LED旋转时钟的设计毕业论文Word格式文档下载.docx

1、1.5 本课题设计准备本次毕业设计课题主要设计的是基于51单片机的LED旋转时钟，这次设计任务看似很容易，其实并不容易，它需要硬件设计以及软件程序设计相配合。在设计之前，我在因特网上和学校图书馆中查找课题有关的资料，以及相关容的英语文献，仔细审阅和筛选，并询问导师，查找出有用的资料，最后总结起来设计我的电路原理图，以及PCB图。再根据原理图设计程序，单片机程序讲控制LED灯的亮灭，这是非常重要的一个步骤。再之后根据原理图列出元器件清单，到实体店或者网上购买元器件，为以防元器件损坏或者丢失，会适当的多购买一些元器件。元器件购买完成就可进行电路板的焊接。如下表1-1为元器件列表。 表1-1 元器件

2、列表原件名称规格或型号数量单片机STC15F2K08S21电机1200rmp万用板3cm*7cm4cm*6cmLED指针模块34个LED灯、34个电阻、1单片机电容470uF3时钟模块稳压管5.1v电阻10k1R下载器STC下载器整流管414842. 原理介绍2.1 单片机介绍单片机是单片微型计算机的简称，单片机是一块集成了很多模块和功能的芯片，它在一块芯片是集成了程序存储器、数据存储器、中央处理部件、定时/计数器和多种输入、输出（I/O）接口等功能部件，它是片各个功能的部件通过部的总线相互连接起来的微型计算机。单片机它具有很多优点，它具有控制能力强、性价比高、体积小、易扩展、高集成度、低电压

3、、高可靠性、低功耗等等优点。现在单片机的发展已经渗透到人们的生活中，并且渗透到了各个领域，单片机在家用电器、智能仪表、军事装置、工业控制等等方面，都得到了非常广泛的应用，单片机现在已经无处不在了，现在几乎很难找到哪个领域是没有它的痕迹的。2.2 芯片的选择一开始本次设计选择的是STC15F2K08S2单片机，选用的是贴片式芯片，因为由于此次设计的电路板是要随着电机高速旋转，所以不宜选择太大的芯片，如果选择太大的芯片会导致电路板制作的比较大，为以防电路板高速旋转时不稳定，所以选择了贴片式的芯片。之后在制作过程中，由于是手工制作，贴片式的芯片管脚较小又多，不易焊接，很容易连接错误，所以，上网选购了

4、已经焊接好的芯片模块，避免了很多的麻烦。2.3 单片机STC15F2K08S2介绍单片机STC15F2K08S，它具有很多超强的优点，例如它具有超强的抗干扰性以及采用了STC第八代加密技术。STC15F2K08S单片机是不需要外部晶振和外部复位的单片机，它还可以省掉外部的EEPROM，利用了IAP技术。并且它的编程方便容易，它不需要编程器和仿真器，可在线编程。这个单片机具有很大的容量，其有2K字节的SRAM，具有两个独立的串口。STC15F2K08S单片机还具有高速，高可靠性的特点，非常的功耗，并且价格低廉。对于这次应用于这次课题设计，非常的合适。STC15F2K08S单片机引脚如图2-1所示

5、。芯片14脚：VCC：电源电压。 芯片16脚:GND：接地。 图2-1 STC15F2K08S2管脚图2.4 贴片发光二极管原理介绍发光二极管是一种可以直接将电信号转换成为光信号的特殊二极管。发光二极管的基本结构是由一个PN结构成的，它也具有单向导电性。所以它的伏安特性曲线和普通二极管非常的相似，但它的死区电压为0.9V-1.1V,它的正常工作电压为1.5V-2.5V,它的工作电流为10mA-20mA。并且它的反向击穿电压较低，一般小于10V。贴片式发光二极管如下面的图2-2片所示。 图2-2 贴片LED灯图发光二极管之所以能够发出光，主要是因为它的PN结的结构，这个是由磷化镓、磷砷化镓等等半

6、导体的材料制作而成的。当对它加入正向偏置电压的时候，多子的扩散运动就会增强，这样使得多子大量地复合然后以光的形式释放出能量。然后LED灯的发光的颜色主要由所用的材料来决定的，它可以发出红、黄、绿等等可见光，也可以发出看不见的红外光还有紫外光。其次LED灯的发光亮度与流过管子的电流成正比，电流为几个毫安时便可以明显发光。由于电机带动LED电路板快速旋转，选用贴片式的LED灯比较美观，除了美观以外，它相比普通的发光二极管还有很多的优点，例如：它的体积比较小，并且耗电量比普通二极管更低，所以使用的寿命也比较长，灯光的亮度也相比比较高。另外它有坚固的外壳，耐用又牢靠；反应速度快速，并且可以防止震动，节

7、约能源，具有很高的解析度。贴片式的发光二极管还很环保。2.5 红外对管原理介绍红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的统称。红外发射管是从红外发光二极管构成发光体，用红外线辐射工作效率比较高的材料制成PN结，常用磷化镓作为材料。正方向的偏置电压向PN结上加入电流触发的红外光线，它的光谱工作效率主要为中心波长830nm950nm。显示的是正温度指标。其中电流流动的值值越大，那么它的自身温度就会升的越高。当温度不断的升高，它的电流也会不断的增大。发光二极管的红外线灯的工作效率的高低，是和电流的大小息息相关的。但是，这也是有个局限的，当正方向的电流超

8、出了最大限制的时候，红外灯发射的功率就会在预料中下降。光敏接收管是一个具有光敏特征的PN结。是光敏二极管的一种，它具有单向导电性，所以在工作的时候需要加上反向电压的击穿电压。没有光线照耀的时候，有很小的饱和反向漏电流也成为暗电流。此时光敏管不导通。在光线照耀的时候，饱和了的反方向的漏电流会立即加大，构成光电流，在围它会随着入射光线的强度的变化，来不断增大。2.6 稳压管原理介绍稳压二极管是一种晶体二极管。它是由材料硅做成的，是一种面接触型的晶体二极管，简单的叫做稳压管。稳压二极管也被叫做齐纳二极管。这个稳压二极管是一种半导体器件。它在面临反方向的击穿电压面前，还拥有很高的电阻。稳压管在加入反方

9、向的电压击穿的时候，在规定的电流限制围，它两端电压差不多是不会改变的。显示出出稳压的特殊性质，这就是它为什么非常大围的运用在稳压电源还有限幅电路上。稳压二极管是根据击穿电压来规定档次的，由于这个特殊的优点，稳压管被当为稳压器还有一些电压基础的元器件来实用。稳压二极管还能够串联起来，为了更加方便的在很高的电压上实用。通过串连就能够获得比较多的稳定电压，这样它被称为双向稳压二极管。2.7 视觉暂留介绍视觉暂留现象即视觉暂停现象又称“余晖效应”，最先提出的是在1824年由英国伦敦大学教授皮特马克罗葛特在他的研究报告移动物体的视觉暂留现象中。当人眼在观察景物还有事物的时候，这时候光信号被传入到大脑的神

10、经，这个过程需要经过一段短暂的时间，当光的作用结束以后，视觉形象并并不会立即的消失，这种残留的视觉被称为“后像”。视觉的这一钟神奇的现象则被称为“视觉暂留”。当物体在快速运动的时候, 当人眼所看到的影像消失以后。人的眼睛任然能够继续保留这个影像0.1秒-0.4秒左右的图像。这种现象就被称为“视觉暂留”现象。视觉暂留呢，是人的眼睛具有的一种非常独特的性质，相信很多人都在生活中感受到过。人的眼睛观看物体的时候，物体是成像在人眼的视网膜上的，并且由视觉神经输入到人的大脑中，这样就感受到物体的图像。但是当物体移去的时候，视觉神经经对物体的印象不会马上就消失，它会而持续0.1秒 -0.4秒的时间，“视觉

11、暂留”指的就是人的眼睛的这种特殊的性质。此次毕业设计课题，就是利用人眼的这种“视觉暂留”而形成的LED旋转时钟。视觉，实际上是依靠人的眼睛的晶状体形成图像，感光细胞用来感受光的存在，并且将光信号转换成为神经的电流，然后传回到大脑引起人体的视觉。感光细胞的感光，它是靠一些感光色素，但是感光色素的形成也是需要一些时间的，这就是形成“视觉暂留”的主要原因。 首先是中国人发现的“视觉暂留”现象，据历史记载，其中出现的最早的视觉暂留就是宋时的走马灯。当时记载的宋时的走马灯 ，在当时被称为 “马骑灯 ” 。在之后法国人保罗罗盖便在1828年发明了留影盘。留影盘它是一个被绳子在两面穿过的圆形的盘子，盘子的其

12、中一个面画了一只鸟，另一个面画了一个空笼子。当圆盘旋转起来的时候，鸟就在笼子里出现了，就像是鸟被关在了笼子里。这就是很早以前的视觉暂留现象，这就证明了当人的眼睛看到一系列图像的时候，人的眼睛会一次保留一个图像。这次毕业设计课题其中的成像原理，用的就是以上所介绍的视觉暂留的现象，让我们可以在电机带动LED灯电路板旋转的时候，通过LED灯的亮灭，看到动态显示的LED旋转时钟。其功能多样可以改变，还美观，还能计时。2.8 旋转时钟的实现LED旋转时钟，利用了人的眼睛的视觉暂留的性质，这里用许多只发光二极管排成其一列，并与一排的电阻相连接，另外再与单片机STC15F2K08S相连接。然后再通过时序的控

13、制来控制发光二极管的亮灭，当电机带动LED灯模块旋转起来，显示出动态扫描出来的显示屏，然而形成旋转的LED旋转时钟。3. 毕业设计总体框架3.1 毕业设计框架图稳压电源接入电机转动5V电源接入 图3-1 总体框架图3.2 总体设计思路LED旋转时钟主要由两个部分组成：电机部分和单片机控制发光二极管显示部分。在单片机控制发光二极管显示部分，为了制作的方便，把单片机以及发光二极管等器件焊接到一个电路板上，这样可以使旋转的电路板制作成为一个独立的系统，再将电机插入电路板的中间，这样电机轴插入其中并带动电路板旋转旋转。因为电机将带动电路板高速旋转，如果使用线连接上下板的电源，那么旋转的时候就会导致线缠

14、绕起来而无法继续正常运行，所以在这里我使用了线圈感应。在上下板利用电感线圈相连接，用无线的方式将上下班的电源连接好，这样就能使两个电路板正常的工作。此外这里选用的电路板越小越好，越轻越好，器件也可以及尽量使用贴片式的，但是由于贴片式在手工制作时焊接有困难，所以这里我在网上寻找到连接好的贴片式的LED灯和贴片式单片机相连接好的模块，这样节省了很大的工作量，并且使电路板美观又高性能。人的眼睛具有视觉暂留的错觉，无法区分间隔小于0.1s的图像。因此，我们所要设计的LED旋转时钟主要由两大部分组成：单片机STC15F2K08S核心系统控制部分和电机转动部分。单片机控制部分由一整排的发光二极管及单片机组

15、成，单片机主要用来控制所有二极管的亮和灭、计时等。电机机械转动部分是一个转速约为1200rpm的电机，带上负载后，转速有所下降，电机机械转动然后带动LED邓电路板转动起来。这样，LED旋转时钟的基本框架就已经构成了，总的来说，就是通过单片机控制二极管的亮灭，利用电机的转动，使人眼产生视觉暂留的错觉，呈现出时钟的走动的图像。3.3 关于计时和电机转速监测的实现直流电机的控制比较简单，比较适合用在LED旋转时钟中带动电路板旋转。计算出了周期T=60ms，即是电机转轴每60ms旋转一圈，得到的每秒转动的圈数f=1/T=16.7，所以可选用转速约为1000rmp左右的电机，可以通过与电位器串联来进行具

16、体电机转速的调整。4. 实验步骤设计好整体框架；设计原理图；编写程序；根据原理图购买器件；根据原理图连接并焊接器件；检查元器件的焊接；烧录程序；连接上下层板；调试电路板至功能实现。4.1 详细具体步骤首先利用Protel99SE画出原理图。 打开软件后，在文件夹的根目录下创建my design.ddb文件并命名为其命名，打开Documents，在此目录下新建sheet1.sch；打开sheet1，根据查找资料总结所设计的LED旋转时钟画出原理图。由于购买的电路板是万用板，所以为了方便起见，可以不画PCB图，最后将设计好的原理图保存好。之后进行焊接，焊接器件之前，准备好电烙铁、螺丝刀、尖嘴钳、剪

17、刀、镊子、焊锡等工作用品，检查元器件是否齐全。然后根据原理图将元器件焊接到万用板上，并将线用电线或者焊锡将各元器件连接起来。再根据设计要求和原理图、根据设计方案等，编写单片机程序，通过编译调试完成单片机程序的编写。最后将单片机程序烧录到单片机中，就完成了电路板的制作。完成电路板的制作后，并不代表这个设计就完成了。最重要的一步就是调试，首先调试过程中，要熟悉电路原理图，再对照原理图检查电路板，是否有接错、短接、短开或者正负两级接反的情况。否则，在接入电源时，很有可能电路板无法正常运行，或者出现元器件烧坏的情况。完成调试后，就可以连接电源，看电路板是否已经成功的实现其功能。4.2 硬件设计4.2.

18、1电路原理图首先设计上层板外围电路，电路原理图如图4-1所示： 图4-1 外围电路原理图 其次是单片机最小系统以及LED灯的电路板设计，设计原理图如图4-2所示。 图4-2 LED灯模块原理图4.2.2电路各部分功能以及焊接单片机核心控制部分，此部分采用STC15F2K08S2单片机，下载程序控制电机的转动来实现LED灯的亮灭，以至产生视觉停留，实现此设计的时钟功能。LED显示部分，这个部分我在网上购买了已经焊接好的贴片式的发光二极管，如下图所示这里采用的是蓝色的高亮的贴片式发光二极管，在这里LED灯的亮灭由单片机STC15F2K08S控制，电机带动LED灯旋转，人眼睛的视觉暂留就能够看见LE

19、D旋转数字时钟。DS1302时间模块，芯片DS1302 是DALLAS 公司推出的一种含有时钟的涓流充电时钟芯片。它芯片不仅含有实时时钟，其中还包挂了日历。芯片DS1302还具有31 字节的静态RAM。这个芯片通过简单的串行接口和单片机之间进行交流通信。实时时钟为电路准备秒、分、时的信息。而日历为电路准备年月日的有关消息。并且这个芯片还具备了闰年的调节功能。构成如下面的图4-3所示。 图4-3 DS1302模块图设计好电路，将所有元器件焊接到万用板上，并根据原理图进行元器件的连接，线的连接等。因为我购买了部分模块，可以省掉一些焊接的麻烦，但依然要检查各个元器件是否都连接正常，首先检查LED灯的

20、正负是否焊接正确，并检查电路板是否有短接、断接，检查各功能模块是否正常供电并且正常运行。整流稳压电路的焊接，要将四个4148整流管正确连接，并且有正负极，得正确的连接正负极，黑色的一端是负极，则相反的另一端就是正极。所有元器件的焊接都要注意它们的正负极，如果正负极连接不正确，元器件就不能正常工作，整个电路板就无法正常运行。LED灯的焊接很困难，因为是贴片式的，很小，很难拿捏那个力度，很容易就会将旁边的管脚连接在一起，并且正负极也要正确的区分，但是由于我购买了这一模块，所以省掉这些麻烦，但是正负极还是得认真的检查一次。并且检查灯的好坏。上下层板都焊接完成后，将两个板连接起来，注意上下层板连接点的

21、时候，要注意将次级线圈还有初级线圈两个线圈要齐平连接。焊接完成后就可下载单片机程序，最后连接电源，调试电路板。4.3 程序设计4.3.1程序设计这里是主程序段，使能中断,中断优先级，装载计数初始值：MAIN: MOV IE, #86H ; 使能Timer 0中断和外部中断1 SETB TCON.2 ; 设置 MOV IP, #02H ; 设置Timer 0优先级较高 MOV TMOD, #01H ; 使用Timer 0工作在模式1下 MOV TH0, #3CH ; 装载计数初始值，50ms延时 MOV TL0, #0B0H MOV R0, #00H ; Timer 0的50ms延时计数器 MO

22、V R1, #00H ; 秒的计数器 MOV R2, #00H ; 分的计数器 MOV R3, #00H ; 时的计数器 MOV 32H, #0FFH ; 旋转时钟的指针显示数据 SETB TR0 ; 启动Timer 0中断 JMP $ ; 循环本行，等待中断发生这里是Timer 0中断服务子程序，用于分，时计时： TIM0: INC R0 ; 50ms延时计数器加1 CJNE R0, #20, NEXT ; 如果不等于20，说明不到1秒，跳到NEXT INC R1 ; 如果R0=20，计时1秒，R1加1 CJNE R1, #60, INC_SEC ; 如果R1不等于60，说明不到1分钟，跳到

23、INC_SEC INC R2 ; 如果R1=60，计时1分钟，R2加1 MOV 30H, R2 ; 将分钟存储在30H CJNE R2, #60, INC_MIN ; 如果R260，说明不到一分钟，跳到INC_MIN INC R3 ; 如果R2=60，计时1小时，R3加1 MOV 31H, R3 ; 将小时存储在31H CJNE R3, #12, INC_HR ; 如果R3不等于12，说明不到12个小时 如果R3=12，将R0R3计数器清0 MOV R1, #00H MOV R2, #00H MOV R3, #00HNEXT: MOV TH0, #3CH ; RETI ; 返回主程序INC_S

24、EC: MOV R0, #00H ; 50ms计数器清0 JMP NEXT ; 跳至NEXTINC_MIN: MOV R0, #00H ; 50ms计数器清0 秒钟计数器清0 JMP NEXT ;INC_HR: MOV R1, #00H ; MOV R2, #00H ; 分钟计数器清04.3.2旋转时钟程序下载在网上购买一条STC芯片的下载器，并在电脑上安装程序下载软件。首先，将下载器连接上电脑，下载器提示灯显示正常，接着右键点击我的电脑，选择点击进入管理，进入管理界面，选择设备管理器，看串口是否连接正常，看到串口连接正常后，点击进入下载程序的软件。按照芯片的以及程序选择要求，选择串口，以及单

25、片机型号，设置好，如下图4-4所示： 图4-4 程序软件下载图 设置完成，打开程序文件，选择已经编译好的程序文件，加载完成后，点击下载/编程，这个时候程序就下载到了单片机里。5. 调试过程在整个设计的过程中，我都个人并且独立的完成了这些过程，从设计、采购、组装、焊接、调试、改进，这每一个小小的步骤都倾注了我的力量，一开始本来以为这个课题是很简单的，但是在逐渐研究的过程中，发现了很多没有学习过没有面临过的问题，在一开始的初衷可能只是想完成任务，完成设计，后来慢慢发现在这个过程中，我遇到了很多问题，同时也真正的学习到很多的知识，这并不是一次单纯的设计，这是毕业最后一次学习的机会，从中学到的不止是专

26、业知识，还能从中锻炼许多的品质，要坚持到底、要不懈努力、要积极进取、要独立动手等等，所有的这些，我相信在未来的生活中，对我会有无比大的帮助。在这次设计中，我遇到了很多的困难，一开始的使用的是AT89S52贴片式的单片机，然后腐蚀了两块电路板，但是由于贴片式的单片机的管脚太近，太小，焊接有一定的难度，后来在焊接过程中浪费了两块板。最后我重新上网查找资料，更改了我的原理图，并且重新选择了芯片，并把之前贴片式的LED灯也更改了，但是后来焊接好所有器件以后，结果并没有达到预期的效果，不美观也不精准，后来上网查找以后，发现有已经焊接好的单片机系统以及贴片式LED灯的模块，我就购买了这个模块的集成板，并购

27、买了部分模块，还有新的元器件，重新设计了原理图，又一次做了大的更改。虽然做了很多次电路板，但是这次毕业设计，我尝试了很多次失败，但是失败的同时，我并没有气馁，也没有放弃，我一次次认真的查找资料，一次次认真的更改原理图，最后还是像我预期的一样使得电路板能够实现了它的功能。很遗憾的是在这次程序设计中，我没有加入提高部分，难度对于我有些高，我只是实现了其基本功能。在原理图设计的过程中，还遇到了一个曾经从来没有用过的元器件，红外对管，然后我XX查找资料，了解了它的特性和用法，准确的用到了电路中。由于电路板需要高速旋转，并且LED灯的亮灭和电机的旋转的转速得契合，才能实现其准确的计时功能，所以在调试电机的转速时，遇到了很大的困难，后来在