POV旋轉(zhuǎn)LED顯示器的設(shè)計

1、天津濱海職業(yè)學(xué)院全日制高等職業(yè)教育畢業(yè)實踐環(huán)節(jié)畢業(yè)設(shè)計（典型性項目）說明書pov旋轉(zhuǎn)led顯示器的設(shè)計作者： 主要內(nèi)容簡介現(xiàn)在是一個知識爆炸的新時代。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，電子技術(shù)的應(yīng)用無處不在，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，隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，人們對時鐘的要求越來越高，而在對要求高之余，又要講究有創(chuàng)意，新奇，所以在這個基礎(chǔ)上設(shè)計一款既能滿足人們的要求，又要有創(chuàng)意的時鐘裝置是很有必要的，貼片led旋轉(zhuǎn)屏?xí)r鐘在可以計時的基礎(chǔ)上，又能夠滿足人們對事物要有創(chuàng)意的需求。本設(shè)計采用的是pov led（pov即persisten

2、ce of vision視覺暫留）技術(shù)，它指的是，借助人的視覺暫留效果，通過少量led燈的機(jī)械掃描方式來顯示各種字符或者圖像。其原理很簡單，就是靠電動機(jī)帶動一排led燈繞電機(jī)軸高速旋轉(zhuǎn)，與此同時單片機(jī)控制各個led燈在旋轉(zhuǎn)平面相應(yīng)的位置上點亮，構(gòu)成一幅點陣畫，雖然它們不是同時點亮的，但由于人的視覺暫留效果，會誤以為每個點都是同時點亮的。其具體應(yīng)用還可見于電影的拍攝和放映。關(guān)鍵字：單片機(jī)、led、時鐘、視覺暫留、紅外接收、掃描顯示目 錄第一章led簡介1第一節(jié) 什么是pov1第二節(jié) 發(fā)光二極管簡介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7第一節(jié) 設(shè)計任務(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動態(tài)顯示9第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計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26第一節(jié) 軟件設(shè)計流程圖26第二節(jié) 各個功能模塊流程圖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簡介第一節(jié) 什么是povpov 即英文persistence of vision一詞的縮寫,中文是“視覺暫留”的意思。每當(dāng)人的眼睛在觀察物

4、體之后,物體的映像會在視網(wǎng)膜上保留一段很短暫的時間。在這短暫的時間段里,當(dāng)前面的視覺形象還沒有完全消退,新的視覺形象又繼續(xù)產(chǎn)生時,就會在人的大腦里形成連貫的視覺錯覺。其實,對于這種獨特有趣生物現(xiàn)象,我們隨時都能感受到。下雨時,紛紛快速下落的雨滴,在我們的眼里卻成了一條條富有詩意的“雨絲”;用一支激光筆射在墻上,并快速晃動,我們會感受到一幅由線條組成的畫面。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),人的視覺暫留時間約為1/24s,這個時間值并非是個標(biāo)準(zhǔn)值,它因觀察者的個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,以每秒24個畫格的速度進(jìn)行拍攝和放映,使得一系列原本不動的連續(xù)變化畫面,在人眼里產(chǎn)生連貫的

5、活動錯覺影像。對“pov”現(xiàn)象的認(rèn)識和利用,可追溯到兩百多年前。在這一個世紀(jì)，光電子產(chǎn)業(yè)在社會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)宗旨的公眾場所，在路邊很多地方我們都能見到led顯示屏的蹤影。傳統(tǒng)的led屏使用的是led點陣屏，屏幕需要做到越大，led的數(shù)量就需要越大，因為需要使用led等鋪滿整個顯示屏。相比起來，一旦大型化價格相當(dāng)高昂、安裝及操作起來都極其麻煩，同時因為使用器件數(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)計一個可以平面旋轉(zhuǎn)led顯示屏，具有十分重大的意義。第二節(jié) 發(fā)光二極管簡介光二極管(led)是一種電致發(fā)光的光電器件。早在1907年開始,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,回顧過去,它已茁壯成長。各種類型的led、利用led作二次開發(fā)的產(chǎn)品及與led配套的產(chǎn)品(如白光led驅(qū)動器)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在照明市場的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場，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,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，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(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以內(nèi)產(chǎn)生。 發(fā)光二極管的種類很多，按發(fā)光材料來區(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)光顏色來分有發(fā)紅光、黃光、綠光以及眼睛看不見的紅外

9、發(fā)光二極管等；若按功率來區(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符號及l(fā)ed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燈亮滅組合來實現(xiàn)的。led顯示屏可以更改顯示內(nèi)容，只需要通過用flash將顯示的內(nèi)容制作成一個動畫,存放在顯示屏的一張內(nèi)存卡里,通過技術(shù)手法顯示出來的。因此可以根據(jù)現(xiàn)場的需要在不同的場合進(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用于各種各樣的場合。內(nèi)容可以根據(jù)不同的求進(jìn)行隨時更換，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、耐沖擊能力強(qiáng)，同時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“視覺暫留”這一

11、原理,我們可以通過發(fā)光體的運動,產(chǎn)生一系列運動軌跡的殘留影像,達(dá)到漂浮在空中似的神奇夢幻般的顯示效果?？v觀各種與此相關(guān)制作,無論是商業(yè)化產(chǎn)品還是diy 作品, 歸納起來無非就是看：運動的是發(fā)光體,發(fā)光體如何運動,如何給運動的系統(tǒng)供電,采用什么樣的傳感器感知運行狀態(tài),如何控制運轉(zhuǎn)著的系統(tǒng)。下面將對這幾個方面進(jìn)行歸納和探討。發(fā)光體的不同的運動方式,成就了各種顯示形態(tài)的pov。歸納起來看,形形色色的pov 制作,其運動狀態(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，一個條狀pcb板上集成了20個貼片型發(fā)光led，下文簡稱線陣led1。集成有l(wèi)ed的pcb板繞

12、其一端隨電動機(jī)轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到合適的角度時點亮合適的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鐘和數(shù)字式時鐘的顯示原理。圖2.0 圓形旋轉(zhuǎn)led顯示屏工作過程示意圖在圖2中，圖2(1)指定了20顆led用于顯示表盤、時間刻度、時針、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的內(nèi)圈和外圈。自內(nèi)向外，第19顆用于顯示時針，第112顆用于顯示分針，第115顆用于顯示秒針，第1719顆用于顯示時間刻度。具體來講，3顆亮表示12點刻度，2顆亮表示3、6、9點刻度，1顆亮表示其余時間刻度。為

13、了將時針與刻度隔開而提高時鐘的易讀性，第16顆led一直不亮。在線陣led的每一圈旋轉(zhuǎn)過程中，在圖示的位置點亮對應(yīng)的led并延時就可以顯示出當(dāng)前時刻。圖2(2)中顯示的時刻為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 時時間內(nèi)，點亮第1、7、11、15及20顆led，在 的下一個時刻點亮第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)計在圓形l

14、ed顯示屏的基礎(chǔ)上增加了一個豎直的集成有17顆貼片led的pcb板，下文稱線陣led2.當(dāng)然，為了維持系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，在另一端我們增加了螺柱等使兩端重量平衡。當(dāng)線陣led2隨著電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，在的合適的位置點亮特定的led，在視覺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)的起始時刻 點亮第3、13及17顆led，在接下來的時刻分別點亮第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)計第一節(jié) 設(shè)計任務(wù)本課題運用單片機(jī)、led發(fā)光二極管和電機(jī)等器件設(shè)計一個pov顯示器。顯示內(nèi)容及要求：1、平面與立體一起移動顯示字幕+暫停控制2、平面顯示數(shù)字時鐘與立體移動顯示字3、平面顯示指針時鐘4、立體滾動顯示字+暫停控制5、立體下移顯示字+暫?？刂?、立體顯示動畫效果7、顯示打印字的效果8、立體顯示時間+滾動字效果9、上位機(jī)軟件校時第二節(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)動軸兩旁。本文將單片機(jī)、時鐘芯片、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)的電路成為一個獨立的部分。電路板一端鉆一個電機(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動態(tài)顯示旋轉(zhuǎn)led旋轉(zhuǎn)起來是一個圓，那么就需要有一個傳感器來判斷起點位置，有人用霍爾傳感器，有人用紅外對管，本人覺得用紅外對管便宜些，而且實現(xiàn)起來也容易。這個起點檢測非常重要，單片機(jī)就是根據(jù)這個起點來判斷是否要開始顯示 數(shù)據(jù)的。如

17、果起點檢測不到 單片機(jī)就不開始顯示。如何讓一列燈不斷的送數(shù)據(jù)實現(xiàn)一個文字的顯示呢？這個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16*16的中文字，見字幕選項設(shè)置：從第一列開始向下每取8個點作為一個字節(jié)，如果最后不足8個點就補滿8位。取模順序是從低到高，即第一個點作為最低位。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",0*/現(xiàn)在我們知道16*16取模是一列一列取的了，一列有2個字節(jié)，一共16列，所以一個16*16的漢字就有32個字節(jié)，需要占用單片機(jī)的code空間 32個字節(jié)。然后再結(jié)合硬件來分析，如下圖：圖3.3 旋轉(zhuǎn)led顯示屏側(cè)板原理圖一列燈16個剛好對應(yīng)16*16一個漢字的一列：2個字節(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組成一個字節(jié)，所以顯示程序如下：for(i=0;i<16;i+) /送16列 顯示 這里只顯示一個字。 p2=zimoi*2; /送數(shù)據(jù)低位顯示

19、p4=(zimoi*2+1);/送數(shù)據(jù)高位顯示這里用了單片機(jī)p4 和p5口 是lqfp48腳才有的io口 p5=(zimoi*2+1)>>4;/這里行和列 都是io口獨立驅(qū)動的led delayus(200);/延時讓led亮起來 每列延時的時間 p2=0xff; p4=p5=0xff; 在什么時候送顯示呢？單片機(jī)io一判斷到 紅外接收管接收到起點信號，就開始顯示，顯示完16列后等待下一次的起點信號。這樣只要電機(jī)的速度夠快就會穩(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？這就需要一個字幕計數(shù)器，旋轉(zhuǎn)led每旋轉(zhuǎn)一圈，這個字幕計數(shù)器就加一，指向下一列，這樣不斷

20、的刷新，感覺文字就在移動了，程序如下：j就是字幕計數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈j就會加1；if(key=0) /紅外接收管 判斷起始位 j+; if(j>672) /根據(jù)顯示的字?jǐn)?shù)定義改數(shù)值672/16=42個字 顯示完42個字后 重新開始 j=0 ; for(i=j;i<128+j;i+) /每轉(zhuǎn)一圈 前進(jìn)一列 這里定義一圈中同時顯示128/16=8個字， p2=zimoi*2; /送數(shù)據(jù)低位顯示p4=(zimoi*2+1);/送數(shù)據(jù)高位顯示這里用了單片機(jī)p4 和p5口是lqfp48腳才有的 p5=(zimoi*2+1)>>4;/這里行和列 都是io口獨立驅(qū)動的led delayu

21、s(200);/延時讓led亮起來 每列延時的時間p2=0xff;p4=p5=0xff; 第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計第一節(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，使用通過定時器中斷讓其以某個頻率在空間的某一點所對應(yīng)的時刻點亮或是熄滅，人的肉眼存在視覺暫留現(xiàn)象，所以無法判斷出是否在閃爍而形成完整連續(xù)的圖像；所以對于控制顯示內(nèi)容可以采用單片機(jī)定時器的功能來實現(xiàn)。在設(shè)計過程中還應(yīng)該注意一下問題：系統(tǒng)通信設(shè)置。在設(shè)計中，顯示屏顯示的內(nèi)容、顯示模式切換以及當(dāng)前時刻的設(shè)定都是通過紅外無線通信實現(xiàn)的。在圖6中，紅外一體化接收頭(hs0038)接收由手持遙控器發(fā)出的頻率為38khz的間斷

22、脈沖，hs0038對接收信號進(jìn)行放大、檢波整形后得到ttl編碼信號直接給單片機(jī)解碼出調(diào)時、數(shù)字顯示或指針顯示三種不同的控制信號。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，誤差會積累而形成浮影。所以，對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)。通過磁電傳感器檢測置于固定位置的小鋼粒來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紅外接收管。當(dāng)接收到與之配對的紅外發(fā)光二極管(紅外發(fā)光二極管安裝在電機(jī)外殼上，并與接收管對齊)發(fā)出的紅外線后，就會反向?qū)ǎa(chǎn)生低電平而觸發(fā)外部中斷。指針板每旋轉(zhuǎn)一周，就會產(chǎn)

23、生這樣一個中斷信號，這個信號被稱為“過零信號”。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)動電路：由于整個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，并且通過與單片機(jī)i/o口相連，對程序進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定才能實現(xiàn)正常控制led的閃爍效果。 3、電源的供電方式：在運轉(zhuǎn)過程中旋轉(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，將會提出了三個供電方案，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)運行時在整個在高速旋轉(zhuǎn)的過程顯示屏是必須保證穩(wěn)定運行的。這樣

24、可以避免在高速旋轉(zhuǎn)時系統(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)來控制顯示屏旋轉(zhuǎn)。因為步進(jìn)電機(jī)能使步距角變更為其固有步距角的1/n，同時也完全消除電機(jī)在低頻時的振蕩，大大增強(qiáng)了驅(qū)動能力。另外步進(jìn)電機(jī)的抗干擾能力比較強(qiáng)，控制起來簡單，而且步矩誤差不會被長期積累，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，通過可調(diào)電阻可以實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。 方案比較及確定：以上兩個方案各有及優(yōu)缺點，總結(jié)起來，個人認(rèn)為還是應(yīng)該從以結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，便于理解，成本低廉為主

25、要方面來對本設(shè)計考慮。從方案一來看，主要難點就在于步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速問題上。必須要對步進(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顯示屏在實際顯示的圖像與設(shè)計有所偏差。而且電機(jī)速度會影響到單片機(jī)對定時器工作和定時的設(shè)定，這些也就影響到整個程序的編寫。而且本人覺得，對于成本上的考慮，這次設(shè)計的要求需要較高的轉(zhuǎn)速，而較高轉(zhuǎn)速的步進(jìn)電機(jī)在價格上是相當(dāng)昂貴的，如果僅僅只是作為實驗觀賞來制作使用的話，制作出來的成本是相當(dāng)高的?？紤]到這個方案的可行性，所以決定不采用這個方案。從方案二來講，主要區(qū)別就是用普通電機(jī)來取代方案一中的步進(jìn)電機(jī)。在實現(xiàn)設(shè)計時

26、通過拆分一個普通功率的風(fēng)扇的電機(jī)來使用。成本比較低，方便易實現(xiàn)，降低了設(shè)計成本。而且采用電風(fēng)扇的電機(jī)改造比起方案一來說更切合本設(shè)計的題目，所以在這次設(shè)計時決定采用這個方案，而且這個方案的最大的優(yōu)勢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，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，一旦使用時間長了電刷觸點就會不夠光潔而且接觸壓力變大大，幾小時就可以將線路板上的銅皮磨穿，更換的成本太

27、高，而且不穩(wěn)定。方案三：用無線輸電的方法，無任何觸點，所以避免了使用電刷的更換問題，而且這樣的制作壽命很長。利用電磁耦合原理，用磁線圈對主板進(jìn)行供電。利用互補正反饋振蕩電路將直流電轉(zhuǎn)化成高頻交流信號，通過線圈（線圈內(nèi)有鐵氧體磁芯，提高效率），將交流信號輸送到旋轉(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變成5.1v直流電，通過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，沒有高磁導(dǎo)率的磁芯作為介質(zhì)，磁力線會嚴(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)距離的無線供電。本設(shè)計所需的功率很小，供電距離很小，所以是

28、較理想的方案。其結(jié)構(gòu)如圖所示，其中l(wèi)1為給主板部分供電的磁線圈。 圖 4.0 無線供電原理圖2.方案比較與確定：對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題，在高速旋轉(zhuǎn)的時候一旦重心不在旋轉(zhuǎn)軸心，會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)屏劇烈震動。這樣會不但影響到顯示屏的顯示，而且會是整個旋轉(zhuǎn)顯示器硬件損壞，甚至誤傷人員。所以這個方案不采用。對于方案二是采用電刷的方法，這個其實在很多供電場合有用到，但是電刷在旋轉(zhuǎn)過程中與導(dǎo)電層有高速劇烈的摩擦，時間久了會摩擦受損，這樣會照成接觸不良現(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，這對于一個設(shè)計來說成本過于高昂。

29、故此方案也不采用。方案三中采用的是無線供電。因為是無線所以供電體與受供體分離，因此方便了對電源的安裝，而且采用的材料成本較為低廉，且無觸點，沒有摩擦照成的短壽命現(xiàn)象。所以最終決定采用無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)品都離不開單片機(jī)，因為單片機(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，價錢還比較低廉，因此被眾多領(lǐng)域運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角落。此次設(shè)計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)的高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新

30、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程序存儲器;1kb數(shù)據(jù)flash;2048字節(jié)的sram3個16位可自動重裝載的定時/計數(shù)器（t0、t1、t2）可編程時鐘輸出功能 至多42根i/o口線 2個全雙工異步串行口（uart）1個高速同步通信端口（spi） 8通道10位adc, 3通道pwm/可編程計數(shù)器陣列/捕獲/

31、比較單元內(nèi)部高可靠上電復(fù)位電路和硬件看門狗 內(nèi)部集成高精度r/c時鐘，常溫工作時，可以省去外部晶振電路。第五節(jié) 時鐘芯片ds1302大多數(shù)的單片機(jī)沒有實時時鐘部件,一旦系統(tǒng)掉電時鐘就不能運行,下次再運行，時間就不準(zhǔn)確了。即便使用備用電池,但要維持單片機(jī)系統(tǒng)的較大功耗也是堅持不了多久的。而我所做的旋轉(zhuǎn)時鐘用到的單片機(jī)主要是來準(zhǔn)確顯示時間的，因此實時時鐘部件必不可少，這里我用了maxim公司的ds1302時鐘芯片作為實時時鐘部件，保證時間的長久準(zhǔn)確性。ds1302 有著很強(qiáng)的功能。包括時鐘/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)通信僅通過一條串行輸入輸出口。實時時鐘/日歷提供包括秒、

32、分、時、日期、月份和年份信息。閏年可自行調(diào)整，可選擇am/pm的12 小時制或24小時制。只通過三根線進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制和傳遞：ce(輸入信號，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個功能：第一，ce開始控制字訪問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(三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線)；sclk(串行時鐘輸入)。通過備用電源可以讓芯片在小于1mw的功率下運作。對時鐘寄存器初始化可以設(shè)定當(dāng)前時間,控制芯片的運行,時間是用bcd碼保存的,ram可以用來存取用戶數(shù)據(jù),在用了備用電池后ram內(nèi)的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電時能夠保持不丟失。芯片采用了簡單的i2c 三線通信方式,便于節(jié)省

33、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供電時其接口與ttl電平兼容。并且有著很低的功耗,在2.0v供電時僅耗300na 的電流。引腳x1 和x2 連接32.768khz 晶體,與內(nèi)部振蕩器組成時鐘。晶體的精度直接影響著芯片時間的準(zhǔn)確與否。ds1302有兩個電源引腳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,芯片由vcc1供電；當(dāng)vcc2-vcc10.2v時,備用電池為芯片供電。在vcc2供電時芯片能夠?qū)釉趘cc1的備用電池充電,并且是否充電和充電電流都可以由芯片內(nèi)地址為08h的

34、時鐘寄存器進(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，ce必須被制高電平（雖然ce被置為高電平，但內(nèi)部時鐘還是在晶振作用下不停地計時的），在每個sclk上升沿時讀入數(shù)據(jù)，下降沿時寫出數(shù)據(jù)。每個字節(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”，否則讀寫將會被禁止。bit6 為“0”則指定對時鐘/日歷寄存器進(jìn)行讀寫操作，為“1”則對ram區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，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，相反則為讀，輸入輸出根據(jù)脈沖的上升沿和下降沿串行進(jìn)行。765432101

35、ram/用來表示相關(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始輸出。在控制字指令輸入后的下一個sclk時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入ds1302，數(shù)據(jù)輸入從最低位（0位）開始。同樣，在緊跟8位的控制字指令后的下一個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)讀寫時序如圖四所示。圖4.3 ds1302數(shù)據(jù)讀寫時序通過8個脈沖便可讀取一個字節(jié)，從而實現(xiàn)串行輸入與輸出。最初通過8個時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個時鐘脈沖可以進(jìn)行8位數(shù)據(jù)的讀寫操作。8個脈沖便可讀寫一個字節(jié)。載入控制字節(jié)后就可以對

36、時鐘/日歷寄存器進(jìn)行相應(yīng)操作，時鐘/日歷寄存器如下表所示。讀寄存器寫寄存器bit7bit6bit5bit4bit3bit2-bit0范圍81h80hch16-59秒0-15秒00-5983h82h16-59分0-15分00-5985h84h12020-2315-19時0-15時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時鐘/日歷寄存器秒寄存器（81h、80h）的位7定義為時鐘暫停標(biāo)志（ch）。當(dāng)該位置1時，時鐘振蕩器停止，d

37、s1302處于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位置為0時，時鐘開始運行。小時寄存器（85h、84h）的位7用于定義ds1302是運行于12小時模式還是24小時模式。當(dāng)為高時，選擇12小時模式。在12小時模式下，位5為1時，表示pm。在24小時模式時，位5是第二個10小時位(20-23時)。控制寄存器（8fh、8eh）的位7是寫保護(hù)位（wp），其它7位均置為0。在任何的對時鐘和ram的寫操作之前，wp位必須為0。當(dāng)wp位為1時，寫保護(hù)位防止對任一寄存器的寫操作。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3、旋轉(zhuǎn)led側(cè)板原理圖：

38、圖4.7旋轉(zhuǎn)led側(cè)板原理圖圖4.8硬件pcb圖4、遙控器說明:圖4.9 遙控器示意圖第五章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計第一節(jié) 軟件設(shè)計流程圖1、該程序的軟件設(shè)計流程圖如圖所示:圖5.0程序整體框架圖5.1軟件設(shè)計流程圖(時鐘)第二節(jié) 各個功能模塊流程圖1、單片機(jī)讀寫ds1302程序設(shè)計: 圖5.2讀寫單字節(jié)程序流程圖2、單片機(jī)對紅外遙控代碼的譯碼程序設(shè)計: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led的陰極接地。發(fā)現(xiàn)25支led燈都能正常點亮和熄滅。紅外對管的調(diào)試。給發(fā)射管接限流電阻并上電后，去對準(zhǔn)焊在板子上的紅外接收管，用電壓表測試其陰極，為低電平；移開發(fā)射管后為高電平。紅外對管工作正常。紅外遙控器的調(diào)試。調(diào)試時使用usb-isp線一步步監(jiān)控單片機(jī)接收到的紅外信號是否符合設(shè)計要求。電源驅(qū)動調(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。指針板開始旋轉(zhuǎn)，并且led燈都能點亮，供電成功。電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)試。調(diào)試時可試著從低到高給電機(jī)供電，使其速度慢慢提高，同時觀察整個系統(tǒng)是不是穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，如果速度很低就晃動得厲害就需要考慮平衡問題，哪邊輕可以在哪邊加配重。 圖6.0 硬件實物圖第二節(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，這個階段的主要任務(wù)是排除軟件錯誤