基于单片机制作的旋转LED显示系统设计

摘要随着半导体产业的快速发展，时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活的各个方面。在运动场馆、银行、车站、交通干道、商业场所等随处可见，LED作为一种新的发光元件，其具备了很多优点，首先高亮度、稳定度高，此外成本低、功耗低。传统的LED点阵式显示屏以独立的个体LED作为最小显示单元，这样的话不但成本比较高，而且对电源稳定性及系统散热条件提出比较高的要求。而且显示面局限于平面，人们的可视范围受限。本项目提出了一种新的旋转LED显示器：结合了物理知识，用电动机带动一排LED绕轴旋转，可视范围达到了360度，利用人眼的视觉暂留效应将线阵转变为平面。本次设计用少量的LED代替了传统LED显示屏的大量LED点阵本，这样就大大节省了资源，并且克服了显示屏的不到之处。本文介绍了旋转LED显示器的工作原理，详细说明了其硬件架构和基于STC12LE5052系列单片机为核心，并指出设计过程中所遇到的问题以及应对方案。最终实际效果、测试结果、数据参数表明，该设计满足本文设计要求，具有很强的创新性，并有作为显示宣传的实际应用价值。关键词：LED视觉暂留旋转1AbstractWiththerapiddevelopmentofthesemiconductorindustry,thedevelopment,digitalelectronictechnologyhasspreadtoeveryaspectofourlives.Insportsstadiums,banks,railwaystations,transportationcorridors,commercialestablishmentseverywhere,LEDasanewlight-emittingelement,whichhasalotofadvantages,thefirsthigh-brightness,highstability,inadditiontolowcost,lowpowerconsumption.TraditionalLEDdotmatrixdisplaywithindependentindividualLEDdisplayunitasaminimum,inthiscasenotonlythecostisrelativelyhigh,butalsoforthepowersystemstabilityandrelativelyhighthermalconditionsputforwarddemands.Andconfinedflatdisplaysurface,peoplesvisualrangeislimited.ThisprojectproposesanewspinontheLEDdisplay:acombinationofphysicalknowledge,witharowofLEDmotordrivenaboutanaxisofrotation,thevisualrangeofupto360degrees,theuseofthehumaneyespersistenceofvisionintothelinearplane.ThedesignwithasmallamountofLEDinsteadofthetraditionallargenumberofLEDdotmatrixLEDdisplaythis,thusgreatlysavingresources,andnottheDepartmenttoovercomethedisplay.ThispaperdescribestheworkingprincipleoftherotatingLEDdisplay,adetaileddescriptionofitshardwarearchitecturebasedSTC12LE5052seriesmicrocontrollercore,andpointouttheproblemsencounteredinthedesignprocessandresponseoptions.responseoptions.Finalactualresults,testresults,dataparametersshowthatthedesignmeetsthedesignrequirementsofthisarticle,withstronginnovation,havepracticalvalueasapropagandashow.Keywords:LEDrotatingpersistenceofvision2目录摘要.1Abstract.2前言.3第一章绪论.41.1研究背景.41.2国内外研究现状.41.3课题设计要求及相关理论.4第二章系统方案论证.62.1系统框架.62.2单片机部分.62.3电源方案分析.62.4LED驱动分析.7第三章系统硬件设计.83.1系统总体电路设计.83.2单片机主控制电路板设计.83.3LED驱动模块电路设计.93.4无线供电模块.11第四章系统软件设计.124.1主程序设计.124.1.1主程序流程图.124.1.3主板显示原理.13第五章系统调试与分析.155.1硬件调试.155.2软件调试.155.3旋转LED整体调试.155.4调试故障分析.175.6调试结果及分析.17第六章总结.196.1课题总结.19参考文献致谢0前言本文提出了一种新型旋转LED显示器的设计：用电动机带动一排LED绕轴旋转，可见范围达到了一周360度，利用人眼的视觉暂留效应将线阵转变为平面，克服了LED平板显示屏的不足。此方法用少量的LED代替了传统LED显示屏的大量LED点阵，同时克服了传统显示屏的不足之处。本文介绍了旋转LED的工作原理，详细分析了其硬件架构和基于STC12LE5052系列单片机为核心，并提出设计过程中所碰到的问题及应对方案。实物的实际效果图、测试最终结果、技术参数表明，该设计满足本文设计要求，具有很高的创新性，并有作为显示宣传的实际应用价值。全文共分为六章。第一章绪论，第二章系统方案论证，第三章系统硬件设计，第四章系统软件设计，第五章系统调试与分析，第六章总结与展望。1第一章绪论1.1研究背景伴随着电子信息技术行业的快速成长，各种各样的新型技术、新的思路不断出现这个社会。发展了近几十年，电子产品正朝着高效、节能、便捷的方向迅猛迈进，消费群体对电子产品的质量体验也提出了更高的需求。我们必须具有细致的观察力，敏锐的洞察力，能够发现产品的欠缺之处，并且在原有基础上进行改造与创新。LED显示屏是由许多LED点阵构成的，一般情况下，由处理器来控制LED灯的亮灭来显示图形或文字。在宣传广告、活动展示上，点阵式LED显示屏的优点是不用置疑的，但也具备一定的不足之处：传统的LED显示器是以个体LED为最小显示单元。然而在实际生活中，就需要达到更远的可观察距离和更绚丽、细腻的字符显示效果，并且因为LED的电光转换效率偏低，就是有大量的能量浪费在电阻生热上，特别是户外展示的LED显示器，更需要做好防范各种恶略天气的准备，而且许多LED点阵产生的热量不容易散发出去，长时间的高温会造成元器件的衰老，同时对系统的稳定性造成影响。除此之外，点阵LED屏一般情况下是以一个平面的形式呈现画面，它的分辨率由LED的密度和数量所决定，而且成像角度相对固定，不能让人们多角度的观看，除此，大量的点阵LED，导致表面凹凸不平而降低视觉体验。1.2国内外研究现状LED显示屏出现于20世纪90年代，经历数几十年的发展平面显像技术已经慢慢趋于成熟，往后的发展依然是一步追求深入的过程，而“旋转成像LED显示屏”让单单的一块LED板纸呈现出我们所需要的静态图案。应用在地铁站广告牌、汽车车轮，家用风扇，空调室外机的散热扇上等等。1.3课题设计要求及相关理论本设计不仅要求旋转LED显示器可以显示字符、图案，还有当前的时间，而且这些显示的字符图案还有时间可以调整，而且时钟数据掉电后可以保留。在旋转的过程中，人眼看上去，不会抖动闪烁。2旋转LED显示器的成像原理运用到了人眼的视觉暂留效应，所以也被称为POV-LED显示器。视觉暂留英文扩充(Persistenceofvision)，顾名思义人眼看到的东西会保留一段时间，本质是指光对视网膜所产生的视觉，在光线消失后，仍保留一段时间的现象。这种现象是因视网膜神经反应速度而产生的。本设计的核心正是视觉暂留效应：一排单片机控制的LED灯在高速旋转的电动机的带动下，原先禁止的LED经旋转而成的LED点阵，不停的变化刷新LED，前一时刻由LED发光所形成的影像在大脑暂存，下一时刻的影像马上有浮现，前面暂留的和正在显现的结合，便完成了图案、字符的显示。据科学验证，当图像的刷新率达到25fps(25帧每秒，早期胶片式电影所采用的帧速率)时，便能形成影像效果，人眼也不会感受到因图像变换而产生的“跳动感”。怎样才能使人眼感觉字体稳定的漂浮在空中呢？这个我们首先要分析下人的眼睛分辨率，其实只要让电机扫描的快一点就行了，因为科学数据表明肉眼在24帧/秒以上就不会看到闪烁的，所以只要保持电机的速度在24圈每秒以上。圆本是没有起点的，那就需要规定一个起点，而旋转LED正是一个圆周，在这里我们用红外对管判定起点，因为用红外对管比较便宜，而且实现起来也容易。显示的关键就是要靠这个起点了，如果识别不了这个起点，那么旋转的数据就无法显示。怎么才能让一列灯实现一个文字的显示呢？要想显示文字，首先我们待了解文字取模的原理，就以PC2002字幕软件为例，取一个16*16的中文字，见字幕选项设置：从第一列开始向下每取8个点当做一个字节，到最后如果不足8个点就补满8位，按从低到高的顺序取模，就是第一个点作为最低位。如*-取000000013第二章系统方案论证2.1系统框架通过前面所作的工作分析，在硬件结构上，本设计分为两部分，它们分别是底座部分和旋转体部分。电源管理模块和电机控制模块大体组成了底座部分。电源管理模块主要功能就是对设备供电进行管理分配和保护，电机控制模块的功能是使用改进后的数字PID算法控制直流电机恒转速旋转；旋转体部分主要负责驱动LED，并且让所需字符和图案进行合适的显示。2.2单片机部分方案一：STC89C52单片机，工作电压为5V，40脚直插，51内核兼容性强。有8KB的ROM内部存储空间，具备了89C51的功能。但它缺点居多，首先体积大、又比较重，旋转时难以实现平衡。此外响应速度慢，一些快要求快速旋转才能显示的动画显示不了。方案二：相比于方案一的STC89C52，STC12LE5052系列单片机优点就多着了，首先也是51内核，此外兼容性很强，而且具有超强抗干扰，轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰(EFT)。机器周期为0.04167S。由于体积小、重量轻，安装后，容易调节旋转部分平衡性。另外响应速度非常快，MCU的晶振频率设置为22MHz，基本相当于普通8051单片机装上264MHz晶振。一个时钟周期完成1条指令。因此选用STC12LE5052作为主控单片机。2.3电源方案分析本设计的电路主要分为两部分，一上一下，电动机转动来带动上部分的LED电路高速旋转。由于上下两部分不是同一模块，所以无法保持相对静止，也不好使用导线进行供电，所以怎么对旋转体进行供电是本文的一个重点，通过查阅相关资料，并且参考了国内外的相关设计，大概主要有三种供电方式：方案1：采用固定电池供电。直接安装蓄电池到电路板上，给系统供电力。这种供电方式比较简单。但是，有两个问题难以解决。第一，LED的亮度比较大，导致其功耗比4较大，然而电池的带电量比较有限，所以就很难实现系统的长期运作；第二点，电池的体积和重量比较大，固定在板子上极其不利于系统运作，用完电之后，很难替换。如果不固定电池，当电机转动的时，很有可能会甩出去，导致安全隐患。同时，也增加了旋转重心的调节的难度。故不采用此方法。方案二：使用电刷供电。此方案难度比较低，其原理像电车供电，使用两根电刷与旋转体进行接触完成供电。由于电刷的摩擦存在，所以一直会产生噪声，而且会降低供电效率，此外，由于电刷的寿命有限，更换起来也比较麻烦。方案三：逆变器传输此方案采用了物理学的知识电磁感应，无需有限连接，无线传输，无磨损，无噪音，干扰小，此外供电稳定，保证系统稳定运行。有一点缺点，电源利用率不高，但是保证单片机良好无误正常的运行才是最重要的，所以选择逆变器供电方案。如下图电源模块图图2-1电源模块2.4LED驱动分析LED是一种被广泛使用的半导体发光材料，因为它具备了许多特质，如亮度高、功耗低等特点。由于LED具备了二极管的单向导通性，当正向偏置电压足够大时，并有电流流过时，电子与空穴在其内重合而发光，这叫电致发光效应。其所采用的半导体物质材料决定了所产生光线的波长和颜色。5第三章系统硬件设计3.1系统总体电路设计系统总体电路主要包括四个模块，单片机控制驱动电路，红外控制，以及中断检验电路、LED显示器模块。如下图3-1。图3-1整体原理当红外线接收器接收到外面的信号，P3.2端低电平，送入单片机，每旋转一圈接收一次红外发射器一次信号，低电平传到外部中断口P3.2，单片机接收到的信号，进入到中断，让它在LED上刷新显示。3.2单片机主控制电路板设计此显示屏的电路设计中单片机控制电路如图3-2。6图3-2单片机控制原理图如上图所示，单片机为STC12LE5052，4引脚（XTAL1）接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，5引脚（XTAL2）接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出。1脚为RST:复位脚，保持两个周期时间高电平即可复位。VCC:供电脚。Gnd：接地。P1口：8位漏极双向I/O口。可做输入输出口使用。管脚第一次定义为1，则作为输入口使用，可以读取引脚上的高低电平。TO:计时器O外部输入。T1:计时器1外部输入。P3.0:外部数据存储器选通。P3.1:外部数据存储器选通。P3.7:外部程序存储器的选通信号。3.3LED驱动模块电路设计此显示屏的电路设计中LED驱动模块电路部分的电路如图3-3。7图3-3时钟控制电路74HC595为8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断三态。引脚说明Q0Q715，1，7并行数据输出GND8地Q79串行数据输出MR10主复位（低电平）SHCP11移位寄存器时钟输入STCP12存储寄存器时钟输入OE13输出有效（低电平）DS14串行数据输入VCC16电源CPD决定动态的能耗，PDCPDVCCf1+(CLVCC2f0)F1输入频率CL输出电容f0输出频率（MHz）Vcc=电源电压移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7），和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE为低电平，存储寄存器的数据输出到总线。83.4无线供电模块从某种意义上讲，无线供电就是把变压器的两个绕组分开，利用这个原理来传递能量最多的就是电磁耦合变压器，都是利用非放射性的无线能量传递来驱动电器。然后电磁耦合的方式也存在着不足，传递能量效率不高，因为其介质磁芯没有高磁导率，而且磁力能量会严重发散到空气中，特别在两个线圈距离比较远的时候，效率下降的特别明显。所以远距离、大功率的系统不适合使用无线供电。无线供电模块利用互补正反馈振荡电路将直流电转化成高频交流电，通过线圈将交流信号输送到主板电路上，主板电路利用5.1v的稳压二极管，通过220uF的电解电容滤波，将接收到的交流信号变成5.1v直流电，供给单片机，使单片机能正常工作（互补正反馈由三极管B772PNP型、9014NPN型和阻值分别为470、470）如下图3-4及3-5。图3-4无线供电振荡电路图3-5无线供电小板原理图9第四章系统软件设计4.1主程序设计4.1.1主程序流程图图4-1主流程图如上图主程序流程图所示，系统进行过相关的初始化指令之后，进入默认图像显示，然后判断模式按键是否按下，如果按下则进入显示调整模式，根据按键按下次数进行对应的处理，在LED上显示图案和文字。104.1.3主板显示原理我们知道16*16取模是一列一列取的了，一列有2个字节，一共16列，所以一个16*16的汉字就有32个字节，需要占用单片机的Code空间32个字节。然后再结合硬件来分析，如下图：一列灯16个刚好对应16*16一个汉字的一列：2个字节，所以把取模到的数据依次送到P2口和P3,P4口，这里硬件中P3,P4组成一个字节，所以显示程序如下：for(i=0;i4;/这里行和列都是IO口独立驱动的LEDP2.0P2.1P2.211DelayUs(200);/延时让LED亮起来每列延时的时间P2=0XFF;P3=P4=0XFF;在什么时候送显示呢？单片机IO一判断到红外接收管接收到起点信号，就开始显示，显示完16列后等待下一次的起点信号。这样只要电机的速度够快就会稳定的把字显示字空中了。平面的文字显示同理。如何让一组文字不断的移动？这就需要一个字幕计数器，旋转LED每旋转一圈，这个字幕计数器就加一，指向下一列，这样不断的刷新，感觉文字就在移动了，程序如下：j就是字幕计数器，每转一圈j就会加1；if(KEY=0)/红外接收管判断起始位j+;if(j672)/根据显示的字数定义改数值672/16=42个字显示完42个字后重新开始j=0;for(i=j;i4;/这里行和列都是IO口独立驱动的LEDDelayUs(200);/延时让LED亮起来每列延时的时间P2=0XFF;P3=P4=0XFF;12第五章系统调试与分析5.1硬件调试为了调试能够方便一点，我们使用分块调试的方法，因为系统硬件的复杂性，当电路装备完成后，可能无法正常工作。电路由多个模块组成，电源模块、复位电路、输入输出接口电路、下载接口电路等。不管是什么电器，中央处理器永远是系统的核心。单片机也不例外，首先，利用下载口检测单片机，如果检测不到，问题一般是单片机的复位电路、下载口、以及晶振。分别对这三个端口进行检测，基本都可以解决问题。其次，对芯片进行检测。检测芯片的电源连接情况，使能控制端的情况。这些疑点都搞定之后，就可以进行软件测试。5.2软件调试为了让整个调试进程有条不紊的进行下去，整个调试过程要分模块来进行，这样就避免出现混乱。首先，调试驱动芯片。通过查阅相关资料，查找相关芯片的参数，以及控制方法，调试起来就容易多了。此外，在布PCB的时候，把主机模块的单片机的端口引出来。可以方便对通信进行测试。5.3旋转LED整体调试重心调节问题是整体调试的一个关键，弄不好，电路板就无法正常旋转，由于本设计在使用中需要高速旋转，因此必须保证旋转体重心与旋转几何中心重合，否则强大的离心力会使整个器件产生很强的抖动。在调试过程中，将电路板在几何中心处用细线悬挂，通过观察其倾斜情况，通过在PCB上面加两根铜螺丝的方法来保持平衡调整重心位置，使悬挂的电路板在空中保持水平。详情如下几幅实物图13图5-1实物俯视图图5-2旋转主板图5-3供电板145.4调试故障分析(1).旋转LED上电后，电机旋转，但是无任何反应，最外圈的电源指示灯(即R0电阻下的LED)也不亮A、先检查供电板上元件的位置以及正负极性，是否跟制作说明中的一样。B、检查元件有无虚焊现象。C、连接电源后，测量初级线圈电压。用万用表交流档20V测试，有6-9V的交流电压输出是正常。如不正常，检查输入电源是否是5V。所测电压均是点对地的电压，供参考，有误差是正常的D、检查旋转主板4个4148焊接位置以及正负极性是否正确。E、检查线圈焊接是否焊接在镀锡处，不能焊接在包漆处。F、连接电源后，用万用表交流20V档测量次级线圈电压（L1处）测量前记得先去掉电机的电源线，正常电源应该在7V左右。(2).红外遥控器遥控不了利用提供的“红外遥控测试程序”测试红外接收是否正常。下载好红外遥控测试程序，直接从下载口供电，遥控器对着接收头按任意按键，正常的话会看到部分LED根据按键值亮起来，否则看下面分析：A、检测红外一体化接收头是否和制作说明中的焊接方向一样。上电后无红外信号时IR管脚是高电平的，如果是低电平说明红外一体化接收头损坏。B、用手机摄像头看，当按下遥控器时，遥控器的红外发光二极管有没有亮，如果没亮拆下并检测遥控器电池是否有电。(3).旋转LED旋转时抖动大A、确定铜柱固定是否和制作说明中的一样B、底盒通过加沙石加重重量5.6调试结果及分析结果如下图15图1-4时钟显示由于旋转LED显示器需具备图像和钟表图案的显示能力，因此必须保证其旋转一周恰好显示完整的一副图像图5-5旋转显示经过测试，调整过重心后的电路板在高速旋转时非常稳定，达到了设计的要求。通过观察刻度线是否正常，对程序中的参数进行微调。调整后，图像的显示效果良好，达到了设计的要求。16第六章总结6.1课题总结此设计是以STC12LE5052单片机为核心的LED显示屏。LED装置在旋转时显示动、静态文字、图像。最终的成像效果和现今平板LED显示屏一样。运用数字合成控制技术，由转速结合单片机控制可以定位任意一点，使其在设定时刻内亮息自如和亮度可控，从而达到合成图像效果。此装置显示的动画和图片可以由电脑转换后，下载到显示器中储存。显示器是应用在运动物体上的，让旋转的动态物体呈现静态的图像。致此本人的设计完成了预期的目标，系统在软件仿真、硬件测试、实时显示方面做的还算可以。由于条件有限，实习工作期间时间较少，知识水平有限，设计成果相对简单，仅为单色显示，若时间充沛学习FPGA后，应该可以做出彩色LED显示屏，虽为单色显示屏，但有一定的实用价值和市场前景，可用在广告和娱乐场所等。17参考文献1陈立剑，蒋炜，陈方亮，智能化锂电池充电系统研究J.船电技术,20112黄争，德州仪器高性能模拟器件在高校中的应用.上海：TI大学计划部,20123陈承康，基于视觉暂留的电子稳像方法研究D.华中科技大学,20124苏大09信息-0916407014-徐志萍-论文省优稿v3(1)5韩润萍，陈小苹，点阵LED电子显示屏控制系统M北京：北京服装学院报，2003年7张靖武，周灵彬.，单片机原理，应用与PROTEUS仿真M西安：电子工业出版社，2008年8陈蕾，单片机原理与接口技术，LED驱动显示原理北京：机械工业出版社9张志强，周克兰，C语言程序设计，C语言程序的运行，北京：清华大学出版社10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200511徐科军，传感器与检测技术M，北京：电子工业出版社200412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，200413戴佳，51单片机系列应用开发典型实例M，北京：中国电力出版社，200514陈尚松，雷加电子测量与仪器M，北京：电子工业出版社，200618致谢首先真挚的感谢吴文明的指导，在本论文的写作过程中，吴文明老师从选题到开题报告，从写作提纲，到详尽指出设计中的具体问题，严格要求，引导我开阔思维路线，解决疑难问题。老师的谆谆教导使我见识了自动控制领域的深奥，不时的讨论并指点我正确的方向，同事也弥补了我的大学专业知识的欠缺，能够在即将毕业之际，学到一些对以后人生有帮助的知识，我感到非常荣幸，也非常感谢吴老师。老师对学问的严谨更是我辈学习的典范。在此我表示衷心感谢。还要感谢徐云刚，邹志同学，正是因为他们的支持和帮助，整个系统才能得以顺序完成。最后感谢所有关心和帮助过我的老师与同学们。19附录：中英文文献翻译名称无线传感器网络20附录1.主程序#includeNEW_8051.H#includetask.hbitBIT_10MS;externvoidOS_ALLRun(void);externvoidstart(void);voidinit()EA=1;/总中断#ifdefEN_OS_INT0IT0=1;/外部中断为边沿触发EX0=1;/允许外部中断#endif#ifdefEN_OS_INT1IT1=1;/外部中断为边沿触发EX1=1;/允许外部中断#endif#ifdefEN_OS_SERIALSCON=0x50;BRT=0xfb;/0xfb:18.432MHz,12T,SMOD=0,9600bpsAUXR|=0x11;TL1=0xFB;TR1=1;*/ES=1;/允許串口中斷PS=1;/串行中断优先PSH;#endif#ifdefEN_OS_TIMER0TMOD|=0X02;ET0=1;TH0=0x000;/设定定时器初值20USTL0=0x0E1;/TR0=1;21#endif#ifdefEN_OS_TIMER1TMOD|=0X20;/8位自动重载模式ET1=1;/定时器0开中断TH1=0x00;/定时160us晶振18.432MTL1=0x00;#endif#ifdefEN_OS_UART2S2CON=0x50;/0101,00008位可变波特率，无奇偶校验位,允许接收BRT=0xfb;/0xfb:18.432MHz,12T,SMOD=0,9600bpsAUXR|=0x11;/T0x12,T1x12,UART_M0x6,BRTR,S2SMOD,BRTx12,EXTRAM,S1BRSIE2=0x01;/允许串口2中断,ES2=1#endif#ifdefEN_OS_PCA0/用于16位定时CMOD=0x80;/12分频CCON=0x00;/清中断标志CL=0;CH=0;CCAP0H=0xEF;/40ms定时CCAP0L=0xD8;#endif#ifdefEN_OS_PCA1/用于16位定时CMOD=0x80;/12分频CCON=0x00;/清中断标志CL=0;CH=0;CCAP1H=0x01;CCAP1L=0x68;/us定时#endifvoidmain(void)init();22start();while(1)OS_ALLRun();2.时钟显示程序#includeNEW_8051.H#includetask.hbitfl