POV旋轉(zhuǎn)LED顯示器的設(shè)計(jì)[共40頁(yè)]

1、天津?yàn)I海職業(yè)學(xué)院全日制高等職業(yè)教育畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)（典型性項(xiàng)目）說(shuō)明書(shū)POV旋轉(zhuǎn)LED顯示器的設(shè)計(jì)作者： 主要內(nèi)容簡(jiǎn)介現(xiàn)在是一個(gè)知識(shí)爆炸的新時(shí)代。新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮，電子技術(shù)的發(fā)展更是日新月異?？梢院敛豢鋸埖恼f(shuō)，電子技術(shù)的應(yīng)用無(wú)處不在，電子技術(shù)正在不斷地改變我們的生活，改變著我們的世界。近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，人們對(duì)時(shí)鐘的要求越來(lái)越高，而在對(duì)要求高之余，又要講究有創(chuàng)意，新奇，所以在這個(gè)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款既能滿足人們的要求，又要有創(chuàng)意的時(shí)鐘裝置是很有必要的，貼片LED旋轉(zhuǎn)屏?xí)r鐘在可以計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)上，又能夠滿足人們對(duì)事物要有創(chuàng)意的需求。本設(shè)計(jì)采用的是POV LED（POV即persisten

2、ce of vision視覺(jué)暫留）技術(shù)，它指的是，借助人的視覺(jué)暫留效果，通過(guò)少量LED燈的機(jī)械掃描方式來(lái)顯示各種字符或者圖像。其原理很簡(jiǎn)單，就是靠電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一排LED燈繞電機(jī)軸高速旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)單片機(jī)控制各個(gè)LED燈在旋轉(zhuǎn)平面相應(yīng)的位置上點(diǎn)亮，構(gòu)成一幅點(diǎn)陣畫(huà)，雖然它們不是同時(shí)點(diǎn)亮的，但由于人的視覺(jué)暫留效果，會(huì)誤以為每個(gè)點(diǎn)都是同時(shí)點(diǎn)亮的。其具體應(yīng)用還可見(jiàn)于電影的拍攝和放映。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)、LED、時(shí)鐘、視覺(jué)暫留、紅外接收、掃描顯示目 錄第一章LED簡(jiǎn)介1第一節(jié) 什么是POV1第二節(jié) 發(fā)光二極管簡(jiǎn)介2第二章LED顯示屏的顯示原理3第三章 旋轉(zhuǎn)LED屏設(shè)計(jì)7第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)7第二節(jié) 系統(tǒng)硬件框圖8第

3、三節(jié) 機(jī)械結(jié)構(gòu)8第四節(jié) 旋轉(zhuǎn)LED動(dòng)態(tài)顯示9第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)11第一節(jié) 涉及的主要技術(shù)11第二節(jié) 電機(jī)方案選擇12第三節(jié) 供電方案選擇13第四節(jié) 主控元件15第五節(jié) 時(shí)鐘芯片DS130217第六節(jié) 硬件原理圖20第五章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)26第一節(jié) 軟件設(shè)計(jì)流程圖26第二節(jié) 各個(gè)功能模塊流程圖27第六章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試28第一節(jié) 硬件調(diào)試28第二節(jié) 軟件調(diào)試30第三節(jié) 效果圖32第四節(jié) 元件列表33第七章 總結(jié)34參考文獻(xiàn)35謝 辭36第一章 LED簡(jiǎn)介第一節(jié) 什么是POVPOV 即英文Persistence of Vision一詞的縮寫(xiě),中文是“視覺(jué)暫留”的意思。每當(dāng)人的眼睛在觀察物

4、體之后,物體的映像會(huì)在視網(wǎng)膜上保留一段很短暫的時(shí)間。在這短暫的時(shí)間段里,當(dāng)前面的視覺(jué)形象還沒(méi)有完全消退,新的視覺(jué)形象又繼續(xù)產(chǎn)生時(shí),就會(huì)在人的大腦里形成連貫的視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)。其實(shí),對(duì)于這種獨(dú)特有趣生物現(xiàn)象,我們隨時(shí)都能感受到。下雨時(shí),紛紛快速下落的雨滴,在我們的眼里卻成了一條條富有詩(shī)意的“雨絲”;用一支激光筆射在墻上,并快速晃動(dòng),我們會(huì)感受到一幅由線條組成的畫(huà)面。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),人的視覺(jué)暫留時(shí)間約為1/24s,這個(gè)時(shí)間值并非是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值,它因觀察者的個(gè)體差異和觀察的物體的亮度及大小約有不同?，F(xiàn)代電影根據(jù)這一事實(shí),以每秒24個(gè)畫(huà)格的速度進(jìn)行拍攝和放映,使得一系列原本不動(dòng)的連續(xù)變化畫(huà)面,在人眼里產(chǎn)生連貫的

5、活動(dòng)錯(cuò)覺(jué)影像。對(duì)“POV”現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和利用,可追溯到兩百多年前。在這一個(gè)世紀(jì)，光電子產(chǎn)業(yè)在社會(huì)上得到了廣泛的重視，信息顯示技術(shù)發(fā)展非常迅速，隨著LED器件材料性能的不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在室內(nèi)外需要進(jìn)行服務(wù)內(nèi)容和宣傳服務(wù)宗旨的公眾場(chǎng)所，在路邊很多地方我們都能見(jiàn)到LED顯示屏的蹤影。傳統(tǒng)的LED屏使用的是LED點(diǎn)陣屏，屏幕需要做到越大，LED的數(shù)量就需要越大，因?yàn)樾枰褂肔ED等鋪滿整個(gè)顯示屏。相比起來(lái)，一旦大型化價(jià)格相當(dāng)高昂、安裝及操作起來(lái)都極其麻煩，同時(shí)因?yàn)槭褂闷骷?shù)目多，也不易維護(hù)。而POV旋轉(zhuǎn)LED顯示器由于LED燈使用數(shù)量少，只需要使用單排LED燈（即能填滿圓形屏幕的半徑長(zhǎng)度的單排

6、LED燈），從根本上避免了傳統(tǒng)LED顯示屏的種種不足。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)可以平面旋轉(zhuǎn)LED顯示屏，具有十分重大的意義。第二節(jié) 發(fā)光二極管簡(jiǎn)介光二極管(LED)是一種電致發(fā)光的光電器件。早在1907年開(kāi)始,人們就發(fā)現(xiàn)某些半導(dǎo)體材料制成的二極管在正向?qū)〞r(shí)有發(fā)光的物理現(xiàn)象,但生產(chǎn)出有一定發(fā)光效率的紅光LED已是1969年了。到今天,LED已生產(chǎn)了30多年,回顧過(guò)去,它已茁壯成長(zhǎng)。各種類(lèi)型的LED、利用LED作二次開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品及與LED配套的產(chǎn)品(如白光LED驅(qū)動(dòng)器)發(fā)展迅速,新產(chǎn)品不斷上市,已發(fā)展成不少新型產(chǎn)業(yè)LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的

7、逐步提高，LED的應(yīng)用市場(chǎng)將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場(chǎng)的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來(lái)10年成為最被看好的市場(chǎng)以及最大的市場(chǎng)，將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。展望將來(lái),還期望更進(jìn)一步地提高。 圖1.1 LED結(jié)構(gòu)圖發(fā)光二極管是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)

8、載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖所示。假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見(jiàn)光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)m以?xún)?nèi)產(chǎn)生。 發(fā)光二極管的種類(lèi)很多，按發(fā)光材料來(lái)區(qū)分有磷化鎵（GaP）發(fā)光二極管、磷砷化鎵（GaAsP）發(fā)光二極管、砷鋁鎵（GaAIAs）發(fā)光二極管等；按發(fā)光顏色來(lái)分有發(fā)紅光、黃光、綠光以及眼睛看不見(jiàn)的紅外

9、發(fā)光二極管等；若按功率來(lái)區(qū)別可分為小功率（HG 400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）發(fā)光二極管：另外還有多色、變色發(fā)光二極管等等。 圖1.2 LED符號(hào)及LED發(fā)光原理圖。第二章 LED顯示屏的顯示原理LED顯示屏（LEDdisplay,LED Screen）：又叫電子顯示屏。它是由LED點(diǎn)陣平板模塊組成的。LED顯示屏能夠顯示出文字和圖片等內(nèi)容，均是由各種色彩LED燈亮滅組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。LED顯示屏可以更改顯示內(nèi)容，只需要通過(guò)用flash將顯示的內(nèi)容制作成一個(gè)動(dòng)畫(huà),存放在顯示屏的一張內(nèi)存卡里,通過(guò)技術(shù)手法顯示出來(lái)的。因此可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要在不同的場(chǎng)合進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，所以

10、同一塊LED顯示屏可以靈活地運(yùn)用于各種各樣的場(chǎng)合。內(nèi)容可以根據(jù)不同的求進(jìn)行隨時(shí)更換，顯示靈活多變，便于經(jīng)常需要更改內(nèi)容的人群使用。傳統(tǒng)LED顯示屏通常由顯示模塊、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。LED之所以受到重視并且能夠迅速地廣泛地發(fā)展，跟它本身所具有的種種優(yōu)點(diǎn)有關(guān)。LED燈的顯示亮度較高、需要的工作電壓比較低、消耗的功耗較小、可以做成大型顯示屏、而且LED燈壽命一般都很長(zhǎng)、耐沖擊能力強(qiáng)，同時(shí)性能相比其他照明燈具穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊，在未來(lái)的研究發(fā)展中主要朝著做到更高的照明亮度、更耐氣候變化、發(fā)光密度更強(qiáng)、發(fā)光更加均勻、更加安全可靠、色彩顯示更全面的方向發(fā)展。利用POV 即“視覺(jué)暫留”這一

11、原理,我們可以通過(guò)發(fā)光體的運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生一系列運(yùn)動(dòng)軌跡的殘留影像,達(dá)到漂浮在空中似的神奇夢(mèng)幻般的顯示效果。縱觀各種與此相關(guān)制作,無(wú)論是商業(yè)化產(chǎn)品還是DIY 作品, 歸納起來(lái)無(wú)非就是看：運(yùn)動(dòng)的是發(fā)光體,發(fā)光體如何運(yùn)動(dòng),如何給運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)供電,采用什么樣的傳感器感知運(yùn)行狀態(tài),如何控制運(yùn)轉(zhuǎn)著的系統(tǒng)。下面將對(duì)這幾個(gè)方面進(jìn)行歸納和探討。發(fā)光體的不同的運(yùn)動(dòng)方式,成就了各種顯示形態(tài)的POV。歸納起來(lái)看,形形色色的POV 制作,其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)大多超不出以下的這幾種方式:1、圓形顯示原理在基于POV的圓形旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏中，一個(gè)條狀PCB板上集成了20個(gè)貼片型發(fā)光LED，下文簡(jiǎn)稱(chēng)線陣LED1。集成有LED的PCB板繞

12、其一端隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角度時(shí)點(diǎn)亮合適的LED就可以顯示需要顯示的內(nèi)容，其示意圖如圖1所示，而在何處點(diǎn)亮哪些LED就應(yīng)該符合圓形LED屏的顯示原理，圖2和圖3分別描述了圓形指針式時(shí)鐘和數(shù)字式時(shí)鐘的顯示原理。圖2.0 圓形旋轉(zhuǎn)LED顯示屏工作過(guò)程示意圖在圖2中，圖2(1)指定了20顆LED用于顯示表盤(pán)、時(shí)間刻度、時(shí)針、分針和秒針的顆數(shù)及分布。明顯可以看出最內(nèi)和最外一顆用于顯示表盤(pán)的內(nèi)圈和外圈。自?xún)?nèi)向外，第19顆用于顯示時(shí)針，第112顆用于顯示分針，第115顆用于顯示秒針，第1719顆用于顯示時(shí)間刻度。具體來(lái)講，3顆亮表示12點(diǎn)刻度，2顆亮表示3、6、9點(diǎn)刻度，1顆亮表示其余時(shí)間刻度。為

13、了將時(shí)針與刻度隔開(kāi)而提高時(shí)鐘的易讀性，第16顆LED一直不亮。在線陣LED的每一圈旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在圖示的位置點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的LED并延時(shí)就可以顯示出當(dāng)前時(shí)刻。圖2(2)中顯示的時(shí)刻為03：40：00。圖2.1 圓形旋轉(zhuǎn)LED顯示屏?xí)r鐘原理圖圖3描述了圓形LED顯示屏顯示數(shù)字的原理，即是在每一圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)的 時(shí)時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)亮第1、7、11、15及20顆LED，在 的下一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)亮第1、715及20顆LED就可以顯示數(shù)字3。特別地， 圖2.2 圓形旋轉(zhuǎn)LED顯示屏數(shù)字時(shí)鐘原理圖圖2.3 圓形旋轉(zhuǎn)LED顯示屏顯示英文原理圖2、圓柱面型顯示原理基于POV的圓柱面型旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏的結(jié)構(gòu)如圖4所示。本設(shè)計(jì)在圓形L

14、ED顯示屏的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)豎直的集成有17顆貼片LED的PCB板，下文稱(chēng)線陣LED2.當(dāng)然，為了維持系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，在另一端我們?cè)黾恿寺葜仁箖啥酥亓科胶?。?dāng)線陣LED2隨著電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，在的合適的位置點(diǎn)亮特定的LED，在視覺(jué)暫留的影響下我們就能看到各種文字和圖形。圖2.4 圓柱面型旋轉(zhuǎn)LED顯示字幕D的原理圖在圖5中，圖5(0)指定了17顆LED的相應(yīng)功能，即自上而下第116顆LED是顯示LED，第17顆為底邊線LED；圖5(18)描述了圓柱面型LED顯示屏顯示字母D的詳細(xì)過(guò)程，即根據(jù)字母D的字模數(shù)據(jù)在每一圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)的起始時(shí)刻 點(diǎn)亮第3、13及17顆LED，在接下來(lái)的時(shí)刻分別點(diǎn)亮第313和

15、17顆，第3、13及17顆，第3、13及17顆，第3、13及17顆，第4、12及17顆，第511和17顆最后再全部不亮就可以顯示出字母D。圖2.5 圓柱型旋轉(zhuǎn)LED顯示屏顯示加油的原理圖第三章 旋轉(zhuǎn)LED屏設(shè)計(jì)第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)本課題運(yùn)用單片機(jī)、LED發(fā)光二極管和電機(jī)等器件設(shè)計(jì)一個(gè)POV顯示器。顯示內(nèi)容及要求：1、平面與立體一起移動(dòng)顯示字幕+暫停控制2、平面顯示數(shù)字時(shí)鐘與立體移動(dòng)顯示字3、平面顯示指針時(shí)鐘4、立體滾動(dòng)顯示字+暫?？刂?、立體下移顯示字+暫?？刂?、立體顯示動(dòng)畫(huà)效果7、顯示打印字的效果8、立體顯示時(shí)間+滾動(dòng)字效果9、上位機(jī)軟件校時(shí)第二節(jié) 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)硬件框圖如圖3.1所示。圖3

16、.1 系統(tǒng)硬件框圖第三節(jié) 機(jī)械結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6所示，結(jié)構(gòu)要求重量均勻分布在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩旁。本文將單片機(jī)、時(shí)鐘芯片、線陣LED、一體化紅外接收頭等器件焊接在一塊指針型的電路板上，這樣可以使旋轉(zhuǎn)的電路成為一個(gè)獨(dú)立的部分。電路板一端鉆一個(gè)電機(jī)軸插孔，插孔為半圓且半徑與電機(jī)軸相等。電機(jī)軸插入其中帶動(dòng)指針板旋轉(zhuǎn)。圖3.2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖第四節(jié) 旋轉(zhuǎn)LED動(dòng)態(tài)顯示旋轉(zhuǎn)LED旋轉(zhuǎn)起來(lái)是一個(gè)圓，那么就需要有一個(gè)傳感器來(lái)判斷起點(diǎn)位置，有人用霍爾傳感器，有人用紅外對(duì)管，本人覺(jué)得用紅外對(duì)管便宜些，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)也容易。這個(gè)起點(diǎn)檢測(cè)非常重要，單片機(jī)就是根據(jù)這個(gè)起點(diǎn)來(lái)判斷是否要開(kāi)始顯示 數(shù)據(jù)的。如

17、果起點(diǎn)檢測(cè)不到 單片機(jī)就不開(kāi)始顯示。如何讓一列燈不斷的送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)文字的顯示呢？這個(gè)我們就要了解文字取模的原理了，這里以PC2002字幕軟件為例，取一個(gè)16*16的中文字，見(jiàn)字幕選項(xiàng)設(shè)置：從第一列開(kāi)始向下每取8個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)字節(jié)，如果最后不足8個(gè)點(diǎn)就補(bǔ)滿8位。取模順序是從低到高，即第一個(gè)點(diǎn)作為最低位。如*-取為00000001 取模后如下表：0xFF,0x7F,0xFF,0xBF,0x3F,0xC8,0xBF,0xFB,0xBF,0xFB,0xBF,0xEB,0x80,0x9B,0xB7,0xFB,0xB7,0xEB,0xB7,0x9B,0xB7,0xFB,0x37,0xF8,0xF7,0xE

18、F,0xF7,0x1F,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,/*點(diǎn),0*/現(xiàn)在我們知道16*16取模是一列一列取的了，一列有2個(gè)字節(jié)，一共16列，所以一個(gè)16*16的漢字就有32個(gè)字節(jié)，需要占用單片機(jī)的Code空間 32個(gè)字節(jié)。然后再結(jié)合硬件來(lái)分析，如下圖：圖3.3 旋轉(zhuǎn)LED顯示屏側(cè)板原理圖一列燈16個(gè)剛好對(duì)應(yīng)16*16一個(gè)漢字的一列：2個(gè)字節(jié)，所以把取模到的數(shù)據(jù)依次送到P2口 和P4 P5口，這里硬件中P4 P5組成一個(gè)字節(jié)，所以顯示程序如下：for(i=0;i4;/這里行和列 都是IO口獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的LED DelayUs(200);/延時(shí)讓LED亮起來(lái) 每列延時(shí)的時(shí)間 P2=0XFF;

19、 P4=P5=0XFF; 在什么時(shí)候送顯示呢？單片機(jī)IO一判斷到 紅外接收管接收到起點(diǎn)信號(hào)，就開(kāi)始顯示，顯示完16列后等待下一次的起點(diǎn)信號(hào)。這樣只要電機(jī)的速度夠快就會(huì)穩(wěn)定的把字顯示字空中了。平面的文字顯示同理。如何讓一組文字不斷的移動(dòng)？這就需要一個(gè)字幕計(jì)數(shù)器，旋轉(zhuǎn)LED每旋轉(zhuǎn)一圈，這個(gè)字幕計(jì)數(shù)器就加一，指向下一列，這樣不斷的刷新，感覺(jué)文字就在移動(dòng)了，程序如下：j就是字幕計(jì)數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈j就會(huì)加1；if(KEY=0) /紅外接收管 判斷起始位 j+; if(j672) /根據(jù)顯示的字?jǐn)?shù)定義改數(shù)值672/16=42個(gè)字 顯示完42個(gè)字后 重新開(kāi)始 j=0 ; for(i=j;i4;/這里行和列 都

20、是IO口獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的LED DelayUs(200);/延時(shí)讓LED亮起來(lái) 每列延時(shí)的時(shí)間P2=0XFF;P4=P5=0XFF; 第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)第一節(jié) 涉及的主要技術(shù)1、單片機(jī)技術(shù)：旋轉(zhuǎn)LED顯示屏在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，使用通過(guò)定時(shí)器中斷讓其以某個(gè)頻率在空間的某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻點(diǎn)亮或是熄滅，人的肉眼存在視覺(jué)暫留現(xiàn)象，所以無(wú)法判斷出是否在閃爍而形成完整連續(xù)的圖像；所以對(duì)于控制顯示內(nèi)容可以采用單片機(jī)定時(shí)器的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)該注意一下問(wèn)題：系統(tǒng)通信設(shè)置。在設(shè)計(jì)中，顯示屏顯示的內(nèi)容、顯示模式切換以及當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定都是通過(guò)紅外無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)的。在圖6中，紅外一體化接收頭(HS0038)接收由

21、手持遙控器發(fā)出的頻率為38KHz的間斷脈沖，HS0038對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大、檢波整形后得到TTL編碼信號(hào)直接給單片機(jī)解碼出調(diào)時(shí)、數(shù)字顯示或指針顯示三種不同的控制信號(hào)。起始位置校準(zhǔn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性直接決定了顯示是否有重影和浮影。然而，要其完全不變是不可能的。在這種情況下，誤差會(huì)積累而形成浮影。所以，對(duì)起始位置的不斷矯正是理由非步進(jìn)電機(jī)制作旋轉(zhuǎn)LED顯示屏必不可少的技術(shù)。通過(guò)磁電傳感器檢測(cè)置于固定位置的小鋼粒來(lái)不斷定位起始位置消除積累誤差。本文在指針板上加裝一個(gè)紅外接收管。當(dāng)接收到與之配對(duì)的紅外發(fā)光二極管(紅外發(fā)光二極管安裝在電機(jī)外殼上，并與接收管對(duì)齊)發(fā)出的紅外線后，就會(huì)反向?qū)ǎa(chǎn)生低電平而

22、觸發(fā)外部中斷。指針板每旋轉(zhuǎn)一周，就會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)中斷信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被稱(chēng)為“過(guò)零信號(hào)”。外部中斷的任務(wù)是將旋轉(zhuǎn)角度清零，以此消除積累誤差。2、LED驅(qū)動(dòng)電路：由于整個(gè)LED顯示屏在工作中一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以顯示的亮度會(huì)明顯降低，因此需要使用亮度較高的發(fā)光二極管，并且通過(guò)與單片機(jī)I/O口相連，對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定才能實(shí)現(xiàn)正常控制LED的閃爍效果。 3、電源的供電方式：在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的顯示屏一直處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。所以如何給旋轉(zhuǎn)LED顯示屏供電成為硬件方面最大的難題。在下文，將會(huì)提出了三個(gè)供電方案，以及最終采用的供電方案。第二節(jié) 電機(jī)方案選擇方案一：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)在整個(gè)在高速旋轉(zhuǎn)

23、的過(guò)程顯示屏是必須保證穩(wěn)定運(yùn)行的。這樣可以避免在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)奔潰，以及存在的種種安全隱患。所以想到了提出采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制顯示屏旋轉(zhuǎn)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)能使步距角變更為其固有步距角的1/n，同時(shí)也完全消除電機(jī)在低頻時(shí)的振蕩，大大增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力。另外步進(jìn)電機(jī)的抗干擾能力比較強(qiáng)，控制起來(lái)簡(jiǎn)單，而且步矩誤差不會(huì)被長(zhǎng)期積累，所以大大增強(qiáng)了旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和精確性，因此旋轉(zhuǎn)LED顯示屏顯示效果的清晰程度得到了保證。方案二：普通電機(jī)此方案不占用單片機(jī)I/O口，節(jié)省單片機(jī)資源，使用方便，成本較低，通過(guò)可調(diào)電阻可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。方案比較及確定：以上兩個(gè)方案各有及優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)起來(lái)，個(gè)人認(rèn)為還是應(yīng)該從以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便操

24、作，便于理解，成本低廉為主要方面來(lái)對(duì)本設(shè)計(jì)考慮。從方案一來(lái)看，主要難點(diǎn)就在于步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題上。必須要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，如何調(diào)速，進(jìn)行充分的理解。不同的電機(jī)由于速度不相同，所產(chǎn)生的頻率也不一樣，這樣旋轉(zhuǎn)LED顯示屏在實(shí)際顯示的圖像與設(shè)計(jì)有所偏差。而且電機(jī)速度會(huì)影響到單片機(jī)對(duì)定時(shí)器工作和定時(shí)的設(shè)定，這些也就影響到整個(gè)程序的編寫(xiě)。而且本人覺(jué)得，對(duì)于成本上的考慮，這次設(shè)計(jì)的要求需要較高的轉(zhuǎn)速，而較高轉(zhuǎn)速的步進(jìn)電機(jī)在價(jià)格上是相當(dāng)昂貴的，如果僅僅只是作為實(shí)驗(yàn)觀賞來(lái)制作使用的話，制作出來(lái)的成本是相當(dāng)高的?？紤]到這個(gè)方案的可行性，所以決定不采用這個(gè)方案。從方案二來(lái)講，主要區(qū)別就是用普通電機(jī)來(lái)取代方案一

25、中的步進(jìn)電機(jī)。在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)拆分一個(gè)普通功率的風(fēng)扇的電機(jī)來(lái)使用。成本比較低，方便易實(shí)現(xiàn)，降低了設(shè)計(jì)成本。而且采用電風(fēng)扇的電機(jī)改造比起方案一來(lái)說(shuō)更切合本設(shè)計(jì)的題目，所以在這次設(shè)計(jì)時(shí)決定采用這個(gè)方案，而且這個(gè)方案的最大的優(yōu)勢(shì)還在于制作成本很低。第三節(jié) 供電方案選擇1.高速供轉(zhuǎn)動(dòng)的主板供電有3種方案:方案一：直接把電池裝在主板上隨主板轉(zhuǎn)動(dòng)，用電池直接給主板供電，這樣成本低，但是壽命短，而且嚴(yán)重影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定。方案二：使用電刷連接供電，制作簡(jiǎn)單，非常有效，但是這樣的供電壽命很短，主要是需要在電路板上加焊一層耐磨導(dǎo)電層，一旦使用時(shí)間長(zhǎng)了電刷觸點(diǎn)就會(huì)不夠光潔而且接觸壓力變大大，幾小時(shí)就可以將線路板

26、上的銅皮磨穿，更換的成本太高，而且不穩(wěn)定。方案三：用無(wú)線輸電的方法，無(wú)任何觸點(diǎn)，所以避免了使用電刷的更換問(wèn)題，而且這樣的制作壽命很長(zhǎng)。利用電磁耦合原理，用磁線圈對(duì)主板進(jìn)行供電。利用互補(bǔ)正反饋振蕩電路將直流電轉(zhuǎn)化成高頻交流信號(hào)，通過(guò)線圈（線圈內(nèi)有鐵氧體磁芯，提高效率），將交流信號(hào)輸送到旋轉(zhuǎn)的主電路板上，主電路板上利用5.1v的穩(wěn)壓二極管，將接收到的交流信號(hào)變成5.1v直流電，通過(guò)220uF的電解電容濾波，供給單片機(jī)，使單片機(jī)能正常工作。但是用電磁耦合的方式有很大的缺點(diǎn)，沒(méi)有高磁導(dǎo)率的磁芯作為介質(zhì)，磁力線會(huì)嚴(yán)重發(fā)散到空氣中，傳遞效率下降非常厲害。所以不適合大功率，遠(yuǎn)距離的無(wú)線供電。本設(shè)計(jì)所需的功率

27、很小，供電距離很小，所以是較理想的方案。其結(jié)構(gòu)如圖所示，其中L1為給主板部分供電的磁線圈。 圖 4.0 無(wú)線供電原理圖2.方案比較與確定：對(duì)于方案一中采用直接用電池給主板供電，這樣電池必須固定安裝在主板上面，由于電池自身存在重量問(wèn)題，在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候一旦重心不在旋轉(zhuǎn)軸心，會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)屏劇烈震動(dòng)。這樣會(huì)不但影響到顯示屏的顯示，而且會(huì)是整個(gè)旋轉(zhuǎn)顯示器硬件損壞，甚至誤傷人員。所以這個(gè)方案不采用。對(duì)于方案二是采用電刷的方法，這個(gè)其實(shí)在很多供電場(chǎng)合有用到，但是電刷在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與導(dǎo)電層有高速劇烈的摩擦，時(shí)間久了會(huì)摩擦受損，這樣會(huì)照成接觸不良現(xiàn)象，從而影響了供電的穩(wěn)定，而且一旦受損就需要更換新的導(dǎo)電層，這對(duì)于

28、一個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)成本過(guò)于高昂。故此方案也不采用。方案三中采用的是無(wú)線供電。因?yàn)槭菬o(wú)線所以供電體與受供體分離，因此方便了對(duì)電源的安裝，而且采用的材料成本較為低廉，且無(wú)觸點(diǎn)，沒(méi)有摩擦照成的短壽命現(xiàn)象。所以最終決定采用無(wú)線供電的方法給旋轉(zhuǎn)顯示屏供電。第四節(jié) 主控元件在我們生活中幾乎所有電子產(chǎn)品都離不開(kāi)單片機(jī)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)集成度非常高，功能又強(qiáng)，可靠程度很高，所以它的體很小，而且單片機(jī)的功耗并不高，價(jià)錢(qián)還比較低廉，因此被眾多領(lǐng)域運(yùn)用在各種各樣的器件上。如今單片機(jī)已經(jīng)存在于我們生活中的每一個(gè)角落。此次設(shè)計(jì)主要采用宏晶科技的STC15F2K60S2單片機(jī)為主控單元。STC15F2K60S2芯片是宏晶科技生產(chǎn)的高

29、速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，用它作為本設(shè)計(jì)控制核心。STC15F2K60S2主要性能及引腳排列如下圖所示：圖4.1 STC12C5A60S2單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖STC12C5A60S2單片機(jī)主要集成了以下資源： 增強(qiáng)型8051內(nèi)核，單時(shí)鐘機(jī)器周期，速度比傳統(tǒng)8051內(nèi)核單片機(jī)快812倍60KB Flash程序存儲(chǔ)器;1KB數(shù)據(jù)Flash;2048字節(jié)的SRAM3個(gè)16位可自動(dòng)重裝載的定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T0、T1、T2）可編程時(shí)鐘輸出功能 至多42根I/O口線 2個(gè)全雙工異步串行口（UART）1個(gè)高速同步通信端口（SPI） 8通道10位ADC, 3通道PWM

30、/可編程計(jì)數(shù)器陣列/捕獲/比較單元內(nèi)部高可靠上電復(fù)位電路和硬件看門(mén)狗 內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，常溫工作時(shí)，可以省去外部晶振電路。第五節(jié) 時(shí)鐘芯片DS1302大多數(shù)的單片機(jī)沒(méi)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘部件,一旦系統(tǒng)掉電時(shí)鐘就不能運(yùn)行,下次再運(yùn)行，時(shí)間就不準(zhǔn)確了。即便使用備用電池,但要維持單片機(jī)系統(tǒng)的較大功耗也是堅(jiān)持不了多久的。而我所做的旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘用到的單片機(jī)主要是來(lái)準(zhǔn)確顯示時(shí)間的，因此實(shí)時(shí)時(shí)鐘部件必不可少，這里我用了MAXIM公司的DS1302時(shí)鐘芯片作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘部件，保證時(shí)間的長(zhǎng)久準(zhǔn)確性。DS1302 有著很強(qiáng)的功能。包括時(shí)鐘/日歷寄存器和31 字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)暫存寄存器，數(shù)據(jù)通信僅通過(guò)一條串行輸入輸出口。

31、實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷提供包括秒、分、時(shí)、日期、月份和年份信息。閏年可自行調(diào)整，可選擇AM/PM的12 小時(shí)制或24小時(shí)制。只通過(guò)三根線進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制和傳遞：CE(輸入信號(hào)，在讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個(gè)功能：第一，CE開(kāi)始控制字訪問(wèn)移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?；I/O(三線接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線)；SCLK(串行時(shí)鐘輸入)。通過(guò)備用電源可以讓芯片在小于1MW的功率下運(yùn)作。對(duì)時(shí)鐘寄存器初始化可以設(shè)定當(dāng)前時(shí)間,控制芯片的運(yùn)行,時(shí)間是用BCD碼保存的,RAM可以用來(lái)存取用戶(hù)數(shù)據(jù),在用了備用電池后RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電時(shí)能夠保持不丟失。芯片采用了簡(jiǎn)單的I2

32、C 三線通信方式,便于節(jié)省芯片資源和與之接口的MCU的引腳。芯片有著2.05.5V的寬供電電壓范圍,在5V供電時(shí)其接口與TTL電平兼容。并且有著很低的功耗,在2.0V供電時(shí)僅耗300nA 的電流。引腳X1 和X2 連接32.768kHz 晶體,與內(nèi)部振蕩器組成時(shí)鐘。晶體的精度直接影響著芯片時(shí)間的準(zhǔn)確與否。DS1302有兩個(gè)電源引腳VCC1和VCC2,分別連接備用電池和電源VCC。VCC2與主電源連接，VCC1接備用電池。當(dāng)VCC2低于VCC1時(shí),芯片由VCC1供電；當(dāng)VCC2-VCC10.2V時(shí),備用電池為芯片供電。在VCC2供電時(shí)芯片能夠?qū)釉赩CC1的備用電池充電,并且是否充電和充電電流都

33、可以由芯片內(nèi)地址為08H的時(shí)鐘寄存器進(jìn)行控制。DS1302與單片機(jī)的硬件接線圖如圖三所示。在進(jìn)行任何數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，CE必須被制高電平（雖然CE被置為高電平，但內(nèi)部時(shí)鐘還是在晶振作用下不停地計(jì)時(shí)的），在每個(gè)SCLK上升沿時(shí)讀入數(shù)據(jù)，下降沿時(shí)寫(xiě)出數(shù)據(jù)。每個(gè)字節(jié)的傳輸都是由控制字節(jié)(如表1所示)指定的，控制字節(jié)的最高位Bit7必須是“1”，否則讀寫(xiě)將會(huì)被禁止。bit6 為“0”則指定對(duì)時(shí)鐘/日歷寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，為“1”則對(duì)RAM區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，bit1-bit5 指定相關(guān)寄存器進(jìn)行輸入輸出操作，最低位bit0 指定是輸入還是輸出，為“0”則為寫(xiě)，相反則為讀，輸入輸出根據(jù)脈沖的上升沿和下降沿串

34、行進(jìn)行。765432101RAM/用來(lái)表示相關(guān)寄存器的地址RD/圖4.2 DS1302控制字節(jié)控制字總是從最低位開(kāi)始輸出。在控制字指令輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫(xiě)入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從最低位（0位）開(kāi)始。同樣，在緊跟8位的控制字指令后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿，讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)也是從最低位到最高位。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)序如圖四所示。圖4.3 DS1302數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)序通過(guò)8個(gè)脈沖便可讀取一個(gè)字節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)串行輸入與輸出。最初通過(guò)8個(gè)時(shí)鐘周期載入控制字節(jié)到移位寄存器。如果控制指令選擇的是單字節(jié)模式，連續(xù)的8個(gè)時(shí)鐘脈沖可以進(jìn)行8位數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。8個(gè)脈沖便可讀寫(xiě)一個(gè)字

35、節(jié)。載入控制字節(jié)后就可以對(duì)時(shí)鐘/日歷寄存器進(jìn)行相應(yīng)操作，時(shí)鐘/日歷寄存器如下表所示。讀寄存器寫(xiě)寄存器BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2-BIT0范圍81h80hCH16-59秒0-15秒00-5983h82h16-59分0-15分00-5985h84h12020-2315-19時(shí)0-15時(shí)1-12/0-23/PM87h86h00016-31日0-15日1-3189h88h00010月月1-128Bh8Ah000001-7周1-78Dh8Ch015-99年0-15年00-998Fh8EhWP0圖4.4時(shí)鐘/日歷寄存器秒寄存器（81h、80h）的位7定義為時(shí)鐘暫停標(biāo)志（CH）。當(dāng)該位

36、置1時(shí)，時(shí)鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位置為0時(shí)，時(shí)鐘開(kāi)始運(yùn)行。小時(shí)寄存器（85h、84h）的位7用于定義DS1302是運(yùn)行于12小時(shí)模式還是24小時(shí)模式。當(dāng)為高時(shí)，選擇12小時(shí)模式。在12小時(shí)模式下，位5為1時(shí)，表示PM。在24小時(shí)模式時(shí)，位5是第二個(gè)10小時(shí)位(20-23時(shí))?？刂萍拇嫫鳎?Fh、8Eh）的位7是寫(xiě)保護(hù)位（WP），其它7位均置為0。在任何的對(duì)時(shí)鐘和RAM的寫(xiě)操作之前，WP位必須為0。當(dāng)WP位為1時(shí)，寫(xiě)保護(hù)位防止對(duì)任一寄存器的寫(xiě)操作。第六節(jié) 硬件原理圖1、旋轉(zhuǎn)LED基板原理圖:圖4.5旋轉(zhuǎn)LED基板原理圖2、旋轉(zhuǎn)LED平面原理圖：圖4.6旋轉(zhuǎn)LED平面原理圖

37、3、旋轉(zhuǎn)LED側(cè)板原理圖：圖4.7旋轉(zhuǎn)LED側(cè)板原理圖圖4.8硬件PCB圖4、遙控器說(shuō)明:圖4.9 遙控器示意圖第五章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)第一節(jié) 軟件設(shè)計(jì)流程圖1、該程序的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖所示:圖5.0程序整體框架圖5.1軟件設(shè)計(jì)流程圖(時(shí)鐘)第二節(jié) 各個(gè)功能模塊流程圖1、單片機(jī)讀寫(xiě)DS1302程序設(shè)計(jì): 圖5.2讀寫(xiě)單字節(jié)程序流程圖2、單片機(jī)對(duì)紅外遙控代碼的譯碼程序設(shè)計(jì):圖5.3 紅外遙控代碼的譯碼程序第六章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試第一節(jié) 硬件調(diào)試發(fā)光二極管的調(diào)試。焊接好LED燈及電阻后，給板上電，分別使每個(gè)LED的陰極接地。發(fā)現(xiàn)25支LED燈都能正常點(diǎn)亮和熄滅。紅外對(duì)管的調(diào)試。給發(fā)射管接限流電阻并

38、上電后，去對(duì)準(zhǔn)焊在板子上的紅外接收管，用電壓表測(cè)試其陰極，為低電平；移開(kāi)發(fā)射管后為高電平。紅外對(duì)管工作正常。紅外遙控器的調(diào)試。調(diào)試時(shí)使用USB-ISP線一步步監(jiān)控單片機(jī)接收到的紅外信號(hào)是否符合設(shè)計(jì)要求。電源驅(qū)動(dòng)調(diào)試。電刷制作完成后，將LED燈都接地，并給電機(jī)和單片機(jī)都上電。指針板開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，并且LED燈都能點(diǎn)亮，供電成功。電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)試。調(diào)試時(shí)可試著從低到高給電機(jī)供電，使其速度慢慢提高，同時(shí)觀察整個(gè)系統(tǒng)是不是穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，如果速度很低就晃動(dòng)得厲害就需要考慮平衡問(wèn)題，哪邊輕可以在哪邊加配重。 圖6.0 硬件實(shí)物圖第二節(jié) 軟件調(diào)試基本上排除了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件故障后，就可以進(jìn)入軟件的綜合調(diào)試階段，這個(gè)階段的主要任務(wù)是排除軟件錯(cuò)誤，也解決硬件遺留的問(wèn)題。本系統(tǒng)程序是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的，主