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旋转LED

旋转LED的设计

学院：

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姓名：

指导老师：

学号：

职称：

中国·珠海

二○一三年五月

北京理工大学珠海学院毕业设计

诚信承诺书

本人郑重承诺：

我所呈交的毕业设计《POV旋转LED显示器的设计》是在教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

承诺人签名：

日期：

年月

POV旋转LED显示器的设计

摘要

LED显示屏已广泛应用于众多公共场所，如：

广告、银行、商场、广场、车站、公益宣传等。

它具有功耗小、寿命长、色彩好等优点。

现在普遍看到的LED显示屏主要采用LED平板模块做发光器件来组成整个显示屏，制作时需要的器件数量多，因此制作成本较高昂。

本文中将给出一种平面旋转LED显示屏—电风扇POV显示器。

POV（英文全称Persistenceofvision）是视觉暂留技术。

电风扇POV显示器是用一种利用视觉暂留技术制作而成的平面旋转LED显示屏。

POVLED可以用少数的LED取代大量的LED点阵，从而减少普通LED点阵显示屏因LED损坏而造成显示故障的几率，从而减少维修成本。

从而解决普通LED显示屏器件数量多，成本高的问题。

关键词：

POV平面旋转

ElectricfanPOVofdisplaydesign

Abstract

LEDdisplayhasbeenwidelyusedinadvertising,railwaystations,Banks,shoppingmallsandotherpublicplaces,ithasadvantagesoflowconsumption,longlife,goodcolour.NowtheLEDdisplayismainlyusedLEDflatlight-emittingdevicemodule,thedisplayconsistsofLEDmodule,devicenumber,highcost.

ThispaperwillgiveaplanerotaryPOVdisplayLEDdisplay-electricfansPOVdisplay.POV（EnglishfullnamePersistenceofvision）isPersistenceofvisiontechnology.ElectricfanPOVdisplayismadeofakindofpersistenceofvisiontechnology.ItisusedinplanarrotatingLEDdisplay.POVofLEDcanuseafewledsinsteadofalotofleddotmatrix,thusreducingtheordinaryLEDdotmatrixdisplayscreenfordamagecausedbytheLEDdisplayfailureprobability,therebyreducingmaintenancecost.SoastosolveordinaryLEDdisplaydevicenumber,theproblemofhighcost.

Keyword：

POVPlaneofrotation

1绪论

1.1引言

LED显示屏（LEDdisplay,LEDScreen）：

又叫电子显示屏。

它是有LED点阵平板模块组成的。

LED显示屏能够显示出文字和图片等内容，均是由各种色彩LED灯亮灭组合来实现的。

LED显示屏可以更改显示内容，只需要通过用flash将显示的内容制作成一个动画,存放在显示屏的一张内存卡里,通过技术手法显示出来的。

因此可以根据现场的需要在不同的场合进行相应的调整，所以同一块LED显示屏可以灵活地运用于各种各样的场合。

内容可以根据不同的求进行随时更换，显示灵活多变，便于经常需要更改内容的人群使用。

传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。

LED之所以受到重视并且能够迅速地广泛地发展，跟它本身所具有的种种优点有关。

LED灯的显示亮度较高、需要的工作电压比较低、消耗的功耗较小、可以做成大型显示屏、而且LED灯寿命一般都很长、耐冲击能力强同时性能相比其他照明灯具稳定。

LED的发展前景极为广阔，在未来的研究发展中主要朝着做到更高的照明亮度、更耐气候变化、发光密度更强、发光更加均匀、更加安全可靠、色彩显示更全面的方向发展。

1.2本设计的意义

在这一个世纪，光电子产业在社会上得到了广泛的重视，信息显示技术发展非常迅速，随着LED器件材料性能的不断提高，现在已经广泛应用在室内外需要进行服务内容和宣传服务宗旨的公众场所，在路边很多地方我们都能见到LED显示屏的踪影。

传统的LED字屏使用的是LED点阵屏，屏幕需要做到越大，LED的数量就需要越大，因为需要使用LED等铺满整个显示屏。

相比起来，一旦大型化价格相当高昂、安装及操作起来都极其麻烦，同时因为使用器件数目多，也不易维护。

而电风扇POV显示器由于LED灯使用数量少，只需要使用单排LED灯（即能填满圆形屏幕的半径长度的单排LED灯），从根本上避免了传统LED显示屏的种种不足。

因此，设计一个可以平面旋转LED显示屏，具有十分重大的意义。

1.3POV的含义

POV（全称Persistenceofvision）中文意思是视觉暂留，具体是指视觉暂留这一现象，这种现象也叫余晖效应。

人的肉眼之所以为看到景象是因为景象上的光信号通过肉眼传入到大脑神经，在大脑中进行处理形成我们所看到的景象。

而光信号从景象上通过肉眼传入大脑神经需要经过一段短暂的时间。

所以在景象上的光作用结束之后，作用在大脑神经并不会马上结束，所以在这段时间差上面就形成了一个视觉形象的残留。

这种因为时间差残留下来没有马上消失的视觉影像被科学家称之为“后像”，而顾名思义这种视觉的残留现象就称之为“视觉暂留现象”。

视觉光作用在视网膜上而产生的。

当光结束作用之后，我们神奇的肉眼把视觉保留了下来，残留了一段短暂的时间才会消失。

光信号传入大脑神经需要经过一段时间，而这段时间的时值约是二十四分之一秒，所以由于视神经的反应速度，造成了对于不同频率的光有不同的暂留时间。

显示器的显示是通过一定频率的刷新来实现图像的变化，一旦频率足够大，在视觉中产生视觉暂留现象，那么人的肉眼就看不到刷新的动作，而是在上一帧画面的残留视觉影像还没消失的情况下看到了新一帧的画面，从而形成了视觉错觉，形成了连续性的画面。

这也是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。

根据历史的记载，最早发现视觉暂留现象的人是中国人，在宋朝有一种灯名为“马骑灯”，这种灯就是我们现在说的走马灯，走马灯就是涉及到视觉暂留现象的典型产物。

在这之后1828年那年一个名叫保罗的法国人发明了留影盘，所谓的留影盘就是通过将绳子从两面穿过一个一边画着一只鸟一边画着一个空的笼子的圆盘。

当圆盘旋转时，鸟就会出现在笼子里。

当时这些发现都轰动了整个世界，而人们也就是在这时候认识到了视觉暂留这一现象的存在。

因为这证明了当眼睛看到一系列的图像时，能保持上一个图像的画面。

平面旋转LED显示器，就是利用POV技术仅使用单排LED灯来显示整个圆形范围的图像，从而大大减少对LED灯的使用，从而也减少了LED灯损坏的几率，减少维修成本。

1.4国内外LED显示屏的发展现状

1.国内LED显示屏研究现状

在我国，经过几年的发展，LED灯行业的一些企业已经具有了一定规模，成为行业内的骨干企业。

国产LED显示屏在国内几乎占据了整个市场，国外同类产品基本无法竞争，存在市场上的寥寥无几。

近几年来，我国的LED显示屏产业以规模较大，技术水平相对领先，应用领域广泛的特点，在LED市场所占的的比重越来越大，影响也越来越深远。

2008年北京举行的奥运盛会已顺利闭幕很久了，但其所展现出的种种前所未有的规模仍旧深深的烙在了全世界人的心中。

特别是在奥运盛会上所应用的LED产品类型和数量规模都是前所未有的。

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,LED显示屏作为一种新型的显示器件充分地展现了我国LED行业的技术产品优势和产业发展水平，同时也体现了我国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。

在2007年，中国政府为了呼应节能减排的措施，启动了各种扶持政策和措施对LED产业进行正常上的支持。

在这种环境下中国LED企业开始迅速发展。

目前我国不止有三十家具有相应的规模企业在生产上游中低端芯片。

现在全世界60%的LED来着中国，主要是因为大部分企业集中在珠三角和长三角地区。

据统计仅LED封装和应用这一块的企业在深圳这一地区就已经超过了3000家，由此可以看出国内下游终端应用产品数量是如此的庞大。

2.国外LED显示屏研究现状

目前世界上有技术可以生产最高亮度LED的国家依旧是日本，日本还掌握了封装所用的高档荧光粉技术。

在国外的LED技术中日、韩的大企业占据了绝大多数，但是仅日本日亚、丰田合成、三菱化工掌握了一流的芯片、荧光粉以及光学材料等技术。

而日本众多著名企业也占据了封装高端产品市场。

LED材料不断地高性能化，LED显示屏也因此而得到发展，同样的LED旋转显示屏也会得到相应的发展，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。

1.5现有常见的LED方案的比较

1．点阵模块方案：

这是最早的LED设计方案，是从室内伪彩点阵屏发展得来的。

优势：

原材料成本具有很大的优势，而且在生产加工工艺上相对简单，同时质量也比较稳定。

缺点：

一旦需要显示全彩图像色彩上面要做到一致比较难，而且在显示图片方面会出现马赛克现象，因此显示出来的效果总体较差。

2．单灯方案：

借鉴户外显示屏技术而得到的一种方案，这种方案将户外的像素复用技术（又叫像素共享技术，虚拟像素技术）同时移植到了室内显示屏中。

这种方案解决了点阵屏色彩问题。

优势：

色彩一致性比点阵模块方式的好，弥补了点阵模块方式的缺点。

缺点：

混色效果依然无法处理完善，同时显示时的视角范围比较窄，而且最大的确定是在水平方向从左右两旁观看都会出现色差，影响显示质量。

而且在加工方面较为复杂，抗静电要求非常高。

同时实际像素分辨率要做到10000点以上比较难。

3．贴片方案：

采用贴片发光管为显示元件的方案。

优势：

是目前现有的方案中最好的一种，这种可以达成的色彩一致性，视角等重要显示指标都很高，其中三合一表贴的混色效果方面处理得非常好。

缺点：

加工工艺比较麻烦，成本较为高昂。

4.亚表贴方案：

实质上其实是单灯方案的一种改进，目前依然还在完善之中。

优势：

在参数指标上面和贴片方案相差不大，主要是相对来说成本更低，显示效果更好，而且分辨率可以做到非常高。

缺点：

加工还是比较复杂的，而且抗静电要求也非常高。

1.6LED显示屏研究现状总结

随着LED高性能材料的发展，LED显示屏也必将得到相应的发展，从而旋转LED显示屏也将随之发展，由于旋转LED显示屏制作起来，成本低廉，调试方便。

在制作方面，显示同样的内容，普通LED显示屏需要铺满整一个显示区域，所需要的器件数量非常庞大，而旋转LED显示屏只需要单排长度为显示区域半径长的LED灯就可以了，可见旋转LED显示屏在发光二极管数量上大大减少了，从而可有效降低能耗和维修成本。

因此从种种的优点来看，本设计中所研究旋转时LED显示屏对于LED显示屏来说具有很大的意义。

2系统的总体设计

2.1设计任务

本课题运用51单片机、LED发光二极管和电风扇等器件设计一个POV显示器。

显示内容及要求：

1、显示“WILLCOME”；

2、显示“北京理工大学珠海学院”；

3、要求字迹清晰；

4、系统工作稳定。

2.2系统硬件框图

系统硬件框图如图2.1所示。

图2.1系统硬件框图

使用5V的直流电源为单片机和电机供电，用单片机控制LED灯的亮灭。

3系统硬件电路的设计

3.1此设计涉及的主要技术

单片机技术：

旋转LED显示屏在高速旋转时，使用通过定时器中断让其以某个频率在空间的某一点所对应的时刻点亮或是熄灭，人的肉眼存在视觉暂留现象，所以无法判断出是否在闪烁而形成完整连续的图像；所以对于控制显示内容可以采用单片机定时器的功能来实现。

LED驱动电路：

由于整个LED显示屏在工作中一直处于高速旋转状态，所以显示的亮度会明显降低，因此需要使用亮度较高的发光二极管，并且通过与单片机I/O口相连，对程序进行相应的设定才能实现正常控制LED的闪烁效果。

电源的供电方式：

在运转过程中旋转LED显示屏的显示屏一直处于高速旋转的状态。

所以如何给旋转LED显示屏供电成为硬件方面最大的难题。

在下文，将会提出了三个供电方案，以及最终采用的供电方案。

3.2电机方案选择

方案一：

步进电机

运行时在整个在高速旋转的过程显示屏是必须保证稳定运行的。

这样可以避免在高速旋转时系统奔溃以及存在的种种安全隐患。

所以想到了提出采用步进电机来控制显示屏旋转。

因为步进电机能使步距角变更为其固有步距角的1/n，同时也完全消除电机在低频时的振荡，大大增强了驱动能力。

另外步进电机的抗干扰能力比较强，控制起来简单，而且步矩误差不会被长期积累，所以大大增强了旋转稳定性和精确性，因此旋转LED显示屏显示效果的清晰程度得到了保证。

方案二：

普通电机

既是使用普通风扇的电机代替方案一的步进电机。

由于本设计的标题是电风扇POV显示器的设计，所以想到了采用旧的小型电风扇的电机作为本设计的电机，从制作方面来看材料容易收集，供电方面也较为简单。

方案比较及确定

以上两个方案各有及优缺点，总结起来，个人认为还是应该从以结构简单，方便操作，便于理解，成本低廉为主要方面来对本设计考虑。

从方案一来看，主要难点就在于步进电机的调速问题上。

必须要对步进电机的工作原理，如何调速，进行充分的理解。

不同的电机由于速度不相同，所产生的频率也不一样，这样旋转LED显示屏在实际显示的图像与设计有所偏差。

而且电机速度会影响到单片机对定时器工作和定时的设定，这些也就影响到整个程序的编写。

而且本人觉得，对于成本上的考虑，这次设计的要求需要较高的转速，而较高转速的步进电机在价格上是相当昂贵的，如果仅仅只是作为实验观赏来制作使用的话，制作出来的成本是相当高的。

考虑到这个方案的可行性，所以决定不采用这个方案。

从方案二来讲，主要区别就是用普通电机来取代方案一中的步进电机。

在实现设计时通过拆分一个普通功率的风扇的电机来使用。

成本比较低，方便易实现，降低了设计成本。

而且采用电风扇的电机改造比起方案一来说更切合本设计的题目，所以在这次设计时决定采用这个方案，而且这个方案的最大的优势还在于制作成本很低。

3.3供电方案选择

高速供转动的主板供电有3种方案

方案一：

直接把电池装在主板上随主板转动，用电池直接给主板供电，这样成本低，但是寿命短，而且严重影响电机的转速和稳定。

方案二：

使用电刷连接供电，制作简单，非常有效，但是这样的供电寿命很短，主要是需要在电路板上加焊一层耐磨导电层，一旦使用时间长了电刷触点就会不够光洁而且接触压力变大大，几小时就可以将线路板上的铜皮磨穿，更换的成本太高，而且不稳定。

方案三：

用无线输电的方法，无任何触点，所以避免了使用电刷的更换问题，而且这样的制作寿命很长。

方案比较与确定

对于方案一中采用直接用电池给主板供电，这样电池必须固定安装在主板上面，由于电池自身存在重量问题，在高速旋转的时候一旦重心不在旋转轴心，会导致旋转屏剧烈震动。

这样会不但影响到显示屏的显示，而且会是整个旋转显示器硬件损坏，甚至误伤人员。

所以这个方案不采用。

对于方案二是采用电刷的方法，这个其实在很多供电场合有用到，但是电刷在旋转过程中与导电层有高速剧烈的摩擦，时间久了会摩擦受损，这样会照成接触不良现象，从而影响了供电的稳定，而且一旦受损就需要更换新的导电层，这对于一个设计来说成本过于高昂。

故此方案也不采用。

方案三中采用的是无线供电。

因为是无线所以供电体与受供体分离，因此方便了对电源的安装，而且采用的材料成本较为低廉，且无触点，没有摩擦照成的短寿命现象。

所以最终决定采用无线供电的方法给旋转显示屏供电。

3.4主控元件

在我们生活中几乎所有电子产品都离不开单片机，因为单片机集成度非常高，功能又强，可靠程度很高，所以它的体很小，而且单片机的功耗并不高，价钱还比较低廉，因此被众多领域运用在各种各样的器件上。

如今单片机已经存在于我们生活中的每一个角落。

此次设计主要采用宏晶科技的STC12C2052单片机为主控单元。

STC12C2052的芯片管脚图如图3.1所示。

图3.1STC12C2052的芯片管脚图

STC12C2052的特点：

1.增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU

2.工作电压：

2.4V~3.8V/3.4V~5.5V

3.工作频率范围：

0~35MHz

4.用户应用程序空间512/1K/2K/3K/4K/5K字节

5.片上集成256字节RAM

6.15个通用I/O口，复位后为：

准双向口/弱上拉

7.EEPROM功能

8.共2个16位定时器/计数器

9.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列）

10.ADC,8路8位精度

11.通用异步串行口（UART）

12.SPI同步通信口，主模式/从模式

13.看门狗

14.内部集成R/C振荡器，精度要求不高时可省外部晶体

15.ISP/IAP

16.工作温度范围：

0~75℃/-40~+85℃

17.封装:

PDIP-20，SOP-20（宽体），TSSOP-20（超小封状）

STC12C2052的主要性能

●高速：

１个时钟／机器周期，RISC型CPU内核，速度比普通8051快12倍

●宽电压：

3.4～5.5Ｖ，2.0～3.8Ｖ

●低功耗设计：

有空闲模式和掉电模式两种模式（可由外部中断唤醒）

●工作频率：

0～35ＭＨｚ，相当于普通8051：

0～420ＭＨｚ

●时钟：

外部晶体或内部ＲＣ振荡器可选

●512/1K/2K/3K/4K/5K片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上

●256字节片内RAM数据存储器

●芯片内E2PROM功能

●ISP/IAP，在系统可编程

●2个模拟比较器

●8通道高精度8位ADC

●2通道捕获/比较单元（CCU/PCA/PWM），提供PWM功能

●2个硬件16位定时器，兼容普通8051的定时器

●硬件看门狗（WDT）

●高速SPI通信端口

●全双工异步串行口（UART），兼容普通8051的串口

●先进的RISC精简指令集结构，兼容普通8051指令集

有111条功能强大的指令，其中有12条指令仅需1个时钟就可以完成

片内集成硬件乘法器和硬件除法器（执行速度为4个时钟周期）

4组8个8位通用工作寄存器（共32个通用寄存器）

引脚说明：

1.RST：

复位。

2.RxD/P3.0:

串口数据输入端I/O口接口。

3.TxD/P3.1:

串口数据输出端I/O口接口。

4.XLAT1:

内部时钟电路反响放大电路输入端。

5.XLAT2:

内部时钟电路反响放大电路输入端。

6.INTO/P3.2:

外部中断0I/O口。

7.INTI/P3.3:

外部中断1I/O口。

8.ECI/TO/P3.4:

PCA计数器外部时钟输入脚/定时器和计数器0外部时钟输入I/O口。

9.PWMI/PCAI/TI/P3.5:

脉冲调制输出1/可编程门阵列输出脚/定时器和计数器1外部时钟输入I/O口。

10.GND:

地。

11.P3.7/PCAO/PWMO:

I/O口/可编程门阵列输出脚/脉冲调制输出.

12.P1.0/ADC0/CLKOUT0:

标准I/O口/AD转换通道0/定时器，记数器时钟输出口。

13.P1.1/ADC1/CLKOUT1:

标准I/O口/AD转换通道1/定时器，记数器时钟输出口。

14.P1.2/ADC2:

标准I/O口/AD转换通道2

15.P1.3/ADC3:

标准I/O口/AD转换通道3

16.P1.4/SS/ADC4:

标准I/O口/SPI同步串行接口的从机选择信号/AD转换通道4.

17.P1.5/MOSC/ADC5:

标准I/O口/SPI同步串行接口的主入从出/AD转换通道5.

18.P1.6/MISO/ADC6:

标准I/O口/SPI同步串行接口的主出从入/AD转换通6.

19.P1.7/SCLK/ADC7:

标准I/O口/同步串行接口的时钟信号/AD转换通道7.

20.VCC:

高电平

3.5硬件原理图

硬件原理图如图3.2所示

图3.2硬件原理图

原理图使用STC12C2052单片机作为主控元件，通过控制I/O口开关继而控制16个LED灯的亮灭。

该原理图中加入了电解电容C1滤波电路，以确保输入单片机的电流为直流。

使用晶振控制单片机的工作周期。

其中由于该单片机的I/O口不够，不足以控制16个LED灯的显示，所以采用了两个移位寄存器74HC595，运用其串行输入并行输出的特点来扩展单片机的I/O口，以达到控制16个LED灯亮灭的操作。

同时采用了AT24C02芯片用来存储点阵数据。

4系统软件的设计

4.1软件设计流程图

该程序的软件设计流程图如图4.1所示

图4.1软件设计流程图

程序开始运行时，首先是对单片机I/O口、寄存器进行初始化操作，主要是为了让程序按照预先设定好的初始值运行。

初始化完成之后，由红外接收器判断是否有信号输入，一旦有信号输入，便开始读取存储区数据，然后把读取到的数据进行点阵转换，再将其输入到显示的缓冲区中，然后由显示缓冲区送显示，并且送数据的计数器加1。

接着由单片机检测是否整个内容显示完毕，没有显示完毕则循环初始化操作之后的步骤，在红外接收器接收到信号时更新显示内容，直至检测到内容已经完全显示完毕。

一旦检测到整个内容显示完毕，则计数器清零，并且再次回到初始化之后循环扫描，重新显示整个内容。

4.2LED点阵代码生成

打开点阵代码生成器软件，软件界面如图4.2所示

图4.2点阵代码生成器软件界面

首先是输入要显示的文字，先点击文字预览后面的文本框，如图4.3所示

图4.3文字预览框

点击以后会弹出一个文本框，如图4.4所示

图4.4输入文字文本框

在文本框中输入想要显示的内容“WILLCOME北京理工大学珠海学院”，输入完毕后点击确定。

回到了软件的页面，点击生成HEX文件，按键如图4.5所示

图4.5生成HEX按键

点击以后就会出现选择菜单，如图4.6所示

图4.6生成HEX文件选择菜单界面

点击第一项，如图4.7所示

图4.7选择选项

选择其中的保存HEX文件，如图4.8所示

图4.8保存HEX文件按键

会弹出询问你需要保存的目录位置，界面如图4.9所示

图4.9保存界面

选择想要保存的路径，点击保存就保存好了。

接下来运行ST