旋轉LED顯示屏

1、 編號 畢業(yè)設計說明書題 目： 旋轉LED顯示屏 院 （系）： 電子工程學院 專 業(yè)： 電子信息科學與技術 學生姓名： 許釗華 學 號： 指導教師： 胡鴻志 職 稱： 講 師 題目類型： 理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā) 2008年 6 月 6日摘 要LED顯示屏已廣泛應用于廣告、車站、銀行、商場等公共場所，它具有功耗小、壽命長、色彩好等優(yōu)點。現(xiàn)在的 LED 顯示屏的發(fā)光器件主要采用 LED 平板模塊，這種類型的顯示屏主要有兩個問題有待改進：首先是整個顯示屏全由LED 模塊組成，器件數(shù)量多，成本高；另外，由于顯示屏是一個平面，同時 LED 象素點有一定視角限制，使顯示屏的可

2、視范圍被局限到正面某個范圍之內，在應用中使顯示屏的信息發(fā)布受到了一定的空間限制。本文給出了一種新型的柱式旋轉LED顯示屏，以旋轉掃描方式代替逐行掃描，可視范圍達到了360 度，成本大大降低，克服了LED平板顯示屏的不足。本文在簡要介紹旋轉LED顯示屏工作原理的基礎上，詳細說明了旋轉顯示屏的方案選擇和系統(tǒng)結構設計，以及具體硬件電路和軟件設計流程。在此基礎上，本文還討論了旋轉LED顯示屏設計中需要注意的一些關鍵問題，給出了相應的解決方案，并提出了一些改進和完善本系統(tǒng)的思路和設想。實際制作的LED旋轉顯示屏技術參數(shù)的測試結果，以及實際的運行效果表明，本文設計和制作的旋轉顯示屏符合設計要求，具有一定的

3、創(chuàng)新性和實際應用價值。關鍵詞：LED顯示屏；旋轉；重心調節(jié)；nRF401AbstractLED display has been used widely in advertising, stations, banks, shopping malls and other public locations. It has a lot of advantages, such as low power, long life and nice multicolor. LED flat-panel module is used mainly in the LED display devices, whic

4、h has some issues to be improved. First, the entire LED display area makes up of a number of LED modules, which results in high cost; Secondly, the LED display is flat, and then the information promulgated on the LED display is restricted by the visual angle of display self.A novel column revolving

5、LED display is introduced in this article, which using revolving scan mode replacing progressive scan, then advances the visual angle to 360 degrees, and reduce the cost greatly. On the base of introducing the working principle briefly, the project choice and system configuration of the revolving LE

6、D display are shown in this paper, and the hardware and software of the system are introduced in detail. Otherwise, some of the design keys of the novel LED display are discussed, and some improved steps are given in the paper.The performance and the technical parameters measured by metrical instrum

7、ent show that the system meets the design requirements. Therefore, the novel LED display has some creative design and applied value by all means.Key words：LED Display, Revolving, Focus adjusting, nRF401目 錄引言11 系統(tǒng)設計21.1系統(tǒng)的設計目標21.2 總體設計22 方案論證22.1系統(tǒng)供電方案22.2 LED驅動芯片選擇32.2.1 LED驅動芯片選取原則32.2.2 LED驅動芯片接口電

8、路設計32.3單片機其他外圍電路32.3.1通訊模塊選擇32.3.2電機選擇33 LED顯示技術及系統(tǒng)中的主要芯片43.1 LED以及旋轉LED顯示屏簡介43.1.1 LED 應用簡介43.1.2旋轉LED顯示屏簡介53.2 MAXIM6969 LED驅動芯片63.3 AT89S52、nrf401無線收發(fā)芯片簡介83.3.1 AT89S52芯片介紹83.3.2 nRF401無線收發(fā)芯片84 系統(tǒng)硬件設計94.1 各功能實現(xiàn)原理94.1.1系統(tǒng)供電94.1.2重心調節(jié)94.2 具體硬件電路實現(xiàn)104.2.1電源設計104.2.2 LED旋轉同步設計105 系統(tǒng)軟件設計115.1 系統(tǒng)編程語言和編

9、程工具125.2 軟件總體設計135.3 系統(tǒng)各模塊程序的設計135.3.1主控機程序模塊135.3.2從機程序模塊146 系統(tǒng)調試156.1元件的焊接和整板測試156.2系統(tǒng)硬件調試166.3軟件測試166.4系統(tǒng)聯(lián)調177 結論18謝辭19參考文獻20附錄21引言由于物理學的重大突破，電子技術在20世紀取得了驚人的進步。特別是近40年來，電子技術的發(fā)展突飛猛進，無論是工業(yè)、農業(yè)，還是國防領域都隨之發(fā)生了重大變革，也為技術創(chuàng)新打下了堅實的理論基礎。我們則應當具備開發(fā)和創(chuàng)新的能力，本文所介紹的旋轉LED顯示屏就是一個例子。通過單片機的應用和普通直流電機的改裝實現(xiàn)這一功能，通過良好的視覺效果激發(fā)

10、我們對電子科學的興趣。柱式旋轉LED顯示屏是一種新穎的顯示屏，總的來看，成本低是一大優(yōu)點，另外 360 度的可視角度使之非常適合于像大廳和候車室之類的場合。如果能較好的解決顯示亮度問題，可應用于室外，尤其是一些廣告塔、樓頂?shù)葓龊希荓ED顯示屏的一個新品種、發(fā)展的新方向。此類顯示屏如果更進一步，解決視頻數(shù)據(jù)的傳輸，則可以做出旋轉柱式視頻顯示屏，視頻顯示的控制電路較為成熟，顯示器件只需換為 RGB 陣列即可，這樣應用范圍可大大增加。本文所設計的旋轉LED顯示屏以AT89S52單片機為核心，最大限度的利用單片機的資源，與LED驅動芯片緊密結合，通過無線收發(fā)芯片控制，實現(xiàn)顯示功能。本文分為六章，詳細

11、說明了LED旋轉屏的原理、設計方法、以及設計流程。第1章主要介紹系統(tǒng)總體設計方案；第2章對系統(tǒng)設計方案作了較詳細的論證和介紹。第3章對LED旋轉顯示及系統(tǒng)設計中使用的主要芯片作了簡單介紹。其主要是對MAX公司LED驅動芯片MAX6969作了一下介紹。第4章詳細介紹了系統(tǒng)的硬件設計。本章對電路的設計原理、芯片的選擇和各功能的實現(xiàn)作了詳細的介紹。第5章詳細介紹了系統(tǒng)的軟件設計方案及系統(tǒng)的開發(fā)平臺。第6章講解系統(tǒng)的調試過程和實現(xiàn)的主要功能。對系統(tǒng)軟、硬件調試和調試中遇到的問題作了說明，并對各功能進行了測試和分析。1 系統(tǒng)設計1.1系統(tǒng)的設計目標本設計要求進行旋轉LED顯示屏的研究和設計。系統(tǒng)以MCS

12、-51系列單片機作為核心控制器件，通過控制電機保持一定的速度穩(wěn)定旋轉，帶動單排LED旋轉，形成掃描顯示屏；單片機根據(jù)LED旋轉的速度，控制LED發(fā)光或熄滅，在視覺上形成平面圖形點陣的顯示效果。1.2總體設計旋轉LED顯示屏的系統(tǒng)總框圖，如圖1.1所示。系統(tǒng)由6個部分組成：系統(tǒng)供電模塊、數(shù)據(jù)處理與控制單元、顯示單元、通訊單元和鍵盤輸入單元。其中，LED顯示由單片機和MA6969大電流LED控制器共同控制，鍵盤則用來實現(xiàn)人機交互的功能，系統(tǒng)供電是通過從電機中心引出，然后通過整流濾波，給系統(tǒng)供電。用戶可以通過按鍵輸入命令到主單片機，并將命令通過串口無線傳輸?shù)綇膯纹瑱C，再由從單片機對命令進行譯碼由MA

13、6969大電流LED控制器控制LED的循環(huán)顯示。系統(tǒng)中，主單片機負責人機界面的交互，從單片機負責對主機命令的翻譯，利于系統(tǒng)的改進和更新。LED驅動模塊MAX6969微控制器AT89S52鍵盤輸入微控制器AT89S52LED陣列nRF401無線收發(fā)器nRF401無線收發(fā)器圖1.1 系統(tǒng)總框圖2 方案論證2.1 系統(tǒng)供電方案方案1：采用固定電池供電。即在電路板是直接附帶一個蓄電池，為系統(tǒng)供電。這種供電方式比較簡單。但是，有兩個問題難以解決。首先，高亮度LED的功耗比較大，而電池的蓄電量有限，這就難以實現(xiàn)系統(tǒng)的長期運作；其二，由于電池的體積和重量比較大，若固定在板子上，電量用完后，難以替換。若不固定

14、，在電機轉動的時候可能會甩出去，引起安全隱患。同時，也增加了旋轉重心的調節(jié)的難度。故不采用此方法。 方案2：采用電刷供電。即在電機的轉軸上，手工增加一個電刷，通過電刷為系統(tǒng)供電。此方法能夠讓系統(tǒng)長期供電，但是由于增加了電刷，電機的摩擦增大，勢必會使系統(tǒng)的功耗增加。故不采用此方法。方案3：從電機轉子中引出電源線，為系統(tǒng)供電。此方法直接在電機的轉子中引出電源線，通過整流濾波后，可以作為系統(tǒng)供電，同時也可以作為系統(tǒng)控制時序的中斷源。此方法容易實現(xiàn)，并且一舉兩得，因此選用。2.2 LED驅動芯片選擇2.2.1 LED驅動芯片選取原則LED驅動芯片關鍵的指標之一輸出功率的大小。LED的亮度直接決定了顯示

15、屏的可見范圍。采用大電流驅動芯片，使得可視距離更遠。高功耗，同時意味著芯片的能夠良好的散熱。LED驅動芯片的另一個關鍵指標是工作頻率，即工作的速度。為了能夠更清晰的顯示字體和圖像，芯片的工作速度是不可忽視的。芯片必須能夠快速響應和編碼輸出。MAX6969串行接口LED驅動器提供16個漏極開路、恒流吸收、額定5.5V LED 驅動器輸出。MAX6969采用3V至5.5V 電源供電。采用工業(yè)標準移位寄存器加鎖存器形式的串行接口。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸入DIN和時鐘輸入CLK移入驅動器的16位移位寄存器。采用高效散熱的24引腳封裝。2.2.2 LED驅動芯片接口電路設計方案1：采用數(shù)字信號處理單片機MSP4

16、30和LED驅動芯片接口，由于MSP430速度比較快，有較強的運算能力，大大提高了計算調整LED顯示的時間的模糊算法的時間，并且能夠快速的對通訊數(shù)據(jù)進行CRC校驗，減少了程序的復雜程度。方案2：采用單片機AT89S52與LED驅動芯片MAX6969接口， AT89S52邏輯能力較強但速度比較慢，價格相對比較便宜，但工作量要比方案1大的多。綜合考慮價格、元件是否容易購買等因素，在此設計中選用方案2。2.3 單片機其他外圍電路2.3.1通訊模塊選擇方案1：使用采用紅外通訊，電路簡單，但紅外通訊需要大量的編碼、譯碼，程序設計復雜，且由于AT89S52速度比較慢，在短時間難以做太多的運算，故不采用此方

17、法。方案2：使用數(shù)字載波無線通訊。電路比較簡單，使用方法也簡單，只需把數(shù)據(jù)送到串口，就可以立即發(fā)送，無需進行初始化，不需要對數(shù)據(jù)進行曼切斯特編碼，具有半雙工的通訊功能，并且有兩個通訊頻道，受外界影響較小。在處理器運算速度相對比較慢的情況下，采用此方法。2.3.2電機選擇方案1：采用步進電機。步進電機能夠準確的定向，但是圖像或者文字的分辨率受到步進電機的步進角度的限制。并且步進電機以及控制電路成本較高，并且需要單片機控制，占用CPU的資源。方案2：采用普通的電機。此方案不占用單片機I/O口，節(jié)省單片機資源，使用方便，成本較低，通過簡單的改裝，可以給系統(tǒng)供電。綜合各方面考慮，為了節(jié)省成本，簡單系統(tǒng)

18、電路，以及更方便的為系統(tǒng)供電，使系統(tǒng)能夠長期工作，故采用方案2。3 LED顯示技術及系統(tǒng)中的主要芯片3.1 LED以及旋轉LED顯示屏簡介3.1.1LED 應用簡介LED(light emitting diode)是發(fā)光二極管的英文縮寫，它是一種電致發(fā)光器件。目前，LED產業(yè)已經走過了它的發(fā)展初期和中期，普通LED的應用已經成為過去，高亮度LED的使用也已無需著力推廣。另外，中小功率超高亮LDE亦已誕生，并正在以極快的速度走向應用。顯示方面，LED被廣泛應用于電子電器、工業(yè)設備等各類產品的狀態(tài)性能顯(指)示，也被越來越多地制作成多媒體平板顯示屏、交通信號燈等等。LED的應用雖然已經具有了很廣的

19、范圍、很大的規(guī)模，但是,由于LED擁有很多社會應用所需的優(yōu)點、相關技術也有很大的發(fā)展空間，因此，LED有著更為美好的前景。目前技術條件下，LED已經顯示出了眾多的優(yōu)點與傳統(tǒng)的顯示媒介相比，有以下特點：一是壽命超長，業(yè)內公認的平均值達10萬小時，可期望目標將會達到25萬小時；二是色彩豐富，LED已經實現(xiàn)了多個波長的單基色，有紅、琥珀黃、黃、綠、藍等，基本滿足了應用領域對LED色彩的要求，隨著更多新材料的開發(fā)，還會實現(xiàn)更多的基色及至全彩色；三，穩(wěn)定可靠，在LED的壽命期內，LED差不多都能穩(wěn)定的工作，維護工作量極??；四，電氣安全性高，LED一般工作在低電壓(6-24V)、小電流(10-20mA)情

20、況下，屬弱電級工作器件，有較好的電氣安全性能；五，節(jié)能環(huán)保效率高，在同等亮度下，LED的耗電僅為普通白熾燈的1/10，而且不存在有害金屬汞污染等問題，符合社會發(fā)展趨勢；六，應用靈活性好，LED可進行低壓供電，也可110V/220V電源供電，加上單粒LED的體積小(芯片更小)，只用3-5平方毫米，大大方便了工程應用；七，受控制能力強，現(xiàn)有的技術已經可以實現(xiàn)LED的亮度、灰度、動態(tài)顯示，分布控制等，是其它發(fā)光裝置無可比擬的；八，抗震性能優(yōu)越，LED的堅固、耐震、耐沖擊性能，超過了目前所有其它類型的電光源產品；九，響應速度快，LED的響應速度在毫秒級，可以自如有效地應用于顯示屏、汽車剎車燈、相機閃光

21、燈等；十，顯色性能良好，白色LED目前的顯色指數(shù)Ra達到了70以上，色溫范圍從3600K到11000K(隨熒光粉不同而變)，而且已經獲得了實驗室提高的方案；另外還有亮度高、無干擾、方向性好等等也是十分有用的優(yōu)點。當然，LED產業(yè)內還有不少問題需要從根本加以解決?；胁皇重S富，理想的目標是可見光波段實現(xiàn)全覆蓋，最好能達到自然光的水平；顯色性仍顯不高，理想水平是黑體相同，即達到Ra=100；亮度需要有效地提高，包括發(fā)光效率的兩個方面(內量子效率和光輸出效率)和功率的提高；另外還有體積、成本、專用集成電路、驅動器、“冷光”感等問題。縱觀LED的發(fā)展，我們不難發(fā)現(xiàn)，LED產業(yè)的發(fā)展極大地緣于技術的

22、進步，而技術進步的動力則是來自于應用的需求，亮度的提高、基色的豐富、功率的增加等等無不如此?？梢酝葡?，未來的LED產業(yè)，一定會根據(jù)應用的要求，在亮度、功率、基色等技術方面進一步突破，使不同類型的LED更加廣泛地被使用，并且還會逐步地建立起各自相對獨立的應用領域，從而步入LED細分時代，我們有理由相信，亮飾、照明、顯示將會首先獨立出來，形成LED應用的專門領域。當然,從技術關聯(lián)角度看，未來的LED產業(yè)會像一棵樹，細分出來的專門領域，其源頭仍會統(tǒng)一在芯片材料的生產上，不同領域的LED應用會得到不同技術支持。3.1.2旋轉LED顯示屏簡介LED顯示屏已廣泛應用于廣告、車站、銀行、商場等公共場所。它具

23、有功耗小、壽命長、色彩好等優(yōu)點。現(xiàn)在的 LED 顯示屏的發(fā)光器件主要采用 LED 平板模塊，室內顯示屏主要采用 16 行循環(huán)掃描的方法，即每16 行為一個單元，在每一幀中, 逐次每行亮十六分之一秒的時間，由于幀頻一般大于 60Hz，我們并不覺察到掃描，而認為是一幅穩(wěn)定的圖像。這種類型的顯示屏有兩個問題有待改進：第一、顯示屏整個面積全由LED 模塊組成，器件數(shù)量多，成本高；第二、由于顯示屏是一個平面，而且 LED 象素點有一定視角限制，使顯示屏的可視范圍被局限到正面某個范圍之內，在應用中使顯示屏的信息發(fā)布受到了空間的限制。新型的旋轉柱式顯示屏，克服了以上兩個不足，以機械轉動掃描方式代替逐行掃描，

24、成本大大降低，可視范圍做到了360 度。本文介紹了它的顯示原理，系統(tǒng)組成，指出了設計中要注意的幾個核心問題，并提出了一些新的發(fā)展方向。旋轉掃描的原理：由于人眼具有視覺暫留的特性，當畫面以一定速率刷新時，我們看到的就是連續(xù)的圖像，電視機顯示采用逐點掃描方式，每秒鐘要刷新畫面 50 場(25 幀),而在人眼中則是一幅完整的畫面，傳統(tǒng) LED 顯示屏一般采用 1/16 掃描，16 行進行逐行循環(huán)點亮，由于刷新速率足夠大，看到的也是一幅穩(wěn)定的畫面。它的原理示意如圖3. 1 所示，其中(a) (b) (c) (d) (e) 分別是不同時刻的顯示狀態(tài)，(f)為人眼看到的完整畫面“3”。在這種LED顯示屏中

25、，采用的是逐行換位下移點亮器件的掃描方式，每一行都必須有LED顯示器件，這就使顯示屏的成本偏大。圖3.1 傳統(tǒng)LED顯示屏的顯示原理圖旋轉掃描方式顯示器只有一列，由電機帶動它進行旋轉，運行到某一位置時就顯示該位置的狀態(tài)，到下一位置后又顯示下一位置的狀態(tài)，即一列顯示器件要完成全部圖像的顯示，掃描過程由機械轉動更換位置來實現(xiàn).其顯示原理如圖3.2所示。圖中a)b)c)是 圖3.2 旋轉柱式顯示屏的顯示原理圖不同時刻的顯示狀態(tài)，d)是人眼看到的完整畫面“3”。由于旋轉掃描成像不是平面，而是一個柱面，所以稱之為旋轉柱式顯示屏，其觀看視角是360。3.2 MAXIM6969 LED驅動芯片MAXIM69

26、69是MAXIM公司采用先進的技術生產的具有高集成度的電路器件。MAX6969串行接口LED驅動器提供16個漏極開路、恒流吸收、額定5.5V LED 驅動器輸出。MAX6969采用3V至5.5V 電源供電。MAX6969電源和LED電源能以任意順序上電。所有恒流輸出均由一個外部電阻設置，每路高達55mA。MAX6969采用25Mb、工業(yè)標準4線串口控制。MAX6969采用工業(yè)標準移位寄存器加鎖存器形式的串行接口。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸入DIN和時鐘輸入CLK移入驅動器的16位移位寄存器。16個時鐘周期后，輸入數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸出DOUT，此工作模式可實現(xiàn)多個MAX6969級聯(lián)。鎖存使能輸入LE將移位寄存器的

27、16位數(shù)據(jù)裝入16位輸出鎖存器，以決定各個LED的開關。輸出使能輸入OE控制所有16個輸出的開關，其快速響應特性適合作為控制LED亮度的PWM輸入。其內部結構如圖3.3所示：圖3.3 MAXIM6969的內部結構圖MAX6969工作時序圖如下：MAX6969的串口為4線串口，使用4路輸入(DIN、CLK、LE和OE) 和1路數(shù)據(jù)輸出(DOUT)。該接口用于向MAX6969寫入顯示數(shù)據(jù)。串口數(shù)據(jù)字長為16位，即D0D15。見上圖。五個接口引腳的功能如下所述。DIN是串行數(shù)據(jù)輸入，在CLK信號的上升沿進行采樣時必須保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)移入時，首先移入MSB。即首先同步輸入數(shù)據(jù)位D15，然后依次輸入其它1

28、5位數(shù)據(jù)，到LSB位D0結束。CLK是串行時鐘輸入，在其上升沿將數(shù)據(jù)通過DIN移入MAX6969的16位移位寄存器。LE是MAX6969鎖存器的裝載輸入。LE為高電平時(透明傳輸鎖存器)，數(shù)據(jù)由MAX6969的16位移位寄存器傳輸至16位鎖存器，并在LE下降沿鎖存數(shù)據(jù)(圖3.4)。圖3.4 MAXIM6969控制時序圖第四個輸入為輸出驅動器提供輸出使能控制。OE為高電平時強制輸出OUT0OUT15為高阻態(tài)，并且不會改變輸出鎖存器的內容，為低電平時則使能輸出OUT0OUT15，以反映輸出鎖存器的狀態(tài)。OE獨立于串口工作。無論OE為何狀態(tài)，數(shù)據(jù)都可移入串口移位寄存器并鎖存。DOUT是串行數(shù)據(jù)輸出，

29、在CLK的上升沿將數(shù)據(jù)從MAX6969的16位移位寄存器移出。DIN輸入端的數(shù)據(jù)移入移位寄存器，并在16個時鐘周期后出現(xiàn)在DOUT端。3.3 AT89S52、nrf401無線收發(fā)芯片簡介3.3.1 AT89S52芯片介紹AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫10000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S

30、52可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S52具有如下特點：40個引腳，8k Bytes Flash片內程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM32)，外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩器。 此外，AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PL

31、CC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。3.3.2 nRF401無線收發(fā)芯片nRF401是一個為433MHz ISM 頻段設計的真正單片UHF 無線收發(fā)芯片 它采用FSK調制解調技術nRF401，最高工作速率可以達到20K ，發(fā)射功率可以調整 最大發(fā)射功率是+10dBm天線接口設計為差分天線以便于使用低成本的PCB 天線 nRF401 還具有待機模式這樣可以更省電和高效 nRF401 的工作電壓范圍可以從2.7-5V。nRf401滿足歐州電信工業(yè)標準( ETSI)EN300 200-1V1.2.1。其具體參數(shù)和內部構造如下圖3.6所示：圖3.6 nRf401具體參數(shù)4 系統(tǒng)硬件設計4.1 各

32、功能實現(xiàn)原理4.1.1系統(tǒng)供電(1) 為了使系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的工作，必須解決系統(tǒng)的供電問題。通過對電機進行改裝，引出電源線，并通過整流、濾波、穩(wěn)壓得到系統(tǒng)供電電源。(2) 實現(xiàn)方法：主要通過電機的改裝。電機的改裝： atNt&m 電路的供電和LED的定位是本制作的一個難點。裝在電機上的電路始終在高速旋轉，無法使用通常的方法來給電路供電。但可以通過對電機的改造來解決。一般的直流電機是線圈作為轉子，而永磁體作為定子的。它是通過電刷來實現(xiàn)給線圈供電的，而且直流電機的旋轉需要交變的電流，這是由固定在轉子軸上的換向器來巧妙的實現(xiàn)直流變?yōu)榻涣鞯?。本設計的電路是固定在電機的轉子上的，它和轉子是保持相對靜止的

33、。因此，可以從電機的轉子中取得電源。方法很簡單，也就是從電機的換向器上用漆包線把電引到電路板上，經整流、濾波后給單片機電路供電。換向器上的每個電極什么時候變化，是和電機轉子的位子有關的，可以使用其中的一路信號來給LED顯示的起始位置定位。 =Pjv08 具體改裝過程如下： Nr6:/*x 1) 拆開電機，注意拆的時候別弄壞了電機的電刷；2) 小心地從電機換向器上的三個電極引出三條漆包線；3) 取下電機外殼的含油軸承；4) 在軸承的圓片上面鉆了幾個小孔，把那三條漆包線從小孔里穿出來。從而可以用來保護漆包線在轉子和定子結合出的安全。(注意：替代上去的部分是和轉子保持固定，和外殼之間是可以旋轉的)。

34、 U,Pau0:A 5) 組裝回整個電機，電機改裝至此結束。 K!L;Vi 4.1.2重心調節(jié)重心調節(jié)是最困難的一個技術環(huán)節(jié)。旋轉的重心直接關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定的運行，以及安全性問題。旋轉的重心如果不在轉軸上的話，在高速的旋轉中，會產生劇烈的抖動，在巨大的離心力下，會使整個系統(tǒng)分解，產生安全隱患。所以，重心調節(jié)是必須解決的問題。下面介紹重心調節(jié)的方法。首先是電路板的外觀設置。根據(jù)物理質心計算方法，可知道，均勻的圓盤的重心就在圓盤的中心。但是，由于電子器件的封裝，重量都是不同的，圓盤電路板的重心是不均勻分布的，比較難調節(jié)，故不采用這種方法。根據(jù)杠桿原理，當支點兩端的物體的質量與力距乘積相等時，杠桿就

35、處于平衡。因此我采用了長條方型的電路板結構。M2M1L2L1圖4.1 杠桿原理示意圖如上圖4.1所示，只要M1*L1 = M2*L2時，在布PCB的同時，只要通過簡單的測量和計算便可以使得杠桿處于平衡。4.2 具體硬件電路實現(xiàn)4.2.1電源設計電機輸出由于電源是從電機中引出來的，所以需要通過整流、濾波才能為系統(tǒng)供電。如圖4.2所示為具體的設計電路。圖4.2 整流電路圖穩(wěn)壓輸入圖4.3 穩(wěn)壓電路4.2.2 LED旋轉同步設計該電路分為兩個部分：1) 中斷系統(tǒng)采用中斷是為了更有效的利用單片機內部資源。為了能夠連續(xù)的顯示文字和圖象，本文采用了外部中斷的方法，即在外部中斷的時候，計算和調整顯示文字和圖

36、象的時間。為了得到可靠的外部中斷源，有兩種方法。其一，如圖4.4所示：圖4.4 采用光感的外部中斷電路但是，這種方法功耗相對比較大，而且成本比較高。為了減少制作成本，通過比較，有個更好的方法。因為電機是三相的，帶電刷轉動的，即每轉一周，三個電刷會得到從高到低，又從低到高的邏輯電平狀態(tài)。因此可以從中引出一條線來作為外部中斷源，這個方法簡單容易實現(xiàn)，其具體的電路如圖4.5：圖4.5 簡單的外部中斷電路圖該方法利用電刷在轉動過程中的電平變化，通過一個三極管S8050轉換成單片機可以識別的數(shù)字邏輯電平，解決了外部中斷的問題，電路簡單，可靠性高。2) LED驅動電路。本文采用了MAXIN公司的MAX69

37、69大電流LED驅動芯片，其外部接口電路非常簡單。如下圖：(圖上的OUT0到OUT15通過一個100電阻接到LED上)。圖4.6 MAX6969驅動電路下面簡單的計算一下這個電路的功耗。MAX6969LED驅動電流的大小是由一個外部電阻決定的。在本電路中，這個電阻RSET取360。 RSET = 18000 / IOUT (4-1)因此 IOUT = 18000/360 = 50 mA (4-2)其功耗計算如下： PD = (V+ x I+) + (VOUT x DUTY x IOUT x N) (4-3)其中：V+ = 供電電壓I+ = N路輸出吸收IOUT LED驅動電流時的電源工作電流D

38、UTY = 加至OE端的PWM信號占空比N = 同時用來驅動LED的MAX6969輸出端口數(shù)(最大值為16)VOUT = MAX6969驅動負載LED時端口的輸出電壓IOUT = 由RSET設定的LED驅動電流PD = 功耗，如果電流單位為mA，其單位為mWIOUT = 50mA，N = 16，DUTY = 1，VOUT = 2V PD =（5V*50mA）+(2V*1*50mA*16) = 1.850W (4-4)5 系統(tǒng)軟件設計5.1 系統(tǒng)編程語言和編程工具在單片機的開發(fā)應用系統(tǒng)中，匯編語言作為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的編程語言，己經不能滿足實際需要，高級語言被逐漸引入，C語言就是其中之一。C語言

39、是一種通用的計算機程序設計語言，它既有高級語言的各種特征，又能直接操作系統(tǒng)硬件。對于大多數(shù)S系列單片機，使用C語言與使用匯編語言相比具有如下優(yōu)點：(1) 不需要了解處理器的指令集，也不必了解存儲器結構。(2) 寄存器分配和尋址方式由編譯器進行管理。(3) 指定操作的變量選擇組合提高了程序的可讀性。(4) 可使用與人的思維更相近的關鍵字和操作函數(shù)。(5) 程序的開發(fā)和調試時間大大縮短。(6) C語言中的庫文件提供了許多標準的例程。(7) 可實現(xiàn)模塊化編程技術，從而可將己編制好的程序加入到新程序中。(8) C語言可移植性好且非常普及。8051系列單片機作為工業(yè)標準地位，從80年代開始就有了51單片

40、機的C語言編譯器。C語言可以調用匯編語言的子程序或子函數(shù)。因本系統(tǒng)界面比較龐大，控制較多且單片機的工作時序沒有嚴格要求，故在本系統(tǒng)中，單片機程序采用C語言編寫。5.2 軟件總體設計系統(tǒng)監(jiān)控程序是控制單片機系統(tǒng)按照預定操作方式運轉的程序，是整個系統(tǒng)程序的框架。在本系統(tǒng)中，單片機的主要任務是用來顯示和操作者按下不同的按鍵后，執(zhí)行相應的任務，各個任務執(zhí)行的先后順序取決于鍵碼。根據(jù)這樣的功能和操作方法，程序總體結構采用鍵碼分析作業(yè)調度型，即作業(yè)調度完全服從操作者的意圖，操作者通過鍵盤發(fā)出作業(yè)調度命令，監(jiān)控程序接收到控制命令后，通過分析啟動對應的作業(yè)。 系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計的方法，它是把一個功能完

41、整的較大的程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，對各個程序模塊分別進行設計、編程和調試，最后把各個調試好的程序模塊聯(lián)成一個大的程序。模塊化程序設計的優(yōu)點是單個功能明確設計和調試比較方便、容易完成。一個模塊可以為多個程序所共享。模塊化編程的具體體現(xiàn)是把各個功能相對獨立的模塊作為子函數(shù)，主程序是一個不斷循環(huán)檢測結構。當系統(tǒng)上電自檢、初始化后，進入信號輸出的循環(huán)，并自動查詢面板按鍵的狀態(tài)，以檢測用戶可能輸入的指令，確定程序將要執(zhí)行的功能。本系統(tǒng)軟件由主監(jiān)控程序模塊、命令翻譯模塊、信號產生模塊、人機交互模塊構成。其中主監(jiān)控程序是系統(tǒng)軟件的主程序，是整個系統(tǒng)軟件的核心，上電復位后系統(tǒng)首先進入監(jiān)控

42、主程序。它的任務是識別命令、發(fā)送命令，起著引導儀器進入正常工作狀態(tài)，協(xié)調各部分軟件有條不紊地工作的重要作用。5.3 系統(tǒng)各模塊程序的設計5.3.1 主控機程序模塊首先，對單片機串口初始化，設置波特率為2400bit/s，以及nRF401初始化設置，因為nRF401是半雙工的無線通訊，所以初始設置為發(fā)射狀態(tài)，選擇通信頻道1。然后，調用鍵盤函數(shù)讀取鍵盤狀態(tài)，通過讀取鍵盤狀態(tài)，獲得要發(fā)送的控制數(shù)字指令，通過CRC檢驗轉換成數(shù)字命令，從串口通過nRF401把命令發(fā)送出去。判斷按鍵狀態(tài)通過串口把數(shù)據(jù)命令發(fā)送出去CRC檢驗碼的轉換開始NRF401初始化串口初始化判斷是否有按鍵 按下NOYES 圖5.1 主

43、機控制程序流程圖5.3.2 從機程序模塊 從機的程序開始，對NRF401、串口、MAX6969以及中斷進行初始化，然后進入默認的中文顯示模式，等待中斷。因為16陣列每個點顯示的時間是由定時器確定的，但是，電機的轉速，一開始都是不確定的。所以，一開始顯示的不怎么正確。等到進入中斷以后，通過自適應算法，逐漸對計時器的初始值進行調整，過一定時間后，顯示就正常了。進入中斷后，通過對接收的數(shù)據(jù)進行判斷，實現(xiàn)文字和數(shù)字顯示的切換。下面簡單說下，自適應算法的實現(xiàn)過程。首先，把假設旋轉一周顯示的點陣數(shù)為16*128。那就意味著旋轉一周需要顯示的點數(shù)為128個。由于電機旋轉一周產生的中斷次數(shù)為3次。那么每次外部

44、中斷發(fā)生時，應該掃描的點數(shù)為43個。在這里我設計為45個。也就是外部中斷產生時，定時器應該產生的中斷次數(shù)為45次(也就是掃描45個點)。當進入外部中斷時，通過判斷計時的中斷次數(shù)來重新調整計時器的值，如果定時器中斷次數(shù)大于45，表明LED顯示一個點的時間太短(圖象或者文字寬度減少)，應該適當?shù)?5接收并判斷更新命令緩沖區(qū)定時器中斷次數(shù)COUNT=45？延長定時器定時時間中斷返回開始NRF401初始化，串口初始化，MAX6969初始化，中斷初始化等待中斷T0中斷根據(jù)主控命令執(zhí)行操作顯示文字顯示數(shù)字中斷返回外部中斷45=45增加定時器定時時間計算T0中斷的變量COUNT加1圖5.2 從機控制程序流程

45、圖延長定時器定時時間；若定時器中斷次數(shù)小于45，表明LED顯示一個點的時間過長，應該適當減少定時器定時時間。通過對定時器定時時間的不斷調整(也就是調整LED顯示每一個點的時間)，從而達到穩(wěn)定的顯示。這種方法只需在軟件上進行修改、調試，即使電機的轉速發(fā)生了改變，也能夠正確的顯示文字或圖象。6 系統(tǒng)調試在前面幾章中，我們詳細討論了LED旋轉顯示屏的軟件、硬件設計，要系統(tǒng)真正運行起來并達到預期的指標和功能，進行調試是必不可少的。6.1 元件的焊接和整板測試(1) 元件焊接焊接前對電阻、電容的量值要進行測量、篩選，選擇與電路中參數(shù)值最接近的元件。芯片選擇時要注意封裝。本系統(tǒng)中元件全部都是直插式的。(2

46、) 整板測試整板測試是在元件焊接完成但未加電前對電路板進行的檢查。該過程是系統(tǒng)上電前的檢查工作，需要對每個器件逐個引腳進行檢查，一方面是檢查有沒有引腳虛焊或與其他信號線短路，另一方面是對器件引腳功能的再檢查，查看設計是否正確。整板測試可以按照先電源和地，再逐個器件引腳的順序測試。(3) 上電功能測試上電測試是調試的關鍵部分，按照系統(tǒng)方案設計的模塊化思想，應該分模塊測試系統(tǒng)。首先還是應該測試電源部分，系統(tǒng)上電以后，測試各個電源端口和器件的電源部分是否工作正常，同時應注意系統(tǒng)中有無器件過熱情況，如果有的話，可能是相應的器件損壞或電路中有短路，需要處理之后再加電。如果沒有問題，則可以進行功能的檢測。

47、6.2 系統(tǒng)硬件調試由于系統(tǒng)硬件較復雜，硬件電路裝配、焊接完成后，可能不能正常工作。為了方便調試，采用分塊調試的方法。電路由多個模塊組成，電源模塊、復位電路、輸入輸出接口電路、下載接口電路等。單片機處理器是系統(tǒng)的靈魂，所以先對單片機進行檢測調試。首先，利用下載口檢測單片機，如果檢測不到，問題一般是單片機的復位電路、下載口、以及晶振。分別對這三個端口進行檢測，基本都可以解決問題。其次，對從機的MAX6969芯片進行檢測。檢測芯片的電源連接情況，使能控制端的情況。這些問題都解決以后，就可以進行軟件測試了。6.3 軟件測試硬件測試完成以后，軟件測試就非常重要了。系統(tǒng)軟件調試時也要分模塊來進行調試，這

48、樣才能使進程有條不紊的進行下去，而不至于出現(xiàn)混亂。首先，調試MAX6969LED驅動芯片。通過參閱有關資料，詳細了解芯片的參數(shù)，以及控制方法，調試起來就方便多了。上電后，發(fā)現(xiàn)LED并沒有顯示。利用萬用表測量輸出端口的電壓發(fā)現(xiàn)，電壓幾乎為零。通過查閱資料，MAX6969的使能控制端OE，當OE = 1時，MAX6969輸出為高阻態(tài)。通過對OE端的檢測，發(fā)現(xiàn)OE的電平為高電平，原來有跟跳線沒有接上。焊接好跳線后，上電后，MAX6969可以正常工作了。其次，對通訊模塊進行測試。為了方便測試，在布PCB的時候，把主機模塊的單片機的端口引出來。接上液晶，把接收到的數(shù)據(jù)用液晶顯示出來。但是，系統(tǒng)上電以后，

49、液晶一直沒有顯示出接收的結果。通過檢測發(fā)現(xiàn)，在nRF401沒有接上的時候，端口電壓正常，但是接上的時候卻變?yōu)?.5V。通過線路的檢測，發(fā)現(xiàn)端口的電源線沒焊接好。解決電源問題后，再次上電，但是液晶顯示的數(shù)據(jù)也是不正確。通過對軟件的程序的仔細分析，以及翻閱相關的書籍，在無線通訊中，往往存在干擾，所以必須要對通訊的數(shù)據(jù)進行檢驗。通常檢驗數(shù)據(jù)的方法有，奇偶校驗、CRC校驗等。奇偶校驗方法比較簡單，但是當錯誤的數(shù)據(jù)位為偶數(shù)個時，檢測不出數(shù)據(jù)有錯。CRC檢驗理論上可以檢測出任何位的錯誤，但是計算比較復雜，增加了單片機的工作負擔。不過，利用CRC檢驗表可以實現(xiàn)簡單的8bit的CRC檢驗(如表6.1)。表6.

50、1 CRC校驗十六進制數(shù)0x000x010x020x030x040x050x060x07CRC檢驗碼0x000x0d0x170x1a0x230x2e0x340x39十六進制數(shù)0x080x090x0a0x0b0x0c0x0d0x0e0x0fCRC檢驗碼0x460x4b0x510x5c0x650x680x720x7f其原理是把要發(fā)送的命令通過讀表的方式，得到CRC校驗碼，發(fā)送出去。這種方法簡單、快捷，大幅度的減少了單片機的工作量。6.4 系統(tǒng)聯(lián)調最后，便是系統(tǒng)整體調試了。系統(tǒng)上電后，并沒有看到正確的文字顯示。文字顯示歪歪斜斜的，過了很長一段時間，還是這樣。分析可能是定時器的初始值可能太大或太小所至

51、。通過修改程序，從進入中斷開始計時到進入下次中斷，把時間發(fā)送出去。液晶顯示的數(shù)據(jù)和預先設想的數(shù)據(jù)相差甚遠。通過修改定時器的初始值后，上電測試，LED能夠顯示出文字。顯示效果如圖6.1和圖6.2所示。 圖6.1 文字顯示效果 圖6.2 數(shù)字顯示效果但是，當主機向從機發(fā)送命令后，從機要過很久才做出響應，有時候甚至沒有做出反應。分析可能是通訊中干擾太大，從機沒有收到信號，或者收到的信號都是錯誤的。為了解決問題，通過一個測試程序，用液晶把接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)分別顯示出來，錯誤的數(shù)據(jù)占了約20%。如表6.2所示：表6.2 主機發(fā)送的數(shù)據(jù)與從機接收到的數(shù)據(jù)比較十六進制數(shù)0x020x0a0x070x0b

52、0x080x050x0e0x0d主機發(fā)送的數(shù)據(jù)（CRC檢驗碼）0x170x510x390x5c0x460x2e0x720x68從機接收的數(shù)據(jù)0x170x510x390x5c0x400x200x720x68十六進制數(shù)0x070x0a0x030x090x080x0d0x060x05主機發(fā)送的數(shù)據(jù)（CRC檢驗碼）0x390x510x1a0x4b0x460x680x340x2e從機接收的數(shù)據(jù)0x440x510x1a0x4b0x460x680x340x2e最后，通過把主機的命令改為多次的間斷發(fā)送，即使從機第一次接收到錯誤命令，不做出響應，但是主機不斷的發(fā)送命令，即使通訊中有干擾，從機也總能接收到正確的命令，從而解決了這個問題。最后，系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定的工作。即能夠通過主機控制從機顯示文字或者數(shù)字，顯示效果如上圖6.1和圖6.2所示。7 結論通過幾個月的努力，掌握了旋轉LED顯示屏的工作原理，并且成功的實現(xiàn)了設計的基本要求。同時也提高了利用高級語言編寫單片機程序的能力，以及查閱資料和解決問題的能力。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：(1)通過單片機控制LED掃描顯示的時間，能夠穩(wěn)定的顯示數(shù)字或文字，軸向分辨率為1