基于单片机的LED旋转显示屏设计与研究朱峰.docx
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基于单片机的LED旋转显示屏设计与研究朱峰
贵州师范大学（本科）
毕业论文
题目：
基于单片基的LED旋转显示屏研究
学院：
机械与电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2011级
姓名：
指导教师：
完成时间：
2015年4月25日
摘要
进入新世纪，光电子产业得到社会广泛的重视，LED显示作为信息传播的一种重要手段，已广泛应用于室内外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所。
尤其在没有投影仪的地方，旋转LED的优越性体现得非常明显，在当今高度发达的经济市场上，富有创意、应用面广的、挪移方便、具有吸引力的信息传播系统显得十分的重要！
二十一世纪是数字传播的时代，随着LED技术的应用和普及，数字LED显示屏的应用非常广泛。
传统的LED显示屏以平面效果居多，旋转式LED环形显示屏的设计，是利用人眼视觉暂留效应，通过高速电机带动LED阵列旋转，形成360度环形显示画面，可站在任何角度观看，完全无观赏死角，给人们一种新的视觉体验。
本设计基于AT89S52单片机，采用独立的LED，通过直流电机带动旋转，可形成立体效果，使其更加绚丽，更具有观赏性，可广泛应用于家居，企业和公共场所。
针对传统LED显示屏视角单一、体积较大、需要的发光二极管数目较多等特点，利用电机带动LED显示阵列高速旋转实现环形显示，达到360全视角，在相同显示信息量上降低产品体积，减少对发光二极管的使用，设计一个可以经常方便变换内容、能够携带方便、信息容量大、价格低廉、结构简单的信息播放系统，即旋转LED显示屏。
关键词：
旋转式;LED阵列;环形显示屏;AT89S52;单片机
Abstract
In the new century, the photoelectron industry wide attention by society, LED display as an important means of information dissemination, has been widely used in indoor and outdoor services, content and services needed publicity purposes in public places. In particular, there is no projector in place, rotating LED's superiority reflected very clearly in today's highly developed economy markets, creative, application wide, the diversion of convenient, attractive information dissemination system is extremely important!
The twenty-first century is the era of digital communication, with the LED technology and the popularity of digital LED display is widely used. Traditional LED display to effect mostly flat, circular rotating LED display design is the use of temporary stay in the human visual effects, high-speed motor to drive the LED array rotation, the formation of 360-degree circular display can stand on any point of view, complete without viewing dead, to give people a new visual experience. The design is based on AT89S52MCU, using separate LED, driven by DC motor rotation, can form three-dimensional effect, make it more colorful, more spectator, can be widely used in homes, businesses and public places. View traditional LED display single, larger and larger number of required characteristics of light-emitting diode, LED display of motor driven circular array of high-speed rotation of the display, to 360 full view, in the same amount of information displayed on the lower product volume and reduce on the use of LEDs, the design can often facilitate the transformation of a content, can be portable, high information content, low cost, simple structure, the information broadcast system, the rotating LED display.
Keywords:
Rotary; LED array; circular display; AT89S52 ;SCM
引言1
国内外研究现状2
第一章系统总体设计3
1.1系统的设计目标3
1.2总体设计3
第二章硬件设计4
2.1系统的工作原理4
2.2电机选取5
2.3系统供电方案5
2.4主控芯片选取6
2.5电机改装6
2.5.1供电电源6
2.5.2实现方法6
2.6重心调节7
2.7电源设计7
2.8LED旋转同步设计8
2.8.1中断系统8
2.8.2LED驱动电路9
2.9旋转LED显示原理12
第三章系统中所用到的nRF401无线芯片介绍13
3.1无线数据收发组成结构13
3.2系统实现过程13
3.3无线收发芯片nRF401介绍14
3.4芯片内部结构15
第四章系统软件设计17
4.1软件的总体设计17
4.2系统各模块程序的设计17
4.2.1主机程序模块18
4.2.2从机程序模块19
第五章结论20
谢辞21
参考文献22
附录23
引言
由于科技技术的不断突破，电子技术的发展越来越快取得了惊人的进步。
特别是近几年来，电子技术的发展突飞猛进，无论是工业、农业，还是其它领域都随之发生了重大改变，也为技术创新奠定坚实的理论基础。
我们应当具备创新和开发的能力，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显示屏是一种比较新颖的显示屏，总的来看成本低是一大优势，另外像大厅和候车室之类的场合，360度的可视角度使之非常适合。
如果能解决好显示亮度问题，便可应用于室外，像一些广告塔、楼顶等场合，LED显示屏的一个新品种、是未来发展的方向。
这类显示屏如果在进一步，解决视频数据的传输，就可以做出旋转柱式视频显示屏，控制电路的视频显示较为成熟，显示器件用RGB阵列，应用范围则可以大大增加。
本文所设计的基于单片机旋转LED显示屏是以AT89S52单片机为核心，最大限度的利用了单片机的资源，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。
本文分为七章，详细说明了LED旋转屏的设计方法、原理、以及设计流程。
第一章主要介绍系统的总体设计。
第二章主要介绍系统的硬件设计，对电路的设计原理和芯片选择以及各硬件选取；第三章是对系统设计方案中所用到的nRF401无线芯片的介绍。
第四章是系统的软件介绍。
主要是对MAX公司的LED驱动芯片MAX6969的介绍。
国内LED显示屏研究现状
我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。
在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，LED所占的市场将会越来越大，影响也会越来越深远。
我国的LED显示屏产业已成较大规模，技术水平相对领先，应用领域也很广泛的特点。
2008年北京举行的奥运盛会虽已顺利闭幕，但所展现出的种种前所未有的规模已经深深的烙在了全世界人的心中。
特别是奥运盛会上所应用的LED产品类型和数量规模都是空前的。
LED显示屏作为一种新型的显示器件出现在2008 年北京奥运会的开幕式、比赛场馆、奥运文化广场以及奥林匹克公园等LED项目中，国内LED企业承接了主要的工程项目，提供了大量的LED产品,总体上展示了我国LED行业的技术产品优势和产业发展水平。
也体现了我国LED产业的力量和技术这也在一定程度上预示着 LED 产业必是未来的一种趋势
国外LED显示屏研究现状
对于国外LED显示屏的研究上了一个新的层次，如日本Hibino公司展示的产品STEALTH，这是一款能透视背景的穿透式LED显示屏，可呈现出一个综合汇聚了影像、照明、舞台道具、背景灯元素的立体影像空间。
从可视性影像到体验型影像，展示演出及舞台设计创意空间得到扩展，视觉表现的世界无限延伸。
随着LED高性能材料的发展，LED显示屏也必将得到发展，从而旋转LED显示屏也将随之发展，并相信，旋转LED显示屏将会给人们的生活带来更多的便利，造福于人类。
第一章系统总体设计
1.1系统的设计目标
研究和设计旋转LED显示屏的设计要求。
系统通过用MCS-51汇编语言系为核心的控制装置，通过控制电机保持一定的速度和稳定的旋转，由单行LED扫描显示屏幕旋转；单片机根据LED旋转的速度，控制LED发光或熄灭，形成视觉图形点阵显示。
1.2总体设计
旋转LED显示屏的系统总框图，如图1.2.1所示。
该系统由五个部分组成：
系统供电模块、显示单元、通讯单元、控制单元和键盘输入单元。
其中，单片机控制的LED显示屏由MA6969高电流LED控制器一起控制，键盘是用于实现人机交互的功能，系统权力来自电机的中心，采用的是外接电源。
用户可以通过按钮主单片机输入命令，并从单片机通过串口命令无线传输，从单片机的解码命令MA6969周期和高电流LED控制器来控制LED显示。
芯片系统中，主单片机负责人机交互的接口，负责主机命令的翻译从单片机，以提高和更新系统。
外接电源
直流电机
LED阵列
功能按键切换
控制芯片
nRF401无线收发器
nRF401无线收发器
控制芯片
电机驱动
LED显示模块
电源模块
电机
图1.2.1系统总框图
第二章硬件设计
2.1系统的工作原理
本设计以AT89S52单片机位主控芯片，在一个固定台上安装一个普通的电机，通过步进电机驱动连接杆旋转，在连接杆的两端安装有两排弧形LED阵列，这两排LED阵列半径不同，因而旋转起来会呈现双层环形效果。
其结构示意图如图2.1.1所示。
其原理图如图2..1.2所示。
固定台
图2.1.1旋转式LED环形显示屏结构图
电机
图2.1.2旋转式LED环形显示屏原理图
2.2电机选取
方案1：
采用步进电机。
步进电机可以准确的定向，但分辨率的图像或文字是有限的由步进电机的步进角确定。
并且步进电机和控制电路的成本较高，并且需要单片机控制，占用CPU的资源。
方案2：
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。
综合所有考虑，为了节约成本，简化系统电路，以及能更方便的为系统供电，使系统能够长期工作，所以采用方案2。
2.3系统供电方案
方案1：
采用固定电池供电。
电路板是直接连接到电池，为系统供电。
这种供电模式是相对简单的。
然而，有两个问题很难解决。
首先，高亮度LED的功率功耗较大，而电池储存能力是有限的，难以实现系统的长期运行；其次，由于电池的体积和重量比较大，若固定在板上，电池用完后，难以取换。
如果他不固定，当电机旋转时可能漏掉，造成安全隐患。
同时，也增加了旋转重心的调节的难度。
因此，故不采用此方法。
方案2：
采用电刷供电。
在电机的转轴上，添加一个电刷，通过电刷为系统供电。
这种方法可以长时间使系统供电，但由于增加电刷，电机的摩擦增加，会增加系统的功耗。
因此，故不采用此方法。
方案3：
从电源线电机转子，对系统供电。
该方法直接从电机的转子中引出电源线，通过整流滤波，可以作为供电系统，也可以作为系统控制的定时中断源。
该方法容易实现，并且一举两得，因此选用。
2.4主控芯片选取
方案1：
采用数字信号处理芯片的使用MSP430和LED驱动芯片接口，因为MSP430的速度相对较快，运算能力强，大大提高了LED的显示时间的模糊算法，可以快速的通信数据的CRC校验，降低了程序的复杂性。
方案2：
采用单片机AT89S52与LED驱动芯片MAX6969接口，AT89S52逻辑能力相对较强但是速度比较慢，价格也相对比较便宜，但工作量要比方案1大得多。
所以综合考虑价格、元件是否容易购买等因素，在此设计中选用方案2。
2.5电机改装
2.5.1供电电源：
为了使系统能够长期稳定的工作，必须解决系统的供电问题。
通过对电机进行改装，引出电源线，并通过整流、滤波、稳压得到系统供电电源。
2.5.2实现方法：
主要通过电机的改装。
电机的改装：
at{}N_t&m_
电路的供电和LED的定位是本制作的一个难点。
装在电机上的电路始终在高速旋转，无法使用通常的方法来给电路供电。
但可以通过对电机的改造来解决。
一般的直流电机是线圈作为转子，而永磁体作为定子的。
它是通过电刷来实现给线圈供电的，而且直流电机的旋转需要交变的电流，这是由固定在转子轴上的换向器来巧妙的实现直流变为交流的。
本设计的电路是固定在电机的转子上的，它和转子是保持相对静止的。
因此，可以从电机的转子中取得电源。
方法很简单，也就是从电机的换向器上用漆包线把电引到电路板上，经整流、滤波后给单片机电路供电。
换向器上的每个电极什么时候变化，是和电机转子的位子有关的，可以使用其中的一路信号来给LED显示的起始位置定位。
=_Pjv08_{
具体改装过程如下：
N__r6:
/*_x
1）拆开电机，注意拆的时候别弄坏了电机的电刷；
2）小心地从电机换向器上的三个电极引出三条漆包线；
3）取下电机外壳的含油轴承；
4）在轴承的圆片上面钻了几个小孔，把那三条漆包线从小孔里穿出来。
从而可以用来保护漆包线在转子和定子结合出的安全。
（注意：
替代上去的部分是和转子保持固定，和外壳之间是可以旋转的）。
_U,Pau0:
_A
5）组装回整个电机，电机改装至此结束。
_K_!
L;`\Vi
2.6重心调节
重心调节是最困难的一个技术环节。
旋转的重心直接关系到系统的稳定的运行，以及安全性问题。
旋转的重心如果不在转轴上的话，在高速的旋转中，会产生剧烈的抖动，在巨大的离心力下，会使整个系统分解，产生安全隐患。
所以，重心调节是必须解决的问题。
下面介绍重心调节的方法。
首先是电路板的外观设置。
根据物理质心计算方法，可知道，均匀的圆盘的重心就在圆盘的中心。
但是，由于电子器件的封装，重量都是不同的，圆盘电路板的重心是不均匀分布的，比较难调节，故不采用这种方法。
根据杠杆原理，当支点两端的物体的质量与力距乘积相等时，杠杆就处于平衡。
因此我采用了长条方型的电路板结构。
M2
M1
L2
L1
图2.6.1杠杆原理示意图
如上图2.6.1所示，只要M1*L1=M2*L2时，在布PCB的同时，只要通过简单的测量和计算便可以使得杠杆处于平衡。
2.7电源设计
电机输出
由于电源是从电机中引出来的，所以需要通过整流、滤波才能为系统供电。
如图2.7.1所示为具体的设计电路。
图2.7.1整流电路图
稳压输入
图2.7.2稳压电路
2.8LED旋转同步设计
该电路分为两个部分：
2.8.1中断系统
采用中断是为了更有效的利用单片机内部资源。
为了能够连续的显示文字和图象，本文采用了外部中断的方法，即在外部中断的时候，计算和调整显示文字和图象的时间。
为了得到可靠的外部中断源，有两种方法。
其一，如图2.8.1.1所示：
图2.8.1.1采用光感的外部中断电路
但是，这种方法功耗相对比较大，而且成本比较高。
为了减少制作成本，通过比较，有个更好的方法。
因为电机是三相的，带电刷转动的，即每转一周，三个电刷会得到从高到低，又从低到高的逻辑电平状态。
因此可以从中引出一条线来作为外部中断源，这个方法简单容易实现，其具体的电路如图2.8.1.2：
图2.8.1.2简单的外部中断电路图
该方法利用电刷在转动过程中的电平变化，通过一个三极管S8050转换成单片机可以识别的数字逻辑电平，解决了外部中断的问题，电路简单，可靠性高。
2.8.2LED驱动电路。
本文采用了MAXIN公司的MAX6969大电流LED驱动芯片，其外部接口电路非常简单。
如下图：
（图上的OUT0到OUT15通过一个100Ω电阻接到LED上）。
图2.8.2.1MAX6969驱动电路
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。
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。
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。
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2.8.2.2所示：
图2.8.2.2MAXIM6969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2.8.2.3）。
图2.8.2.3MAXIM6969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。
下面简单的计算一下这个电路的功耗。
MAX6969LED驱动电流的大小是由一个外部电阻决定的。
在本电路中，这个电阻RSET取360Ω。
RSET=18000/IOUT（2.6.1）
因此IOUT=18000/360=50mA（2.7.1）
其功耗计算如下：
PD=（V+xI+）+（VOUTxDUTYxIOUTxN）（2.7.2）
其中：
V+=供电电压
I+=N路输出吸收IOUTLED驱动电流时的电源工作电流
DUTY=加至OE端的PWM信号占空比
N=同时用来驱动LED的MAX6969输出端口数（最大值为16）
VOUT=MAX6969驱动负载LED时端口的输出电压
IOUT=由RSET设定的LED驱动电流
PD=功耗，如果电流单位为mA，其单位为mW
IOUT=50mA，N=16，DUTY=1，VOUT=2V
PD=（5V*50mA）+（2V*1*50mA*16）=1.850W（2.8.1.1）
2.9旋转LED显示原理
人眼具有视觉暂留的特性，当画面以一定速率刷新时，人们看到的就是连续的图像。
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2.9.1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2.9.1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2.9.2所示。
图中a）b）c）是
图2.9.2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°。
第三章系统中所用到的nRF401无线芯片介绍
3.1无线数据收发组成结构
无线数据传输系统有点对点，点对多点和多点对多点三种。
本系统由于实际应用的需要，接收器和数据终端之间的数据传输通过nRF401进行，构成点对点无线数据传输系统。
整个系统中，两数据终端之间的无线通信采用433MHz的频段作为载波频率，收发通过串口通信。
无线数据收发系统【1】可以分为无线收发控制电路、单片机控制电路、显示电路和按键电路四部分组成，系统原理如图3.1.1所示：
液晶显示统可以分为无线收发控制电路、单片机控制电路、显示电路和按键电路四部分组成，系
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