旋转LED显示屏毕业设计论文Word格式.docx

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作者签名：

摘要

LED显示屏已广泛应用于广告、车站、银行、商场等公共场所，它具有功耗小、寿命长、色彩好等优点。

现在的LED显示屏的发光器件主要采用LED平板模块，这种类型的显示屏主要有两个问题有待改进：

首先是整个显示屏全由LED模块组成，器件数量多，成本高；

另外，由于显示屏是一个平面，同时LED象素点有一定视角限制，使显示屏的可视范围被局限到正面某个范围之内，在应用中使显示屏的信息发布受到了一定的空间限制。

本文给出了一种新型的柱式旋转LED显示屏，以旋转扫描方式代替逐行扫描，可视范围达到了360度，成本大大降低，克服了LED平板显示屏的不足。

本文在简要介绍旋转LED显示屏工作原理的基础上，详细说明了旋转显示屏的方案选择和系统结构设计，以及具体硬件电路和软件设计流程。

在此基础上，本文还讨论了旋转LED显示屏设计中需要注意的一些关键问题，给出了相应的解决方案，并提出了一些改进和完善本系统的思路和设想。

实际制作的LED旋转显示屏技术参数的测试结果，以及实际的运行效果表明，本文设计和制作的旋转显示屏符合设计要求，具有一定的创新性和实际应用价值。

关键词：

LED显示屏；

旋转；

重心调节；

nRF401

Abstract

LEDdisplayhasbeenusedwidelyinadvertising,stations,banks,shoppingmallsandotherpubliclocations.Ithasalotofadvantages,suchaslowpower,longlifeandnicemulticolor.LEDflat-panelmoduleisusedmainlyintheLEDdisplaydevices,whichhassomeissuestobeimproved.First,theentireLEDdisplayareamakesupofanumberofLEDmodules,whichresultsinhighcost;

Secondly,theLEDdisplayisflat,andthentheinformationpromulgatedontheLEDdisplayisrestrictedbythevisualangleofdisplayself.

AnovelcolumnrevolvingLEDdisplayisintroducedinthisarticle,whichusingrevolvingscanmodereplacingprogressivescan,thenadvancesthevisualangleto360degrees,andreducethecostgreatly.Onthebaseofintroducingtheworkingprinciplebriefly,theprojectchoiceandsystemconfigurationoftherevolvingLEDdisplayareshowninthispaper,andthehardwareandsoftwareofthesystemareintroducedindetail.Otherwise,someofthedesignkeysofthenovelLEDdisplayarediscussed,andsomeimprovedstepsaregiveninthepaper.

Theperformanceandthetechnicalparametersmeasuredbymetricalinstrumentshowthatthesystemmeetsthedesignrequirements.Therefore,thenovelLEDdisplayhassomecreativedesignandappliedvaluebyallmeans.

Keywords：

LEDDisplay,Revolving,Focusadjusting,nRF401

引言1

1系统设计2

1.1系统的设计目标2

1.2总体设计2

2方案论证2

2.1系统供电方案2

2.2LED驱动芯片选择3

2.2.1LED驱动芯片选取原则3

2.2.2LED驱动芯片接口电路设计3

2.3单片机其他外围电路3

2.3.1通讯模块选择3

2.3.2电机选择3

3LED显示技术及系统中的主要芯片4

3.1LED以及旋转LED显示屏简介4

3.1.1LED应用简介4

3.1.2旋转LED显示屏简介5

3.2MAXIM6969LED驱动芯片6

3.3AT89S52、nrf401无线收发芯片简介8

3.3.1AT89S52芯片介绍8

3.3.2nRF401无线收发芯片8

4系统硬件设计9

4.1各功能实现原理9

4.1.1系统供电9

4.1.2重心调节9

4.2具体硬件电路实现10

4.2.1电源设计10

4.2.2LED旋转同步设计10

5系统软件设计11

5.1系统编程语言和编程工具12

5.2软件总体设计13

5.3系统各模块程序的设计13

5.3.1主控机程序模块13

5.3.2从机程序模块14

6系统调试15

6.1元件的焊接和整板测试15

6.2系统硬件调试16

6.3软件测试16

6.4系统联调17

7结论18

谢辞19

参考文献20

附录21

引言

由于物理学的重大突破，电子技术在20世纪取得了惊人的进步。

特别是近40年来，电子技术的发展突飞猛进，无论是工业、农业，还是国防领域都随之发生了重大变革，也为技术创新打下了坚实的理论基础。

我们则应当具备开发和创新的能力，本文所介绍的旋转LED显示屏就是一个例子。

通过单片机的应用和普通直流电机的改装实现这一功能，通过良好的视觉效果激发我们对电子科学的兴趣。

柱式旋转LED显示屏是一种新颖的显示屏，总的来看，成本低是一大优点，另外360度的可视角度使之非常适合于像大厅和候车室之类的场合。

如果能较好的解决显示亮度问题，可应用于室外，尤其是一些广告塔、楼顶等场合，是LED显示屏的一个新品种、发展的新方向。

此类显示屏如果更进一步，解决视频数据的传输，则可以做出旋转柱式视频显示屏，视频显示的控制电路较为成熟，显示器件只需换为RGB阵列即可，这样应用范围可大大增加。

本文所设计的旋转LED显示屏以AT89S52单片机为核心，最大限度的利用单片机的资源，与LED驱动芯片紧密结合，通过无线收发芯片控制，实现显示功能。

本文分为六章，详细说明了LED旋转屏的原理、设计方法、以及设计流程。

第1章主要介绍系统总体设计方案；

第2章对系统设计方案作了较详细的论证和介绍。

第3章对LED旋转显示及系统设计中使用的主要芯片作了简单介绍。

其主要是对MAX公司LED驱动芯片MAX6969作了一下介绍。

第4章详细介绍了系统的硬件设计。

本章对电路的设计原理、芯片的选择和各功能的实现作了详细的介绍。

第5章详细介绍了系统的软件设计方案及系统的开发平台。

第6章讲解系统的调试过程和实现的主要功能。

对系统软、硬件调试和调试中遇到的问题作了说明，并对各功能进行了测试和分析。

1系统设计

1.1系统的设计目标

本设计要求进行旋转LED显示屏的研究和设计。

系统以MCS-51系列单片机作为核心控制器件，通过控制电机保持一定的速度稳定旋转，带动单排LED旋转，形成扫描显示屏；

单片机根据LED旋转的速度，控制LED发光或熄灭，在视觉上形成平面图形点阵的显示效果。

1.2总体设计

旋转LED显示屏的系统总框图，如图1.1所示。

系统由6个部分组成：

系统供电模块、数据处理与控制单元、显示单元、通讯单元和键盘输入单元。

其中，LED显示由单片机和MA6969大电流LED控制器共同控制，键盘则用来实现人机交互的功能，系统供电是通过从电机中心引出，然后通过整流滤波，给系统供电。

用户可以通过按键输入命令到主单片机，并将命令通过串口无线传输到从单片机，再由从单片机对命令进行译码由MA6969大电流LED控制器控制LED的循环显示。

系统中，主单片机负责人机界面的交互，从单片机负责对主机命令的翻译，利于系统的改进和更新。

LED驱动模块MAX6969

微控制器

AT89

S52

键盘输入

LED阵列

nRF401无线收发器

图1.1系统总框图

2方案论证

2.1系统供电方案

方案1：

采用固定电池供电。

即在电路板是直接附带一个蓄电池，为系统供电。

这种供电方式比较简单。

但是，有两个问题难以解决。

首先，高亮度LED的功耗比较大，而电池的蓄电量有限，这就难以实现系统的长期运作；

其二，由于电池的体积和重量比较大，若固定在板子上，电量用完后，难以替换。

若不固定，在电机转动的时候可能会甩出去，引起安全隐患。

同时，也增加了旋转重心的调节的难度。

故不采用此方法。

方案2：

采用电刷供电。

即在电机的转轴上，手工增加一个电刷，通过电刷为系统供电。

此方法能够让系统长期供电，但是由于增加了电刷，电机的摩擦增大，势必会使

系统的功耗增加。

方案3：

从电机转子中引出电源线，为系统供电。

此方法直接在电机的转子中引出电源线，通过整流滤波后，可以作为系统供电，同时也可以作为系统控制时序的中断源。

此方法容易实现，并且一举两得，因此选用。

2.2LED驱动芯片选择

2.2.1LED驱动芯片选取原则

LED驱动芯片关键的指标之一输出功率的大小。

LED的亮度直接决定了显示屏的可见范围。

采用大电流驱动芯片，使得可视距离更远。

高功耗，同时意味着芯片的能够良好的散热。

LED驱动芯片的另一个关键指标是工作频率，即工作的速度。

为了能够更清晰的显示字体和图像，芯片的工作速度是不可忽视的。

芯片必须能够快速响应和编码输出。

MAX6969串行接口LED驱动器提供16个漏极开路、恒流吸收、额定5.5VLED驱动器输出。

MAX6969采用3V至5.5V电源供电。

采用工业标准移位寄存器加锁存器形式的串行接口。

数据通过数据输入DIN和时钟输入CLK移入驱动器的16位移位寄存器。

采用高效散热的24引脚封装。

2.2.2LED驱动芯片接口电路设计

采用数字信号处理单片机MSP430和LED驱动芯片接口，由于MSP430速度比较快，有较强的运算能力，大大提高了计算调整LED显示的时间的模糊算法的时间，并且能够快速的对通讯数据进行CRC校验，减少了程序的复杂程度。

采用单片机AT89S52与LED驱动芯片MAX6969接口，AT89S52逻辑能力较强但速度比较慢，价格相对比较便宜，但工作量要比方案1大的多。

综合考虑价格、元件是否容易购买等因素，在此设计中选用方案2。

2.3单片机其他外围电路

2.3.1通讯模块选择

使用采用红外通讯，电路简单，但红外通讯需要大量的编码、译码，程序设计复杂，且由于AT89S52速度比较慢，在短时间难以做太多的运算，故不采用此方法。

使用数字载波无线通讯。

电路比较简单，使用方法也简单，只需把数据送到串口，就可以立即发送，无需进行初始化，不需要对数据进行曼切斯特编码，具有半双工的通讯功能，并且有两个通讯频道，受外界影响较小。

在处理器运算速度相对比较慢的情况下，采用此方法。

2.3.2电机选择

采用步进电机。

步进电机能够准确的定向，但是图像或者文字的分辨率受到步进电机的步进角度的限制。

并且步进电机以及控制电路成本较高，并且需要单片机控制，占用CPU的资源。

采用普通的电机。

此方案不占用单片机I/O口，节省单片机资源，使用方便，成本较低，通过简单的改装，可以给系统供电。

综合各方面考虑，为了节省成本，简单系统电路，以及更方便的为系统供电，使系统能够长期工作，故采用方案2。

3LED显示技术及系统中的主要芯片

3.1LED以及旋转LED显示屏简介

3.1.1LED应用简介

LED（lightemittingdiode）是发光二极管的英文缩写，它是一种电致发光器件。

目前，LED产业已经走过了它的发展初期和中期，普通LED的应用已经成为过去，高亮度LED的使用也已无需着力推广。

另外，中小功率超高亮LDE亦已诞生，并正在以极快的速度走向应用。

显示方面，LED被广泛应用于电子电器、工业设备等各类产品的状态性能显（指）示，也被越来越多地制作成多媒体平板显示屏、交通信号灯等等。

LED的应用虽然已经具有了很广的范围、很大的规模，但是,由于LED拥有很多社会应用所需的优点、相关技术也有很大的发展空间，因此，LED有着更为美好的前景。

目前技术条件下，LED已经显示出了众多的优点与传统的显示媒介相比，有以下特点：

一是寿命超长，业内公认的平均值达10万小时，可期望目标将会达到25万小时；

二是色彩丰富，LED已经实现了多个波长的单基色，有红、琥珀黄、黄、绿、蓝等，基本满足了应用领域对LED色彩的要求，随着更多新材料的开发，还会实现更多的基色及至全彩色；

三，稳定可靠，在LED的寿命期内，LED差不多都能稳定的工作，维护工作量极小；

四，电气安全性高，LED一般工作在低电压（6-24V）、小电流（10-20mA）情况下，属弱电级工作器件，有较好的电气安全性能；

五，节能环保效率高，在同等亮度下，LED的耗电仅为普通白炽灯的1/10，而且不存在有害金属汞污染等问题，符合社会发展趋势；

六，应用灵活性好，LED可进行低压供电，也可110V/220V电源供电，加上单粒LED的体积小（芯片更小），只用3-5平方毫米，大大方便了工程应用；

七，受控制能力强，现有的技术已经可以实现LED的亮度、灰度、动态显示，分布控制等，是其它发光装置无可比拟的；

八，抗震性能优越，LED的坚固、耐震、耐冲击性能，超过了目前所有其它类型的电光源产品；

九，响应速度快，LED的响应速度在毫秒级，可以自如有效地应用于显示屏、汽车刹车灯、相机闪光灯等；

十，显色性能良好，白色LED目前的显色指数Ra达到了70以上，色温范围从3600K到11000K（随荧光粉不同而变），而且已经获得了实验室提高的方案；

另外还有亮度高、无干扰、方向性好等等也是十分有用的优点。

当然，LED产业内还有不少问题需要从根本加以解决。

基色尚不十分丰富，理想的目标是可见光波段实现全覆盖，最好能达到自然光的水平；

显色性仍显不高，理想水平是黑体相同，即达到Ra=100；

亮度需要有效地提高，包括发光效率的两个方面（内量子效率和光输出效率）和功率的提高；

另外还有体积、成本、专用集成电路、驱动器、“冷光”感等问题。

纵观LED的发展，我们不难发现，LED产业的发展极大地缘于技术的进步，而技术进步的动力则是来自于应用的需求，亮度的提高、基色的丰富、功率的增加等等无不如此。

可以推想，未来的LED产业，一定会根据应用的要求，在亮度、功率、基色等技术方面进一步突破，使不同类型的LED更加广泛地被使用，并且还会逐步地建立起各自相对独立的应用领域，从而步入LED细分时代，我们有理由相信，亮饰、照明、显示将会首先独立出来，形成LED应用的专门领域。

当然,从技术关联角度看，未来的LED产业会像一棵树，细分出来的专门领域，其源头仍会统一在芯片材料的生产上，不同领域的LED应用会得到不同技术支持。

3.1.2旋转LED显示屏简介

LED显示屏已广泛应用于广告、车站、银行、商场等公共场所。

它具有功耗小、寿命长、色彩好等优点。

现在的LED显示屏的发光器件主要采用LED平板模块，室内显示屏主要采用16行循环扫描的方法，即每16行为一个单元，在每一帧中,逐次每行亮十六分之一秒的时间，由于帧频一般大于60Hz，我们并不觉察到扫描，而认为是一幅稳定的图像。

这种类型的显示屏有两个问题有待改进：

第一、显示屏整个面积全由LED模块组成，器件数量多，成本高；

第二、由于显示屏是一个平面，而且LED象素点有一定视角限制，使显示屏的可视范围被局限到正面某个范围之内，在应用中使显示屏的信息发布受到了空间的限制。

新型的旋转柱式显示屏，克服了以上两个不足，以机械转动扫描方式代替逐行扫描，成本大大降低，可视范围做到了360度。

本文介绍了它的显示原理，系统组成，指出了设计中要注意的几个核心问题，并提出了一些新的发展方向。

旋转扫描的原理：

由于人眼具有视觉暂留的特性，当画面以一定速率刷新时，我们看到的就是连续的图像，电视机显示采用逐点扫描方式，每秒钟要刷新画面50场（25帧）,而在人眼中则是一幅完整的画面，传统LED显示屏一般采用1/16扫描，16行进行逐行循环点亮，由于刷新速率足够大，看到的也是一幅稳定的画面。

它的原理示意如图3.1所示，其中（a）（b）（c）（d）（e）分别是不同时刻的显示状态，（f）为人眼看到的完整画面“3”。

在这种LED显示屏中，采用的是逐行换位下移点亮器件的扫描方式，每一行都必须有LED显示器件，这就使显示屏的成本偏大。

图3.1传统LED显示屏的显示原理图

旋转扫描方式显示器只有一列，由电机带动它进行旋转，运行到某一位置时就显示该位置的状态，到下一位置后又显示下一位置的状态，即一列显示器件要完成全部图像的显示，扫描过程由机械转动更换位置来实现.其显示原理如图3.2所示。

图中a）b）c）是

图3.2旋转柱式显示屏的显示原理图

不同时刻的显示状态，d）是人眼看到的完整画面“3”。

由于旋转扫描成像不是平面，而是一个柱面，所以称之为旋转柱式显示屏，其观看视角是360°

。

3.2MAXIM6969LED驱动芯片

MAXIM6969是MAXIM公司采用先进的技术生产的具有高集成度的电路器件。

MAX6969电源和LED电源能以任意顺序上电。

所有恒流输出均由一个外部电阻设置，每路高达55mA。

MAX6969采用25Mb、工业标准4线串口控制。

MAX6969采用工业标准移位寄存器加锁存器形式的串行接口。

16个时钟周期后，输入数据出现在输出DOUT，此工作模式可实现多个MAX6969级联。

锁存使能输入LE将移位寄存器的16位数据装入16位输出锁存器，以决定各个LED的开关。

输出使能输入OE控制所有16个输出的开关，其快速响应特性适合作为控制LED亮度的PWM输入。

其内部结构如图3.3所示：

图3.3MAXIM6969的内部结构图

MAX6969工作时序图如下：

MAX6969的串口为4线串口，使用4路输入（DIN、CLK、LE和OE）和1路数据输出（DOUT）。

该接口用于向MAX6969写入显示数据。

串口数据字长为16位，即D0–D15。

见上图。

五个接口引脚的功能如下所述。

DIN是串行数据输入，在CLK信号的上升沿进行采样时必须保持稳定。

数据移入时，首先移入MSB。

即首先同步输入数据位D15，然后依次输入其它15位数据，到LSB位D0结束。

CLK是串行时钟输入，在其上升沿将数据通过DIN移入MAX6969的16位移位寄存器。

LE是MAX6969锁存器的装载输入。

LE为高电平时（透明传输锁存器），数据由MAX6969的16位移位寄存器传输至16位锁存器，并在LE下降沿锁存数据（图3.4）。

图3.4MAXIM6969控制时序图

第四个输入为输出驱动器提供输出使能控制。

OE为高电平时强制输出OUT0–OUT15为高阻态，并且不会改变输出锁存器的内容，为低电平时则使能输出OUT0–OUT15，以反映输出锁存器的状态。

OE独立于串口工作。

无论OE为何状态，数据都可移入串口移位寄存器并锁存。

DOUT是串行数据输出，在CLK的上升沿将数据从MAX6969的16位移位寄存器移出。

DIN输入端的数据移入移位寄存器，并在16个时钟周期后出现在DOUT端。

3.3AT89S52、nrf401无线收发芯片简介

3.3.1AT89S52芯片介绍

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写10000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM32），外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

3.3.2nRF401无线收发芯片

nRF401是一个为433MHzISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片它采用FSK调制解调技术nRF401，最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整最大发射功率是+10dBm天线接口设计为差分天线以便于使用低成本的PCB天线nRF401还具有待机模式这样可以更省电和高效n