线阵led图文显示装置.docx

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线阵led图文显示装置

线阵LED图文显示装置（H题）

摘要:

本系统是把16个超高亮度的LED并排成一列，通过单片机编程把数据按顺序送给线阵LED，通过电机带动LED高速旋转，由于人眼的视觉暂留效应，使人看到的显示内容效果跟平面连续显示效果一样。

本系统以STC12C5A32AD为核心，用光敏电阻检测环境亮度，并用PWM对显示电压进行控制实现亮度自动调节；利用光电反射进行基准位置检测；利用电感互感原理实现旋转主控板对电机的启动、停止控制。

经测试，系统能显示大小变化的同心圆、显示“TI杯”字符，显示“秒针”图像，看到的显示内容效果跟平面连续显示效果一样，效果良好。

关键字：

线阵LED图文显示电机旋转

1.硬件方案论证与比较

1.1基准位置检测方案

为了能稳定显示字符或图像，必须设置发送数据基准点（一般采用标志杆），以保证每次字符或图形显示在固定位置，因此需要对标志杆进行检测，检测的方案有以下三种：

方案一：

采用霍尔传感器进行检测，在标志杆上装一块小磁铁，在控制板上安装霍尔传感器，当控制板旋转时，板上的霍尔传感器会周期性地“经过”磁铁，从而可以检测到标志杆。

方案二：

采用光电检测方法，在标志杆上安装红外发射LED，在控制板上安装红外接收LED，当控制板旋转时，红外接收LED可以接收到来自标志杆上的红外光，从而检测到基准点。

方案三：

也是采用光电检测的方法，区别是在控制板上安装红外发射、接收组件，当红外收、发组件经过标志杆时，控制板上发射的红外光会被标志杆反射回来，从而能够检测到标志杆。

上述三种方案中，可靠性都差不多，但方案三最简单，本次设计选择方案三。

1.2环境光亮度检测方案

本次设计没有定量的环境亮度检测要求，因此采用常用的光敏电阻构成亮度检测电路，用单片机的A/D采样进行相应的处理。

1.3电机控制方案

本系统中，需要用控制板对电机实现控制启动、停止的控制。

在结构上，控制板在上面，电机在下面，两者独立供电，且控制板是旋转的，而电机是固定的，如何实现旋转的控制板对固定的电机的控制呢？

有以下三种方案：

方案一：

在控制板的PCB板上设计类似万用表中敷铜环，用弹性金属片与敷铜环接触，两者间既可以较好导电，又可以相对转动，从而实现上下之间的信号或电源传递。

这种方法对结构要求较高，即要接触良好，又有转动灵活，尤其在设备和材料限制情况下制作难度比较大。

方案二：

利用上下之间的信号无线传输，也就是控制板上和电机控制板上分别安装CPU和无线通信模块，控制板通过无线方式对电机进行控制。

这一方法理论上固然可行，但系统采用两套CPU板和通信模块，显得较复杂。

方案三：

利用互感原理实现控制，控制板通过三极管驱动一组线圈，另外一组直径稍大的线圈套在此线圈外面，并连接到电机控制板，这样两者可以相对转动，同时可以传输信号，从而实现上面旋转的控制板对下面电机的控制。

上述三种方案中，方案三简单、实用，本次设计采用方案三。

1.4CPU电路方案选择

本系统涉及光亮度检测和LED亮度自动调节，因此需要用到A/D和PWM，其它无特别要求，根据现有条件，我们选用内置A/D和PWM的STC12C5A32AD芯片。

1.5系统组成总体框图

根据系统功能要求，本系统由以下电路组成：

CPU电路、环境亮度检测电路、基准点检测电路、功能切换开关、线阵LED驱动、电机控制电路。

系统总体框图如图1-1所示。

图1-1系统总体框图

2.分析与计算

2.1线状点阵LED驱动参数分析与计算

在硬件结构上，我们采用每个I/O口驱动一个LED的方法，因此对于LED驱动实际就是I/O外接限流电阻和LED。

由于LED的压降为1.9V左右，LED的电流取10mA.,根据计算，限流电阻为300欧姆。

2.2线阵LED运动的显示原理及参数计算

根据题目要求，线阵LED要达到的效果为同心圆、“TI杯”和秒针三种，下面分别分析三种情况下的实现原理。

1）变化的同心圆的实现

同心圆的实现比较简单，实质上就是将线阵LED流水灯进行旋转，因此程序上只要实现16个LED的流水灯效果和电机的转动即可，LED的流水的时间间隔为0.3S左右，用单片机定时器产生0.3秒即可。

2）文字的显示

这里涉及两个问题，第一是显示的内容，第二是显示的位置。

显示的内容我们可以参照点阵液晶的字符显示原理，将要显示的文字用字模软件生成字模信息，并存放在CPU中，需要显示时直接从CPU中取出对应的字段信息即可。

显示的位置则是根据标志杆提供的信号，将两次经过标志杆的时间用定时器记录，设为T，则可以得到每1°对应的时间t：

这样我们可以将显示字符固定在需要显示的位置（度数）上了。

比如我们每次从标杆开始延时30xt开始送第一批数据（以后每隔一定时间依次送其它数据），则显示的第一个字符位置每次都是从30°开始，这样保证显示的字符不会发生漂移了。

3）图形（秒针效果）的实现

秒针在走的过程中我们可以理解成每隔1秒指针旋转6°，60秒后正好是360°。

因此程序中只要每秒后，在对应的位置（如下表所示）将线阵LED点亮，为了更好模拟秒表效果，将最外LED恒亮，转动后实现类似手表中的外圆框。

同时在四个关键时间点12点、3点、6点、9点上显示标志，以便于识别时间。

秒

0

1

2

3

……

57

58

59

60

指针度数

0

6

12

18

……

342

348

354

360

送数据时刻

0t

6t

12t

18t

……

342t

348t

354t

360t

4）显示亮度自动调节分析与计算

首先根据光敏电阻与固定电阻的分压得到与环境亮度相关的电压，此电压经A/D采集后转换成数字量N1，8位A/D时N1的值为0~255。

调节LED灯的亮度可以采用调节LED的供电电压，而调节电压可以采用PWM，其原理如下公式所示：

公式：

因此需要用单片机产生PWM波，由于PWM的参数是N2=0~255，对应占空比为100%~0%，根据调光需要占空比从50%~100%可以满足要求，也即实际控制PWM的参数N2=0~127即可。

根据上述数字量N1和占空比控制参数N2的关系可知，N2=N1/2.

3.电路与程序设计

3.1电路设计（模块电路图详见附件1.1）

1）基准点检测电路设计

基准点检测电路图如图3-1所示。

检测电路是由一对红外对管为和比较器为主要元件构成的。

基准点确认原理是：

由红外对管的发射管信号通过标志杆反射后被接收管接收，此时接收管内阻变小，比较器同相端（3脚）输入电压减小，比较器输出低电平，为单片机提供中断信号，从而检测到标志杆的位置。

2）环境光亮度检测设计

环境光亮检测电路图如图3-2所示。

环境光亮检测电路是由光敏电阻RG1和分压电阻R24组成，C2滤出。

无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大，当受到光照时，其阻值随光照增强而减小。

通过单片机的A/D对光敏电阻的分压进行采样，从而确定周围的光照强度，再根据软件控制单片机I/O口的PWM波的占空比进行对LED亮度调节。

3）、电机控制方案

电机控制电路图由图3-3和图3-4构成。

图3-3为控制电机信号的产生电路，图中J1CON2接口接的是高频线圈，在图3-4中还有一个与之相耦合的高频线圈J2。

单片机P12口产生约10KHz的信号，由Q4驱动后输出给线圈。

电机电源电路图如图3-4所示，采用直流12V电源，经过极性保护（桥堆）后输入到三端可调稳压集成块上，得到与电机运行匹配的电压。

底板上线圈的感应信号经过半波整流后转换成直流电压，当超过1.5V以上后即可使VMOS管（Q1）导通，从而电机开始旋转。

3.2程序流程图（流程图详见附件1.1）

（1）主程序流程图如图4-1。

（2）同心圆显示流程图如图4-2。

（3）“TI杯”程序流程图流程图如图4-3。

（4）秒表显示程序流程图如图4-4。

4.系统测试及结果分析

4.1测试方案

4.1.1测试工具

所用工具与仪器有稳压电源，数字万用表，数字示波器，电烙铁等。

4.1.2硬件测试

分别对上述电路模块做相应的测试，保证其正常工作。

4.1.3硬件软件联调

对LED图文显示装置的测试是在一个自制的符合设计任务要求的模型上测试的，逐步按要求进行测试和修改。

4.1.4测试结果（数据）

1）开机测试

装置对点阵中16只LED灯逐个点亮，对16只逐个点亮用秒表进行计时。

表1：

测试数据

测试次数

目标时间

所用时间

偏差

1

16s

16s

0

2

16s

16s

0

3

XX文库-让每个人平等地提升自我16s

16s

0

4

16s

16s

0

5

16s

16s

0

2）同心圆显示测试

实现16个同心圆图形分别顺序（由大到小）和逆序（由小到大）显示，每个同心圆图形显示时间为0.3秒左右。

因对一个同心圆测试的时间太小，故测试16个同心圆所用的时间。

表2：

测试数据

测试次数

所用时间

每个同心圆所用时间

1

4.7s

0.29s

2

4.8s

0.3s

3

4.9s

0.31s

4

4.6s

0.28s

5

4.7s

0.29s

3）LED自动亮度调节功能测试

测试LED显示亮度随环境亮度变化自动调节，用手遮住光敏电阻（环境变暗），线阵LED亮度变暗，当无遮挡（环境变亮）时，线阵LED亮度变亮，说明具有比较明显的自动亮度调节。

4）“TI杯”显示功能测试

切换按键，显示字符“TI杯”，字符显示稳定，无明显漂移现象。

5）秒针显示功能测试

切换按键，显示一个指针式秒表，该秒表以标志杆为起始标志，秒针随时间动态旋转，测试旋转一周所用的时长。

表3：

测试数据

测试次数

目标时间

所用时间

1

60s

60.5

2

60s

59.5

3

60s

60.2

4

60s

60

5

60s

60.8

4.2测试仪器

测试仪器：

数字示波器，数字万用表，指针式万用表，稳压电源，秒表。

4.3测试结果

经过多次调试，可以得出以下结论：

1、LED图文显示装置能够较好的完成基本功能和发挥功能。

2、LED图文显示装置完成的效果不错

3、LED图文显示装置保持了比较好的稳定性。

5.结论与系统特色

根据上述测试数据，可以得出以下结论：

1、LED旋转屏能够较好的完成基本功能和发挥功能。

2、LED旋转屏完成任务的误差较小。

3、LED旋转屏保持了比较好的稳定性。

综上所述，本设计达到设计要求。

参考文献

[1]郭天祥.单片机C语言教程[M].电子工业出版社,2008.7：

95-104.

[2]梁纯，王军.基于MCS-51单片机的LED点阵图文显示屏设计[J].工矿自动化,2006.（6）：

90-92.

[3]袁强，陆启生，李文煜.基于单片机89C51和89C2051点阵LED图文显示[J].工程地质计算机应用,2006.（4）：

17-19.

附录1

1.1电路原理图：

系统总体框图如图1-1所示。

图1-1系统总体框图

基准位置检测电路图如图3-1所示。

图3-1基准位置检测电路图

环境光亮检测电路图如图3-2所示。

图3-2环境光亮度检测电路图

电机控制电路由图3-3和图3-4构成。

图3-3电机控制信号产生电路图

电机电源电路和电机控制如图3-4所示，

图3-4电机电源和控制电路图

1.2程序流程图：

程序总体流程图如图4-1所示。

图4-1程序总体流程图

同心圆显示子程序流程图如图4-2所示。

图4-2同心圆子程序流程图

“TI杯”显示子程序流程图如图4-3所示。

图4-3“TI杯”显示子程序流程图

秒表显示子程序流程图如图4-4所示。

图4-4秒表显示流程图

附录2元器件明细表

主要器件名称

数量

STC12C5A32AD

1

LM317

1

电阻

若干

电容

若干

LED

若干

按键开关

2

光电对管

1

电机

1

稳压电源模块

1

蜂鸣器

1

高亮LED

16

光敏电阻

1

漆包线

若干

S8550

4

LM393P

1