基于单片机的旋转LED显示屏设计.docx

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基于单片机的旋转LED显示屏设计

摘要

本设计是基于单片机，采用LED阵列旋转的方式来显示文字，利用人眼的余晖效应这一特点，只需要设置两列显示阵列并在电机的作用下高速旋转，就可以显示出很好的动画效果，即可以使用较少的LED就可以实现显示屏的功能。

LED旋转式显示屏可以弥补平板式显示屏的缺点，利用较少资源，能降低成本。

本设计在深入了解LED与单片机的工作原理的基础上，采用STC12C5A32S2单片机做为控制核心，控制LED的点亮和熄灭，采用DS1302时钟芯片来提供准确的时间信息，显示部分电路采用无线供电方式供电，以弥补电池供电带来的缺点，采用红外二极管来控制电机转速以保证显示出的内容正确。

软件设计采用KeiluVision4软件开发平台和C语言来编写程序。

关键词：

旋转LED单片机无线供电显示屏

ABSTRACT

ThisdesignisbasedonaSCM（singlechipmicrocomputer）,whichusesLEDarrayrotationtodisplaytext.Takingadvantageoftheaftergloweffectofhumaneyes,itonlyneedstosetuptwocolumnsofdisplayarrayandrotateathighspeedundertheactionofamotortodisplayagoodanimationeffect.Inotherwords,lessLEDcanbeusedtorealizethefunctionofthedisplayscreen.LEDrotarydisplaycanmakeupfortheshortcomingsofflat-paneldisplay,uselessresources,canreducecosts.

ThisdesignonthebasisofthoroughunderstandingofLEDandtheworkingprincipleofSCM,adoptingSTC12C5A32S2MCUascontrolcore,controltheLEDlightandextinguish,DS1302clockchipisusedtoprovideanaccuratetimeinformation,thedisplaycircuituseswirelesspowersupplytomakeupforthedisadvantagesbroughtbybatterypowersupply,theinfrareddiodeisusedtocontrolthemotorspeedtoensurethatshowsthecontentoftheright.KeiluVision4softwaredevelopmentplatformandClanguagewereusedforsoftwaredesign.

Keywords:

LEDSCMwirelesspowersupplydisplayscreen

第一章绪论

1.1课题背景及意义

在如今这个快速发展的社会中，人们在工作生活中无时无刻不在接收外界的信息，这已经成为一个必不可缺的环节。

我们每天都要接收很多很多的信息，而生活在繁忙的现代化都市中我们每天通过传统的读书、看报、看新闻等方式来获取信息的时间很少、也很麻烦。

因此不仅我们需要一种方式来使信息获取变得更加便捷，而且商家也需要一种传播更广泛、造价更低廉的方式来发布信息，所以户外广告灯箱成为了商家发布信息的新方式并且扮演着越来越重要的角色。

无论是ktv、酒吧、餐厅、酒店等娱乐场所还是车站、学校都少不了它。

然而传统的户外广告灯箱无论是在显示效果、能耗方面还是在可修改内容方面都不能很好的满足如今社会的需要，亟待改进。

因此性能更加优越的LED电子显示屏就得到了我们密切的关注。

LED显示屏面板主要涵盖若干基于某特定分布规律而实现合理分布的发光二极管，并可表现出多样化显示内容。

与此同时，LED显示屏无需耗费高昂的经济成本，即可达到较为显著的亮度。

这几年许多商家开始使用LED显示屏来代替户外广告灯箱来做宣传，许多大屏幕也从单角lcd显示器改为全角led显示器。

单片机最初是用于工业领域，为满足严格的工业环境要求单片机有着比PC机等其他控制方式更好的抗干扰能力。

其系统软件事先写入存储芯片中，不易受病毒感染，稳定性高并且有许多引脚可以用于拓展外围电路，有利于在单片机最小系统的基础上组成更加完整的系统。

不仅如此，其还表现出轻量级，并且不会产生较高的功耗。

单片机的应用与高亮度LED的完美结合，使得大面积的LED显示屏成为可能，在显示效果和可修改性方面比传统的户外广告灯箱有这无与伦比的优势。

现如今，单片机所涉及的各项应用技术日益获得相对稳定的蓬勃发展，制造厂家正持续优化LED的制作工艺，更加清晰明亮的LED显示屏和传统户外广告灯箱的成本越来越接近，这为其在传播信息方面的大规模应用夯实了基础。

1.2国内外发展状况

自20世纪80年代中期以来LED一直用于电子显示器。

直至20世纪90年代，半导体工业逐步获得相对稳定的迅猛发展。

LED的制作材料和工艺得到了改良并且成本不断降低，在色彩和亮度方面提升巨大。

LED虽然是问世时间不长但具有明显的优点，就发展而言未来的显示设备大多数都将采用LED，因此国家对LED产业的重视和扶持力度日益增加。

例如三星、索尼等企业在LED显示屏方面都拥有十分先进的技术且实力雄厚。

我国相关产业也正在不断崛起并初步形成了一定规模。

随着LED技术的发展，LED显示屏在室外的应用越来越多，其可以显示的效果也由简单的文字动画发展为复杂的电视图像。

正是由于超大规模集成电路日益获得相对稳定的迅猛发展，LED显示屏的控制技术也得到了改进。

大规模集成电路的成本在下降的同时产品的性能却在提高，改良的用于控制LED显示屏的集成电路也开始被广泛的推向市场。

如今我国经济发展迅猛，每天都有大量的信息需要传播，因此我国在LED显示屏的应用方面仍有很大的发展前景。

在国外LED显示屏主要用于广告宣传和场馆设施，其次是交通和表演方面。

基于科学合理的预测将可得知，其应用数量将以超过30%的增速逐年攀升。

根据不完全统计结果可知，全球范围内现今已有超过150家企业，致力于针对LED显示屏进行量产，在这之中，大约存在30家大型生产企业，在此方面推出的种类繁多。

这些企业通常分布于美国以及日本等国家。

1991年，西方发达国家美国和日本携手，共同研发出性能优良的INGA1P620纳米橙色超高亮度LED。

该项产品在次年即获得相对广泛的实际应用。

此后，黄绿色等颜色的同类产品也被推出。

对于中国而言，其自20世纪70年代起，才逐步针对LED进行如火如荼的发展，并在80年代出现LED产业。

根据统计结果可知，中国范围内累计含有100余家LED生产企业，但超过95%的企业仅针对进口产品进行包装。

经由数十年的技术升级，中国现今已经在此方面掌握较为核心的技术，有待于在未来一段时期逐步获得相对稳定的蓬勃发展。

现如今，国家针对LED产业链相继出台针对性的法律，并针对现有法规进行持续完善。

在此之后，LED显示屏将逐步趋于规范化以及多样化，并日益向着智能化的方向稳定发展。

1.3本文研究内容

本文首先介绍旋转式LED显示屏的工作原理，然后去描述设计一个旋转式LED显示屏控制系统所应该考虑的各方面的理论问题，最后给出旋转式LED显示屏控制系统的电气简图和程序。

本课题要研究方向是，采用STC12C5A32S2微控制器作为系统核心并使用了互相垂直的两列发光二极管作为显示屏，利用了我们眼睛的视觉暂留并结合直流电机的性质，对显示屏的转速进行控制，使显示屏幕以稳定的速度旋转，最后实现整个显示屏动画信息的显示。

在整个系统工作过程中用户可利用无线供电实现提高整个系统的传输效率及提高了产品的寿命，并且使用串口通信来实现单片机内部数据储存器中信息的更替。

本设计需要完成的内容主要有：

（1）完成基于STC12C5A32S2的单片机旋转式LED显示屏的硬件部分的设计。

（2）根据系统的硬件电路的组建来完成软件系统的设计。

（3）对系统进行测试并调试以确保系统正常稳定的工作。

第二章系统元器件及旋转式LED显示屏的工作原理

2.1系统元器件工作原理

2.1.1发光二极管工作原理

从本质上而言，发光二极管实为现今尤为典型的半导体电子元件之一，其将能使得电能径直转化为相应的光能。

1962年，曾有学者首次研发出此类电子元件，但当时仅能发出微弱的红光。

经由数十年的持续发展，其已经可以散发各类单色光。

直至今日，其将可发射红外线等诸多光线，并且可达到的光度也与日俱增。

在研究初期，其仅被人们当做为指示灯。

而在当前时期，由于各种类型的技术逐步获得相对稳定的迅猛发展，故而其已经可在电视照明等多样化领域中，获得相对广泛的实际应用。

事实上，发光二极管主要涵盖pn结，并表现出良好的单向导电性。

详见图2.1，将可看出，如果LED负载正向电压，则自P区至N区的空穴等，将会和自N区的至P区的空穴等，基于PN结周边进行科学有效的复合，此外还伴随着发光现象。

但值得一提的是，多样化半导体材料所携带的电子也将存在一定的差异性，若电子及其空穴彼此之间紧密结合，则将会释放出并不相同的能量，若该能量值越高，则意味着发射光表现出的波长越短。

而波长往往取决于p-n结的所用材料。

图2-1LED发光原理图

若LED的两端均负载正向电压，则在此情况下，电流将会自LED阳极逐步过渡至阴极，而此时半导体晶体将会散发各种光线。

光的强度取决于电流。

相较于白炽灯而言，发光二极管所表现出的工作电压和电流远远不及；但其却表现出尤为显著的抗冲击性能，此外还可使用较长的时间。

通过调制的电流可以很容易地调节光的发射强度。

正因如此，LED才在各种类型的电子设备中，逐步获得相对广泛的实际应用。

如图2.2所示常用的发光二极管有如下几种形式。

由于发光二极管的种种优点，本设计选用贴片式LED作为显示装置，选用红外二极管作为起点检测信号源。

（a）像素管（b）LED点阵模块（c）单体LED

（d）数码管（e）贴片式

图2-2LED器件常见形式图

2.1.2单片机工作原理

单片机通常又被人们称之为单片微控制器,其实则为当前备受青睐的集成电路芯片之一，旨在借助于vlsi技术的作用，将随机内存、若干i/o端口、中断系统以及相应的计数器等基本元件，进行科学有效的整合，以此来成功构建出科学完善的微机系统，并良好集成至指定的硅片当中。

和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

它体积小、重量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。

单片机的使用已经非常广泛，如智能电表、实时工业控制、通信设备、导航系统、家用电器等。

图2-3STC12C5A32S2的引脚图

图2-4STC12C5A32S2的实物图

对于此类系统而言，其主要选择STC12C5A32S2型号的主控芯片，并借助于方型扁平式的方法进行封装，共有48个引脚，包含有：

8位核心处理器、1280BSRAM、32KBFlash程序存储器、29KBEEPROM、两个全双工异步串行口（UART）、SPI高速同步串行通信接口、4个16位定时器、10个中断源、8通道10位ADC等功能。

如图2.3与图2.4分别是STC12C5A32S2的引脚图与实物图。

在本设计中，尤为关键的基本元件即为单片机，无论为电机驱动电路，亦或为显示阵列电路都与其相连，它控制着LED显示阵列。

当接通电源时，电机开始工作，利用电机的高速旋转将需要显示的信息在LED显示阵列上显示出来。

其中电机的转速是由电机驱动电路中的电阻阻值决定的，在合适的转速下，配合适当的控制程序就可以利用极少的LED灯实现显示效果。

根据本系统的设计要求，所选用的控制芯片必须具有方便烧写程序、编程语言成熟、I/O端口和中断引脚具有足够高的响应速度等优势，因此，本文经由综合考量，决定选择STC12C5A32S2芯片，它是新一代8051单片机，不仅运行速度尤为迅猛，而且不会产生较高的功耗，还可有效抵御来源于外部环境的各项干扰。

不仅如此，其所秉持的指令代码还可和8051单片机进行充分兼容，然而，其可达到的运行速度，却远超其8倍。

故而采用LQFP-48封装。

2.1.3电机工作原理

（a）导体ab处于N极（b）导体ab处于S极

图2-5直流电机工作原理

本设计采用的是性价比较高的370电机。

370电机为直流电机，它的额定工作电压范围：

3V-7.2V，转速为12000转/分钟，且径轴为2mm，正好符合本设计要求。

对于直流电动机而言，其基本模型示意图详见图2-5。

由图可知，N以及S均代表定子磁极，而abcd则代表线圈，当其和导磁圆柱体紧密结合，则通常又被称之为转子。

转子线圈将可借助于电刷的作用，和外电路彼此之间进行良好衔接。

若将电刷A以及B，均连接至某特定的直流电源，则在此情况下，电刷A将会连接正极，而电刷B将会连接负极。

在此过程中，电流将会持续流通于电枢线圈之中。

详见图2-5（a），当基于磁场的环境下，电磁力将会沿着逆时针产生相应的电磁转矩。

若其高于电阻转矩，则转子将会沿着逆时针进行旋转。

详见图2-5（b），此时由于受力方向的变动，电磁力将会沿着逆时针产生相应的电磁转矩，并使得线圈也在该方向上进行旋转。

2.2旋转LED工作原理

图2-6旋转LED工作原理

图2.6为旋转LED工作原理图。

在此设计过程中，主要选择STC12C5A32S2芯片，来针对系统进行科学有效的精准控制。

利用了我们眼睛的余晖效应这一特点，当电机在高速旋转时，将控制两排LED在极短时间内实现不同组合的亮灭，从而形成一个圆形的屏幕来显示文字和图案。

在电机的高速旋转下，单片机通过读取文字信息库来不停的扫描LED，达到刷新文字和图案的目的。

由于在每个显示周期内通过电机的电压电流有小范围的波动，再加上电机本身制作精度不足这两个原因，最终会导致电机的转速会小范围的波动。

要想显示出清晰的文字需要旋转中的LED阵列处在平衡状态，这就要求单片机每一次扫描LED时，基于相同位置点亮某特定的LED，否则就会出现乱码。

由于该显示方式要求显示位置十分精确的情况，于是需要给单片机加一个开始信号，告诉单片机什么时候开始从头扫描需要显示的内容。

这个启动信号利用了红外二极管和红外接收传感器之间的配合。

红外二极管安装在电机的外侧，连在底座上，红外接收传感器安放在主电路板上，并将红外二极管与红外接收传感器保持对齐，在高速旋转中红外接收传感器不断接收红外二极管发出的信号来控制单片机在合适的时间扫描显示的内容。

因为红外传感器表现为轻量级，再加上系统结构设计合理，故而即便转速过高，也不会影响系统的整体稳定性。

红外二极管结构简单，通过合理的电路设计，它的精确度完全符合设计要求。

由于人体的生理特征，光信号到达脑神经需要很短的时间，由于人眼视觉神经的反应速度不够快，当LED灯熄灭以后，会有一个视觉暂留的过程，即当LED灯熄灭以后，人眼在某一时刻仍然认为灯是亮着的。

正是利用这一生理现象，若电机的旋转速度和LED灯的亮灭频率足够快，人眼就不会看到LED灯亮灭的过程，而是认为它是一直点亮的，显示效果基本一致于LED显示屏。

所以，只要马达的速度可以超过每秒24圈，就可以清晰的观察到显示的内容。

如图2.7的方框图所示，系统全程选择5V直流电源进行持续供电，保证系统的正常运行。

电动机带动电路板转动，单片机最小系统与红外传感器控制两排LED的亮灭，最终在高速转动的情况下达到显示的功能。

本设计系统结构布局合理，整体的平衡性好，完全符合现实生活中的实际要求。

图2-7旋转LED系统方框图

第三章旋转LED显示屏的硬件电路设计

3.1系统硬件电路总体方案设计

本设计提出了一种成本低、亮度高、散热好，工作性能稳定并且使用寿命长的旋转LED显示系统。

为了满足该设计的使用要求对系统硬件电路进行如图3.1所示的设计。

在此设计过程中，尤为关键的硬件即为STC12C5A32S2单片机，系统硬件电路中包括七大模块：

（1）单片机最小系统模块；

（2）电机供电模块；（3）无线供电模块；（4）显示屏驱动控制模块；（5）红外控制信号模块；（6）时钟模块；（7）串口通信模块。

图3-1电路系统构成框图

如图3.1所示，LED阵列是由两派互相垂直的发光二极管组成的，由上位机为单片机提供需要显示的内容，然后单片机从时钟芯片获取时间数据，并采用寿命长、无触点的无线供电方式为控制主板供电，主板上稳定的电压和电流是由电磁耦合产生的能量所提供的。

通电后直流电机转动，并为控制主板供电，若作品旋转时的平衡性符合要求，主板上的红外接收传感器会和供电板上的红外二极管对齐，为单片机提供启动信号。

旋转主板上另一个红外接收传感器会接收来自遥控器的红外信号，通过遥控器可以控制实现不同的显示内容。

由上述中的各个模块一起来控制LED显示屏，合理利用人眼余晖效应这一特点，它可以用很少的LED实现整个显示屏的功能。

旋转扫描从一周到下一周不等，这样就可以合理地使用资源，降低成本，弥补平板电脑的缺点。

图3-2系统总体设计原理框图

3.2单片机最小系统模块设计

单片机最小系统是指由最少的器件构成的能够正常工作且不需要额外拓展电路的单片机系统。

如图3.3所示，故而若以8051单片机为例，则其所涉及的最小系统理应涵盖单片机以及相应的晶振电路，此外还涉及到复位电路等。

图3-3STC12C5A32S2单片机最小系统

复位电路在单片机系统的调试和程序的重新运行中起着重要作用，通常情况下，复位电路主要涵盖电容以及电阻，在系统连接电源的情况下，单片机所含有的复位引脚将会呈现为高电平状态，而此状态的延时往往由RC值所决定。

一般8051内核的单片机的复位引脚有持续两个机器周期或以上的高电平就会产生复位动作。

因此，选取适当的电阻和电容就可以实现单片机可靠的复位。

但是本设计已经在焊接前调试好程序并且运行时不需要复位操作，故将单片机的复位引脚直接串联电阻接地。

时钟振荡电路是由单片机上的XTAL1与XTAL2连接着晶体振荡器组成的，由于晶体振荡器中的振荡信号会因距离而被严重的削弱，因此晶体振荡器应尽可能的靠近单片机以达到预期想要的效果。

这种电路的特点是结构简单易于实现并且把电路放在长条形的旋转主板上，可以很好的满足减轻整体重量和提高主板转速的要求。

图3-4STC12C5A32S2结构图

作为旋转LED显示屏的控制核心需要连接多个外部控制设备，因此需要控制核心拥有足够多的I/O接口。

STC12C5A32S2作为一个高性能的微型计算机不仅拥有很强的数据处理能力还拥有高达5组I/O接口，完全满足系统所需的I/O接口的数量。

此外在系统通信中可以使用RS-232协议与PC机进行串口通信。

3.3无线供电及电机供电模块设计

现如今，全球学者纷纷致力于针对无线供电技术，进行如火如荼的细致研究。

对于此项技术而言，其旨在秉持非接触的基本方式，针对多样化供电设备所含的电能，进行科学有效的实时传输，在此过程中，还将借助于电场以及微波等一系列传导介质，促进电能保持顺利的无线传输。

当前时期，以手机为例的各类低功耗设备层出不穷，故而此项技术将能切实解决某些特殊领域所提出的供电需求。

例如：

水下监测等。

近年来，无线供电技术日益获得相对稳定的迅猛发展，并在多样化领域当中获得相对广泛的实际应用，将可使得电器以及电源彼此之间达到良好的充分分离状态。

不仅如此，相较于以往的充电器而言，其无论基于安全性方面来看，亦或为基于灵活性方面来看，均更为优良。

但是，若无线传输距离较远，则其所匹配的设备必将需要耗费较高的能量。

故而在此方面进行持续优化，已经成为现今该领域亟待解决的根本问题。

除此之外，国家还应出台科学完善的统一标准，使得多样化无线充电器可以和各类电子产品保持兼容，以此来达到无线充电的效果。

从本质上而言，无线充电技术表现出尤为突出的便利性，并且无需耗费大量资源。

最主要的是，使用无线充电技术的设备是不需要和供电设备之间有任何的物理连接的，可以360度无死角的进行无线供电。

由于本设计采用的是近距离无线充电，故而本文决定选择电磁感应式无线供电方式。

电磁感应现象是指由于磁通量的改变而产生了感应电动势的现象。

1831年，全球著名物理学家法拉第，首次发现磁感应现象。

我们知道,电磁感应有两个必要条件：

其一，电路必须保持为闭合状态；其二，经由该电路的磁通量必须产生相应的变化。

在能量传输部分中，收发两端均含有自身的特定线圈，其中，发送端的线圈主要和某有线电源之间保持紧密衔接，并由此形成电磁能量，再通过电感耦合的基本方式，使其到达能量接收端。

在此之后，接收端的线圈感应将会形成相应的电流。

如图3.5所示，无线充电技术主要是由发射端与接收端这两部分组成，其中，能量传输机构主要涵盖发射线圈以及相应的接收线圈；若两端彼此之间的实际距离控制在某特定的区间当中，则将可对负载进行无线供电。

图3-5无线供电技术架构

如图3.6所示是电磁感应式无线供电原理图。

在整个过程中，电能与磁能是相互转化的，当初级线圈与次级线圈处于同一磁场中时，初级线圈通电以后，将电能转换成磁能，然后把磁能传递给次级线圈，接着次级线圈把磁能转换成电能；最终将该电能为负载供电，使得负载能够正常的工作。

如果初级线圈与次级线圈较远时则能量传输效率会降低很多，所以初级线圈与次级线圈应该选择适当的距离以保证较高的电能传输效率。

图3-6无线供电原理

如图3-7所示为无线供电的电路设计，其中初级线圈电路的左半部分为5V直流电源，直接为直流电机和红外发光二极管供电，为了能给单片机提供准确的起点检测信号，要求红外发光二极管必须与旋转主板上的红外接收管对齐，以确保能够正常的就收红外信号。

由于人眼无法直接观察到红外发光二极管的发光情况，所以需要通过手机摄像头来查看红外发光二极管是否正常工作。

初级线圈电路的右半部分是由三极管组成的自激振荡电路，其作用是把5V直流电转变成交流电，交流电通过初级线圈时，会产生电磁场。

由于B772三极管功率较大需要加装散热片来保护电路元件。

次级线圈电路由四个4148二极管和一个5V1稳压二极管组成，次级线圈利用电磁感应产生的交流电通过四个二极管的交替导通转变成直流电，经过稳压二极管后供旋转主板使用。

本设计采用初级线圈套在次级线圈外面的方式来增加能量传输部分和能量接收部分中线圈的重叠面积来达到降低能量传输损耗的目的，线圈在焊接在电路板上时应注意将焊接处绝缘漆去除，以提高电能传输效率。

图3-7无线供电模块

3.4显示模块设计

本设计利用36颗LED灯组成显示模块，平面19颗，立体16颗，其中1颗为电源指示灯。

由于本设计采用的LED灯数量较多，故导致控制起来比较复杂，采用每个LED灯独立控制的方式可以解决此问题，将所有的LED灯的正极连在一起接到5V电源上，为每一颗LED灯的负极分配一个I/O口，正是由于STC12C5A32S2单片机拥有大量的I/O接口故此方案可行。

这样大大减低了电路的制作难度，同时可是每颗LED灯单独受单片机控制，亮灭互不影响，即使其中的几颗出现故障也不会时整个LED阵列熄灭，可以快速排查故障。

如图3-8所示，D0为电源指示灯，不可控。

所有LED灯都与一个200Ω的