode)是发光二极管的英文缩写，它是一种电致发光器件。目前，LED产业已经走过了它的发展初期和中期，普通LED的应用已经成为过去，高亮度LED的使用也已无需着力推广。另外，中小功率超高亮LDE亦已诞生，并正在以极快的速度走向应用。显示方面，LED被广泛应用于电子电器、工业设备等各类产品的状态性能显(指)示，也被越来越多地制作成多媒体平板显示屏、交通信号灯等等。LED的应用虽然已经具有了很广的范围、很大的规模，但是,由于LED拥有很多社会应用所需的优点、相关技术也有很大的发展空间，因此，LED有着更为美好的前景。目前技术条件下，LED已经显示出了众多的优点与传统的显示媒介相比，有以下特点：一是寿命超长，业内公认的平均值达10万小时，可期望目标将会达到25万小时；二是色彩丰富，LED已经实现了多个波长的单基色，有红、琥珀黄、黄、绿、蓝等，基本满足了应用领域对LED色彩的要求，随着更多新材料的开发，还会实现更多的基色及至全彩色；三，稳定可靠，在LED的寿命期内，LED差不多都能稳定的工作，维护工作量极小；四，电气安全性高，LED一般工作在低电压(6-24V)、小电流(10-20mA)情况下，属弱电级工作器件，有较好的电气安全性能；五，节能环保效率高，在同等亮度下，LED的耗电仅为普通白炽灯的1/10，而且不存在有害金属汞污染等问题，符合社会发展趋势；六，应用灵活性好，LED可进行低压供电，也可110V/220V电源供电，加上单粒LED的体积小(芯片更小)，只用3-5平方毫米，大大方便了工程应用；七，受控制能力强，现有的技术已经可以实现LED的亮度、灰度、动态显示，分布控制等，是其它发光装置无可比拟的；八，抗震性能优越，LED的坚固、耐震、耐冲击性能，超过了目前所有其它类型的电光源产品；九，响应