旋转led图文显示报告设计.doc

线阵LED图文显示装置（H题）摘要：本设计采用TOP-down（自顶向下）的设计方法 。首先明确这个题目要实现的功能，再将该系统分成LED阵列控制、电机测速并显示和标杆定位等3个模块。用手机电池给LED和单片机供电，单片机工作电压为3.3V，LED用NPN三极管8050驱动。采用3144霍尔传感器实现测速和标杆定位功能，并用1602显示转速，采用光敏二极管控制LED亮度。通过用示波器测霍尔传感器输出信号的频率来计算电机转速和LED整体限流是我们的创新点，旋转平台的平衡调节、采用手机可充电电池供电是我们的亮点。关键词：霍尔测速、光敏二极管、充电电池供电一、本设计的亮点和创新点 1、在旋转平台上电池那端安装一个螺杆，通过增减螺母的数量来控制旋转平台两端的平衡。电池磁钢霍尔传感器螺杆和螺母霍尔传感器单片机单片机磁钢1602显示转速1602转接板 线阵LED图文显示装置结构图 2、采用手机充电电池作为LED阵列和处理器的电源。手机电池容量、体积轻、可充电循环利用。充电时不需要拆下电池。3、通过光敏二极管和一个2.7K的电阻一起控制NPN型三极管基极的电流，从而控制加在LED上面的电流，这样不需要在每个LED前面加限流电阻。只需要用一个限流电阻，电路简单。光敏二极管暗电流较小，有光时光电流较大。4、通过用示波器测霍尔传感器输出信号的频率来计算电机转速。当磁钢经过霍尔传感器时，霍尔传感器输出一个低电平，若转速比较大，它实际上就是产生了一个方波。我们用示波器测这个波形的频率即可知道电机1秒钟转了多少圈。5、LED阵列采用共阳极的接法，防止因为单片机高电平电压不足导致LED不亮。6、通过霍尔传感器测速，采用LCD显示屏1602直观的显示出电机的转速。二、方案论证与设计1、整体结构方案方案一：LED阵列的供电电源安装在下面木板上，然后采用电刷与上面连接给上面的单片机和其他元器件供电。但是由于转速比较快电刷很可能因发热刷坏，工作寿命不长，故舍去该方案。方案二：将LED阵列的供电电源安装在旋转平台上。旋转平台一端安装电池和磁钢，另一端安装LED和单片机。再用螺钉、螺帽增减配重的方式调节平衡。综合以上两种方案，我们选择了方案二。2、处理器选取方案2.1 LED阵列控制器方案一：采用ARM 处理器进行数据处理，ARM处理器处理数据比较高，、而且端口比较多，可以处理多个任务。但是ARM价格高，且本任务数据处理比较简单。故舍去该方案。方案二：采用比较普及的STC89C51处理器，价格低廉，易于控制。但我们在面包板上做实验时发现用51功耗太大，工作电压范围为3.45.5V电源电压不足驱动不了。手机电池要给LED阵列、单片机、霍尔传感器、光敏二极管等器件供电，我们在面包板上实验发现他们工作时单片机分得的电压只有3.3V。无法使单片机工作，故舍去该方案。方案三：使用MSP430单片机，该单片机功耗小，重量较轻，很适合做这个LED线阵的控制器。但是这个单片机平时我们没学习，担心无法控制。故舍去该方案。方案四：使用STC89C52单片机，该单片机工作电压范围为3.35.5V，并采用共阳极的接法接LED阵列。在面包板上实验发现可以。综上所述，我们选择了STC89C52单片机作为LED阵列控制器。2.2 电机的控制器电机控制采用因为是外部电源供电，不需要考虑电源电压是否足够。所以我们直接采用STC89C52单片机作为控制器。3、测速方案方案一：采用光敏二极管测速。当经过一个光束时，光敏二极管输出一个高电平。但是它不够灵敏，响应速度不够，并且受外界环境影响大。方案二：采用红外对接管。下面板子上安装一个发射管，旋转平台上安装一个红外接收管。红外对管响应速度也不够。方案三：采用3144霍尔传感器，这个型号的传感器响应速度为18us，且输出为低电平，很适合作为测速装置。当旋转平台上面的磁钢经过霍尔传感器时，输出一个低电平，若转速比较快我们可以用示波器。对以上三种方案进行比较，我们选择了方案三。4、LED线阵供电方案方案一：采用9V电池供电，9V电池电压比较足，储电量较大，能给LED和单片机提供很充足的电量。但是它体积比较大，当电机转速很快时离心力很大，若电池甩出很易伤人，故舍去该方案。方案二：采用两节3V纽扣电池供电，我们在面包板上实验发现用纽扣电池供电，电压足够，可以正常工作。但是纽扣电池储电量很小，工作一个小时左右电池就没电了。工作不持久，故舍去该方案。方案三：采用废手机的电池供电。手机电池上面有三个端口，有两个两端电压为3.7V，另两端电压为4.2V，我们使用4.2V的电压供电。手机电池重量轻，容量大，可充电长时间、多次使用。并且在面包板经过实验，可以稳定使用。比较这三种方案，我们采用了方案三。5、 电机选择方案方案一：采用步进电机，步进电机具有精确定位，速度易控制，但速度较低，不能达到显示字符的速度要求。方案二：采用直流电机，转速高，价格低廉，有些直流电机速度也较稳定。我们在实验室找到了一个旧直流电机，通过测试转速，发现还算稳定，所以我们就采用了直流电机作为动力装置。三、 理论分析计算与硬件电路图1、LED阵列模块1.1 系统框图光敏二极管、NPN三极管8050LED驱动电路，共阳极STC89C52单片机LED自检低电平有效控制LED阵列显示各种效果霍尔元件采集信号计算转速1.2原理分析1.2.1亮度变化自动调节及LED驱动电路该电路由光敏二极管、电阻、NPN三极管8050组成。三极管集电极接电池正极，发射极接16个LED，基极接一个2.7K的电阻和反接的光敏二极管。当光线较弱时光敏二极管暗电流相当于普通二极管的反向饱和漏电流，这个电流比较小。当有光时光敏二极管PN结附近产生的电子-空穴对数量随之增加，光电流相应增大，这时LED变亮。2.7K电阻和光敏二极管有限流作用。分析计算：A.流过已点亮的每个发光二级管的电流I为：(n为已点亮二极管的个数) 三极管基极电流IBQ：(RL为光敏二极管的反向电阻)三极管基极接光敏二级管，外部环境变亮时光敏二极管PN结附近产生的电子-空穴对数量增加，三极管基极电流变大，由因为ICQ与Ibq的关系是倍数关系，所以加在LED上的电流会变大，灯会变亮。B、线阵LED运动参数分析根据发光二极管亮的时间长短不一样，来控制发光二级管流进的电流。从而使LED亮度不同。C、显示亮度自动调节分析 当有光时，光敏二极管PN结附近产生的电子-空穴对数量随之增加，光电流相应增大，LED变亮。 亮度变化自动调节及LED驱动电路图1.2.2霍尔元件测速电路在底板上安装一个霍尔传感器，在旋转平台电池底部安装一片磁钢。当磁钢经过霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个低电平信号，再把这个信号接入底板上的单片机定时器0接口。通过底板上的单片机处理信号，用1602显示转速。在显示转速前我们也可用示波器测出电机的转速。霍尔传感器经过一次产生一个低电平，经过后又变成了高电平，这实际上就产生了一个方波。用示波器测出这个波形的频率即可知道电机1秒钟转了多少圈。例：测得的频率是30HZ， 则转速r为：30HZ即一秒钟转三十圈，一分钟1800圈。转速为：=1800r/min霍尔元件测速电路图：2、电机模块电机采用SK3325程控直流稳定电源供电，电机供电电压为6V，限流为1A，转速约为1850转每分钟。因为SK3325程控直流稳定电源输出电压很稳定，所以我们没有使用电机驱动电路。底板上也有一个单片机，用来控制LCD1602显示转速。3、标杆定位模块标杆定位采用的也是霍尔传感器。在标杆上安装一片磁钢，在旋转平台顶端安装一个霍尔传感器。因为电机转速不恒定，标杆定位可防止漂移。电路原理同上。指针式秒表时间计算：先使用霍尔传感器测出转速（电机运动时用示波器测霍尔传感器输出信号的频率，再把频率乘以60就是电机每分钟的转速）。根据转速可算出每一圈使用的时间，然后把这个时间120等分。当旋转平台第一次经过标杆上的霍尔传感器后，不偏移，后来59秒每次偏移两等份。四、 软件设计与流程1、 系统软件介绍：软件部分采用模块化程序设计的方法，由LED自检程序、16个同心圆显示程序、TI杯显示部分程序、时钟显示程序、LCD1602显示部分子程序组成。我们选用STC公司推出的89C52型8位单片机微控制器，它有8K内存，中断处理能力强，适合于实时、高速的应用领域，正适合电机测速。最重要的是它的工作电压为3.35.5V，我们使用的电源刚好可以带动它工作。它比STC89C51电压工作范围要宽。2、 程序流程图程序框图如图所示：主函数开机自检同心圆TI显示时钟显示转速显示 在主函数里面调用其他函数3、程序代码#include typedef unsigned int uint;typedef unsigned char uchar;sbit key=P11;uchar code table=0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfe,0xfe,0xfe,0x00,0xfe,0xfe,0xfe,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff, 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfe,0xfe,0x00,0xfe,0xfe,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff, 0xef,0xef,0x2f,0x00,0x6f,0xeb,0xfb,0xfb,0x7b,0x1b,0xe3,0x7b,0xfb,0xfb,0xfb,0xff;uchar code table1=0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0x07,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfe,0xfe,0x00,0xfe,0xfe,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff ,0XDF,0X3F,0XFF,0X00,0XEF,0X5F,0XBF,0X7F,0Xde,0Xd8,0Xc7,0Xde,0XdF,0X9F,0XdF,0XFF;uchar t=0,num=0;/延时函数大约1msvoid delaynms(uint z) uint i,j;for(i=0;iz;i+)for(j=0;j110;j+);/自检函数void zijian() uchar i,j;uchar tab=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;for(i=0;i0;j-)P2=tabj-1; delaynms(1000);P2=0xff;/同心圆显示函数void tongxinyuan() uchar i,j;uchar tab=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;for(i=0;i0;j-) P2=tabj-1; delaynms(300); P2=0xff;for(j=0;j0;i-)P0=tabi-1;delaynms(300);P0=0xff;/定时中断0函数 void timer0()interrupt 1 if(t=48) P0=0xff;P2=0xff;t+;Else P0=tablet; P2=table1t; t+; if(t=120)t=0;TH0=(65536-240)/256;TL0=(65536-240)%256; /主函数void main()TMOD=0X01;TH0=(65536-240)/256;TL0=(65536-240)%256;EA=0;ET0=1;P0=0Xff;P2=0Xff; zijian();while(1) if(key=0) num+=1;if(num=1) tongxinyuan(); /第一次按键，同心圆if(num=2) P0=0xff;P2=0xff;TR0=1; /第二次按键，TI杯 if(num=3) TR0=0; /第三次按键，时钟TR1=1;num=0; 五、系统测试与误差分析1、 测试环境时间：2012年8月7日温度：空调室内252、 测试仪器（1）UYIGAO系列 UA78三位半数字万用表（2）DS 5062M数字示波器（3）自制手电筒（4）SK3325程控直流稳定电源（5）GFG8216A型函数信号发生器/计数器3 、测试方法思路：先进行常规性检查，检查是否有漏焊、虚焊、错焊，用万用表检查电源是否短路、负载是否开路或短路，防止因短路烧毁硬件。然后再对各个部件、各分机、再进行整机联调。硬件模块测试：在进行常规性检查后即可上电。上电后测试单片机、霍尔传感器1脚的电压。3.1写一个程序，给P0口和P2口全部赋低电平看LED灯是否亮，同时这个还可以检测出这个电池是否能带动LED灯和单片机，看电流够不够。3.2用手电筒照向光敏二极管，看LED亮度变化。正常状态下应该是，外部环境光线越亮LED灯越亮。3.3上电后，将示波器探头接在霍尔传感器输出端，接好地。用手拨动旋转平台磁钢经过时观察示波器上面的霍尔传感器输出波形。3.4写一个跑马灯程序，下载进去后观察LED的亮灭。软件模块测试：采用自下而上的调试方式，先进行模块测试程序的调试，待全部通过之后将所有的软件程序串接起来并结合硬件电路进行整体调试。4、 测试数据霍尔传感器输出 表1 电机不转，用手拨动旋转平台测试次数电源电压磁钢与霍尔器件距离（cm）霍尔传感器输出电压（mv）14112224215634.5113044.5215055113265216075.5110085.521649611521062161116.51103126.521701371951472147 表2 电机转动测电机转速测试次数霍尔传感器1脚电压（V）磁钢与霍尔器件距离（cm）频率（Hz）转速(转/min)141.525.2151224.21.526.1156635