旋转LED显示屏的设计与制作.docx
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旋转LED显示屏的设计与制作
旋转LED显示屏的设计与制作
摘要
随着社会信息技术的发展，高科技教育和创新活动越来越受到大家的关注，电子产品越来越受到大家的青睐，旋转LED显示屏这一信息技术的前沿领域也得到了飞速发展，而在旋转LED显示屏中主要应用的便是单片机。
在户外广告屏上，高科技是不可缺少的，因此单片机技术的应用注定是不可或缺的，所以利用AVR单片机技术制作的旋转LED显示屏的应用价值及科研价值是很高的。
我们利用AVR单片机，通过Atmega16芯片制作出的旋转LED显示屏，可以顺利完成我们所要求的显示的内容，现场演示。
通过自制的ISP下载线与电脑之间的链接，将电脑中的程序文件输入到单片机中，根据我们的需要显示不同的内容。
该设计主要包括：
基板硬件的设计、硬件驱动的设计、显示程序的设计等。
它具有设计思路简捷、程序简短、结构简单等特点。
旋转LED显示屏用于教学演示，可以使学生了解动态扫描的原理，同时对相关知识的综合应用有一个清晰的认识，易于加深对相关知识的了解、掌握。
能更好的应用所学到的知识，更好的把所学到的知识应用的实物中去，能引导同学们去开发想象到的东西，能是学到的理论知识更好的与实际相结合。
关键字：
旋转LED显示屏；Atmega16单片机
THEDESIGNANDPRODICTIONOFTHEROTATINGLEDDISPLAY
ABSTRACT
Withthesocialdevelopmentofinformationtechnology,moreandmorehigh-techeducationandinnovationactivitiesbegivendueattention,electronicproducts,moreandmorepeopleofallages,rotatingLEDdisplayofinformationtechnologyfrontierhasbeenrapiddevelopment,andthemainapplicationisintherotatingLEDdisplaymicrocontroller.
Outdooradvertisingscreen,high-techisindispensablefortheapplicationofsingle-chiptechnologyisboundtobeanintegralpartoftherotatingLEDdisplayusingAVRmicrocontrollertechnologytoproducevalueandscientificvalueisveryhigh.WeusetheAVRmicrocontroller,theAtmega16chiptoproducearotatingLEDdisplay,thesuccessfulcompletionofthecontentsofthedisplayweareasking,livedemonstration.LinkbetweenthehomemadeISPdownloadcablefromthecomputer,thecomputer'sprogramfilesareinputtothemicrocontroller,displaydifferentcontentaccordingtoourneeds.
Thisdesignmainlyincludes:
asubstratehardwaredesign,hardware-drivendesign,showingthedesignoftheprogram.Ithasasimpledesignideas,abriefprogram,simplestructureandothercharacteristics.
TherotationLEDdisplayforteachingdemonstration,toenablestudentstounderstandtheprincipleofdynamicscanning,theintegratedapplicationofknowledgeatthesametimehaveaclearunderstanding,easytodeepentheknowledgetounderstandandmaster.Betterabletoapplymyknowledgeandbetterapplicationofknowledgelearnedinkindtoguidestudentstodevelopimaginethings,thetheoreticalknowledgelearnedbetterwithpracticecombination.
Keywords：
therotatingLEDdisplay;Atmega16singlechipmicrocomputer
目录
1前言------------------------------------------------------------1
2系统设计构思-----------------------------------------------------2
2.1设计要求----------------------------------------------------2
2.2显示屏的原理------------------------------------------------2
2.3模块设计的方案----------------------------------------------2
2.3.1显示屏整体设计----------------------------------------2
2.3.2控制器模块--------------------------------------------2
2.3.3传感器模块--------------------------------------------3
2.3.4电源模块----------------------------------------------3
2.3.5显示模块----------------------------------------------4
2.4最终方案----------------------------------------------------4
3系统机构---------------------------------------------------------5
4硬件实现及单元电路设计-------------------------------------------6
4.1微控制器模块的设计------------------------------------------6
4.2指针板电路的设计--------------------------------------------6
4.3基板电路的设计----------------------------------------------7
4.3.1主要元件7805稳压块的介绍-----------------------------8
4.3.2主要元件3296电位器的介绍-----------------------------8
4.4光电管的安装------------------------------------------------9
4.5指针版电源的连接--------------------------------------------9
4.6ISP下载线的制作--------------------------------------------10
5软件实现--------------------------------------------------------11
5.1显示处理--------------------------------------------------11
5.2程序源文件------------------------------------------------15
6系统调试--------------------------------------------------------23
6.17805的降压与散热处理--------------------------------------23
6.2电量储存问题的处理------------------------------------－--23
6.3文字调节问题的处理------------------------------------－--24
7结论----------------------------------------------------------25
参考文献------------------------------------------------------26
致谢------------------------------------------------------------27
1前言
随着社会信息技术的发展，高科技教育和创新活动越来越受到大家的关注，电子产品越来越受到大家的青睐，旋转LED显示屏这一信息技术的前沿领域也得到了飞速发展，而在旋转LED显示屏中主要应用的便是单片机。
单片机又称单片机微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上，单片机技术就是计算机技术的一个分支，是旋转LED显示屏的核心元件，在旋转LED显示屏设计中主要就是应用AVR弹片机的技术进行控制的。
我们在这次项目中应用的AVR单片机是很新颖的一种，它不仅价格低廉，可以节省很多开发费用，而且内部存储器的擦写可达到10000次以上，不会产生报废品。
在户外广告屏上，高科技是不可缺少的，因此单片机技术的应用注定是不可或缺的，所以利用AVR单片机技术制作的旋转LED显示屏的应用价值及科研价值是很高的。
我们利用AVR单片机制作出的旋转LED显示屏，可以顺利完成我们所要求的显示的内容，现场演示。
通过自制的ISP下载线与电脑之间的链接，将电脑中的程序文件输入到单片机中，根据我们的需要显示不同的内容。
所完成的作品可以直接应用于单片机的教学之中，使自己的毕业设计有了实在的应用价值。
本作品今后可以向商品化方面进行开发，以使之有更大的价值。
由于某些资料及时间的限制，所以致使AVR单片机的一些功能没有全部扩展出来，处于正在研究探索中。
我们会对该项目进行不断的创新。
2系统设计构思
2.1设计要求
（1）旋转部分的电路板重心要适中，以便旋转起来后没有大的抖动。
（2）旋转电路板能检测到一个固定的位置来确定显示起始位置。
（3）显示内容要有花形图案、汉字静态显示和汉字动态滚动显示。
2.2显示屏的原理
旋转LED显示屏采用扫描方式进行显示,其实现原理是通过控制不同时间段内让不同批次的LED轮流点亮,根据人眼的视觉暂留特性,当扫描帧频达到24Hz以上时,人眼便感觉不到扫描过程,而是一幅稳定的图像。
2.3模块设计的方案
根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、传感器模块、显示模块等模块构成。
为较好的实现各模块的功能，我们选择了最合理的设计方案
2.3.1显示屏整体设计
制作旋转LED显示屏。
经反复论证考虑，采用方形薄木板做系统平台，用塑胶块做好支架。
中间装上直流电动机。
将焊好元件的条形电路板插在电动机转轴上。
为保平衡，在轻的一侧用小螺丝配重。
2.3.2控制器模块
采用Atmel公司的ATmega16L单片机作为主控制器。
ATmega16L是一个低功耗，高性能的8位单片机。
片内资源丰富，16K的Flash，Boot代码区，512字节的EEPROM，1K的SRAM，JTAG接口,仿真和下载，支持ISP下载，3个带PWM的定时器，8路10位的AD转换器，UART（异步串口），SPI（同步串口），看门狗，TWI（IIC）接口，模拟比较器等。
引脚图如图2-1。
图2-1ATmega16L引脚示意图
2.3.3传感器模块
用红外发射管和接收管。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到红外接收管就能检测出光信号而输出低电平，若接收不到发射管发出的光信号则输出高电平。
2.3.4电源模块
旋转LED显示屏设计的成败，不是取决于电路和程序，而是取决于结构。
或者说，取决于如何实现对指针板的供电。
根据所学知识，指针板的供电方式一般有以下三种：
（1）自感应发电
这种方法，就是从指针板上引出导线，接入到电机内部绕在转子上，电机旋转时该导线切割磁场产生感应电动势，经过整流后作为指针板上的电源。
这种方式的优点是：
设计很巧妙，无机械磨损。
更巧妙的是，由于感应出来的电动势是交流的，所以可以利用该过零信号来定位，不必另外准备定位信号了。
这种方式的缺点是：
提供的电流有限，只能适合LED较少的旋转时钟，当LED数量较多时，需要更多的电流，这种方式就不能满足了。
其次，这种方式要对电机本身进行改造，也有一定的难度。
并不是所有的电机都适合这种改造。
而且这种改造可能会给电机带来损害。
（2）自备电池
这种方式，就是在指针板上安装电池，由电池供电。
一般是用两到三节7号电池。
这种方式的优点是：
不用担心电压波动。
也不存在机械磨损，不用担心接触不良之类问题的困扰。
这种方式的缺点是：
很费电池，三天两头换电池，既不经济也不环保，费时费力！
电池很重，一般的电机带不动，必须用很大的电机。
这也意味了成本的上升。
（3）机械传导供电
这种方式就是采用滑环和电刷，通过机械接触传导电流。
这种方式的优点是：
能够提供比较大的工作电流。
这种方式的缺点是：
有机械摩擦，会产生磨损。
因此要求滑环和电刷材料要耐磨。
另外，还得有足够的弹性，并且要耐锈，否则会导致接触不良。
有机械阻力，因此要求电机有比较大一点的功率。
有机械噪音。
2.3.5显示模块
LED正端接到电源，负端经过限流电阻接到单片机的IO口。
之所以采用负端控制，是因为从CPU的IO口带载能力方面来看，灌电流一般都比拉电流大，采用LED负端控制能够提供更大的驱动能力。
2.4最终方案
经过反复论证，我们最终确定了如下方案：
（1）指针板用万能电路板实现。
（2）采用ATmega16L单片机作为主控制器。
（3）用外接12V直流稳压电源。
（4）用LTH-1650型红外光电管进行定位。
（5）用LED作为显示。
（6）基板用薄模板制作。
系统的结构框图如图2-2所示：
图2-2系统结构框图
3系统结构
旋转LED显示屏可以设计成多种样式,如圆柱式、圆锥式、圆盘式等，基于制作条件、造价和显示效果等多方面因素考虑，我采用了圆盘式的方案。
系统的总体结构是由以上提到的每个独立的模块组合而成的，结构设计如图3-1，成品结构如图3-2。
图3-1结构设计图
图3-2成品的总体结构
4硬件实现及单元电路设计
4.1微控制器模块的设计
采用Atmel公司的ATmega16L单片机，不用烧写器而只用串口或者并口就可以往单片机中下载程序。
我们在开发过程中程序的调试和整机的测试，“ISP下载线”相当于“数据线”，“ISP接口”相当于“U口”，“Atmega16”相当于“U盘”，因此不需要将单片机从指针板板上取下，直接在指针板上通过ISP接口在线调试。
如图4-1
图4-1指针板ISP接口
4.2指针板电路的设计
旋转LED显示屏的指针板是以单片机为核心，围绕AVR单片机展开的一系列连接，控制外部电路的使用，指针设计是一个至关重要的试验步骤。
旋转LED显示屏指针板电路原理图如图4-2所示:
图4-2指针板电路原理图
电路确定可以正常运行使用后,进行电路板的制作和实际焊接。
实际焊接是要注意元件的布局，小的元器件要放在插座内侧，这样既能节省空间又能保护器件不受损害。
如图4-3。
图4-3指针板结构图
4.3基板电路的设计
基板主要负责为指针板提供电源，通过红外发光二极管向指针板位置信号。
由于本系统的电机转速直接决定图形显示是否成功，所以在设计电机电源时要考虑电压是稳定性。
我们生活的供电是200V，但在实际中电压是180V-250V。
为了保证本系统供电正常设计了微调稳压供电。
以适应不同的供电环境。
如图4-4所示。
图4-4基板电路图
4.3.1主要元件7805稳压块的介绍
7805为定值三端集成稳压块。
正面面对7805,左边管脚是高电位输入，中间管脚为公共接地端，右边管脚为输出端。
输入电压过高会发热严重甚至击穿稳压块，输入电压过低则输出电压达不到稳定的目的。
7805输出为+5V稳定电压,最高输入极限电压36，最低输入电压7V,集成稳压块的最佳工作状态是输入电压与输出电压间的压差在3~4V左右。
如图4-4基板电路设计输入电压为12V，输出为5V，由于压差太大，在输入前端串联几个二极管降压，且在7805上加了自制的散热器，这样稳压块就不会很烫。
4.3.2主要元件3296电位器的介绍
电位器是一个可调的电子元件，俗称“可调变阻器”，它在电路中的主要作用有以下几个方面：
1.用作分压器2.用作变阻器3.用作电流控制器。
3296电位器是一个连续可调的电阻器，本实验用作变阻器的功能，把它接成两端器件，当调节电位器的转柄时，便可获得一个平滑连续变化的电阻值。
通过调节滑动变阻器，可以改变电动机的转速，使指针板旋转平稳，用以调节屏幕上字的宽度。
图4-57805和3296
4.4光电管的安装
根据设计的要求指针板旋转过程中要实时检测位置信号。
根据这个信号来确定显示图案的起始点。
并根据指针板所处的不同位置，点亮相应的LED，利用人眼的视觉暂留效应，形成完整的显示画面。
红外光电管采用LTH-1650型号,其优点是体积小、灵敏度高。
当发光二极管发出的光被三极管接收时，三极管导通输出低电平。
此光电管电路简单，工作性能稳定。
安装位置如图4-6。
图4-6光电管位置
4.5指针板电源的连接
如何通过12V直流电源给指针板供电，使显示屏在旋转时既不会被导线缠绕，也可以给指针板提供连续稳定的电压，经过反复思考与实验，确定用自制电刷和导电环为指针板提供电源。
具体做法是：
指针板的轴心为两部分金属材料，中间做绝缘处理防止短路，外部与导电环连接，基板电路的稳定电流由外部流入，为Atmega16及发光二级管供电，同时负电由轴心内部流出，使电路形成回路。
如图4-7。
且为了保证电源的稳定性在指针板的电源接入端并联大电容。
当电流稳定时，电容充电；当电流不稳定时，电容放电持续给指针板供电，使旋转显示屏在电流不稳定时也能形成稳定、完整、流畅的图形或文字。
图4-7指针板的轴心
4.6ISP下载线的制作
将代码写入AVR芯片一般使用并行烧写器和ISP下载线两种，由于ISP下载线可以在线编程，所以使用很方便，我们使用的是串口ISP下载线，如图4-8。
图4-8ISP下载线
5软件实现
5.1显示处理
旋转LED显示屏采用扫描方式进行显示,其实现原理是通过控制不同时间段内让不同批次的LED轮流点亮而形成一个整体的图形。
如图5-1。
图5-1旋转示意图
显示图形的设计是通过将整体的图形细分之后，分析每一个位置的显示情况。
将这些显示合并后就组成了一个整体的图形。
下面以“好”字为例介绍一下汉字的静态显示和动态显示。
图5-2汉字的点阵处理
根据系统结构的要求我们采用了纵向取模的方式。
由于汉字是16*16的点阵，而我们的单片机是8位的芯片。
所以我们将汉字从中间一分为二，分别对上半部和下半部进行取模。
上半部取模为：
0x08,0x08,0x0F,0xF8,0x08,0x0F,0x01,0x41,
0x41,0x41,0x4F,0x51,0x61,0x41,0x01,0x00,
下半部取模为：
0x01,0xC2,0x44,0x28,0x30,0xCE,0x04,0x00,
0x02,0x01,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
在实际程序中要用到字符表通过循环函数来实现汉字的显示。
例：
unsignedchara[]={0x08,0x08,0x0F,0xF8,0x08,0x0F,0x01,0x41,
0x41,0x41,0x4F,0x51,0x61,0x41,0x01,0x00};
unsignedcharb[]={0x01,0xC2,0x44,0x28,0x30,0xCE,0x04,0x00,
0x02,0x01,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,}
for（i=0;i<16;i++）
{
PORTA=a[i];
PORTB=b[i];
delay（100）;
}
下面我们来设计一个汉字滚动显示的程序。
显示效果如图5-3所示。
汉字向左循环滚动。
图5-3汉字移位图
程序如下：
unsignedchara[]={0x08,0x08,0x0F,0xF8,0x08,0x0F,0x01,0x41,
0x41,0x41,0x4F,0x51,0x61,0x41,0x01,0x00};
unsignedcharb[]={0x01,0xC2,0x44,0x28,0x30,0xCE,0x04,0x00,
0x02,0x01,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,}
voiddisplay（）
{
unsignedinti,j;
for（j=0;j<16;j++）
{
PORTA=a[（i+j）%16];
PORTB=b[（i+j）%16];
}
i++;
}
该程序可以实现没运行一次后显示表依次左移一位。
字符的取模用两种方式，通过Excel手动计算和用专业的软件实现。
上面的例子就是通过计算得出的，但字符较多时最好采用软件取模。
下面我们来介绍一个软件《字符取模》。
如图5-4所示。
图5-4取模软件
旋转LED显示屏的显示内容规划如下：
电机启动后，循环显示全亮、花形1、花形2、动态文字（鞍山师范物理科学学院）、花形3、静态文字（09级毕业生作品展示！
）、花形4。
旋转LED显示屏采用扫描方式进行显示,其实现原理是通过控制不同时间段内让不同批次的LED轮流点亮,根据人眼的视觉暂留特性,当扫描帧频达到24Hz以上时,人眼便感觉不到扫描过程,而是一幅稳定的图像。
但是在运用相机拍照过程中，相机的灵敏度比人眼球高很多，因此拍到的不是一幅稳定的完整的图像，而是一个片段。
图5-5显示花形1
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