LED校历钟设计.docx
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LED校历钟设计
目录
1引言3
1.1LED现状3
1.2LED校历钟市场状况及研究意义3
1.3设计研究方法目的及意义4
2系统概述5
2．1硬件实现功能5
2.1.1显示时间及温度5
2.1.2设置时间及温度5
2.1.3.温度测量5
2.1.4.季节及节假日显示5
2．2系统原理简介5
2．3系统模块设计6
3系统硬件设计6
3．1系统电源设计7
3．2主控芯片及周边设计7
3.2.1msp430f149简介7
3.2.2电路图15
3．3温度采集设计15
3.3.1温度传感器DS18B20简介16
3.3.2电路连接17
3．4数码管显示设计17
3.4.1数码管介绍18
3.4.2电路原理19
3.4.3电路图20
3．5键盘输入设计20
3.5.1电路介绍20
3.5.2电路图21
3．6LED点阵显示设计21
3.6.1元件介绍21
3.6.2电路连接22
3.6.3电路图23
4系统软件设计方向25
4．1温度采集模块25
4．2输入模块25
4．3数码管显示模块26
4．4点阵显示模块26
4．5主处理模块27
5总结27
6参考文献28
7致谢29
LED校历钟设计
1引言
1.1LED现状
LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其大概的样子就是由很多个通常是红色的小灯组成，靠灯的亮灭来显示字符。
用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。
图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。
LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于金融、税务、工商、邮电、体育、广告、厂矿企业、交通运输、教育系统、车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
1970年代最早的GaP、GaAsP同质结红、黄、绿色低发光效率的LED已开始应用于指示灯、数字和文字显示。
从此LED开始进入多种应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各部门和千家万户。
到1996年LED在全世界的销售额已达到几十亿美元。
尽管多年以来LED一直受到颜色和发光效率的限制，但由于GaP和GaAsPLED具有长寿命、高可靠性,工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路兼容等许多优点因而却一直受到使用者的青眯。
最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工艺技术研究的前沿课题。
超高亮度（UHB）是指发光强度达到或超过100mcd的LED，又称坎德拉（cd）级LED。
高亮度A1GaInP和InGaNLED的研制进展十分迅速，现已达到常规材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能达到的性能水平。
1991年日本东芝公司和美国HP公司研制成InGaA1P620nm橙色超高亮度LED，1992年InGaA1p590nm黄色超高亮度LED实用化。
同年，东芝公司研制InGaA1P573nm黄绿色超高亮度LED，法向光强达2cd。
1994年日本日亚公司研制成InGaN450nm蓝（绿）色超高亮度LED。
至此，彩色显示所需的三基色红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的LED都达到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使发光管的户外全色显示成为现实。
我国发展LED起步于七十年代，产业出现于八十年代。
全国约有100多家企业，95%的厂家都从事后道封装生产，所需管芯几乎全部从国外进口。
通过几个“五年计划”的技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术，使我国LED的生产技术已向前跨进了一步。
尽管我国在LED上游外延片、芯片生产方面同美国、日本、欧盟的生产技术上有一定的差距，但是由于国内外市场应用需求十分巨大,而且终端消费市场呈多元化分散结构，不易形成市场垄断，因而给LED下游厂商带来巨大的发展机会，特别是对于技术上相对落后的中国大陆企业来说，有较大的生存和发展空间。
缘于中国政府对LED产业化的积极推动。
2003年成立了跨部委的国家半导体照明协调领导小组，启动了“国家半导体照明工程”。
国家“863”计划对有关企业及研究机构还投入了相应的资金，以支持基础研究和技术研发，并建立了五个半导体照明产业化基地，启动了一批示范工程。
我国具有丰富的有色金属资源，镓、铟储量丰富（占世界储量的80%），且中国劳动力成本低廉，有能力承接国际半导体照明产业的转移，因此我国LED产业正迎来许多难得的发展机遇
LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。
这些优点概括起来是：
亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。
LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。
1.2LED校历钟市场状况及研究意义
1968年我国第一批发光二极管开始进入市场，至今已有30多个年头，在光学光电子新兴产业中极具影响，在显示技术领域始终占有一席之地，我国政府在电子基础产品发展中，坚持树立大市场观念，以国民经济现代化、信息化为目标，实现产品专业化大生产为重点，扩大出口创汇能力，首选光电子器件等五种新型电子元器件作为发展目标，LED产业是光电子器件发展中的重点，在产值、产量、规模效应等占有优势，虽然在世界光电设计中占有很小的份额，但是我国巨大的市场潜力，使得制造厂商纷纷参与，扩张投资增加产能。
LED显示屏有非常广泛的应用，其中一个重要市场就是学校，它可以示时间节日温度等日常信息，也可以为校方发布通知，也可以显示新闻等。
校历钟可以将这些应用整合到一起，为学校及广大师生提供信息的方便。
我国是一个人口大国，教育事业是国家发展的重中之重，国家在教育事业上的投入将会不断提高，而校历钟作为一种为广大师生提供信息的工具其地位自然也将水涨船高。
1.3设计研究方法目的及意义
本设计采用太原理工大学信息学院自动化系夏路易教授设计的msp430f149实验板进行设计实验，尽量使用实验板上原有元件完成实验设计，用实验板上八段led数码管，实现数字显示实验，用排线外接8*8led点阵实现汉字显示实验。
本系统应做到的以下几点：
1）数字显示——显示时，分，秒，星期，公/农历日期。
2）汉字显示——季节，节假日。
3）设置时间——利用键盘手动调整时间。
本设计的主要意义在于研究与学习微机原理与接口技术在实际中的应用，利用实验室现有的实验仪器进行实物设计。
提高学生实际应用单片机开发设计系统的能力，使学习的单片机理论得到实践的检验。
1）巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；
2）培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；
3）熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。
2系统概述
2．1硬件实现功能
2.1.1显示时间及温度
由于实验板条件限制，只有两个数码管可用，故显示显示日期，时间，温度等时需有键盘调节，按下小键盘上的p1.0开始显示公历年，继续按下p1.0则陆续显示公历月，日，农历月，日，星期，时，分，秒，温度，最后循环回到显示公历年，初始时显示全零，都以两位数表示。
2.1.2设置时间及温度
这一部分是对时间进行设置。
这部分功能是提供给用户使用。
连续按下小键盘上的p1.0键，使数码管显示要调整的内容，按下小键盘上的p1.1键使数码管显示内容闪烁，这是可以确定进入设置状态，按下小键盘上的p1.2键为显示内容加一，按下小键盘上的p1.3键为显示内容减一。
2.1.3.温度测量
这一部分采用DS18B20进行温度采集，并送入单片机处理，按四舍五入法去掉小数位，显示整数位。
温度范围由程序限定为-30——40。
2.1.4.季节及节假日显示
这部分采用外接LED点阵显示，第一块点阵显示季节，又夏，冬两种状态表示但是学校在使用的是夏季或者冬季作息时间表；后两块显示节假日。
2．2系统原理简介
本设计采用msp430f149实验板进行实验，以msp430f149为核心。
在硬件电路中采用p4，p5口作为LED数码管的驱动接口，，这是由于p4，p5口输出驱动电路工作处于开漏状态，它的驱动能力强，故只需外接上拉电阻便可以把LED数码管点亮。
因为共阴的LED数码管它的驱动电流是分开的，在单片机进行动态扫描的时候不会影响彼此的电流，故该电路中的8位LED数码管均用共阴极的数码管。
数码管显示温度及时间内容。
由于实验板限制只有两个数码管可用，需通过按键，并以软件实现温度和时间的轮流显示。
在实际开发时，可外接扩展芯片（如8255）来实现多种内容的同时显示。
键盘输入采用实验板上固化的按键，连接p1.0-p1.3通过软件分别实现显示，调整，+，-，四中功能。
设计中的汉字显示通过p2p3口接驱动芯片74hc245在连接LED点阵，通过扫描的方式来实现汉字在点阵上的显示。
本设计使用三个8*8LED点阵，分别显示季节与节日。
在实际开发中可通过外接扩展芯片行成LED点阵屏，以显示个多的信息，使设计具有实际意义。
2．3系统模块设计
通过对系统功能及原理的简单介绍，设计将分为以下几个模块来实现：
1电源复位模块
2主控制芯片及周边元件
3温度传感器采集模块
4LED数码管显示模块
5键盘输入模块
6LED点阵显示模块
3系统硬件设计
本系统所要完成的是校历钟钟的计时及按键控制等功能，其中最基本的就是实现计时功能，并把相应的数值送到数码管上显示出来，并且温度功能也将在数码管显示。
系统还将实现季节及节假日的显示，通过LED点阵实现。
以下将按照上章分析的各个功能模块实现硬件设计。
3．1系统电源设计
在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一能量来源，它的设计思路是根据我们以前学过的模电电子技术，需将交流220V的电压经过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分。
本设计采用msp430f149为核心，需要在3.3v电压下工作，实验板上的电源部分符合要求，220v交流电经变压器接入实验板，经过输出3.3伏电压给主控芯片供电。
电路图如下：
3．2主控芯片及周边设计
设计中主控芯片为msp430f149，固化在实验板上。
1）它将定时数据输出到LED，实现时间的显示；
2）根据键盘输入调用相应键处理子程序，实现时间的调整和闹铃的设定；
3）接收温度传感器输入的温度数据，进行一定的转换，然后输出到2位的LED显示器显示出来。
4）由软件进行时间的判断，得出需显示的季节及节日，通过软件程序处理输出到LED点阵进行汉字显示。
3.2.1msp430f149简介
虽然MSP430系列单片机推出时间不是很长，但由于其卓越的性能，在短短几年时间里发展极为迅速，应用也日趋广泛。
MSP430系列单片机针对各种不同应用，包括一系列不同型号的器件。
主要特点有：
3.2.1.1超低功耗
MSP430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA，活动模式耗电250μA/MIPS（MIPS：
每秒百万条指令数），IO输入端口的漏电流最大仅50nA。
MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。
用中断请求将CPU唤醒只要6μs，通过合理编程，既以降低系统功耗，又可以对外部事件请求作出快速响应。
3.2.1.2强大的处理能力
MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS（注意：
同样8MIPS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止两倍）。
TI不久还将推出25~30MIPS的产品。
3.2.1.3高性能模拟技术及丰富的片上外围模块
MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。
视型号不同可能组合有以下功能模块：
看门狗（WDT），模拟比较器A，定时器A（Timer_A），定时器B（Timer_B），串口0，1（USART0、1），硬件乘法器，液晶驱动器，10位/12/14位ADC，12位DAC，I2C总线，直接数据存取（DMA），端口0（P0），端口1~6（P1~P6），基本定时器（BasicTimer）等。
3.2.1.4系统工作稳定
上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。
然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。
这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。
另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40~+85℃，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。
3.2.1.5方便高效的开发环境
目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，国内大量使用的是FLASH型。
这些器件的开发手段不同，对于OTP型和ROM型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。
对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发（编译、调试）都可以在同一个软件集成环境中进行。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器。
开发语言有汇编语言和C语言。
目前较好的软件开发工具是IARWorkbenchV2.10。
这种以FLASH技术、JTAG调试、集成开发环境结合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，在单片机开发中还较为少见。
其他系列单片机的开发一般均需要专用的仿真器或编程器。
3.2.1.6CPU
MSP430的CPU运行正交设计，对模块高度透明的精简指令集。
它由一个16位ALU，16个寄存器和一套指令控制逻辑构成。
其中4个寄存器有特殊用途，既程序计数器PC，堆栈指针SP，状态寄存器SR，以及常数发生器CG1，CG2。
除了R3/CG2和R2/CG1外，所有寄存器都可做为通用寄存器来用所有指令操作。
常数发生器用于指令执行时提供常数，而不是用于存储数据。
对CG1，CG2访问的寻址模式可以区分常数的数据。
PC，SR和SP配合精简指令组所实现的控制，使应用开发可实现复杂的寻址模式和软件算法。
表1不同功能的寄存器
功能
简写
程序计数器PC
R0
堆栈指针SP
R1
状态寄存器SR/常数发生器CG1
R2
常数发生器CG2
R3
工作寄存器R4
R4
工作寄存器R5
R5
：
：
工作寄存器R13
R13
工作寄存器R14
R14
工作寄存器R15
R15
表1
3.2.1.7存储器
MSP430系列的存储器空间采用"冯-纽曼结构",代码存储（ROM,EPROM,RAM）和数据存储器（ROM,EPROM,RAM）由同一组地址及数据总线放在一个地址空中。
物理上完全分离的存储区域，例如内部ROM，RAM，SFR，AWA，外围模块以及外接的存储器，都位于一个公共地址空间中。
总的寻址空间在小存储模式时为64KB，在大存储模式时为1MB。
小存储模式采用线性寻址空间；在大存储模式时，代码访问的地址空间为16个64KB段，数据访问的地址空间为16个64KB。
存储器构成为64KB或更少时采用小存储模式，安排在最低的64KB。
数据总线可以是16位或8位宽度。
对于可以以字访问的模块，其数据宽度始终16。
而其他的8位模块只能用字节访问。
程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）既可以用字节访问也可以用字访问。
部分外围模块以16位或8位实现，访问它们必须用适当的字节指令或字指令。
许多外围模块与CPU的连接是通过8位存储器数据总线（MDB），存储器地址总线（MAB）的低5位，2个模块也许信号，2条中断控制/请求线和上电信号实现的，访问这些模块总是用字节指令。
其他16位外围模块的连接通过16位MDB，完全支持字处理，访问必须用字指令。
3.2.1.8振荡器和系统时钟发生器
振荡器和系统时钟发生器的主要设计目标是廉价和低功耗。
为达到系统廉价，外界器件缩减到只有一个普通晶振。
使用低频晶体和含有倍频器的振荡器可满足系统时钟速度与低功耗。
低频振荡的输出为CPU运行和外部模块提供了时钟信号。
为了降低电流消耗，MSP430的CPU和外部模块的不同要求需要俩种时钟信号：
有晶振频率提供的辅助时钟信号ALCK和具有更高频率的系统时钟信号MLCK，其频率为晶振频率的整数倍。
3.2.1.9各种通用端口
MSP430有丰富的端口可工用户使用。
各种端口都有丰富的功能及大量的控制寄存器供用户使用，其中P0，P1和P2具有中断能力。
P0，P1和P2这3个8位端口都能用做输入和输出，同时都有中断能力，每个信号都可做为一个中断源。
P0口有6个寄存器用于引脚控制，P1和P2口有7个寄存器用于引脚控制。
这些模块寄存器位于低端地址，须用字节指令以绝对寻址模式访问。
1端口P0：
（1）端口P0及其所有功能可以按引脚单独选择，并且每个信号都可作为中断源。
有6个寄存器用于端口I/O引脚的控制。
通用模块寄存器位于较低的安排字节模块的外围模块地址。
这些地址必须用字节指令以绝对寻址模式访问。
（2）P0的控制寄存器端口P0通过8位MDB和MAB与处理机内核相连，他必须通过字节指令访问。
它的6个控制寄存器为数字I/O提供了最大的灵活性，每个I/O位均可独立编程，可以有各种输入。
输出和中断条件的组合，P0的8个引脚可实现外部事件的中断处理。
这2位包含在SFR中。
这些寄存器必须用字节指令访问。
2通用端口P1，P2：
通用端口P1和P2由各个引脚选择的功能来组成其全部功能，并且每一个信号都可用做中断源。
它们各有7个寄存器用来控制端口引脚。
通用模块寄存器位于安排字节外围模块的低端地址空间。
这些地址必须用字节指令以绝对寻址模式访问。
端口P1和P2通过8位MDB和MAB与处理机内核相连。
它们必须通过字节指令来防问。
7个控制寄存器为数字I/O功能的应用提供了最大的灵活性：
所有的I/O位均为可独立编程，可以有各种输入，输出和中断条件的组合，P1和P2的8位全部用于对外部事件的中断处理。
通用端口P3和P4相同，由各个引脚选择的功能来组成其全部功能。
每个功能可以选择按端口特性工作或在内部的外围模块控制下工作，有4个寄存器控制P3和P4。
端口P3和P4通过8位MDB和MAB与处理机内核相连。
它们必须用字节指令以绝对寻址模式访问。
4个控制寄存器为数字I/O功能的应用提供了最大的灵活：
所有I/O位均可独立编程，可以有各种输入组合，可以有各种端口和模块功能的组合。
LCD断口可选择作为LCD显示驱动或作为提供静态信号的数字输出.当LCD端口用以驱动LCD显示时,由驱动电路将模拟电压送至输出引脚.LCD输出可经软件配置作为数字输出.LCD控制寄存器的3位LCDM5,LCDM6和LCD控制所有功能.
与定时器/端口模块配合的比较器和LCD端口共用一根SEG线,在PUC后,引脚选择为SEG线功能.当将定时器/端口模块中的CPON位置位后,引脚选择位比较器输入.在PUC引起复位前,CPON一直保持置位.
3.2.1.10定时器
MSP430有多种定时器模块：
看门狗定时器（WDT），基本定时器（BasicTimer1），8位定时器/计数器（8-bitTimer/Counter），定时器（Timer-A）等，这些定模块都能实现定时功能。
看门狗定时器（WDT）实质上是一个定时器，其主要功能是：
当程序发生故障时能使受控制系统重新启动。
如果WDT超过WDT所定时的时间，既发生系统复位。
如果系统不需要看门狗功能，也可将它当作定时器，当达到WDT所定时的时间能产生中断。
WDT有以下特点：
其主体是一个16位计数器，需要口令才能对其操作，有看门狗和定时器俩种模式，有8种可选的定时时间，用停止模式支持超低功能特性。
WDT有一个专门的控制寄存器，有一个记数单元，中断允许和中断标志在SFR中，WDT的计数器WDTCNT是16位增计数器，不能直接软件访问，需要经WDTCTL对WDTCNT进行访问。
WDTCTL被分成俩部分：
高8位被用做口令，低8位才是对WDT操作的控制命令，而要写入操作WDT的控制命令，必须先正确写入高字节看门狗口令。
在读WDTCTL时，不需要口令，可直接读取，而要写入WDTCTL时，必须写入正确的口令才能实现写操作，如果口令写错将导致系统复位。
基本定时器（BasicTimer1）也是一个定时器，通常向其他外围模块提供低频控制信号，它可以是俩个8位定时器，也可以是一个16位定时器。
它有俩个记数单元（BTCNT1和BTCNT2）和一个控制单元（BTCTL）。
通过控制寄存器BTCTL的设置，用户可以方便使用BasicTimer1。
（1）BTCTL控制寄存器
BTCTL内的信息决定了BasicTimer1的运行，由各位的值选择频率源，中断源及LCD控制电路的帧频率。
（2）BTCNT1和BTCNT2增计数器
BTCNT1和BTCNT2这俩个单元都可用软件字节方式进行读写。
它们的输入时钟不一样，输出用途也不一样。
BTCNT1的输入时钟来源只有ACLK，输出信号用做fLCDO信号；而BTCNT2的输入时钟来源有3个：
ACLK，MCLK及ACLK/256，由SSEL和DIV俩位选择。
当作16位计数器时，时钟源只能是ACLK。
8位定时器/计数器主要由8位预置数寄存器，8位计数器，控制寄存器，输入时钟选择器，触发沿检测器，输入输出数据锁存器组成。
定时器/计数器模块硬件通过8为MDB和MAB受CPU控制。
它必须用字节访问。
表2
寄存器
缩写
类型
地址
初始状态
T/C控制寄存器
TCCTL
读写
042h
复位
预置数寄存器
TCPLD
读写
043h
不变
计数器
TCDAT
读（写）
044h
不变
16位定时器A（Timer-A）由计数器，捕获/比较寄存器及输出单元组成。
其中，计数器部分完成时钟源的选择与分频，模式控制及计数器等功能：
捕获/比较寄存器用于捕获事件发生的时间或产生时间间隔；输出单元用于产生用户需要的输出信号。
Timer-A可支持同时进行的多个时序控制，多个捕获/比较功能及多种输出波形（PWM），也可是几种功能的组合。
每个捕获/比较积存器可以以硬件方式支持实现串行通信。
它还具有中断能力。
中断可由计数器溢出引起，也可来自具有捕获或比较功能的捕获/比较寄存器。
每个捕获/比较模块可独立编程，由捕获/比较外部信号以产生中断。
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