LED旋转时钟的设计毕业论文Word格式文档下载.docx
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1.5本课题设计准备
本次毕业设计课题主要设计的是基于51单片机的LED旋转时钟，这次设计任务看似很容易，其实并不容易，它需要硬件设计以及软件程序设计相配合。
在设计之前，我在因特网上和学校图书馆中查找课题有关的资料，以及相关容的英语文献，仔细审阅和筛选，并询问导师，查找出有用的资料，最后总结起来设计我的电路原理图，以及PCB图。
再根据原理图设计程序，单片机程序讲控制LED灯的亮灭，这是非常重要的一个步骤。
再之后根据原理图列出元器件清单，到实体店或者网上购买元器件，为以防元器件损坏或者丢失，会适当的多购买一些元器件。
元器件购买完成就可进行电路板的焊接。
如下表1-1为元器件列表。
表1-1元器件列表
原件名称
规格或型号
数量
单片机
STC15F2K08S2
1
电机
1200rmp
万用板
3cm*7cm
4cm*6cm
LED指针模块
34个LED灯、34个电阻、1单片机
电容
470uF
3
时钟模块
稳压管
5.1v
电阻
10k
1R
下载器
STC下载器
整流管4148
4
2.原理介绍
2.1单片机介绍
单片机是单片微型计算机的简称，单片机是一块集成了很多模块和功能的芯片，它在一块芯片是集成了程序存储器、数据存储器、中央处理部件、定时/计数器和多种输入、输出（I/O）接口等功能部件，它是片各个功能的部件通过部的总线相互连接起来的微型计算机。
单片机它具有很多优点，它具有控制能力强、性价比高、体积小、易扩展、高集成度、低电压、高可靠性、低功耗等等优点。
现在单片机的发展已经渗透到人们的生活中，并且渗透到了各个领域，单片机在家用电器、智能仪表、军事装置、工业控制等等方面，都得到了非常广泛的应用，单片机现在已经无处不在了，现在几乎很难找到哪个领域是没有它的痕迹的。
2.2芯片的选择
一开始本次设计选择的是STC15F2K08S2单片机，选用的是贴片式芯片，因为由于此次设计的电路板是要随着电机高速旋转，所以不宜选择太大的芯片，如果选择太大的芯片会导致电路板制作的比较大，为以防电路板高速旋转时不稳定，所以选择了贴片式的芯片。
之后在制作过程中，由于是手工制作，贴片式的芯片管脚较小又多，不易焊接，很容易连接错误，所以，上网选购了已经焊接好的芯片模块，避免了很多的麻烦。
2.3单片机STC15F2K08S2介绍
单片机STC15F2K08S，它具有很多超强的优点，例如它具有超强的抗干扰性以及采用了STC第八代加密技术。
STC15F2K08S单片机是不需要外部晶振和外部复位的单片机，它还可以省掉外部的EEPROM，利用了IAP技术。
并且它的编程方便容易，它不需要编程器和仿真器，可在线编程。
这个单片机具有很大的容量，其有2K字节的SRAM，具有两个独立的串口。
STC15F2K08S单片机还具有高速，高可靠性的特点，非常的功耗，并且价格低廉。
对于这次应用于这次课题设计，非常的合适。
STC15F2K08S单片机引脚如图2-1所示。
芯片14脚：
VCC：
电源电压。
芯片16脚:
GND：
接地。
图2-1STC15F2K08S2管脚图
2.4贴片发光二极管原理介绍
发光二极管是一种可以直接将电信号转换成为光信号的特殊二极管。
发光二极管的基本结构是由一个PN结构成的，它也具有单向导电性。
所以它的伏安特性曲线和普通二极管非常的相似，但它的死区电压为0.9V-1.1V,它的正常工作电压为1.5V-2.5V,它的工作电流为10mA-20mA。
并且它的反向击穿电压较低，一般小于10V。
贴片式发光二极管如下面的图2-2片所示。
图2-2贴片LED灯图
发光二极管之所以能够发出光，主要是因为它的PN结的结构，这个是由磷化镓、磷砷化镓等等半导体的材料制作而成的。
当对它加入正向偏置电压的时候，多子的扩散运动就会增强，这样使得多子大量地复合然后以光的形式释放出能量。
然后LED灯的发光的颜色主要由所用的材料来决定的，它可以发出红、黄、绿等等可见光，也可以发出看不见的红外光还有紫外光。
其次LED灯的发光亮度与流过管子的电流成正比，电流为几个毫安时便可以明显发光。
由于电机带动LED电路板快速旋转，选用贴片式的LED灯比较美观，除了美观以外，它相比普通的发光二极管还有很多的优点，例如：
它的体积比较小，并且耗电量比普通二极管更低，所以使用的寿命也比较长，灯光的亮度也相比比较高。
另外它有坚固的外壳，耐用又牢靠；
反应速度快速，并且可以防止震动，节约能源，具有很高的解析度。
贴片式的发光二极管还很环保。
2.5红外对管原理介绍
红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的统称。
红外发射管是从红外发光二极管构成发光体，用红外线辐射工作效率比较高的材料制成PN结，常用磷化镓作为材料。
正方向的偏置电压向PN结上加入电流触发的红外光线，它的光谱工作效率主要为中心波长830nm～950nm。
显示的是正温度指标。
其中电流流动的值值越大，那么它的自身温度就会升的越高。
当温度不断的升高，它的电流也会不断的增大。
发光二极管的红外线灯的工作效率的高低，是和电流的大小息息相关的。
但是，这也是有个局限的，当正方向的电流超出了最大限制的时候，红外灯发射的功率就会在预料中下降。
光敏接收管是一个具有光敏特征的PN结。
是光敏二极管的一种，它具有单向导电性，所以在工作的时候需要加上反向电压的击穿电压。
没有光线照耀的时候，有很小的饱和反向漏电流也成为暗电流。
此时光敏管不导通。
在光线照耀的时候，饱和了的反方向的漏电流会立即加大，构成光电流，在围它会随着入射光线的强度的变化，来不断增大。
2.6稳压管原理介绍
稳压二极管是一种晶体二极管。
它是由材料硅做成的，是一种面接触型的晶体二极管，简单的叫做稳压管。
稳压二极管也被叫做齐纳二极管。
这个稳压二极管是一种半导体器件。
它在面临反方向的击穿电压面前，还拥有很高的电阻。
稳压管在加入反方向的电压击穿的时候，在规定的电流限制围，它两端电压差不多是不会改变的。
显示出出稳压的特殊性质，这就是它为什么非常大围的运用在稳压电源还有限幅电路上。
稳压二极管是根据击穿电压来规定档次的，由于这个特殊的优点，稳压管被当为稳压器还有一些电压基础的元器件来实用。
稳压二极管还能够串联起来，为了更加方便的在很高的电压上实用。
通过串连就能够获得比较多的稳定电压，这样它被称为双向稳压二极管。
2.7视觉暂留介绍
视觉暂留现象即视觉暂停现象又称“余晖效应”，最先提出的是在1824年由英国伦敦大学教授皮特‘马克’罗葛特在他的研究报告《移动物体的视觉暂留现象》中。
当人眼在观察景物还有事物的时候，这时候光信号被传入到大脑的神经，这个过程需要经过一段短暂的时间，当光的作用结束以后，视觉形象并并不会立即的消失，这种残留的视觉被称为“后像”。
视觉的这一钟神奇的现象则被称为“视觉暂留”。
当物体在快速运动的时候,当人眼所看到的影像消失以后。
人的眼睛任然能够继续保留这个影像0.1秒-0.4秒左右的图像。
这种现象就被称为“视觉暂留”现象。
视觉暂留呢，是人的眼睛具有的一种非常独特的性质，相信很多人都在生活中感受到过。
人的眼睛观看物体的时候，物体是成像在人眼的视网膜上的，并且由视觉神经输入到人的大脑中，这样就感受到物体的图像。
但是当物体移去的时候，视觉神经经对物体的印象不会马上就消失，它会而持续0.1秒-0.4秒的时间，“视觉暂留”指的就是人的眼睛的这种特殊的性质。
此次毕业设计课题，就是利用人眼的这种“视觉暂留”而形成的LED旋转时钟。
视觉，实际上是依靠人的眼睛的晶状体形成图像，感光细胞用来感受光的存在，并且将光信号转换成为神经的电流，然后传回到大脑引起人体的视觉。
感光细胞的感光，它是靠一些感光色素，但是感光色素的形成也是需要一些时间的，这就是形成“视觉暂留”的主要原因。
首先是中国人发现的“视觉暂留”现象，据历史记载，其中出现的最早的视觉暂留就是宋时的走马灯。
当时记载的宋时的走马灯，在当时被称为“马骑灯”。
在之后法国人保罗·
罗盖便在1828年发明了留影盘。
留影盘它是一个被绳子在两面穿过的圆形的盘子，盘子的其中一个面画了一只鸟，另一个面画了一个空笼子。
当圆盘旋转起来的时候，鸟就在笼子里出现了，就像是鸟被关在了笼子里。
这就是很早以前的视觉暂留现象，这就证明了当人的眼睛看到一系列图像的时候，人的眼睛会一次保留一个图像。
这次毕业设计课题其中的成像原理，用的就是以上所介绍的视觉暂留的现象，让我们可以在电机带动LED灯电路板旋转的时候，通过LED灯的亮灭，看到动态显示的LED旋转时钟。
其功能多样可以改变，还美观，还能计时。
2.8旋转时钟的实现
LED旋转时钟，利用了人的眼睛的视觉暂留的性质，这里用许多只发光二极管排成其一列，并与一排的电阻相连接，另外再与单片机STC15F2K08S相连接。
然后再通过时序的控制来控制发光二极管的亮灭，当电机带动LED灯模块旋转起来，显示出动态扫描出来的显示屏，然而形成旋转的LED旋转时钟。
3.毕业设计总体框架
3.1毕业设计框架图
稳压电源接入
电机转动
5V电源接入
图3-1总体框架图
3.2总体设计思路
LED旋转时钟主要由两个部分组成：
电机部分和单片机控制发光二极管显示部分。
在单片机控制发光二极管显示部分，为了制作的方便，把单片机以及发光二极管等器件焊接到一个电路板上，这样可以使旋转的电路板制作成为一个独立的系统，再将电机插入电路板的中间，这样电机轴插入其中并带动电路板旋转旋转。
因为电机将带动电路板高速旋转，如果使用线连接上下板的电源，那么旋转的时候就会导致线缠绕起来而无法继续正常运行，所以在这里我使用了线圈感应。
在上下板利用电感线圈相连接，用无线的方式将上下班的电源连接好，这样就能使两个电路板正常的工作。
此外这里选用的电路板越小越好，越轻越好，器件也可以及尽量使用贴片式的，但是由于贴片式在手工制作时焊接有困难，所以这里我在网上寻找到连接好的贴片式的LED灯和贴片式单片机相连接好的模块，这样节省了很大的工作量，并且使电路板美观又高性能。
人的眼睛具有视觉暂留的错觉，无法区分间隔小于0.1s的图像。
因此，我们所要设计的LED旋转时钟主要由两大部分组成：
单片机STC15F2K08S核心系统控制部分和电机转动部分。
单片机控制部分由一整排的发光二极管及单片机组成，单片机主要用来控制所有二极管的亮和灭、计时等。
电机机械转动部分是一个转速约为1200rpm的电机，带上负载后，转速有所下降，电机机械转动然后带动LED邓电路板转动起来。
这样，LED旋转时钟的基本框架就已经构成了，总的来说，就是通过单片机控制二极管的亮灭，利用电机的转动，使人眼产生视觉暂留的错觉，呈现出时钟的走动的图像。
3.3关于计时和电机转速监测的实现
直流电机的控制比较简单，比较适合用在LED旋转时钟中带动电路板旋转。
计算出了周期T=60ms，即是电机转轴每60ms旋转一圈，得到的每秒转动的圈数f=1/T=16.7，所以可选用转速约为1000rmp左右的电机，可以通过与电位器串联来进行具体电机转速的调整。
4.实验步骤
设计好整体框架；
设计原理图；
编写程序；
根据原理图购买器件；
根据原理图连接并焊接器件；
检查元器件的焊接；
烧录程序；
连接上下层板；
调试电路板至功能实现。
4.1详细具体步骤
首先利用Protel99SE画出原理图。
打开软件后，在文件夹的根目录下创建mydesign.ddb文件并命名为其命名，打开Documents，在此目录下新建sheet1.sch；
打开sheet1，根据查找资料总结所设计的LED旋转时钟画出原理图。
由于购买的电路板是万用板，所以为了方便起见，可以不画PCB图，最后将设计好的原理图保存好。
之后进行焊接，焊接器件之前，准备好电烙铁、螺丝刀、尖嘴钳、剪刀、镊子、焊锡等工作用品，检查元器件是否齐全。
然后根据原理图将元器件焊接到万用板上，并将线用电线或者焊锡将各元器件连接起来。
再根据设计要求和原理图、根据设计方案等，编写单片机程序，通过编译调试完成单片机程序的编写。
最后将单片机程序烧录到单片机中，就完成了电路板的制作。
完成电路板的制作后，并不代表这个设计就完成了。
最重要的一步就是调试，首先调试过程中，要熟悉电路原理图，再对照原理图检查电路板，是否有接错、短接、短开或者正负两级接反的情况。
否则，在接入电源时，很有可能电路板无法正常运行，或者出现元器件烧坏的情况。
完成调试后，就可以连接电源，看电路板是否已经成功的实现其功能。
4.2硬件设计
4.2.1电路原理图
首先设计上层板外围电路，电路原理图如图4-1所示：
图4-1外围电路原理图
其次是单片机最小系统以及LED灯的电路板设计，设计原理图如图4-2所示。
图4-2LED灯模块原理图
4.2.2电路各部分功能以及焊接
单片机核心控制部分，此部分采用STC15F2K08S2单片机，下载程序控制电机的转动来实现LED灯的亮灭，以至产生视觉停留，实现此设计的时钟功能。
LED显示部分，这个部分我在网上购买了已经焊接好的贴片式的发光二极管，如下图所示这里采用的是蓝色的高亮的贴片式发光二极管，在这里LED灯的亮灭由单片机STC15F2K08S控制，电机带动LED灯旋转，人眼睛的视觉暂留就能够看见LED旋转数字时钟。
DS1302时间模块，芯片DS1302是DALLAS公司推出的一种含有时钟的涓流充电时钟芯片。
它芯片不仅含有实时时钟，其中还包挂了日历。
芯片DS1302还具有31字节的静态RAM。
这个芯片通过简单的串行接口和单片机之间进行交流通信。
实时时钟为电路准备秒、分、时的信息。
而日历为电路准备年月日的有关消息。
并且这个芯片还具备了闰年的调节功能。
构成如下面的图4-3所示。
图4-3DS1302模块图
设计好电路，将所有元器件焊接到万用板上，并根据原理图进行元器件的连接，线的连接等。
因为我购买了部分模块，可以省掉一些焊接的麻烦，但依然要检查各个元器件是否都连接正常，首先检查LED灯的正负是否焊接正确，并检查电路板是否有短接、断接，检查各功能模块是否正常供电并且正常运行。
整流稳压电路的焊接，要将四个4148整流管正确连接，并且有正负极，得正确的连接正负极，黑色的一端是负极，则相反的另一端就是正极。
所有元器件的焊接都要注意它们的正负极，如果正负极连接不正确，元器件就不能正常工作，整个电路板就无法正常运行。
LED灯的焊接很困难，因为是贴片式的，很小，很难拿捏那个力度，很容易就会将旁边的管脚连接在一起，并且正负极也要正确的区分，但是由于我购买了这一模块，所以省掉这些麻烦，但是正负极还是得认真的检查一次。
并且检查灯的好坏。
上下层板都焊接完成后，将两个板连接起来，注意上下层板连接点的时候，要注意将次级线圈还有初级线圈两个线圈要齐平连接。
焊接完成后就可下载单片机程序，最后连接电源，调试电路板。
4.3程序设计
4.3.1程序设计
这里是主程序段，使能中断,中断优先级，装载计数初始值：
MAIN:
MOVIE,#86H;
使能Timer0中断和外部中断1
SETBTCON.2;
设置
MOVIP,#02H;
设置Timer0优先级较高
MOVTMOD,#01H;
使用Timer0工作在模式1下
MOVTH0,#3CH;
装载计数初始值，50ms延时
MOVTL0,#0B0H
MOVR0,#00H;
Timer0的50ms延时计数器
MOVR1,#00H;
秒的计数器
MOVR2,#00H;
分的计数器
MOVR3,#00H;
时的计数器
MOV32H,#0FFH;
旋转时钟的指针显示数据
SETBTR0;
启动Timer0中断
JMP$;
循环本行，等待中断发生
这里是Timer0中断服务子程序，用于分，时计时：
TIM0:
INCR0;
50ms延时计数器加1
CJNER0,#20,NEXT;
如果不等于20，说明不到1秒，跳到NEXT
INCR1;
如果R0=20，计时1秒，R1加1
CJNER1,#60,INC_SEC;
如果R1不等于60，说明不到1分钟，跳到INC_SEC
INCR2;
如果R1=60，计时1分钟，R2加1
MOV30H,R2;
将分钟存储在30H
CJNER2,#60,INC_MIN;
如果R2≠60，说明不到一分钟，跳到INC_MIN
INCR3;
如果R2=60，计时1小时，R3加1
MOV31H,R3;
将小时存储在31H
CJNER3,#12,INC_HR;
如果R3不等于12，说明不到12个小时
如果R3=12，将R0～R3计数器清0
MOVR1,#00H
MOVR2,#00H
MOVR3,#00H
NEXT:
MOVTH0,#3CH;
RETI;
返回主程序
INC_SEC:
MOVR0,#00H;
50ms计数器清0
JMPNEXT;
跳至NEXT
INC_MIN:
MOVR0,#00H;
50ms计数器清0
秒钟计数器清0
JMPNEXT;
INC_HR:
MOVR1,#00H;
MOVR2,#00H;
分钟计数器清0
4.3.2旋转时钟程序下载
在网上购买一条STC芯片的下载器，并在电脑上安装程序下载软件。
首先，将下载器连接上电脑，下载器提示灯显示正常，接着右键点击我的电脑，选择点击进入管理，进入管理界面，选择设备管理器，看串口是否连接正常，看到串口连接正常后，点击进入下载程序的软件。
按照芯片的以及程序选择要求，选择串口，以及单片机型号，设置好，如下图4-4所示：
图4-4程序软件下载图
设置完成，打开程序文件，选择已经编译好的程序文件，加载完成后，点击下载/编程，这个时候程序就下载到了单片机里。
5.调试过程
在整个设计的过程中，我都个人并且独立的完成了这些过程，从设计、采购、组装、焊接、调试、改进，这每一个小小的步骤都倾注了我的力量，一开始本来以为这个课题是很简单的，但是在逐渐研究的过程中，发现了很多没有学习过没有面临过的问题，在一开始的初衷可能只是想完成任务，完成设计，后来慢慢发现在这个过程中，我遇到了很多问题，同时也真正的学习到很多的知识，这并不是一次单纯的设计，这是毕业最后一次学习的机会，从中学到的不止是专业知识，还能从中锻炼许多的品质，要坚持到底、要不懈努力、要积极进取、要独立动手等等，所有的这些，我相信在未来的生活中，对我会有无比大的帮助。
在这次设计中，我遇到了很多的困难，一开始的使用的是AT89S52贴片式的单片机，然后腐蚀了两块电路板，但是由于贴片式的单片机的管脚太近，太小，焊接有一定的难度，后来在焊接过程中浪费了两块板。
最后我重新上网查找资料，更改了我的原理图，并且重新选择了芯片，并把之前贴片式的LED灯也更改了，但是后来焊接好所有器件以后，结果并没有达到预期的效果，不美观也不精准，后来上网查找以后，发现有已经焊接好的单片机系统以及贴片式LED灯的模块，我就购买了这个模块的集成板，并购买了部分模块，还有新的元器件，重新设计了原理图，又一次做了大的更改。
虽然做了很多次电路板，但是这次毕业设计，我尝试了很多次失败，但是失败的同时，我并没有气馁，也没有放弃，我一次次认真的查找资料，一次次认真的更改原理图，最后还是像我预期的一样使得电路板能够实现了它的功能。
很遗憾的是在这次程序设计中，我没有加入提高部分，难度对于我有些高，我只是实现了其基本功能。
在原理图设计的过程中，还遇到了一个曾经从来没有用过的元器件，红外对管，然后我XX查找资料，了解了它的特性和用法，准确的用到了电路中。
由于电路板需要高速旋转，并且LED灯的亮灭和电机的旋转的转速得契合，才能实现其准确的计时功能，所以在调试电机的转速时，遇到了很大的困难，后来在
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