自动控制原理实物设计制作报告

自动控制原理实物制作报告题目：LED显示棒摘 要本系统是用单片机(AT89C2051/4051)、三个驱动芯片74HC595、超高亮白色LED灯24个、电源、水银开关等器件制作LED显示棒。该系统是利用手挥动LED显示棒，由位于显示棒上端的水银开关产生中断，并将中断信号送单片机处理，控制三个驱动芯片74HC595，利用该芯片的移位与锁存功能控制LED灯点亮或熄灭，由于人眼的视觉暂留效应，当位于一条直线上的LED灯进行逐列扫描时，通过软件的设置，扫描过的区域便会显示出所要求的字符或图形。用按键切换要显示的内容、控制字符或图形的缩放。根据实测结果，表明所设计的系统性能指标完全达到题目基本要求，发挥部分也已经完全满足题目要求。 参与同学姓名： 班级： 学号： 分工：参与同学姓名： 班级： 学号： 分工：一引言为了满足题目的要求，即能显示图形、字符，设计中采用AT89C2051/4051单片机控制24个高亮白色LED灯，形成2424点阵显示扫描区，用其中一个按键来切换要显示的图形、字符，同时为了满足发挥部分的要求，再设计另一个按键来实现显示图形、字符的缩放。二系统整体结构及方案论证21设计思路根据题目要求，要设计制作一个LED显示棒，依靠摇动显示设定的字符、图形。例如要显示设定的字符“A”，摇动LED显示棒形成的点阵显示区如图2-1所示(以2416为例讲述原理)： 图2-1 字符A示意扫描区其中字符“A”的字模如下，/*- 宽度x高度=16x24 -*/0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x07,0x0E,0x1C,0x1C,0x0E,0x07,0x01,0x00,0x00,0x00,0x000x01,0x07,0x1F,0x7E,0xE6,0x86,0x06,0x06,0x06,0x06,0x86,0xE6,0x7E,0x1F,0x07,0x010xF0,0xC0,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xC0,0xF0注：图2-1中黑色为亮的LED灯，白色为熄灭的LED灯，实际显示的是字模中数据的取反。该装置由AT89C2051/4051单片机控制，利用24个超高亮白色LED灯，纵向排列为一条直线。图像形成的原理是：当开始摇动LED显示棒时，即进行第一列像素的扫描，由单片机控制将图形列像素数据0x00,0x01,0xF0传输到三个驱动芯片74HC595中，因为实际电路中的LED灯是共阳极连接的，所以24个LED灯中对应为0的被点亮，对应为1的被熄灭。反应到图2-1中的第一列，图中黑色点对应的是被点亮的LED灯。在第一列像素数据开始显示的同时进行第二列像素数据的串行传输。由于74HC595芯片内置数据锁存器和移位寄存器，所以在移动的过程中，能够进行下一列数据的传输又不会影响本列数据的显示，在第一列数据显示结束时，第二列数据已经传输完毕，在给出锁存器选通信号后，开始新一列像素数据的显示，同时开始下一列像素数据的传输，依次类推形成逐列扫描，直到16列数据全部扫描结束。只要顺序传送的速率足够快，由人眼的视觉暂留效应，这个点阵扫描区就会形成一个完整的字符“A”了。因为在软件中设定了每列数据的显示时间，所以扫描图形的宽度就由手移动的速度决定了，总体视觉效果如图2-1示.行数24是由硬件电路决定，但具体多少列由软件决定，可通过软件设置改变列数。其它图形的显示原理和字符“A”的显示原理相同。 2.2 系统结构与方案论证系统的结构框图如图2-2：图2-2系统结构框图整个系统由单片机控制、运动（扫描位置）检测、按键、驱动显示、供电电源等几部分组成。各部分作用如下：1） 单片机控制部分：接受来自运动检测部分和按键部分送来的信息，进行处理并提供列像素数据，驱动显示部分控制LED灯的点亮与熄灭，配合LED显示棒的移动显示要求的字符、图形。2） 运动检测部分：采用水银开关，用来检测显示棒移动的位置，产生中断。3） 按键部分：切换要显示的图形形状、控制缩放等。4） 驱动显示部分：接收并保存单片机送来的像素数据，由74HC595驱动控制LED灯的点亮与熄灭。5） 供电电源：向整个系统供电，AT89C2051/4051单片机采用5V电源供电。2.3各部分设计方案选择 2.3.1 单片机控制部分方案一：采用AT89C2051/4051单片机,串行输出方式，满足设计的要求。AT89C2051/4051是一种低电压（12时的电压范围在3V-5V）、高性能CMOS8位单片机，片内含2K/4K字节的可反复擦写的Flash程序存储器ROM和128字节的随机存取数据存储器RAM，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置8位中央处理器和Flash存储单元，其时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，性价比较高。使用AT89C2051/4051单片机，连接三个74HC595驱动芯片，采用串行输出方式时，利用74HC595的移位锁存功能，能够驱动超高亮白色LED灯的显示，具有足够高的亮度；当采用并行输出方式时，由于每次只能传输8位数据，必然会造成同一列数据显示的滞后，另一方面又因视觉暂留效应，使显示的图案看起来形成错位。所以当采用AT89C2051/4051单片机时，使用串行输出方式，满足设计的要求。 方案二：采用89C51单片机，满足设计的要求。89C51单片机拥有40个管脚，集成度高，功能强大。当采用89C51单片机直接驱动时，单片机单个管脚的输出电流可以达到20，能够驱动LED灯的显示，但是设计采用了24个LED灯，这样就会造成总的对地电流很大，单片机很难负荷如此大的电流，同时又因被分配到每一个LED灯上的电流变小，所以亮度变小；当采用驱动芯片作为中间传输媒介时，一方面会使许多管脚处于闲置状态，造成资源的浪费，另一方面，会造成硬件电路面积较大，不利于显示棒的移动，影响实验效果。方案选择：从这二个方案可知，选择任一种单片机，当采用不同的连接方式时基本能满足设计的需要，在满足设计需要的前提下，从设计显示的效果、资源的节约及硬件电路连接上考虑，选择方案一并采用串行输出的方式是最好的设计方案。2.3.2运动检测部分水银开关是用来检测显示棒的移动位置，目的是通过水银球的摆动控制开关的通断，产生中断信号，并将信号送到单片机处理，控制显示棒的扫描周期。此处也可以采用光限位开关，它是机械开关，但机械开关存在抖动，会造成触发的不稳定。水银开关相对于机械开关来讲，具有许多优点：结构简单，体积小，最主要的是它电极间的接触电阻一般低于100m，其导电性较好，性能可靠。所以该部分设计方案采用的是用水银开关。2.3.3扫描方式及显示驱动电路扫描方式：方案一：采用双向扫描方式。开始摆动时，水银球触发电路扫描计时开始，在显示棒运动到最右端时，再次产生中断，下一个扫描周期开始。这样存在的问题是当第一个周期的显示尚未结束，下一个周期的扫描便开始，在棒进行回摆时，由于视觉暂留效应，使图像看起来比较混乱。方案二：采用单向扫描方式。第一个扫描周期与双向扫描的情况相同，不同的是在进行下一个周期的扫描时，由于显示棒运动到最右端时，然后再回摆的过程中，单片机不再响应中断，从而使上一次的最后一列的扫描数据有足够的时间显示完毕，所以扫描图像看起来比较清晰，不会有图像重叠的现象。根据上述实际情况，设计采用方案二。显示驱动：驱动芯片74LS164 可以通过同步串口驱动LED的显示，但是不具有数据锁存器，传输数据没法锁存，造成显示看起来不清晰，对本系统不太合适。驱动芯片74HC595主要优点时具有数据锁存器，在移位的过程中，输出端的数据保持不变，这样就能保证LED灯的同时点亮。所以决定采用驱动芯片74HC595。与普通的LED灯相比，超高亮白色LED灯的优点是发光强度高，性能更加的可靠。2.3.4按键按键可采用功能复用方式，采用这种按键数量少，节省硬件，但增加了软件的复杂性，；另一种方案是采用单功能键，按键有两个，但操作简单、直观。由于该设计硬件相对简单，所以采用单功能键。2.3.5 供电电源部分可供选择的方案有两种:方案一：采用镍镉/镍氢蓄电池方案，满足设计的要求。方案二：采用一次性干电池方案，同样可以满足设计的要求。方案选择：镍镉/镍氢蓄电池供电时内阻小,负载特性硬,虽一次性投资较多，但多次使用可彰显其经济性。一次性干电池由于其内阻相对较大，会使负载电压特性较软，其输出大电流的能力不及镍镉/镍氢蓄电池，虽单只价格比较便宜，但寿命短，经济性差。由于本设计采用AT89C2051/4051单片机，在频率为12时其要求输出在3V到5V之间，由镍镉/镍氢蓄电池的单体标称电压为1.2V，采用4个时电压为4.8V，正好满足要求，且无需稳压电路；一次性干电池的单体标称电压为1.5V，采用3个时只是在最初满足要求，很快电压就下降无法驱动单片机，采用4个时，在最初会超过单片机极限电压，这是不允许的。综合考虑决定采用镍镉/镍氢蓄电池作为供电电源。根据上述各部分分析，最终设计的原理图如图2-3所示：图2-3 系统完整电路图三设计实现要想完成LED显示棒的设计，软件占据很大一部分作用，其中最主要的问题是如何定时一周期？启动开关，当LED显示棒静止时，LED灯不会发亮，当摆动显示棒时，水银开关接通触发外部中断零（INT0），单片机AT89C2051/4051启动T0计时，当显示棒再次摆回到原位置时INT0再次产生中断，T0停止计时，即可得出摆动一次时间T，既是摆动周期。由于系统设计的是2424扫描区域，所以将T平分24等份，每份时间由定时器T1计时，每列显示的时间就是T1的定时时间。具体的软件系统包括主程序、外部中断子程序、定时器中断子程序，具体设计思想见附件1程序流程图。四测试结果4.1测试方法及过程本系统测试方法及过程非常简单：将实物组装好，闭合开关，按照一定的规律来回摆动LED显示棒，观察是否能清晰的显示题目要求显示的字符、图形。要显示其它的图案，可通过按键切换实现。4.2 测试结果 利用手来回摆动LED显示棒，题目基本要求部分全部完成，即通过按键的切换，可以清晰的观察到字符“A”、“电”、国际奥委会五环图形；发挥部分的字符、图形“Welcome”、“美亚”、北京奥委会会徽也已能清晰的看到。我们设计的特色是显示一个能缩放的字符和自动播放字符或图形。部分显示扫描结果已拍成照片，详见附件2. 五结论通过测试结果知道，本设计不