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旋转led动态显示屏的设计
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旋转LED动态显示屏的设计
院（系）自动控制系
专业班级自动化XXX
学生姓名XXX
学号090XXX
指导教师XXXX
评阅教师____
20XX年1X月
摘要
进入新世纪，光电子产业在社会上受到了广泛重视，LED显示作为信息传播中的一种重要的手段，已被广泛应用于室内外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所。
尤其在没有投影仪的地方，旋转LED的优越性体现得非常明显，在当今高度发达的经济市场上，富有创意、应用面广的、挪移方便、具有吸引力的信息传播系统显得十分的重要！
二十一世纪是数字传播的时代，随着LED技术的应用和普及，数字LED显示屏的应用非常广泛。
传统的LED显示屏以平面效果居多，旋转式LED环形显示屏的设计，是利用人眼视觉暂留效应，通过高速电机带动LED阵列旋转，给人们一种新的视觉体验。
本设计基于STC89C52RC单片机，采用独立的LED，通过直流电机带动旋转，可形成平面显示效果可广泛应用于家居，企业和公共场所。
本文在简要介绍旋转LED显示屏工作原理的基础上，详细说明了旋转显示屏的方案选择和系统结构设计，以及具体硬件电路和软件设计流程。
在此基础上，本文还讨论了旋转LED显示屏设计中需要注意的一些关键问题，给出了相应的解决方案，并提出了一些改进和完善本系统的思路和设想。
实际制作的LED旋转显示屏技术参数的测试结果，以及实际的运行效果表明，本文设计和制作的旋转显示屏符合设计要求，具有一定的创新性和实际应用价值。
旋转STC89C52RC单片机时钟芯片DS1302LED灯
ABSTRACT
Inthenewcentury,thephotoelectronindustrywideattentionbysociety,LEDdisplayasanimportantmeansofinformationdissemination,hasbeenwidelyusedinindoorandoutdoorservices,contentandservicesneededpublicitypurposesinpublicplaces.Inparticular,thereisnoprojectorinplace,rotatingLED'ssuperiorityreflectedveryclearlyintoday'shighlydevelopedeconomymarkets,creative,applicationwide,thediversionofconvenient,attractiveinformationdisseminationsystemisextremelyimportant!
Thetwenty-firstcenturyistheeraofdigitalcommunication,withtheLEDtechnologyandthepopularityofdigitalLEDdisplayiswidelyused.TraditionalLEDdisplaytoeffectmostlyflat,circularrotatingLEDdisplaydesignistheuseoftemporarystayinthehumanvisualeffects,high-speedmotortodrivetheLEDarrayrotation,theformationof360-degreecirculardisplaycanstandonanypointofview,completewithoutviewingdead,togivepeopleanewvisualexperience.ThedesignisbasedonSTC89C52MCU,usingseparateLED,drivenbyDCmotorrotation,canformtwo-dimensionaleffect,itcanbewidelyusedinhomes,businessesandpublicplaces.
Onthebaseofintroducingtheworkingprinciplebriefly,theprojectchoiceandsystemconfigurationoftherevolvingLEDdisplayareshowninthispaper,andthehardwareandsoftwareofthesystemareintroducedindetail.Otherwise,someofthedesignkeysofthenovelLEDdisplayarediscussed,andsomeimprovedstepsaregiveninthepaper.
Theperformanceandthetechnicalparametersmeasuredbymetricalinstrumentshowthatthesystemmeetsthedesignrequirements.Therefore,thenovelLEDdisplayhassomecreativedesignandappliedvaluebyallmeans.
Keywords:
Rotary;LEDarray;STC89C52
第一章绪论
1.1课题背景
随着信息化社会的到来，促进了现代信息显示技术的发展，形成了CRT、LCD、PDP、LED、EL、DLP等系列的信息显示产品，纵观各类显示产品，各有其所长和适宜的市场应用需求。
但是随着LED材料技术和工艺的提升，LED显示屏以突出的优势成为平板显示的主流产品之一，并在社会经济的许多领域得到广泛应用，主要包括：
①证券交易、金融信息显示；
②机场航班、汽车站动态信息显示；
③港口、车站旅客引导信息显示；
④体育场馆信息显示；
⑤道路交通信息显示；
⑥调度指挥中心信息显示；
⑦邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示；
⑧广告媒体新产品介绍；
⑨大型演出和集会；
⑩展览会、宣讲会。
1.1.1此设计本身存在的作用
进入新世纪，光电子产业得到社会广泛的重视，信息显示技术发展迅速，随着LED器件材料性能的不断提高，已广泛应用于室内外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所。
尤其在没有投影仪的地方,旋转LED的优越性体现得非常明显，传统的LED字屏相比价格高昂、操作麻烦，放置位置固定、应用面狭窄、挪动不变；而传统的平面显示，信息量不大，互动性不强，显得十分的不便。
因此，设计一个可以经常方便变换内容、能够携带方便、信息容量大、价格低廉、结构简单的信息播放系统——旋转LED显示屏，具有十分实际的意义。
1.2国内外发展现状
一、 LED显示屏发展的简要回顾
发光二极管（LED）是六十年代未发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。
进入八十年代后，LED在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即LED显示屏。
LED显示屏发展经历了三个阶段：
（1）1990年以前LED显示屏的成长形成时期。
一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。
这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4级调灰，产品的成本比较高。
（2）1990-1995年，这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。
进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。
蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高。
这一阶段，LED显示屏在我国发展速度非常迅速，从初期的几空企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产值几亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。
LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。
（3）1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。
1995年以来，LED显示屏产业内部竞争加剧，形成了许多中小企业，产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对LED显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化。
国外发展现状
2008年全球LED市场销售将逾56亿美元
美国市场研究公司Communications Industry Researchers（CIR）预测，5年内全球LED市场将从2004年的32亿美元，增长至2008年的56亿美元。
CIR新出的报告指出:
2006年之后高亮度LED（亦即HB-LED）─尤其是超高亮度的LED（又称UHB-LED），销售增长幅度势必极速B-LE到在2008年的营收估计可达26.4亿美元，而UHB-LED可望占全球LED市场的22%。
CIR表示：
“一般照明设备将是未来的主流，2008 年可望达8.44亿美元。
”其分析师预计明年将是LED发展的重要关键：
“因成本大幅减少，数量势必剧增。
”
1.2.1国内LED显示屏研究现状
我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。
在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，LED所占的市场将会越来越大，影响也会越来越深远。
我国的LED显示屏产业已成较大规模，技术水平相对领先，应用领域也很广泛的特点。
2008年北京举行的奥运盛会虽已顺利闭幕，但所展现出的种种前所未有的规模已经深深的烙在了全世界人的心中。
特别是奥运盛会上所应用的LED产品类型和数量规模都是空前的。
LED显示屏作为一种新型的显示器件出现在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LED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,总体上展示了我国LED行业的技术产品优势和产业发展水平。
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。
1.2.3LED显示屏制作方案比较
生产LED显示屏有多种方案，具体情况如下介绍：
①点阵模块方案：
最早的设计方案，由室内为彩点阵屏发展而来。
优势：
原材料成本最有优势，且生产加工工艺简单，质量稳定。
缺点：
色彩一致性差，马赛克现象较严重，显示效果较差。
②单灯方案：
为解决点阵屏色彩问题，借鉴户外显示屏技术的一种方案，同时将户外的像素复用技术（又叫像素共享技术，虚拟像素技术）移植到了室内显示屏。
优势：
色彩一致性比点阵模块方式的好。
缺点：
混色效果不佳，视角不大，水平方向左右观看有色差。
加工较复杂，抗静电要求高。
实际像素分辨率做到10000点以上较难。
③贴片方案：
采用贴片发光管为显示元件的方案。
优势：
色彩一致性，视角等重要显示指标是现有方案里最好的一种，特别是三合一表贴的混色效果非常好。
缺点：
加工工艺麻烦，成本太高。
④亚表贴方案：
实际上是单灯方案的一种改进，现在还在完善之中。
优势：
在显示色彩一致性，视角等首要指标和标贴方案差别不大了，但成本较低，显示效果很好，分辨率理论上可以做到17200以上。
缺点：
加工还是较复杂，抗静电要求高。
因此在进行方案选择时，应根据实际情况来加以选择，如若选错，或者选择的方案不是最佳方案，轻则损失些许资金；重则，自身的品牌也将不保，从中可以看出科技的重要性是不可小觑的。
1.2.4LED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，给人们带来一种新的视觉体验。
而且在显示相同信息量上，旋转式LED显示屏使用的发光二极管数量更少，可有效降低能耗和维修成本。
本设计无论是从观赏性、实用性和成本上考虑，都具备传统LED显示屏无法比拟的优越性。
特别适合作为家居的一件艺术，也可以作为企业宣传的一个平台，更适合在人潮汹涌的公众场所。
其使用范围非常广，市场前景很好。
相信未来旋转式LED环形显示屏将会迎来广阔的市场空间，带来无穷的商业价值。
1.2主要研究内容
红外遥控器控制红外接收管，红外接收管接收信号，传给单片机处理信号，可以达到单片机控制显示滚动显示汉字、数字，旋转时钟调时和复位。
对类似旋转广告屏等装置进行调研，实现旋转时钟的设计与实现。
当它工作时，电机带动一排高亮LED绕电机轴旋转，LED灯在单片机控制下进行一定规则的显示，从而形成平面显示汉字、并实现滚动显示的情况，并模拟出一个时钟的时针、分针和时间刻度，并按每分每小时走动。
2总体设计方案
2.1系统总体方案设计
旋转LED显示屏是通过一个旋转的电路板，电路板上排列的24个LED灯受单片机控制在特定的位置（传感器感应位置）亮或灭，从而显示出特定的字符或图形。
本作品主要是根据人的视觉暂留原理设计的。
采用高速旋转的电机带动电路板高速旋转，从视觉效果上就会产生一种圆盘状的LED显示屏的状态。
旋转显示屏是利用机械转动动态扫描代替传统逐行扫描方式，是一种新型的显示屏，具有成本低，可视范围大的特点，是LED显示屏的一个新的发展方向。
其实质就是与机械转动配合起来的动态扫描显示技术。
本次“旋转LED显示屏”的制作用于提高我们的实践能力和创新能力，激发学生学习兴趣，引导自主学习及培养创新能力、协作精神、工程实践素质。
本设计利用高速旋转中控制LED的亮灭，进行字符的显示，控制器采用单片机，完成显示内容的传输、字库的转换、显示等功能。
动态扫描原理是利用人眼具有视觉暂留的特性，当画面以一定的速度刷新时，我们看到的就是连续的图像。
例如：
传统的逐点扫描方式，采用逐行换位的扫描方式，每一行都必须要有LED显示器件，这使显示屏成本偏大，功耗增加。
旋转扫描采用了不同的形式，其显示器件只有一列，由机械旋转运行到某一位置时就显示该位置的状态，到下一位置后又显示下一位置的状态，即一列图像要完成全部图像的显示，扫描过程由机械转动更换位置来实现的。
旋转LED显示的旋转显示，可采用机械旋转的扫描方式。
2.1.1电路结构图的设计
系统总体由软件和硬件两部分构成。
硬件部分由单片机、DS1302时钟芯片、LED阵列、电源、旋转电机、绕线圈、红外接收管、红外遥控器组成。
总体框图如下：
图2-1系统整体方框图
旋转时钟设计方案有八部分基本组成，首先由电源给电机供电，从而可以使电机旋转，这样可以让绕线圈耦合产生感应电压，就可以给旋转板供电，旋转板是以单片机为核心，有DS1302提供时钟信号脉冲。
红外遥控器控制红外接收管，红外接收管接受信号，传给单片机处理信号，可以达到单片机对旋转时钟调时和复位。
2.1.2电路原理图的设计
图1.2.1主控板原理图
2.2总体方案设计及硬件指标
2.2.2方案比较与论证
单片机、LED等电路必须安装在高速旋转的电动机上面，无法采用电线进行供电，使系统供电变得极为麻烦，常见的方法有2种。
方案一：
用电动机电刷的方法，简单有效；请注意：
这样寿命很短，必要时请自行在电路板上加焊一层耐磨导电层，如果电刷触点不够光洁以及接触压力大，几小时就可以将线路板上的铜皮磨穿。
方案二：
直接用电池给主板供电，电池装在主板上随主板转动，成本高，寿命短，影响转速。
综合以上2种方案的优缺点，我们选择了用电刷供电的方法，而DS1302芯片则用普通纽扣电池供电即可。
电源基板主要负责为电机提供稳定的直流电，并通过电刷给指针板送电，是能源中心。
虽然结构简单，但也是必不可少的一个环节，必须要保证电源稳定可靠。
直接由+12V的变压器通过插孔给电路板送电，经电容及电位器后接直流电机。
再经过7805降压稳压成+5V输出电压。
3硬件设计
3.1旋转指针板的设计
指针板是旋转时钟的关键部分，负责显示功能，指针板上有一排超高亮的LED灯。
它们就是显示部件了，亮点所在。
为了制作方便，我们把单片机、时钟芯片、发光二极管、一体化红外接收头等器件焊接在一块指针型的电路板上，这样可以使旋转的电路成为一个独立的系统，只需要外部送电进来就可以正常运作。
电路板中心钻一个电机轴插孔，插孔为半圆并且半径与电机轴相等，电机轴插入其中带动指针板旋转。
该电路板越轻越好，LED灯可用贴片式。
LED灯数目根据不同用处可选多选少，我们设计的时钟需要能显示“12、3、6、9”这四个整点数字和秒针、分针、时针，这样我们用6支LED灯显示数字，18支用来显示秒、分、时三针，另外再加一支内框一支外框灯，总共25支LED灯，也足够用来显示汉字和英文。
在这个项目中，一共采用了25支LED。
也就是说每一列上可以分辨的显示点有25个点。
当然，这只是视觉上的显示效果。
但为了节省单片机I/O管脚，并不是每支LED灯都由一个I/O管脚控制的。
通过分析，发现靠近内圈的那十几支LED，除了用做显示时钟指针外，并不适合用来显示字符。
而在显示指针时，这部分LED的亮灭是同时发生的，这样就可以用一个I/O口来控制这组LED，让它们是同时亮或者同时灭。
除了以上几点外，需要考虑的还有显示稳定问题：
比如指针板旋转扫描一圈完成了数字“12”的显示，如果电机速度因为各种原因而不稳定，转下一圈所用的时间多于（或少于）上一圈的，那么数字“12”将会移到上一次显示位置的左侧（或右侧）。
为了解决这个问题，在指针板上加装一个红外接收管。
当接收到与之配对的红外发光二极管（红外发光二极管安装在电机外壳上，并与接收管对齐）发出的红外线后，就会反向导通，接到单片机外部中断，将会触发外部中断。
指针板每旋转一周，就会产生这样一个中断信号，这个信号被称为“过零信号”。
有了这个信号，单片机就可以在指针板旋转过程中实时检测计算指针板的角度位置，并根据指针板所处的不同位置，点亮相应的LED，这样每转一圈就能消除一圈的误差，使得显示内容保持稳定。
3.2时钟芯片DS1302
大多数的单片机没有实时时钟部件,一旦系统掉电时钟就不能运行,下次再运行，时间就不准确了。
即便使用备用电池,但要维持单片机系统的较大功耗也是坚持不了多久的。
而我所做的旋转时钟用到的单片机主要是来准确显示时间的，因此实时时钟部件必不可少，这里我用了MAXIM公司的DS1302时钟芯片作为实时时钟部件，保证时间的长久准确性。
DS1302有着很强的功能。
包括时钟/日历寄存器和31字节（8位）的数据暂存寄存器，数据通信仅通过一条串行输入输出口。
实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年份信息。
闰年可自行调整，可选择AM/PM的12小时制或24小时制。
只通过三根线进行数据的控制和传递：
CE（输入信号，在读、写数据期间，必须为高。
该引脚有两个功能：
第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。
）；I/O（三线接口时的双向数据线）；SCLK（串行时钟输入）。
通过备用电源可以让芯片在小于1MW的功率下运作。
对时钟寄存器初始化可以设定当前时间,控制芯片的运行,时间是用BCD码保存的,RAM可以用来存取用户数据,在用了备用电池后RAM内的数据在系统掉电时能够保持不丢失。
芯片采用了简单的I2C三线通信方式,便于节省芯片资源和与之接口的MCU的引脚。
芯片有着2.0～5.5V的宽供电电压范围,在5V供电时其接口与TTL电平兼容。
并且有着很低的功耗,在2.0V供电时仅耗300nA的电流。
引脚X1和X2连接32.768kHz晶体,与内部振荡器组成时钟。
晶体的精度直接影响着芯片时间的准确与否。
DS1302有两个电源引脚VCC1和VCC2，分别连接备用电池和电源VCC。
VCC2与主电源连接，VCC1接备用电池。
当VCC2低于VCC1时,芯片由VCC1供电；当VCC2-VCC1≥0.2V时,备用电池为芯片供电。
在VCC2供电时芯片能够对接在VCC1的备用电池充电,并且是否充电和充电电流都可以由芯片内地址为08H的时钟寄存器进行控制。
DS1302与单片机的硬件接线图如下图所示。
图3.2.1DS1302硬件接线图
在进行任何数据传输时，CE必须被制高电平（虽然CE被置为高电平，但内部时钟还是在晶振作用下不停地计时的），在每个SCLK上升沿时读入数据，下降沿时写出数据。
每个字节的传输都是由控制字节（如表1所示）指定的，控制字节的最高位Bit7必须是“1”，否则读写将会被禁止。
bit6为“0”则指定对时钟/日历寄存器进行读写操作，为“1”则对RAM区的数据进行读写操作，bit1-bit5指定相关寄存器进行输入输出操作，最低位bit0指定是输入还是输出，为“0”则为写，相反则为读，输入输出根据脉冲的上升沿和下降沿串行进行。
7
6
5
4
3
2
1
0
1
RAM/
用来表示相关寄存器的地址
RD/
表3.2.2DS1302控制字节
控制字总是从最低位开始输出。
在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。
同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。
数据读写时序如图3.2.3所示。
图3.2.3DS1302数据读写时序
通过8个脉冲便可读取一个字节，从而实现串行输入与输出。
最初通过8个时钟周期载入控制字节到移位寄存器。
如果控制指令选择的是单字节模式，连续的8个时钟脉冲可以进行8位数据的读写操作。
8个脉冲便可读写一个字节。
载入控制字节后就可以对时钟/日历寄存器进行相应操作，时钟/日历寄存器如下表所示。
读寄存器
写寄存器
BIT7
BIT6
BIT5
BIT4
BIT3
BIT2-BIT0
范围
81h
80h
CH
16-59秒
0-15秒
00-59
83h
82h
16-59分
0-15分
00-59
85h
84h
12
0
20-23
15-19时
0-15时
1-12/
0-23
/PM
87h
86h
0
0
0
16-31日
0-15日
1-31
89h
88h
0
0
0
10月
月
1-12
8Bh
8Ah
0
0
0
0
0
1-7周
1-7
8Dh
8Ch
0
15-99年
0-15年
00-99
8Fh
8Eh
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