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學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 1．堅持以“求實，創(chuàng)新”的科學精神從事研究工作。 2．本論文是我個人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果。 3．本論文中除引文外，所有實驗、數(shù)據(jù)和有關(guān)材料均是真實的。 4．本論文中除引文和致謝的內(nèi)容外，不包含其他人或其他機構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。 5．其他同志對本研究所做的貢獻均已在論文中作了聲明并表示了感謝。 作者簽名： 日 期： 摘要 本設(shè)計是以電機的轉(zhuǎn)動來帶動上面電路板的轉(zhuǎn)動，形成一個圓柱體的形狀，在上平面顯示一個指針時鐘和一個數(shù)字時鐘，兩者的切換是用紅外遙控器來控制的，在時鐘顯示的同時在柱面顯示漢字。此設(shè)計是以STC15F2K60S2為核心芯片來工作的，主要功能是以74hc595芯片串行輸入并行輸出的功能來驅(qū)動LED在柱面顯示滾動的漢字和在上平面顯示一個時鐘。同時可以通過紅外用遙控器來控制電機的轉(zhuǎn)速，體現(xiàn)低速和高速情況下顯示畫面的清晰度。主要電路部分都是在一塊電路板上，是由電機來帶動旋轉(zhuǎn)的，電機是有線供電，而單片機和LED等是由兩個線圈通電改變磁通量和整流濾波電路供電，也可以成為無線供電。 關(guān)鍵詞:LED;STC15F2K60S2;無線供電；74hc595；  Abstract The design is based onthe rotation of the motorto drive the rotatingabovethe circuit board,formingthe shape of a cylinder,the upper planedisplaya pointerclock anda digital clock,theswitchisused ininfraredremote control,in theclock displayat the same timeChinese charactersdisplayed on thecylinder.Thisdesign is based on STC15F2K60S2as the core chip towork,the main function isto 74HC595 chipserial input parallel outputfunction to drive theLED incylindricaldisplay scrollingChinese charactersandin theflat displaya clock.At the same timecan be controlledby infraredremote controlmotorspeed,reflect thelow and high speedcase to showthe sharpness of the picture.The maincircuitisa circuit board,is composed of a motorto drive therotation of themotorpower supply,cable,and the micro controller andLEDis composed of twocoilschanging magnetic fluxand therectifier filtercircuit,can also become awireless power supply. Keywords:LED;STC15F2K60S2;wireless power supply;74hc595;  目 錄 第一章 引 言 1 1.1 研究現(xiàn)狀綜述 1 1.2 本課題的研究內(nèi)容 1 1.3 本研究的主要系統(tǒng)構(gòu)成 1 第二章 系統(tǒng)方案的設(shè)計 2 2.1 方案的設(shè)計 2 2.2 系統(tǒng)構(gòu)成 2 第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 4 3.1 供電電路的設(shè)計 4 3.2 單片機電路的設(shè)計 4 3.3 時間日期電路的設(shè)計 5 3.4 LED驅(qū)動電路的設(shè)計 6 3.5 紅外對射校正方位電路的設(shè)計 7 3.6 紅外遙控電路的設(shè)計 7 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 8 4.1 Keil開發(fā)環(huán)境 8 4.2 旋轉(zhuǎn)時鐘顯示程序的設(shè)計 8 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 11 5.1 系統(tǒng)調(diào)試的供電問題 11 5.2 系統(tǒng)調(diào)試的平衡問題 11 5.3 實物效果 11 參考文獻 14 致 謝 15 第一章 引 言 隨著科學技術(shù)的發(fā)展， LED顯示屏得到廣泛的應用，城市的亮化工程中LED就是主角，通過各種各樣的型號的LED，加上不同的控制器，我們可以顯示出不同的圖案，豐富我們的社會生活環(huán)境，通過LED滾動屏，我們可以展示的產(chǎn)品，在顯示圖案的同時也能夠展示先進的科學技術(shù)。 1.1 研究現(xiàn)狀綜述 目前的基于LED的顯示屏的高級方面的應用大部分用于一些樓頂?shù)膹V告牌，墻體的電視墻，作為新的技術(shù)，人們在越來越多的場合能夠見到LED屏的身影。通過陣列卡，可以在這些組合的顯示屏上顯示出高亮度的畫面，同時又滿足了低功耗的功能，是未來廣告行業(yè)的主要發(fā)展方向。 但大部分的顯示屏只能在平面顯示，不能滿足一些場合的需求，比如一個車站大廳，如果使用平面的顯示屏，那么就需要去鋪排一系列的顯示屏，幾乎要鋪滿整個候車室，那樣會造成資源的浪費，且顯示的廣告效果也不會和預期收入成正比，因此人們開始設(shè)想更加經(jīng)濟、科學的顯示方案。通過多年的研究，根據(jù)視覺暫留原理設(shè)計制成的旋轉(zhuǎn)LED顯示器的設(shè)計被帶入了我們的生活。逐步從實驗室產(chǎn)品發(fā)展到玩具行業(yè)，最后又開始被廣告行業(yè)所使用。 1.2 本課題的研究內(nèi)容 本次的畢業(yè)設(shè)計主體是設(shè)計一款旋轉(zhuǎn)LED顯示器，通過51內(nèi)核的單片機進行程序控制，利用單片機來控制LED的亮滅，繼而來輸出一組特定的字符數(shù)據(jù)，通過視覺暫留效應，利用旋轉(zhuǎn)的LED陣列來實現(xiàn)畫面的顯示功能，通過光電傳感器，可以知道當前旋轉(zhuǎn)的相對地址，通過不停刷新畫面來形成產(chǎn)品顯示效果的及時更新。 1.3 本研究的主要系統(tǒng)構(gòu)成 本次設(shè)計的系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)，無線供電模塊，電機旋轉(zhuǎn)電路，紅外檢測模塊，時鐘模塊和LED顯示驅(qū)動部分等組成。單片機系統(tǒng)是由單片機內(nèi)部電路以及外部的幾個電容組成的最小系統(tǒng)。LED顯示驅(qū)動部分是由一個行和一個列組成，可以在上面和旋轉(zhuǎn)時的側(cè)面看到顯示的時鐘和字。本設(shè)計大部分的元器件是使用的貼片封裝的元器件，這樣更節(jié)省空間和資源。  第二章 系統(tǒng)方案的設(shè)計 2.1 方案的設(shè)計 本次設(shè)計的旋轉(zhuǎn)LED顯示器的主要工作原理跟流水燈的原理類似，通過流水燈的效果程序，將時間軸劃分為不同的等份，對一幅將要顯示的畫面進行取模操作，然后通過單片機控制每一個時間等份上進行不同的數(shù)據(jù)的輸出，這樣如果將兩個數(shù)據(jù)區(qū)的時間間隔設(shè)置的比較巧妙的話，顯示出的就是一幅畫面了。同時可以對電路進行同步設(shè)計的理論添加，在不間斷快速旋轉(zhuǎn)的LED燈板上添加一個紅外光電接收器，同時在底板上添加一個不間斷發(fā)射的紅外光電發(fā)射器，兩個元件的位置對準，那么每旋轉(zhuǎn)一周就會檢測到一次紅外觸發(fā)信號，單片機就可以知道當前旋轉(zhuǎn)的角度及位置，通過周長的固化計算，可以算出單片機一周能夠散布的畫面的陣列數(shù)，如果設(shè)計的畫面不足一周，就空白散點，如果超過一周，就繼續(xù)經(jīng)過測量點，依次計算出最終需要暫停的點位。從而可以實現(xiàn)一組不間斷地畫面的輸出功能。 2.2 系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)的主要實現(xiàn)目標是通過旋轉(zhuǎn)的畫面顯示出一個模擬的時鐘，包含時針、分針和秒針，并且實時保存當前的時間值。該系統(tǒng)的構(gòu)成如下圖所示： 圖1 系統(tǒng)框圖 在本次設(shè)計的系統(tǒng)中，對普通的旋轉(zhuǎn)LED顯示器進行了改進，一般的旋轉(zhuǎn)LED顯示器的顯示都是側(cè)面或者平面，這樣顯示的效果就比較局限，而且在側(cè)面的時候無法顯示模擬的時鐘，在平面的時候顯示的字體都會呈現(xiàn)梯形，顯示效果無法得到提高。此外，一般的旋轉(zhuǎn)LED的分辨率都不高，一般使用12個LED就可以顯示漢字了，但是本次設(shè)計的LED顯示器的分辨率得到了提升，在平面顯示時采用了32+2個LED作為顯示器。這樣就在旋轉(zhuǎn)的過程中就可以達到直徑上有64個點了，分辨率足夠顯示圖案了。對于側(cè)面板，使用了16個LED來顯示漢字圖案，在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的時候，基本上可以將該旋轉(zhuǎn)的圓周看成一個16*180的平面顯示屏的效果了。  第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 3.1 供電電路的設(shè)計 本次設(shè)計的系統(tǒng)的供電問題一直是個比較重要的問題，因為旋轉(zhuǎn)的過程中，我無法使用有線供電，這樣線會被纏繞，所以設(shè)計一個比較好的供電方式是這個系統(tǒng)的關(guān)鍵問題所在。 由于最近的無線供電技術(shù)的推廣，無線供電方式映入眼簾，將電流的直流信號轉(zhuǎn)化成交流信號，通過旋轉(zhuǎn)的線圈進行變壓器的操作，初步達成了無線供電，最后通過整流電路，將交流信號轉(zhuǎn)化成直流信號，最后通過穩(wěn)壓二極管，將電壓穩(wěn)到5V，只要電路能夠正常運行，線圈不摩擦，基本上這個電路不會出現(xiàn)什么供電問題。 此方案在整體的實施上比較簡單，只需要繞制兩組線圈，粗略計算線圈的繞制比，這樣就可以對電壓進行粗略的調(diào)控，同時先前之間相互不接觸，形成了無線供電的功能，不會存在電刷接觸不良的情況。所以在本次設(shè)計中使用了無線供電技術(shù)對單片機進行電源的供給。 無線供電電路產(chǎn)生的交流電壓需要經(jīng)過橋式整流電路進行整流，最終輸出直流信號，該電路的原理圖如下圖： 圖2無線供電 3.2 單片機電路的設(shè)計 本次使用的單片機的型號我進行了嚴格的篩選，首先，運行速度要快，其次內(nèi)存要大，最后，盡可能的I/O端口要多，這樣我進行對LED的控制時才會變得簡單。此次設(shè)計我選用的ST公司的最新系列的STC15F2K60S2單片機，該單片機的主要特點有： （1）內(nèi)核使用的是最新一代的加密內(nèi)核，基本上達到了無法破解的功能 （2）該單片機的運行不需要晶振電路，直接可以使用內(nèi)部自帶的時鐘源就可以工作了，同時，該型號的單片機也不需要外部的復位電路，對于此單片機系統(tǒng)的設(shè)計減少了不少難度。 （3）該單片機的內(nèi)存比較大，擁有2K的內(nèi)部SRAM，使得單片機的處理能力大大增強， （4）該單片機屬于低功耗單片機，對于無線供電效率底的情況下仍然能夠正常工作，且運行速度遠高于普通單片機，可靠性也大大增強了。 （5）該單片機內(nèi)部集成了60K的E2PROM，對于本設(shè)計需要存儲的圖像信息和文字信息可以直接保存，掉電不丟失。 所以在本次設(shè)計的系統(tǒng)中使用該型號的51單片機是最合適的，對于此次的設(shè)計帶來了各種各樣的便利。下圖就是單片機系統(tǒng)的原理圖： 圖3單片機管腳圖 3.3 時間日期電路的設(shè)計 本次設(shè)計的電路中將要顯示時間，所以優(yōu)先選用了時鐘芯片，最常見的時鐘芯片莫過于DS1302了，所以本次的系統(tǒng)中使用了該型號的時鐘芯片，設(shè)計了該時鐘芯片的外部驅(qū)動電路，添加了時鐘晶振32.768MHz，同時，添加了一個紐扣電池作為時鐘芯片的供電電源，這樣時鐘芯片內(nèi)部的時間就會24小時不間斷地運行了，不需要外部時鐘的添加也仍然能夠正常運行。這各電路就是實時時鐘電路的基本構(gòu)成電路圖： 圖4時鐘電路 3.4 LED驅(qū)動電路的設(shè)計 由于平面上需要驅(qū)動32個LED，垂直面上需要驅(qū)動16個LED，另外還有時鐘芯片和紅外端口及其余拓展電路，所以全部使用單片機的普通I/O口是遠遠不夠的，因此需要進行端口的擴展或者使用其余方式來驅(qū)動LED，在本次設(shè)計中選用了串行移位寄存器74HC595來進行LED的串行驅(qū)動，所有的LED分為8個一組，直接接到595芯片的輸出端，通過串行控制輸出信號對LED進行顯示驅(qū)動，最后通過74HC595的級聯(lián)操作，對剩余的每一組LED進行顯示控制，通過該電路，就可以簡單地進行顯示電路的控制。該驅(qū)動方式比較簡單，電路設(shè)計完之后只需要級聯(lián)即可，無需進行端口的拓展。其余設(shè)計電路都會有或多或少的復雜性。該電路的電路原理圖如下： 圖5 LED顯示驅(qū)動電路 這款單片機支持在線下載功能，因此不需要設(shè)計額外的下載端口來下載程序，僅僅需要將單片機的串口1引出來，注意的是該單片機擁有兩個串口，默認情況下，串口2是不可以用來下載程序的，所以進行串口的引用之后，需要對計算機安裝PL2303串口，將購買的PL2303硬件插入計算機USB口，通過管理工具看到串口號，該串口不同于232串口，所以電平不能直接相連。對接單片機和PL2303，就可以通過官方下載軟件進行程序的下載了。 3.5 紅外對射校正方位電路的設(shè)計 在旋轉(zhuǎn)LED顯示器旋轉(zhuǎn)的過程中，可能無法通過眼睛確認目前旋轉(zhuǎn)面轉(zhuǎn)到的準確地址，所以，通過安裝紅外對射管，一個安裝在底板上，一個安裝在旋轉(zhuǎn)的LED燈板上，燈板上的用于接收，那么，燈板每旋轉(zhuǎn)一周就會接收到一次紅外觸發(fā)信號，所以將這個點設(shè)置為初始位置和終點位置。通過計算周長，設(shè)燈板的直徑為Rcm，那么周長就為πRcm，相鄰燈的間距為2MM，則如果矩陣化電路的顯示陣列，那么對于垂直柱面上的LED面，我們可以近似看成16*πR的點陣屏，大約可以顯示漢字的個數(shù)為19個。當然由于電機的限制和運行穩(wěn)定性的決定，此次設(shè)計的旋轉(zhuǎn)LED屏并沒有做到這么大。下圖為紅外對射管的電路原理圖： 圖6紅外對射管電路 3.6 紅外遙控電路的設(shè)計 由于此次設(shè)計的是旋轉(zhuǎn)LED顯示器，那么旋轉(zhuǎn)的過程中，無法通過手動按鍵去進行設(shè)置，所以添加了紅外遙控功能。通過紅外遙控器輸入紅外遙控信號，再對所顯示的內(nèi)容進行控制，使得有不同的顯示效果。紅外遙控電路原理圖如下： 圖7紅外遙控電路 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 Keil開發(fā)環(huán)境 本次設(shè)計是用Keil這款軟件來編寫程序的，在使用keil的同時必須要設(shè)定好一些參數(shù)。第一，點擊菜單Project下面的NewProject，這時可以先設(shè)置好保存的路徑和此次項目的名稱；第二設(shè)置參數(shù)，此設(shè)計使用的是Stc15f2k60s2芯片，雖然keil里面沒有這款芯片，但是可以兼容51單片機的，所以選擇Atmel公司的芯片，點擊Atmel確定后選擇AT89c51這個芯片。第三，設(shè)置其他參數(shù)值，在OptionsforTarget的菜單中在Xtal的選項中輸入22.1184MHZ，在這同時設(shè)定好一些串口的設(shè)置，方便在下載程序。 4.2 旋轉(zhuǎn)時鐘顯示程序的設(shè)計 因為此次設(shè)計的顯示是通過一個轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和視覺暫留來達到顯示效果的，在平面上顯示一個模擬的時鐘，需要有時針、分針、秒針組成，均由Led的掃描實現(xiàn)。在軟件的設(shè)計過程中需要設(shè)計顯示模式的軟件方案，在轉(zhuǎn)子上只有32個LED，每個Led的間距為2mm，半徑6.4cm，在旋轉(zhuǎn)時組成的平面即為直徑12.8厘米的圓，周長大約400厘米，采用等間距的顯示方案時，每個圓周上的顯示間距最外圈也設(shè)置為2毫米，那么一周大約200個點陣數(shù)據(jù)，只需要按照順序在一周范圍內(nèi)通過單片機發(fā)送完全部代碼，這個程序的設(shè)計基本上和點陣屏的顯示方案差不多，需要的僅僅是計算每個單位數(shù)組之間的發(fā)送間隔。因此，需要計算電機的轉(zhuǎn)速，從而根據(jù)轉(zhuǎn)子的半徑計算每個數(shù)組之間的間隔時間。單片機通過紅外對射管，在轉(zhuǎn)子每次經(jīng)過紅外發(fā)射管的時候進行一次中斷判斷，證明該點為模擬顯示的初始位置，當一個畫面滿足于200個點陣數(shù)據(jù)的時候，最后一組數(shù)據(jù)即為第一組數(shù)據(jù)，通過畫面的循環(huán)播放，滿足24幀每秒的頻率就可以清晰的顯示出圖案。 通過對時鐘芯片DS1302的讀操作，單片機可以知道當前的時間，并將該數(shù)據(jù)分成三個碼表，每個碼表由200個點陣數(shù)組組成，以此顯示即可完成整個模擬時鐘的顯示功能。 軟件實現(xiàn)方案的流程圖如下： 圖8 時鐘顯示流程圖 主函數(shù)： void main (void) { uinti; OEB=1; //595使能初始化 Exti_init(); //中斷初始化 Time_init(); //兩個定時器初始化 time_first_read(); //第一次讀取時間 InitUART(); //串口初始化 for(i=0;i<19;i++) { disp_time[i]=0x00; } while(1) { OEC=1； //側(cè)面595使能初始化 key_cont();//按鍵鍵值判斷 switch (DIS_MODE) { case 1:display_hand();break;//時鐘指針顯示 case 2: display_figure();break; //時鐘數(shù)字顯示 default: break; } } } 設(shè)置時鐘程序： void Init_1302(void) // { write_clock(WRITE_PROTECT,0x00); //允許寫操作 write_clock(HOUR,0x00); //二十四小時制 write_clock(YEAR,0x14); //年 write_clock(WEEK,0x07); //星期 write_clock(MONTH,0x02); //月 write_clock(DAY,0x03); //日 write_clock(HOUR,0x19); //小時 write_clock(MINUTE,0x57); //分鐘 write_clock(SECOND,0x30); //秒 write_clock(0x90,0xa5); //充電 write_clock(WRITE_PROTECT,0x80); //禁止寫操作 } 紅外解碼： voidIR_pros(void) { //下面是解碼了用戶碼和操作碼,如果加上用戶碼判別,可以杜絕不同遙控器的干擾 uchari,j,k,value; k=1; for(i=0;i<4;i++) //四個字節(jié) { for(j=1;j<=8;j++) //每個字節(jié)中的八位 { if(irdata[k]>14) { value=value|0x80;//或上0x80 就為1 } else { value=value; //否則就為0 } if(j<8) { value=value>>1; //8為數(shù)據(jù)移位 } k++; //位數(shù)加1 } ircode[i]=value; //把處理完的字節(jié)放到irdate_pro里 value=0; } 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 5.1 系統(tǒng)調(diào)試的供電問題 此次設(shè)計的單片機和LED等電路必須安裝在電機的上面，如果采用尋常的供電方式，在電機旋轉(zhuǎn)時會把線給繞進去，導致硬件的損壞。所以對其供電時比較麻煩的一件事。 此次的設(shè)計采用無線供電的方式，單片機和LED等電路所需要的電壓電流不大，而且跟上現(xiàn)在的時代趨勢，可以采用無線供電。這是一個比較理想的供電方案。 無線供電功耗小，但同時帶來了一個問題，就是無線供電輸出的電壓不能使單片機正常的工作，所以給電路增加了一個整流放大的電路，使其升壓之后再降壓，這樣既可以是單片機正常供電，同時做到了是硬件更加的美觀和具有觀賞性！ 5.2 系統(tǒng)調(diào)試的平衡問題 供電問題的解決了，接下來要解決本設(shè)計的平衡問題。在硬件開始工作時電機是在高速的旋轉(zhuǎn)當中，如果整體的不平衡，這樣轉(zhuǎn)動其來就會有比較大的震動，導致所顯示的時間和漢字等不清晰，甚至根本就不能看到所做的功能和顯示結(jié)果，偏差如果比較厲害的話會導致直接把電路板甩出去。要解決這類問題，得需要以前學的物理知識，利用所學的杠桿原理，首先測試出那邊比較重后者輕的，然后在輕的這一邊加上廢棄的電池或者小的鐵塊鉛塊等小型物件，然后用熱能膠來進行固定作用，根據(jù)實際情況解決了平衡的問題。 5.3 實物效果 平面顯示主要顯示的是一個模擬的時鐘，時分秒可調(diào)且最小分辨率為1秒，按照旋轉(zhuǎn)的速度將它劃分為打給200個分區(qū)，算好每組之間的發(fā)送間隔，根據(jù)紅外檢測來判斷起始位置，通過一定的電機轉(zhuǎn)速來達到人眼視覺暫留的效果，效果如下： 圖9 顯示時鐘 柱面主要用來顯示漢字，漢字的顯示方式為16X16的點陣字模數(shù)據(jù)，漢字是以滾動模式顯示的，當一段漢字經(jīng)過起始點位置結(jié)束時所有l(wèi)ed都亮，進行全屏刷新；同時可以通過紅外遙控來控制電機的轉(zhuǎn)速，可以在低速和高速的情況下明顯的看出顯示的不同。顯示效果如下： 圖10 柱面顯示  參考文獻 [1] 劉欣銘,張廣斌,陳騫.LED顯示屏技術(shù)綜述[M]. 黑龍江電力. 2003(04) [2]單片機原理與實踐/陳連坤編著[M].北京：清華大學出版社；北京交通大學出版社,2009.11. 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