基于5单片机的旋转LED点阵显示屏设计与实现设计.docx
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基于5单片机的旋转LED点阵显示屏设计与实现设计
基于5单片机的旋转LED点阵显示屏设计与实现设计
基于51单片机的旋转LED点阵显示屏设计与实现
摘要
本设计是一个旋转式LED显示屏，它利用了视觉暂留原理，以51单片机为核心控制器件。
LED模块安装在稳定旋转地载体上，静止时，各列发光二极管等间距排列。
当显示模块随着旋转体速度的加快并最终稳定下来后，在程序精确的控制下，由于视觉暂留效应，人眼就能够看到显现出预设的文字，字符等。
红外收发二极管的作用是，当接收二极管随旋转显示屏转到发射二极管，两者对接时完成信号收发，引起单片机外部中断，单片机控制程序初始化。
因装在电机上的控制电路始终在高速旋转，所以不方便使用电刷供电方法来给控制系统和显示模块供电。
这里采用通过高频线圈耦合（等同于变压器初次线圈耦合）供电。
次级线圈耦合得到的是交流电，还需通过整流二极管整流成直流电，供旋转模块使用。
关键词：
视觉暂留，直流电机，无线耦合输电，红外触发
THEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFROTATIONLEDDOTMATRIXDISPLAYSCREENBASEDON51MCU
ABSTRACT
ThedesignisarotatingLEDscreenbasedontheC51MCUcontrollingandthevisualpersistenceprinciple.Installing16LED（light-emittingdevice）onarotatingsteadilydevice,eachrowoflight-emittingdevicesspacingarelinedup,alongwiththerotationspeedandfinallystabilizedinthecontrolofthemicrocontrollerprogram,accurate,continuousrotationshowsthetext,characters,etc,whichisdesignedinadvance.
Thefunctionofainfrareddiodeisthatwhenthereceivingdiodewiththedisplayscreenrotatingtotheemittingdiode,theprocessofsignal’sreceivingandtransmittingiscompleted.TherewillbeainterruptleadingtoSCMcontrollabledisplayprogrambeingrestoredtoitsoriginalstate.
Thoughthemaincontrollingcircuitonthemotorisrotatingatahighspeed,it’snotconvenientwiththebrushcontacttosupplypowertocontrolsystemanddisplaymodule.Itcanbedonebyhigh-frequencycoilcoupling（justlikethetransformerprimarycoilcoupling）tosupplypower.Thoughthecurrentgotbysecondarycouplingcoilisalternatingcurrent,itneedtoberectifiertobeDCbyarectifierdiode,usedbyrotarymodule.
KEYWORDS:
persistenceofvision,DCmotor,wirelesstransmission,infraredtrigger
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目 录
前 言1
第1章方案论证与选择3
1.1系统总方案3
1.1.1主控制部分3
1.1.2通信模块3
1.1.3LED显示屏方案4
1.2系统硬件方案6
1.3系统软件方案6
1.3.1单片机编程语言7
1.3.2系统软件编译器选择7
第2章硬件系统设计9
2.1硬件整体设计概述及功能分析9
2.2控制单元设计10
2.2.1C51芯片的选择10
2.2.2STC89C51RC简介11
2.2.3控制系统设计14
2.3模块供电设计方案15
2.3.1高频振荡电路15
2.3.2稳压整流电路16
2.3.3驱动电路17
2.4通信系统硬件设计17
第3章系统软件实现19
3.1系统程序方案19
3.1.1程序整体规划19
3.1.2定时中断控制流程20
3.1.3显示子程序介绍21
3.2开发编译环境KeilμVision4介绍21
3.3字符代码生成器21
3.4Proteus仿真23
3.4.1软件介绍23
3.4.2电路仿真24
3.4.3借助仿真初步完善软件程序25
第4章电路焊接及调试26
4.1焊接26
4.2调试26
4.2.1加电初步检测26
4.2.2载入程序验证27
4.3程序完善28
4.3.1显示多样化28
4.3.2程序编写设计28
4.4硬件优化28
4.4.1转速改善28
4.4.2线圈耦合29
4.4.3次级线圈电压电流29
结 论30
谢辞31
参考文献32
附 录33
外文资料翻译42
前 言
该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法，对LED显示屏这个行业能有较为深刻的了解和认识。
并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。
在本文所设计的旋转LED显示屏以STC89C51单片机为核心，最大限度的利用单片机的资源，实现显示功能。
利用视觉暂留效应，设计一种旋转式LED显示屏在稳定旋转的载体上安装多个发光二极管。
静止时，各个发光二极管等间距排布。
当红外二极管收发器旋转到相对应位置，接收二极管电平变化，初始化显示。
通过低压直流电来驱动电机，使加载在直流电机上的设计电路达到匀速稳定旋转的效果，通过C语言程序在高速旋转中控制单片机相应引脚电平高低，来实现发光二极管在旋转中显示文字字符的效果。
其目前社会生活中应用领域主要在证券交易、银行等金融营业点信息显示，工业、道路交通安全信息显示和导引标志、舞台场景灯光的营造，机场航班、港口、车站旅客引动态信息显示、体育赛事场馆信息显示、指挥调度中心信息显示，餐饮业、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示、广告媒体宣传产品、大型户外LED屏展览、租赁、集会等各种场合。
而现如今，LED产业从全球分工来看，中国台湾已成为全球LED重要的生产基地，而美国、日本、欧盟在LED上游外延片、芯片生产上仍拥有巨大的技术优势，。
全球已形成了以日、美、德为龙头产业，中国台湾、韩国紧跟其后，中国大陆、马来西亚等国家和地区积极跟进的态势。
目前中国国内庞大的需求应用给LED下游厂商创造了巨大的发展机会，这为我国LED产业的发展提供了良好的机遇[1]。
未来LED产业会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展[2]。
所以，通过该课题设计，学习和熟悉51单片机的的软硬件开发工具的
使用方法和实际问题的解决能力，激发创新意识，活跃思维能力，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。
其中所需要学习和研究的主要内容如下：
（1）以单片机为控制核心的控制应用，以及外围软硬件扩展兼容要求；
（2）红外收发器模块的触发工作原理；
（3）无线供电模块原理，旋转模块的控制；
（4）人眼视觉停留的参数；
（5）各模块电路功能结果的仿真；
本文分为四章，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及可行性论证。
第2章对系统硬件设计方案作了论证，介绍了对主控芯片和各块电路基本设计思路。
第3章详细介绍了系统的开发平台，系统要实现的主要功能，软件仿真程序设计及结果。
第4章对硬件焊接检查，程序下载实物演示，硬件和软件程序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。
第1章方案论证与选择
1.1系统总方案
由于旋转LED显示屏高速旋转，所以对硬件的质量要求非常的高。
为方便检修和维护，在硬件电路设计时通常采用模块化的设计方法。
硬件的设计这里采用模块化设计，要同时兼满足模块本身功能和系统兼容。
如图1-1所示，根据设计要求的功能特点确定系统总体要由通信系统，控制部分，显示部分三部分组成。
单片机通过通信模块下载得到的控制指令和显示内容代码，执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式[3]。
图1-1系统硬件组成框图
1.1.1主控制部分
控制部分是整个系统的核心部分，其功能为发送数据和控制指令处理后控制显示部分显示内容。
这里用的电子设计方法是采用单片机。
单片机总体概括性的说是集成了CPU，ROM，RAM和I/O口的微型计算机。
它有很强的接口性能，非常适合于工业控制,因此又叫微控制器（MCU）。
单片机品种齐全,型号多样CPU从8，16，32到64位，多数采用精简指令集（RISC）技术，有非常丰富片上I/O；有的单片机还集成有A/D，Whatdog，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。
它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。
这在便携式产品中大有用武之地[4]。
1.1.2通信模块
通信部分的最重要的设计要求就是要满足快速简单、稳定、易实现。
PC机数据传输一般采用的方式是串行通信和并行通信。
1.串行通信
串行通信数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的速度低，但传送的距离长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合。
在串行发送时，数据是一位一位按顺序进行的，而计算机内部的数据的传递和处理是并行的。
因此，当计算机接受数据时，必须将串行数据转换为并行数据。
反之，又必须将计算机中并行数据转换为串行数据输出。
这种转换可以用软硬件来实现。
但由软件实现会增加CPU负担，会降低其利用率，故目前常采用硬件实现。
通用异步接收/发送器，简称UART（UniversalAsynchromousReceeiver/Trabsnitter），是一种硬件电路。
在单片机芯片中，UART已经集成在其中，作为其组成部分，构成一个串行口[5]。
2.并行通信
并行通信，数据的各个位可以字或字节为单位并行同时进行传送。
并行通信最大特点是速度快，但其需要的通信线多、各位收发同步协调要求高，成本高，故适合远距离通信。
由于课题任务要求是基于51单片机的开发方式，单片机内已经集成UART，在此选择串行通信方式。
1.1.3LED显示屏方案
由于人眼具有视觉暂留的特性，当以一定速率刷新平面画面时，我们就可以看到连续的图像，阴极管显示屏采用的就是逐点扫射方式，每秒钟至少要刷新画面25帧的情况下,在人眼中才是一幅流畅的图像了。
传统的LED点阵显示屏逐行扫描循环点亮，当刷新速率足够大时，看到的即是一整幅稳定的画面。
它的原理示意如图1-2所示，其中（f）为人眼看到的由（a）（b）（c）（d）（e）不同时间的显示状况拼接组成的的完整画面“3”。
在这种LED显示屏中，采用的是逐行下移扫描点亮器件的方式，整个显示屏不论有没有点亮的LED，每一行都必须要有足够多的LED显示器件，这就增加了显示屏的制作成本。
图1-2传统LED显示原理
旋转显示扫描，同样也是是利用人眼视觉暂留原理来实现显示效果的。
显示部分包括两列LED显示排列（每列十六组LED发光二极管即每列占用两组I/O口），驱动电路。
该LED显示屏是由一个一个的发光二极管纵向排列构成的，要显示字符就要使其旋转起来，并使发光二极管列结合程序定时的亮灭。
这里直接通过直流电机的转动来带动LED列的旋转，运行到某一位置时就初始化该位置的状态，到一定时间后又显示下一状态的图像，即一列显示器件要由电机转动来更换位置实现完成全部图像的显示。
其显示原理如图1-3所示。
图1-3旋转LED显示屏原理
a）,b）,c）是在不同时间的显示效果，d）是我们人眼看到的整体画面“3”。
其旋转成像是一个柱面显示屏，并且观看视角可达360°。
需要32个LED，可以充分利用I/O口，通过程序进行位操作实现。
较平面点阵显示屏，LED用量少，易检修。
所以，在此我选择旋转LED显示屏。
1.2系统硬件方案
系统最终方案框图如图1-4所示，以51单片机机作为控制显示效果主控制器件，用串行通信ISP下载线将显示内容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据下载来的内容和指令通过端口电平输出来驱动2块各有16个LED灯组成的显示模块构成的2×16的LED纵列显示模块。
此设计题目以此方案为总体指导展开具体的硬件电路设计。
图1-4硬件设计方案
1.3系统软件方案
软件的设计除了满足基本的显示功能外还必须要满足易读写，易检错，程序精简提高下载和编译效率。
在显示目标和硬件总体构架确定的情况下，软件可以大致分为主程序，显示子程序等子程序，通信程序三个主要程序模块部分组成。
具体结构如图1-5所示。
图1-5软件功能结构框图
软件的编译过程需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。
编写软件之前得需要选择一种合适的编写语言以及配套的编辑器和编译软件。
最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。
1.3.1单片机编程语言
目前单片机编程语言有汇编语言和C语言两种。
汇编语言（AssemblyLanguage）是面向机器的程序设计语言，功能强大，可以利用计算机所有硬件特性并直接控制硬件。
它的执行速度快，内存空间占用量少，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，可读性差，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植[6]。
C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。
C语言可以进行许多机器级函数控制。
对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的存储器结构有基本了解；可由编译器管理寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节；用C语言编写的程序有规范的结构。
这种程序结构化方式，改善了程序的可读性；程序编译和调试时间短，效率从而提高；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；可移植性好，因为它具有方便的模块化编程技术。
C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机的不同较快地移植过来[7]。
我在刚入学时学过C语言课程，对汇编语言不了解，以及后来在51单片机的学习中我一直使用的是C语言来编写程序的。
基于以上理由决定采用C语言为该显示系统的编程语言。
1.3.2系统软件编译器选择
我们采用C语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单片机可执行的机器语言。
因此在系统软件设计中，需要编译器。
支持用C语言编程的C51编译器主要有两种：
FranklinC51编译器和KEILC编译器[8]。
我大二学习51单片机时，我熟悉并熟练操作的也是KEILC编译开发环境，目前在单片机开发中普遍都是使用KEILC来进行编译，图书馆和网络上关于51单片机学习开发资源上绝大多数讲解教授的是KEILC编译器，所以这里我采用了KEILC编译开发环境。
第2章硬件系统设计
2.1硬件整体设计概述及功能分析
显示系统具体设计主要由通信系统，单片机系统，显示驱动电路和2×16点阵排列屏五部分组成。
具体操作和工作流程为：
用串行下载下借助PC机上的下载软件向单片机载入控制指令和显示代码内容；下载完毕后，给系统上电，执行控制指令，处理显示代码将显示内容通过I/O口输出并且控制各个I/O端口电平变化，最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理，以达到LED显示屏所需大小的显示电压电流要求，进而使显示屏显示出内容。
根据硬件的功能结构图选取合适器件，器件不但要求能实现所要求的功能还要能兼容至整个系统之中。
通过查阅资料和对比最终的硬件原理图如图2-1所示。
图2-1功能结构框图
该系统所要实现的功能和要求有以下几点：
（1）LED显示屏的面积必须满足至少显示一个汉字的标准。
并且显示要清晰。
（2）驱动电路要能提供LED显示正常工作范围内的电压和电流要求。
（3）I/O口高低电平的区分能力以及其输入输出频率必须满足单片机以及驱动电路响应的要求。
（4）单片机要能够控制LED显示屏的显示，并且端口驱动能力要足以驱动显示电路，执行频率要能达到扫描显示的最低要求。
（5）单片机由ISP下载线下载程序，由无线振动电路以及耦合线圈给显示和控制系统供电，需外接5V直流电源给振荡模块和旋转电机供电。
2.2控制单元设计
2.2.1C51芯片的选择
控制系统单元是整个显示系统的核心，该系统中采用51系列单片机为核心器件，用来处理控制指令和显示内容，并且直接通过I/O口输出电平通过驱动电路来控制LED显示屏的显示内容和显示状态。
在51系列单片机中选定一款合适的型号来作为控制单元的主控芯片。
常见的51系列单片机有以下几种，如表2-1所示。
表2-151单片机芯片厂商产品
公司名称
产品
AT（Atmel）
AT89C51，AT89C52，AT89C53，AT89S51等
Philips
P80C54，P80C58，P87C54，P87C58，P87C524等
Intel
i87C54，i87C58，i87L54，i87L54等
STC
STC89C51RC，STC89C52RC，STC89LE51RC等
根据题目的设计要求，所选芯片必须要具有的就是方便的编程下载能力，足够的I/O端口和中断引脚，足够高低运行速度。
STC89系列单片机还具备除满足以上基本条件以外的超强抗干扰、高速、低功耗、指令代码与传统8051单片机完全兼容的增强型8051单片机等诸多优点。
加之在大三时，我学习的课程就是以STC89C51架构来开展的，因此这里我就选择国产宏晶科技生产的STC89C51RC为控制单元的主控芯片，采用的是PQFP-44封装类型。
2.2.2STC89C51RC简介
1.性能特点：
STC89C51RC是国内宏晶科技有限公司设计生产具备超强抗干扰、高速、低功耗、指令代码与传统8051单片机完全兼容的增强型8051单片机。
6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统8051；工作电压：
5.5V-3.3V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）；工作频率范围：
0~40MHz，实际工作频率可达48MHz；用户可应用程序存储空间分为：
4K/8K/13K/16K/32K/64K字节；片上集成1280字节或512字节数据存储空间RAM；通用I/O口（35/39个）；复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；P0口作为总线扩展用时，不用加上电阻，作为I/O口用时，需要加上拉电阻；最具特点是支持在系统可编程ISP（in-systemprogramming），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下载所编程序，即可就能完成；有E2PROM功能（electricallyerasableprogrammablereadonlymemory电可擦写可编程只读存储器），是用户可更改的只读存储器（ROM）；内部看门狗（WDT）定时器；共有三个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；有四路路外部中断，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由中断低电平触发中断方式唤醒；通用异步串行收发口（UART），还可结合定时器软件实现多个UART；工作温度范围：
-40~+85C（工业级）/1~75C（商业级）；封装形式：
PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44[9]。
2.STC89C51RC的PQFP-44封装芯片管脚图如图2-2所示。
图2-2芯片管脚图
3.主要涉及引脚功能说明：
VCC——电源电压
GND——地
P0口——P0口是一组双向8位三态I/O口，可向其写入1使其状态为悬浮，用作高阻输入。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
P0口也可以在访问外部程序存储器时，作地址的低字节；访问外部数据存储器作数据总线，此时通过内部强上拉传送1。
在FLASH编程时，P0口输出指令字节，要求外接“上拉电阻”。
P1口——P1口是一组内部带上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流[10]。
P1.0和P1.1的第二功能：
（1）P1.0T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时
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