旋轉(zhuǎn)led-立體

1、LED旋轉(zhuǎn)顯示屏設(shè)計成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系2004級 伍祥旭 鮑舒耕馮林燕指導(dǎo)教師：周江 劉洪濤 摘 要：本設(shè)計利用高速旋轉(zhuǎn)中控制LED的亮滅，進(jìn)行字符或圖形的顯示，控制器采用廉價的89C51單片機(jī)，完成顯示內(nèi)容的傳輸、字庫的轉(zhuǎn)換、顯示等功能。顯示的內(nèi)容給人一種漂浮的感覺，并且是360°全方位的顯示，可以用于很多的場合，比如廣告牌、家庭裝飾、記分牌、娛樂顯示等。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，LED顯示器，旋轉(zhuǎn)顯示 我院本次針對四川省大學(xué)生電子競賽的選拔賽題目是設(shè)計一種電子顯示屏，我們通過思考，決定設(shè)計一個以旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行顯示的新的顯示屏，在參賽的同時提高自己的電路設(shè)計和單片機(jī)開發(fā)

2、能力。一、設(shè)計思路旋轉(zhuǎn)顯示屏是通過一個旋轉(zhuǎn)的支架，支架上排列的LED受單片機(jī)控制在特定的位置亮或滅，從而顯示出特定的字符或圖形。本作品主要是根據(jù)人的視覺暫留原理設(shè)計的。人眼的視覺暫留時間是0.02S，如果采用3000轉(zhuǎn)/S的高速電動機(jī)，帶動LED高速旋轉(zhuǎn)時，從視覺效果上就會產(chǎn)生一種柱狀的LED顯示屏的狀態(tài)。顯示的字符或圖形看起來是漂浮在空中的，不僅美觀，而且新穎。1、總體設(shè)計思路本顯示屏應(yīng)由機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分、顯示電路、通信電路等幾部分構(gòu)成。由于顯示屏在高速旋轉(zhuǎn)的情況下不便于接線進(jìn)行顯示內(nèi)容的更改，所以設(shè)計中我們選用了紅外通信模式傳輸數(shù)據(jù)?？傮w構(gòu)成如下圖所示： 圖1 總體構(gòu)成圖2、結(jié)構(gòu)設(shè)計思路顯示屏

3、的主體為兩個可旋轉(zhuǎn)的矩形框架。我們在框架的兩邊都安裝上發(fā)光二極管，由電動機(jī)通過中心軸帶動框架進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，框架上的兩列發(fā)光二極管因高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生柱狀顯示屏。其中一列發(fā)光二極管作為顯示過程中的背景光燈使用。主體框架如下圖所示：圖2 框架設(shè)計圖 二、硬件組成1總體構(gòu)成經(jīng)過分析、比較，我們最終確定了以89C51作為控制器。由于89C51芯片的片內(nèi)存儲器容量有限，我們另外擴(kuò)展了一塊存儲器芯片29C040作為字庫存儲器，儲存一個完整的漢字庫，為顯示屏提供顯示內(nèi)容。為了解決計算機(jī)向旋轉(zhuǎn)體中的單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)的問題，我們采用了紅外傳輸?shù)姆绞剑河嬎銠C(jī)先通過RS232接口將數(shù)據(jù)傳送到一個89C2051單片

4、機(jī)，將數(shù)據(jù)用38KHz調(diào)制后利用紅外設(shè)備傳輸。此外，在顯示屏高速旋轉(zhuǎn)時，顯示內(nèi)容的穩(wěn)定與否取決于轉(zhuǎn)動的相位與LED發(fā)光時間的配合精度，所以還需要一個校準(zhǔn)器件來判斷顯示屏的轉(zhuǎn)動是否到達(dá)準(zhǔn)確位置并根據(jù)結(jié)果做出校正處理，本設(shè)計中選用了霍爾元件進(jìn)行相位檢查并完成校正功能，使LED發(fā)光與旋轉(zhuǎn)保持同步。圖3 硬件構(gòu)成圖2部分單元電路的設(shè)計在硬件電路中，對幾個關(guān)鍵電路我們采用的設(shè)計是：（1）顯示電路圖4 顯示電路圖 發(fā)光二極管的亮度決定了顯示屏的視覺效果，我們采用2803芯片為發(fā)光二極管提供驅(qū)動，驅(qū)動電流達(dá)35mA（為保證發(fā)光二極管在該電流下能正常工作，我們對發(fā)光二極管進(jìn)行了抽樣測試，在45mA下

5、工作十個小時，沒有損壞）。另外，由于89C51是8位數(shù)據(jù)處理器，我們可顯示的最大數(shù)據(jù)位數(shù)可為16位，在設(shè)計時使用兩片74HC573對接的方法提供兩級數(shù)據(jù)鎖存、緩沖，實(shí)現(xiàn)對端口的擴(kuò)展能力。2、字庫電路圖5 字庫電路圖 我們?yōu)?9C51擴(kuò)展了一片512 KB容量的存儲器芯片29C040，能夠滿足普通使用要求。3、紅外發(fā)送、接收電路從計算機(jī)串口接收數(shù)據(jù)，可以在顯示屏工作的狀態(tài)下直截通過電腦進(jìn)行顯示內(nèi)容的改變。實(shí)現(xiàn)該功能的是紅外發(fā)送和接收電路。紅外發(fā)送電路有雙重功能：一是從計算機(jī)串口接收數(shù)據(jù)，二是將接收的信號調(diào)制成紅外傳輸信號。計算機(jī)的數(shù)據(jù)可以通過串口調(diào)試軟件直接發(fā)出，發(fā)出的數(shù)據(jù)每包為固定的

6、20個ASCII字符或10個漢字，采用低速發(fā)送以提高紅外傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。為了在顯示屏高速旋轉(zhuǎn)工作的狀態(tài)下能準(zhǔn)確無誤地接收到紅外數(shù)據(jù)，我們，在與顯示主板相聯(lián)的旋轉(zhuǎn)中軸上端打一個通孔，在通孔上安裝紅外接收模塊，讓紅外模塊接收到的數(shù)據(jù)直截送給顯示主板上的控制器。在紅外接收模塊的正上方上固定安裝的一個與紅外發(fā)射頭相聯(lián)的發(fā)射板。發(fā)射板是以AT89C2051為控制核心。所有從電腦串口傳送過來的數(shù)據(jù)都是通過它轉(zhuǎn)變成帶有38K載波的紅外數(shù)據(jù)格式送給紅外發(fā)射頭供發(fā)射使用。具體電路如下：圖6 紅外發(fā)送電路 電路中，T1完成從RS232到單片機(jī)串口的電平轉(zhuǎn)換。T2是紅外發(fā)光管的驅(qū)動管。圖7 紅外接收端電路圖

7、 該紅外接收端位于轉(zhuǎn)軸頂部，自帶38KHz解碼功能，電路設(shè)計簡單、使用方便。AT89C2051中的程序如下：ORG0JMPSTARTORG0BHJMPT0_INT START:CLRP3.5MOVTMOD,#2MOVTH0,#243；紅外發(fā)射38K參數(shù)設(shè)置MOVTL0,#243SETB<, , ,/SPAN>EASETBET0WAIT:CLRP1.0;信號指示燈JBP1.7,WAIT;P1.7串口信號輸入SETBP3.5SETBTR0SETBP1.0JNBP1.7,$CLRP3.5CLRTR0MOVTH0,#243MOVTL0,#243JMPWAIT 

8、T0_INT:CPLP3.5;載波38K輸出RETIEND 4、相位檢測電路圖8 相位檢測電路圖 圖中CON 3為霍爾元件，當(dāng)顯示屏旋轉(zhuǎn)到磁鐵所在位置時，輸出低電平脈沖至89C51，作為位置基準(zhǔn)信號。三、控制程序 顯示內(nèi)容的接收、轉(zhuǎn)換、同步、顯示都在控制器的控制之下。根據(jù)數(shù)據(jù)的處理過程，我們編寫了相應(yīng)的控制軟件。1、控制程序流程圖圖9 控制程序流程圖 2、控制程序說明（1）當(dāng)程序開始運(yùn)行的時候，首先就是要對程序進(jìn)行初始化，主要作用就是讓程序按照我們所設(shè)計的初始值去運(yùn)行。初始化之后，由紅外接收器判斷是否有數(shù)據(jù)送入，如果有數(shù)據(jù)送入就通過紅外接收器進(jìn)行接收，然后將該數(shù)據(jù)

9、轉(zhuǎn)換為點(diǎn)陣，再存入顯示緩沖區(qū)，再根據(jù)霍爾元件檢測到的同步信號，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校對，如果有數(shù)據(jù)輸入的話那就將數(shù)據(jù)計數(shù)器進(jìn)行清零。執(zhí)行完成后返回到初始化操作之后重復(fù)以上的操作。（2）如果紅外接收器沒有檢測到數(shù)據(jù)輸入，則直接檢查霍爾元件是否有同步信號，有則就返回初始化操作，無就直接讀取片外存儲器提取字庫，然后進(jìn)行顯示。對送數(shù)據(jù)計數(shù)器進(jìn)行加1指令。隨后返回到初始化操作之后進(jìn)行循環(huán)掃描。四、設(shè)計制作過程中問題的解決1、結(jié)構(gòu)問題我們認(rèn)為，整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是決定作品成敗的關(guān)鍵。經(jīng)過試驗，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對穩(wěn)定性影響很大，因此采用角鋼支架，以鋼板為底，同時對轉(zhuǎn)盤進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，基本解決了轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性問題。防振采取了以下措施：

10、(1)     在各種元器件的擺放位置上都做到平衡放置的要求；(2)     將電源、變壓器設(shè)為一體以便加大主體的重量，從而抑制振動；(3)     采用鋼質(zhì)材料，從而加固各級子部件之間的聯(lián)接，來減小振動；(4)     關(guān)鍵傳動部位，嚴(yán)格要求加工精度，從根本上消除振動。3、噪聲問題由于我們的框架是純手工制作，所以它的精度并不是很高，在高速旋轉(zhuǎn)的情況下難免會有一定的聲音，于是我們采取了一系列的方法來減少噪音，比如讓中間的主旋轉(zhuǎn)框架在旋轉(zhuǎn)

11、的過程中盡量保持平衡，不致因哪一方過重從而導(dǎo)致噪音過大，在齒輪和軸承上添加潤滑油以減小噪音的產(chǎn)生，在主框架外加上玻璃罩以隔離噪音。4、供電問題由于我們的電路板是隨主框架一起高速旋轉(zhuǎn)的，所以不可能使用導(dǎo)線進(jìn)行供電，因為這樣會把導(dǎo)線纏上，所以我們就另外想了兩種方案。（1）         在中心軸的周圍裝上4個電刷，由電源通過電刷對高速旋轉(zhuǎn)中的主電路板進(jìn)行供電。采用電刷供電的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但有電火花干擾的顧慮。（2）        

12、; 在中心軸上面放一個小型發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的定子為磁鐵，固定在軸上，線圈為轉(zhuǎn)子，直接連接在電路上，高速旋轉(zhuǎn)時即可產(chǎn)生電流，對主電路進(jìn)行供電。這種方法可克服由電刷產(chǎn)生的干擾。在制作過程中我們先進(jìn)行了實(shí)驗，用單片機(jī)做了個循環(huán)燈控制器作為主電路，然后用電刷進(jìn)行供電，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用碳刷后再使用穩(wěn)壓電路，可保證單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作，因此我們選擇了由電源通過電刷來對主電路板進(jìn)行供電。5、信號傳輸問題由于控制單片機(jī)是在旋轉(zhuǎn)的支架上，從計算機(jī)到單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳送也成了一個問題。數(shù)據(jù)的傳輸不能采用電刷來進(jìn)行，因此采用了紅外傳輸?shù)姆绞?。為了使紅外傳輸可靠，采用了家電紅外遙控的38KHz調(diào)制方式，使用了帶有放大和解調(diào)功能的接收模塊，很好地解決了這一問題。6、同步問題顯示的圖像或文字要穩(wěn)定，同步是關(guān)鍵。要達(dá)到同步的目的，同步信號的取得是關(guān)鍵。在設(shè)計前，我們考慮了多種方案，如光電式、磁場式等，最后選擇了使用霍爾器件的磁場方式，達(dá)到很好的效果。五、小結(jié)本系統(tǒng)以單片機(jī)芯片為核心部件，通過電腦來控制和調(diào)節(jié)所要顯示的內(nèi)容，通過紅外數(shù)據(jù)傳輸可實(shí)現(xiàn)在顯示屏旋轉(zhuǎn)中對顯示內(nèi)容進(jìn)行更改。在設(shè)計過程中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件在編程方面靈活的特點(diǎn)，來滿足系統(tǒng)設(shè)計的要