【《基于STC12C系列单片机的LED旋转显示系统设计》15000字（论文）】

第页共28页1绪论1.1研究背景及意义进入二十一世纪以来工业和科技水平一直在进步，复杂度越来越高的集成电路开始得到发展，給大众生活带来了根本性质的改变。微型计算机技术的应用也已经走进了千家万户，LED显示屏技术也随之而诞生了，它的出现更新了传统的宣传方式。由许多小面板构成了LED显示屏。发光二极管是一种可导光的半导体，该半导体为几种化合物组成，分别为镓、砷等。因为里面的电子和空穴会相互进行一个结合，从而导能够反射回可见光，科学家利用可以反射光的这种特性而制作成了发光二极管。应用在各行各业当中，包括指示灯或者其他文字显示当中。发光二极管由几种物质组成，不同物质构成的二极管所反射出的光线也不一样，可以发射出红色光线的LED灯是由磷、砷、镓三种化合物组成的二极管，可以反射绿色光线的LED等是由磷、镓等几种不同的物质掺杂在一起组成。在日常生活中LED显示屏主要用于数据信息的显示，广泛应用于各种宣传上面。但是传统的LED显示屏可视范围较小，混色或者配光都不能够理想的状态。远距离观看时画面会比较模糊不清晰，近的时候观看会觉得不够美观，柔和度也欠缺。而且大部分使用的LED显示屏成本和功耗较大，类似于显示一个16*16大小的字符，传统的LED显示屏需要消耗16*16个LED灯，旋转LED只需要16个[1]。本设计的目的主要是为了解决传统LED显示屏技术中存在的缺陷，因为目前市场上所销售的LED显示屏所采用的方式是将LED灯进行平铺式的排列，导致后期的维修和制作成本较高。而且画面只能进行滚动显示，在两者显示相同的字符数据的时候，传统的LED显示屏所需要的功耗比较大。本设计的方案目的就是为了去解决这些传统显示屏的不足，并且为了使LED显示屏能够随时更换所需显示的内容，而设计的一款旋转显示屏。1.2国内外发展及研究现状LED显示屏最开始时是单双色显示，然后逐步发展到现在大众所看到的的全彩。技术工艺也从直插式发展到了贴片。为了能够提升显示屏的画质和满足公众需求，企业更是不断的对设计工艺和技术进行了改进和探索。清晰度和画质更高的产品让企业开始引领了行业的发展，这是一个有进步意义的事情。该产品的发明让LED显示屏能够快速的进入到商用显示的地步。在科技进步的未来，LED显示屏的商业价值会增大[2]美国科技公司RubinBraunstein在研究当中发现了可以反射红外线的某些半导体。而在上世纪六十年代的美国通用公司的工程师尼克•何伦亚克在1962年发明了发光二极管。自此以后在全球起了一股技术潮流，该潮流在后来的人命名为是发明电灯泡以后第二场在照明上的革命。在后来的时期当中工程师尼克•何伦亚克被人们称为“LED灯之父”。在1980年以后LED显示屏开始作为一种新型的宣传媒体开始在世界上崛起，其原理是将LED灯按照行列式组成点阵模块，或者像是一排排像素点一样大面积的屏幕。LED显示屏性能较稳定，使用的寿命较长而且适应能力强价格也相对有性价比。此阶段后的时间里，在显示领域LED显示屏的热度一直高居不下。在各行各业得到了广泛地应用[3]。LED产业真正的崛起时间是在上世纪九十年代初的日本，在这个时期日本科学家中村修二(ShujiNakamura)，在LED灯这个领域有了重大的突破，也因此制作出来蓝光的LED灯。从此技术问世后，真正开启LED灯时代的是因为白色LED灯的出现[3]。在此阶段内该行业引来了黄金阶段。在九十年代整个世界的科技产业和技术在不同的领域都有着突破和改进。关与LED显示屏的科研成果也不断涌现，不管是制作材料或者性能方面都有了大幅度的一个提升。可以显示不同颜色的显示晶片被研发出来，彩色显示屏开始进入大众的视线。在计算机领域方面，视频控制技术开始在显示屏方面进行测试。在此阶段上显示屏的显示灰度等级由16个慢慢提升到了64个，这个技术的进步对之后的动态显示起到了推动性。在这个阶段，国内外的企业迅猛发展，产值大幅度得到了提升。LED显示屏所涉及的范围也在增加，其中包括在金融证券领域的应用。因为对相关技术的研究国内对于该行业的技术一直在不停的更新，因此国内的显示屏行业在全球范围内都保持着较高的一个行业水平。在上个世纪九十年代出，无线遥控技术和视频控制技术开始被国内所掌握。而且在近年时间当中，我国技术也在不断的发展。在大众百姓当中彩色LED显示屏得到了普及，画质更高和更加的清晰。步入二十一世纪，科学家对于此领域的科技越来越先进，在制作材料或者功耗上面都有了不同层次的一个提升。在这种背景下LED旋转显示屏被研发出来，旋转led显示屏灵活多变，动感十足，效果更炫酷，更容易吸引潜在客户眼球。在商业的展示平台当中旋转LED显示屏占据了主要地位，也是国家机关和相关部分对公益活动以及法治教育的好媒介。LED旋转显示屏的出现增加了可使用的场地包括购物广场的楼顶装饰、十字街口以及其他场地。该显示屏分模块的设计，在拆卸以及维修或者场地更换方面都很轻松和便捷。1.3本文主要内容本次课题主要完成LED旋转显示系统的软件设计和硬件电路的制作。该显示系统选用的是宏晶科技研发的STC系列芯片作为主控芯片。将贴片LED灯安装在直流电机的支架上，并且贴片LED灯在高速电机的带动下绕中心轴进行旋转。控制主板接收传感器模块反馈回来的信息数据，利用I/O口对LED灯进行控制，使之在相对应的时候点亮或者熄灭。因为人眼会对高速运动的物体保留一定的残像，这个残像和后面所看到的帧联合起来，在视觉上就会觉得是连续和完整的图像。本次完成的效果在于能够立体显示字符数据信息，并且该系统能够通过WIFI或蓝牙等无线传输方式和手机APP进行无线通信，利用无线传输方式传送字符数据，可以实时修改LED旋转显示屏的字符数据。本次设计主要的研究工作如下所示：1.对传统的LED显示屏扫描形式式进行解析和总结，在该基础上设计新的形式。对比传统的扫描方式，新的设计将会对之前扫描方式的不足进行优化，简单易懂。使用单片机来控制LED灯在预设的位置进行亮灭。设计一个转接灯板，通过三极管放大电路为LED供电，从而实现LED点阵屏的硬件部分的设计。2.设计相对应的算法方式，使显示屏显示的内容和高速电机的转速相一致，不会出现无法显示或者字体显示混乱等问题。3.采用目前市面上的取模软件对所需的显示数据进行预先的取模，并将点阵数据保存在EEPROM当中。通过串行通信传输烧录程序到单片机当中，同时验证LED显示屏系统是否能正常显示字符信息。并对程序进行测试，排除显示过程当中出现的拖影或者乱码等现象。4.由于51单片机内存较小，并不能储存所有的GB2312字符点阵数据，因此本设计采用高通生产的GT21L16S2Y字库芯片，作为外部数据存储中心，搭配蓝牙模块实现无线修改字符信息。5.由于高速旋转会产生作用力，如果扇叶重心点没有找对或者底座过轻就会导致整个系统不稳定，出现颠簸和震动，可能会出现导致整个系统损坏。所以在整个硬件设计过程当中需要设计出整体的硬件系统，确定该旋转系统重心以及整个模块经济性和实用性。做到动态平衡，减少因为旋转带来的影响。本设计于此基础上，设计了一款LED旋转显示屏，最后通过实验进行验证。

2整体方案设计2.1系统概述人眼能看到的频率是1/24每秒，当某个物体以超过这个速度的频率移动时，人眼看到的影像会继续残留在视网膜内，大约0.1-0.4秒。在上一帧图像还没消失前，又看到了下一帧的图像，形成了一种视觉上的错觉，大脑会觉得是一幅连续的图像，这种现象被称为视觉的残留效应。本文所提出的LED旋转显示系统就是基于该原理进行的实用性应用成果。该设计的硬件系统所采取的是一种拼接式的结构。因为要实现文字的立体显示，所以将点阵显示屏的贴片LED灯和控制主板分离，将其集成在一块PCB板（灯板）上。由于本系统能够提供的电压较低，并不能同时驱动16个LED灯进行显示，所以利用三极管连接组成的放大电路对贴片LED灯进行供电，确保贴片LED灯能够正常的运行。因为控制主板需要在电机的带动下绕中心轴进行高速的旋转，传统的供电方式在旋转过程中会使电源线缠绕在一起，所以该系统设计了一个底座，将供电模块固定在其中。在供电方面采用无线供电的方式对整个控制主板和LED显示电路提供稳定的电流。无线供电的原理是通过两个线圈进行互感的方式进行，通过线圈L1和L2为控制主板和灯板进行供电。本设计主要实现的功能就是LED旋转显示屏可以实现字符数据的立体显示，手机APP可以通过蓝牙模块发送文字数据到单片机上，并将其显示于LED旋转显示屏上。2.2方案设计该系统整体方案的设计思路为，首先在硬件上通过固定套件将控制板与高速直流电机进行组合连接，无线供电模块对电机及主板进行供电。程序设计上采用串行总线输出到单片机当中，然后根据预先储存在单片机内存当中的点阵信息显示出固定的字符数据。控制板所获得的点阵信息除了通过读取单片机内存的方式进行之外，还可以采用控制板上的蓝牙模块进行数据传输后解码显示。根据该系统的任务要求，在硬件设计上分成了核心控制模块、LED显示模块、数据存储、无线传输模块、高速直流电机模块、电源模块六部分。利用高通生产的GT21L16S2Y字库芯片对字符数据的点阵信息进行存储。这种分层设计的好处在于后续调试开发的过程中的一个方便性和实用性。在调试和开发的阶段可以对单块模块进行调试，当出现故障时便于快速排查。本次设计的LED显示屏采用的单片机为STC系列的微型控制器作为核心模块，因为考虑到制作成本和功耗不宜过高等问题，所以无线通信模块采用的芯片为JDY-23BLE蓝牙模块。该模块不需要去考虑蓝牙的协议问题，可以进行直接开发，支持AT协议和透传功能。因为采用变压器的原理进行无线供电，功率肯定会比有线供电的低，BLE蓝牙所需的功耗低，所以非常适合本次的设计实验，开发难度上面也会大大的减小。传感器模块采用红外对管传感器，利用外部中断0检测其引脚的电平，从而起到对旋转初始位置的监测。相对于霍尔传感器，红外对管传感器所需的成本较低，同时实现起来也很容易，足够满足本设计的要求。根据电路的模块化考虑。硬件主要是由高速直流电机搭载控制板组成。这样设计的好处在于高速电机和控制板的硬件部分分离。在硬件调试阶段更加的方便，若LED旋转显示屏和高速电机两个电路模块有一个出现问题将不会导致全部重新设计和生产。原理框图如图2-1所示。图2-1系统总体框图图2-1系统总体框图2.3方案论证（1）双处理器方案此方案采用两个处理器进行配合完成，选用一些在安装和体积方面都较为合适的，而且开发资源丰富的处理器芯片。一个处理器芯片控制LED的显示部分，另外的负责去控制高速直流电机的调速和其他扩展的功能。点阵显示部分将16个LED灯进行单列的排放，并且在直流电机的带动下绕中心轴进行一个旋转，对电机设置合适的驱动。通过霍尔元器件对旋转屏的初设位置进行感知，确定其初设的位置。利用单片机的串口进行数据传输，以电刷的方式为整个系统提供供电和通信。（2）嵌入式显示屏设计在方案一的基础上，将MCU芯片换成嵌入式芯片。在大多数的LED显示屏当中，单片机都作为一个核心控制模块，它负责对数据进行一个接收和发送。但是单片机的内存较小，在存储方面会有较大的限制。以单片机为核心的显示系统，在所需显示的内容不多和不大时是可行。但是在大多数的情况下所需显示的画面或者内容都会较大，单片机所能够提供的运行速度难以支撑起较大的数据。结合嵌入式系统以后，会有利于对程序或者软件的逻辑层面会更加的清晰，相比于单片机，嵌入式芯片的运行速度也会更加的快速。（3）单处理器方案本方案采用单处理器方式进行，实现过程和方案一大概一致，但是舍弃了对电机转速的控制，优化了电路的复杂程度。选用普通的直流电机，采用蓝牙模块进行一个无线通信，控制整个的开发成本。综上所诉，方案一采用双处理器的方式进行设计，其电路组成较为复杂，而且双处理的使用导致整个开发成本的提高，不利于之后大规模的商用。方案二中采用的是嵌入式芯片作为开发，但是以往的控制单元都以单片机作为核心。如果使用嵌入式方案进行设计，其难度就会增加。没有使用过此芯片的人群就会难以去理解，而且普通的单片机芯片可以完成整个设计的要求，故放弃此方案。方案三采用单芯片进行设计，结构简单易懂，电路复杂度较低。经济性和实用性都较强，而且蓝牙是日常生活中较为常用到的功能，所以对于之后的普及起到一定的作用。故选择方案三进行本次的设计方案。2.4高速电机方案论证方案一:步进电机，步进电机是以脉冲信号作为运行速度的电机，每获得一个信号就会转动相对应的角度，所运行的角度和获得的信号成一个正比例。不过LED显示屏所显示的图像或者文字会受到相对应的限制。并且此电机的价格较贵，整个的开发成本会提高。同时步进电机需要处理器去控制所以就会占用处理器的一个资源。方案二:采用直流电机。直流电机具有一定的经济性适合做产品开发，而且直流电机不会占用到处理器的端口，可以节约处理器的资源为后续的功能拓展提供了可能。直流电机使用比较方便，改装以后还能给整个的显示系统供电。同时可以利用降压电路来控制直流电机的速度，让其和显示的程序相呼应，达到一个完美的显示效果。结合以上所说的进行一个综合性的考虑，为了整个设计能够节约成本和功耗，可以优化整个设计的电路以及可以对系统进行稳定的供电，增加系统的抗干扰和稳定，故采取第二种方案。2.5供电方案论证方案一：将电池固定在主控板。原理就是在主控板上直接固定两节7号电池，为显示系统进行供电。这样的供电方式就比较简单，硬件设计起来也没有那么复杂。然而也存在着一些缺点需要去解决。电池的电压容量是有限的，LED显示系统所需的整体功耗较大，难以为LED灯提供稳定的电压，主控芯片也有可能因为电压不足而停止工作。第二，蓄电池具有较大的体积和重量，使用时肯定需要将其固定在旋转支架上，但是电量用完的时候更换起来就会很麻烦。如果不将其进行固定，在电机的高速带动下，电池有可能在离心力的作用下而被甩飞出去，造成一定的安全问题。同时，因为重量的增加，对电机的速度和功耗就会起到影响。方案二：采用无线供电。该供电方式和变压器原理一致，在底座上布置发射线圈，控制主板上布置一个接收线圈，发射和接收线圈就相当于原边和副边线圈。最后经过整流、稳压、滤波，为整个显示系统提供电源。这种能量传输的方式，无触点、寿命长，能够最大限度的满足本设计要求。方案三：采用电刷供电。该供电方式是基于对电机的改造完成的，在直流电机的轴上增加了一个电刷，使之为系统进行供电。该方法可以长期的对控制模块进行供电，但是因为电刷和电机会产生摩擦，摩擦的产生会导致功耗的增加和能源的浪费。结合以上各种优缺点可以看到，虽然电刷供电实现起来比较简单而且较为稳定，但是会存在损耗和磨蹭。这个并不利于一个系统的长久性和抗干扰性。方案二虽然实现起来较为复杂，但是没有接触，使用寿命较长，利于一个长久的使用和发展。故在本设计当中使用方案二进行一个供电方案。2.6传感器方案论证方案一：采用霍尔传感器。以霍尔效应作为一个原理基础而设计的传感器名为霍尔传感器。在设计时将传感器放置在旋转板上，在与之对应的底座上安放一个磁铁。当主控板转动时，焊接在主板上的霍尔传感器会和放置在底座的磁针相遇，从而产生一个低电平，外部中断监测到这个低电平就会开始以小磁铁的位置开始显示字符数据。方案二：采用红外对管传感器。红外对管传感器是对红外发射管与红外接收管结合起来的一个总的名称。它们有两种不同的方式进行接收或者发射，分别为直射和反射。直射式的应用过程是将目标物体安放在接收管和发射管的两头。将发射二极管和接收管放置在一起就组成了反射式，不工作时接收管不会接收到光照，只有发射管发射信号时受到物体的反射才会进行工作。在本设计中，红外发射管一直处于导通的状态，安装在底座上面，此时红外发射管一直处于工作状态，当位于主控板的接收管接收到信号时就会导通，从而触发外部中断。单片机监测到中断以后就会以这个点为起始位置开始显示字符数据。从以上两种方案对比来看，霍尔传感器价格较高，如果使用其作为监测起始位置的传感器就会增加本设计的成本。故不必采用此方式。结合经济性和实用性进行考虑，因此选择方案二作为检测初始位置的方案。

3硬件电路设计3.1硬件概述硬件电路在整个过程当中属于重中之重的部分，他关系到后续系统的完整运行和软件部分的设计。优秀的硬件电路设计可以在后期减少软件程序的开发难道，提高整体的抗干扰性和持续性。本次课题设计的硬件电路部分主要包括如下几个功能模块：LED显示屏模块，电源模块，微控模块，高速直流电机模块，点阵数据存储模块，传感器模块，无线传输模块。硬件整体结构设计如图3-1所示。图3-1硬件整体结构本次设计对于核心控制模块的处理芯片所用型号的选型,主要是以下面这些标准进行参考。技术性：主要从处理器芯片的技术指标对芯片进行选择，能够保证系统在特定的环境下稳定运行，有较大的存储空间，并且芯片所具备的其他第二功能应用资源。实用性：以处理器芯片的供货渠道和开发成本等角度进行考虑，对芯片供应商进行选择，例如国内宏晶科技或艾德梅尔公司所研发的芯片，从而保证LED旋转显示屏系统有较好的持久性和抗干扰性；开发性：从芯片开发手段来考虑，如集成的开发环境、在线仿真和调试环境、封装功能等方面进心全方面性质的选择。经济性：从开发成本和后期的维护成本作为前提，所选择的芯片价格不宜过高，否则会提高整个的研发成本。在市场上竞争性也会下降。本次LED显示系统中采用的主控芯片主要用于LED显示屏的控制主板，涉及到的外设功能有IAP、定时器、SPI、外部中断、USART等，而且因为需要对字符数据进行存储和解码，故需要较大的内存空间。根据上述所提到的几个方面并结合研发所需的成本高低，最终本设计所采用的是由宏晶科技生产的兼容Intel-8051内核的STC12C5A60S2芯片。之所以选用该芯片作为微控制器不仅是因为其性能满足项目需求，还因为该系列的芯片具备完善的集成开发环境。STC系列是一个抗干扰能力很强的系列，在指令和代码层次上，这个系列搭建了8051，在对数据处理和反应上面该芯片是传统的8-12倍。该芯片内置MAX810复位电路，还有专门对电机进行控制的两路PWM。在各个方面上都适合于对LED显示屏的研究开发。如图3-2所示。图3-2STC12C5A60S2系统结构图本次设计选用的芯片内部资源丰富，包含了CPU、FLASH、SRAM，两个串口以及SPI接口等功能，除此之外该芯片还自带看门狗。同时也包含了像外部的晶体震荡电路和振荡器等功能。该芯片因为开发资源丰富，所以常用于数据采集和控制方面，是一个完美的MCU。如图3-3所示。图3-3引脚分布图P0.0~P0.7P0：P0.0~P0.7端口都有双重的功能，此端口在作为输入或者输出的端口时，它是一个双向口，且内部设置有一个弱的上拉电阻不需要在重新搭配上拉电阻进行一个使用。第二功能为地址和数据的总线使用端口，它是一个低八位的地址线分别为A0~A7，数据总线为D0~D7。P1.0：该端口是一个标准的IO口，作为第二功能使用时可作为ADC的数据输入通道0、波特率发生器的时钟输出。P1.2/ADC2/ECI/RxD2：该端口是一个标准的双向口，同时也是ADC的第二个端口、串口通信的第二个接收端。P1.3/ADC3/CCP0/TxD2：该端口用于做第二串口通信的发送端，以及可以对信号进行一个接收和对电机的调制。P1.4/ADC4/CCP1/SS非：该端口为SPI通信的从机选择信号。P1.5/ADC5/MOSI：该端口为SPI通信的接口。P1.6/ADC7/SCLK：该端口为SPI通信的接口。P2.0~P2.7：该端口不用接上拉电阻，因为内部自带，而且作为一个标准的I/O。P3.0/RxD：该端口是串行通信1的一个数据接收口，也是一个标准的I/O口。P3.1/INT0非：该端口作为一个外部中断，在下降沿或者低电平时进行使用。3.2供电模块底座供电经过自激振荡电路产生电压，然后经过整流、稳压、滤波等环节输送到各个模块。无线供电是通过线圈J1、J3互感进行无线传输，利用变压器原理。三极管Q2、电容C2、线圈J3组成一个震荡器，D2、C2组成一个电机的降压电路。C6、C3、C5组成滤波电路，分别为低通和高通。D1和D2分别为整流和稳压二极管。根据所选微处理器芯片的数据手册可得到其工作电压为5.5~3.5V,因为对主控板采用无线供电方式。无线供电所产生的电压为交流电，所以在单片机接收电压时，需要对其进行整流、稳压和滤波操作，将其控制在5V之后对微处理器芯片近供电。同时供电模块需要对GT21L16S2Y字库芯片和蓝牙模块进行供电。由元器件的数据手册可知两个元器件的工作电压同为3.3V，所以需要将5V电压进行稳压处理，利用AMS1117-3.3稳压器将电压控制在3.3V后对这两个元器件供电。其供电电路如图3-4所示。图3-4无线供电和稳压部分3.3最小系统电路复位电路是单片机系统中最不能缺少的部分，它主要是对单片机进行一个复位操作，同时也确保整个系统可以稳定和可靠的进行工作。在电路当中构成上电自动复位电路的元器件是C4，R13，C1，C2，Y1构成单片机晶振电路。传统的单片机系统，能够正常工作的电压都在5V左右，大概在4.75~5.25之间。在单片机的电路系统当中，它需要一个稳定的电压，所以在单片机进行上电时，电源所提供的电压要超越4.75V和低于5.25V这个值。晶体的振荡器也需要进行一个稳定的工作，只有这些条件都达成以后，单片机的复位信号才会被撤销，整个电路系统才能进行工作。否则单片机会一直因为电流不足而一直处于一个复位的状态。连接图如图3-5所示。图3-5单片机最小系统电路3.4电机模块高速电机的作用主要是带动LED显示屏进行高速的旋转，为了使显示的画面不会出现画质不清晰或者拖影等情况，所以对高速电机的转速就需要有一定的控制，也就是需要达到一个基本匀速旋转的过程。这样所显示的画面才不会出现被压缩或者伸展等情况。本设计采用RF370直流电机，该电机转速稳定，同时可以根据电压的大小进行转速大小的调节，使其能够匀速旋转。在本次设计当中采用了降压电路对直流电机进行控制，一是为了减少整体系统的功耗消耗，二是为了能够对LED等其他模块提供稳定的电源保证亮度的大小和系统的稳定性。如下图3-6为直流电机的参数。图3-6高速电机参数3.5LED显示模块（1）LED灯连接电路本设计当中LED旋转显示系统的显示屏，采用的是阵列式摆放方式，将16个贴片LED灯一列排开做为显示屏串联1K电阻后连接至单片机IO口，单片机输出低电平即点亮LED灯。在不工作时，它只是一列LED灯，不会占用到较大的面积。它可以完成16*16、12*12等宽度的字符数据显示，大小可由自己设定。在显示相同字符数时，相对于传统的LED显示屏节约了百分之八十的LED灯和降低了整体功耗。在设计之初采用电源直接对LED灯进行供电，所提供的电压不足以同时驱动16个LED灯进行显示，导致显示效果不佳，亮度低而且不稳定。分析原因之后使用放大电路进行驱动。连接电路如图3-7所示。图3-7LED显示屏的部分连接图（2）传感器接收电路该系统需要对旋转屏的起始位置进行不断的矫正，从而确定要显示的字符数据内容，该模块的设计是整个LED旋转显示屏不可缺少的部分。它关系到后续点阵数据的显示会不会出现重影或者乱码的等问题。本设计当中利用红外接收对管来监测旋转显示屏初始位置，外接10K上拉电阻，反馈的信号会输出到单片机P32口，该端口为单片机外部中断0端口。其原理是在控制板及底座当中分别安装红外发射管和接收管，当控制板上的接收管来到红外发射管的位置时，外部中断会检测到此时反馈的一个低电平。然后定时器就会开始运行，显示屏就会以该位置作为起始位置并且开始显示字符数据。图3-8红外接收电路3.6数据存储模块在本设计当中数据存储模块的功能主要是将汉字的点阵数据进行存储和调用的模块。所以本设计采用外置字库芯片作为点阵数据的储存点。经过对市面上的字库芯片进行对比，本文选用了高通生产的GT21L16S2Y汉字库芯片。该字库芯片包含了GB2312的国标简体汉字、ASCII码已及GB2312与Unicode编码表。其点阵数据的排列方式为一个竖置横平。在使用过程中，使用者可以根据字符的内码，同时按照该芯片的中文手册，可以算出该字符点阵数据的位置。可以从寻址到的位置连续读出该字符的点阵数据。微型控制器模块可以通过SPI接口对字库芯片进行读取操作。在使用时我们需要注意字库芯片的额定电压标准。参数如下图3-9所示。 图3-9字库芯片引脚图工作电压:2.7V~3.6V工作电流:12mA:10uA封装:SOP8尺寸(SOP8):4.90mmX3.90mm(193milX154mil)工作温度:-20℃~85℃表3-1字库芯片引脚说明 SO引脚：在下降沿时该端口开始工作，该引脚用来将数据移出SD引脚：在时钟上升沿的时候该端口开始工作，从串口当中将数据进行移入该芯片的SD引脚用来将数据从芯片的串行口进行输入。SCLK引脚：该引脚有双重功能，分别在上升沿和下降沿时进行操作，接收的数据会在时钟上升沿时移入，下降沿时会将反馈的数据进行移出。HOLD引脚：该引脚的信号在于对片选信号进行一个反馈，在片选信号作用时会对数据传输进行暂停。在挂起之后，串行通信发送的输出信号就会变成一个高阻态，在这个过程当中串行输入的信号和串行时钟信号将不会得到响应。图3-10字库芯片连接电路AMS117-3.3稳压器将电源电压稳定在3.3V之后供电给字库芯片，字库芯片CS引脚连接到单片机的P1.6，SO引脚连接到P1.7，SI引脚接到P1.5，CLK引脚连接到P1.4，然后将HOLD挂起，单片机采用SPI通信方式对字库芯片进行读取操作。3.7无线通信模块无线传输采用JDY-23蓝牙模块与网络设备进行通讯，通过建立蓝牙热点的方式与其他网络设备组成局域网方便进行数据的传输和程序的调试。JD-23蓝牙是一款满足于蓝牙5.0协议的产品，该模块工作在2.4GHZ的频段。在调制方式上选用的是GFSK，其发射率在4db。在六十米以内都是可操作的距离。该模块采用先进的封装技术和设计方法。在开发的过程中开发者可以利用AT指令，对该芯片进行操作，包括平常使用到的设备名和波特率等。该蓝牙模块可以用于和手机APP进行数据信息交互，而且使用当中不用去配置，可以快速使用该模块和其他产品进行应用。其引脚分布如图3-11所示。图图3-11蓝牙引脚图JDY-23产品参数型号：工作频段：2.4G发射功率：4db(最大)通信接口：UART工作电压：1.8v-3.6V工作温度：一40'℃-so℃天线：内置PCB天线接收灵敏度：97dbm传输距离：60米主从支持：从机模块尺寸：19.6*14.94*1.8mm(长宽高〉蓝牙版本：BLE5.0（兼容BLE-.O、BLE4.2)唤醒状态电流：800uA（有广播浅睡状态电流：<50uA(有广插)指令参数保存：参数配置掉电数据有保存sMT焊接温度：<260crf-TX/RX峰值电流：5A图3-12蓝牙连接电路在本设计开始之初因为未采用到自激振荡电路进行供电，所以导致功率不够难以带动蓝牙模块。在查明原因后优化了供电的电路，在后期考虑到功率问题也放弃了传统的蓝牙，使用了功率较低的BLE蓝牙。为了能够时蓝牙模块和微控处理芯片能够进行串口通信，故将微控处理芯片的RXD引脚、TXD引脚和蓝牙的RXD、TXD进行了相连。因为两个串口连接了起来所以在烧录过程当中我们需要将蓝牙模块的电源进行切断，否则不能进行烧录。4软件程序设计4.1系统流程图设计如图4-1中所示，初始化硬件外设主要实现：对单片机I/O口复用模式的配置、SPI总线的时序配置、USART串口通信配置、蓝牙连接等初始化。LED旋转显示屏开始工作以后就会查询红外传感器，确定LED旋转屏初始的启动位置。系统程序可以利用算法对每一排的数据进行确定，根据数据位置开始逐列的发送显存内的数据，定时器会定时一定的时间用于显示字符数据，直至发送完毕。同时显示屏会察看是否有修改指令数据的命令，当接收到字符数据以后，单片机会对字库芯片进行读写操作，利用汉字内码和算法对点阵数据进行获取并写入显示缓存当中。当显示完一个字符数据以后，单片机会继续对字库芯片进行访问获取下一个数据的字符数据。若无新的新的数据，就把显示缓冲区的数据送到显示缓存器当中。为了提高人们的视觉体验，设计了相应的算法将字符数据进心移位处理，在视觉上人们会觉得字体在滚动。4-1程序流程框图4-1程序流程框图4.2LED显示模块LED旋转显示屏由16个贴片LED灯组成。单片机外部中断0检测到红外对管发射的低电平之后，开始在特点的位置控制点亮LED灯的亮灭。延时一段时间后（程序里控制约0.65ms）LED灯关闭，通过定时器定时一段时间让其LED灯点亮。可以通过调试观察字体宽度来调节程序里的延时时间，延时的时间越长，直流电机所转过的角度越大，所显示出来的字体宽度越宽。为了增加观赏性，本设计还采用递增式送显方式，在肉眼的视觉残留效果下，实现内容的滚动。显示屏的显示原理如以下介绍。（1）以下图的字符“3”为例，在显示的过程中第一列该次点亮3个LED灯。（2）然后显示字符中第二列该点亮的点，已字符“3”为例，该次点亮3个LED灯。然后延时一段时间关闭LED灯。然后依次点亮第3列，4列…16列对应的LED灯。（3）继续显示第二个汉字的第1列，第2列..，然后显示第3个汉字。该设计一圈中显示96列，即6个汉字。显示完第96列后，LED灯全灭。然后等待主控板再转一圈后，红外接收管，再次接收到信号触发外部中断0。再显示第1列…..96列。即电路板每转一圈都会以红外发射管的位置为起点显示6个汉字（或字符）的内容。（4）依照说明书直流电机的转速约为960转/分钟，即1秒钟转16圈。即1秒钟显示16次字符，利用人眼的视觉暂留，给人的感觉是画面是一直显示的。就形成了一个完整的画面。（5）改变显示中的内容，依次显示2-98列，然后显示3-99列，然后显示4-100列，以此类推即实现向左移动显示。图4-2显示原理4.3数据存储模块字库芯片在整个设计当中起到点阵数据存储的作用。单片机利用SPI通信对字库芯片进行读写操作，该命令主要是为了从芯片当中获取点阵数据。使用者可以根据汉字内码进行寻址。目前市面上所流行的字库芯片都有统一的排序方式，就是利用汉字内码，把与之相对应的点阵数据存储在固定的区域内。在字库芯片当中汉字内码会由两个ASCII码组成，一个作为区位码另一个作为位码。具体的公式为：第一个扩展ASCII码=128+汉字的区码，第二个扩展ASCII码=128+汉字的位码。算出每个字符数据的区位码以后，就可以用它在汉字库里进行寻址。具体的偏移公式为：（区码—1）×94×字符所占用的字节数+位码×一个数占用的字节数。按照此可以写出关与字模的程序：switch(size){case16:Byte_Add.val=GT32_1616BassAdd;if(Code_add[0]>=0xA1&&Code_add[0]<=0xa9&&Code_add[1]>=0xA1);Byte_Add.val=((Code_add[0]-0xA1)*94+(Code_add[1]-0xA1))*32+GT32_1616BassAdd; //elseif(Code_add[0]>=0xB0&&Code_add[0]<=0xf7&&Code_add[1]>=0xA1) //16点阵汉字Byte_Add.val=(longint)((Code_add[0]-0xB0)*94+(Code_add[1]-0xA1)+846)*32+GT32_1616BassAdd;elseif(Code_add[0]>=0x20&&Code_add[0]<=0x7e)Byte_Add.val=(longint)(Code_add[0]-0x20)*16+GT32_1616ASCIIBassAdd;break;}以上程序为对字库芯片进行字符数据的寻址过程，配合4.3小节所说的屏幕显示模块就构成了整个显示屏的核心部分。字库芯片的读取过程如图4-3所示。图4-3字库芯片操作流程4.4无线通信模块考虑到后续更新旋转LED显示内容的方便性，如果每次想更新显示屏上内容都需要通过重新接串口总线来实现显然是很不方便的。为了处理在这种情况下的问题，本设计在控制板上集成了蓝牙无线模块，使控制板可接入蓝牙，可以受其他通讯设备的控制。利用BLE蓝牙的透传功能，接收来自手机APP的字符信息，从而实现修改显示内容。由于单片机的内存很小，并不能储存下所有字符的点阵数据，同时为保证系统实时性，所以在接收数据时需要先存入缓存，以便于后续对数据处理。本课题设计中在单片机中申请了一个空间方便接收APP发送过来的数据信息，并且接收到数据以后通过SPI通信对字库芯片进行操作。利用汉字的内码，查询汉字的点阵数据，并储存在显存当中，每显示完一个字符数据以后就会再次的访问字库芯片，减少内存的占用和提高系统的实时性。同时在本设计当中设计了开关键，通过手机APP发送固定的命令值，起到关闭和开启显示屏的功能。其接收过程如下图4-3所示。图4-4无线接收过程

5系统调试与测试5.1硬件调试和测试硬件电路设计的仿真图和PCB原理图制作完成以后，将已经制作好的PCB工程文件发送到制板工厂进行打板。打板时由于考虑到功耗问题，所以应该尽量选择较轻的重量，因为需要进行灯板的连接，所以选择板子厚度时需要注意，不宜超过所预留的直径，否则会导致整版作废。打板回来之后需要对PCB板进行检查，查看是否存在焊盘脱落或者钻孔太小等问题，排除掉因为打板工艺而造成的错误。利用电烙铁对焊盘进行简单的布锡，然后耐心的将贴片LED灯和各部分的元器件进行焊接。按照这种方式将点阵屏和控制主板焊接完成后进行调试，首先通过串口通信下载程序来验证控制板的串口电路是否工作正常。察看下载软件是否能察看到当前所使用的芯片，同时设计相应的流水灯程序验证LED点阵屏上各个LED灯是否工作正常。接下来就是整个硬件部件的组装过程，因为本设计需要一个底座对整体的系统进行支撑，同时电机、灯板、控制主板需要进行组装。组装完成之后，需要对所焊接的引脚进行检测，查看在这些引脚当中会不会有存在虚焊和漏焊的情况，或者焊盘直接连接了起来导致短路等问题。完毕之后需要进行上电检查，察看供电是否正常，主板在旋转过程中会不会出现不稳定等其他情况。测试情况如图5-1，图5-2。 图5-1上电检测

图5-2组装检测图5-2组装检测5.2软件调试和测试通过以上对各硬件功能的调试，可以发现控制板、点阵屏、高速电机等部件的电位都可以正常工作，旋转过程中也没有出现不稳定等情况。硬件调试之后就需要对程序的各个模块进行检测。同时为了减少由硬件问题引发的软件错误，我们采用分模块的方式对系统进行验证，包括LED旋转显示屏、蓝牙、手机APP等功能进心逐一的验证。这样有利于我们发现错误并排除错误。如图5-3，图5-4，图5-5，图5-6，图5-7。(1)连续数字加载显示图5-3连续数字显示图5-3所示为连续数字显示效果，如图所示显示的字符数据大小和宽度一致，没有出现乱码或者拖影现象。(2)字符加载效果模拟图5-4连续字符显示图5-4所示为连续字符数据显示效果，检查是否能正常输出字符串数据。(3)文字加载显示图5-5文字显示无线传输模块验证：首先利用AT指令对蓝牙模块进行一个初始化，设置相对于的波特率和工作方式。连接上电源使其正常开始工作，手机APP进行查询相对应的名称进行连接。连接成功后对其发送字符数据，包括检查数字、汉字、符号、英文字符等是否能够正常的送显。如图5-6所示。图5-6无线传输

结论本文提出了基于STC12C系列微控制处理器的LED旋转显示屏驱动和应用的设计方案。以人眼的视觉暂留效应作为主要原理。从设计需求和系统构件出发，到硬件原理图的设计和电路板打样，再到程序的编写和调试，经过不断的出错和纠正终于实现了基本功能。本课题设计的工作主要包括以下几方面的内容：（1）实现字符数据的立体显示；（2）无线通信修改数据并显示；（3）手机APP的软件开发；（4）在电脑上实现显示屏的仿真；（5）显示屏各硬件的设计和组合；本课题完成的点阵屏的优点在于解决了传统LED显示屏，开发成本高、维修困难等方面的不足。旋转显示屏显示方式新颖，画面更加丰富，360度可视角。同时缺点也在于LED发光元件亮度在室外时不够亮，可视性大打折扣，如果可以解决发光二极管亮度这个问题，那么LED显示屏在商业用途会更加的广泛。同时经过本次设计也认识到如下几个方面的问题。（1）直流电机必须保持一定的转速而且是匀速运动，否则会导致LED显示屏屏幕会出现拖影或者乱码等其他误差。（2）LED旋转显示屏需要做到一个动态平衡，也就是说不能过轻也不能过重，过轻会导致在旋转过程中整个系统不稳定，可能会出现损坏系统的可能。过重会导致整体功耗的增大，成本性增加，或者电机无法旋转等问题。（3）设计对应程序的时候，应该要考虑转速和显示数据之间的关系。本次课题设计最终完成了基本要求并取得一定成果,由于时间紧迫且工作量大,成品存在一定的不足，后续需要完善和实现一些存在的问题和功能。在将来，通过移植不同解码库可以实现其他显示的功能，例如显示时钟、温度、图片等，到以后如果能解决视频传输这个问题，旋转LED显示屏的商业用途会更加的广泛，而且人们的视觉观赏性也会大幅度的提高，同时编写APP或上位机程序给无线数据