基于STC单片机的旋转LED屏的设计设计.docx

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基于STC单片机的旋转LED屏的设计设计

一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。

）

工作基础：

熟练掌握基于C51的单片机应用程序设计。

研究条件：

利用直流电机、LED阵列以及无线供电技术，实现一个基于STC单片机的旋转双面点阵屏的设计。

应用环境：

基于STC单片机的应用系统的设计。

工作目的：

熟练掌握STC单片机的C编程。

掌握基于STC单片机的直流电机转速控制以及无线供电技术。

掌握LED点阵屏信息状态控制的基本方法。

二、参考文献

[1]李竹君,张恒超. KeilC51中断编程中寄存器组的选用与保护[J].空间电子技术.2012（03）.

[2]孙超,周国祥. 面向网络传输的无损压缩算法优化研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版）.2012（06）.

[3]张明长.基于Atmega16和DS1302的数码管时钟设计[J].北京印刷学院学报.2012（02）.

[4]胡阳. RGBPOV在点阵旋转屏中的应用及其电源解决方案[J].中国科技信息.2012（07）.

[5]胡阳. 基于视觉暂留的动态扫描LED旋转屏[J].现代电子技术.2012（05）.

[6]魏世秀,王翀. 一种基于单片机的RGBLED背光源的设计[J].现代电子技术.2012（04）.

[7]张玉健. 基于nRF24L01的无线温湿度检测系统设计[J].物联网技术.2012（01）.

[8]曹青梅,徐立友,曹艳玲,席志强. 基于nRF24L01的移动数据通讯网络设计[J].微型机与应用.2011（24）.

三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。

）

1、设计基于STC单片机的下位机直流电机转速控制电路。

2、设计基于无线供电的整流、滤波等电路。

3、设计基于STC单片机的上位机的点阵屏控制电路、时钟电路。

4、完成该电路的C程序设计。

指导教师（签字）

年月日

审题小组组长（签字）

年月日

北京交通大学本科生毕业设计（论文）开题报告

课题名称

基于STC单片机的旋转LED屏的设计

系名

信息工程系

专业

自动化

学生姓名

吕忠芮

指导教师

扈书亮

一、课题来源及意义

目前人们看到的绝大多数显示屏都是传统显示屏，它是由无数个LED组成的点阵集合。

这种显示屏的优点是原理简单、控制方便，在生活中被广泛使用。

但随着经济发展市场需求日益丰富，在很多情况下，传统LED显示屏已经无法满足实际需要。

这主要表现在以下几个方面：

第一，传统显示屏整个显示面积全由LED组成，器件数量多，硬件连接复杂，成本高；第二，由于显示屏是一个平面，有一定的视角限制；第三，传统显示屏显示画面单调，缺乏吸引力，容易使人产生审美疲劳。

本设计针对以上传统LED显示屏的不足，研究并设计了采用旋转LED的方案，成功解决了传统平面LED显示屏器件数量多并且无法全方位显示的问题。

系统的特点是一次投入较小，能以少量的LED灯实现甚至超越传统方式下大量LED灯才能实现的显示功能，符合现阶段倡导的低碳理念、节约能源。

其全方位的显示功能使处于不同角度人都拥有相同的视觉感受，可呈现出炫丽缤纷、流光溢彩的多层图文画面，极具吸引力。

二、国内外发展现状

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。

日本Hibino公司展示了新产品STEALTH，这是一款能透视背景的穿透式LED显示屏，可呈现出一个综合汇聚了影像、照明、舞台道具、背景灯元素的立体影像空间。

从可视性影像到体验型影像，展示演出及舞台设计创意空间得到扩展，视觉表现的世界无限延伸。

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，并相信，旋转LED显示屏将会给人们的生活带来更多的便利，造福于人类。

三、研究目标及意义

本课题主要针对产品结构多样化、中小型化、产业化这一趋势，以及市场上的中小型LED显示屏由于大量采用发光二极管以及驱动电路庞大导致成本居高不下这一特点，采用STC15F2K作为主控芯片，两列发光二极管对称的排列在周围上作为显示屏，采用人眼的视觉暂留特性，控制直流电机的转速，使显示屏幕以一定的转速旋转，事先整幅画面信息的显示，在工作过程中用户可利用无线遥控器实现显示屏画面的切换。

四、研究内容

1、设计基于STC单片机的下位机直流电机转速控制电路。

2、设计基于无线供电的整流、滤波等电路。

3、设计基于STC单片机的上位机的点阵屏控制电路、时钟电路。

4、完成该电路的软件设计。

设计一个旋转的LED时钟，将一排LED灯组安装在指针旋转板上，利用人眼的视觉暂留效应，使用单片机I/O端口控制LED的点亮和熄灭形成图像从而显示出时钟画面。

单片机负责数据的处理并控制LED的显示;红外接收模块由一体化红外接收头和红外接收管组成，分别负责处理红外遥控器发出的调时信号和识别旋转的起始位置的作用;时钟模块负责记录时间数据，节省单片机的资源，提高其工作效率，可在系统掉电后正常计时，不需重新设定时钟时间。

本旋转LED时钟设计的主要思路是，由电机带动显示屏做高速旋转，通过单片机控制LED旋转到不同位置的亮灭，利用人眼的视觉暂留从而看到完整的显示内容。

STC旋转LED开发板原理图

五、研究方法与手段

在充分了解旋转时钟原理、硬件设计及软件设计的基础上进行旋转LED显示屏的设计。

1、通过查阅相关资料,充分了解旋转时钟的设计原理及设计方案，从而将旋转时钟的硬件设计与软件设计结合。

2、分析硬件系统，了解旋转时钟的工作方法，由于软件是基于STC15F2K单片机控制的，因此要了解STC15F2K单片机的使用方法，掌握基于STC单片机的直流电机转速控制以及无线供电技术，LED点阵屏信息状态控制的基本方法。

3、设计出基于STC单片机的下位机直流电机转速控制电路，无线供电的整流、滤波等电路，上位机的点阵屏控制电路、时钟电路。

4、完成该电路的C语言的程序设计，撰写论文。

六、进度安排

2014.12.07-2015.03.15查找资料，总结文献综述，完成开题报告；

2015.03.17-2015.03.23仔细研究课题，完善开题报告，查漏补缺；

2015.03.25-2015.04.15完成方案设计；

2015.04.17-2015.04.25对所设计课题进行模拟演示，以便能达到理想效果；

2015.04.27-2015.05.10参阅有关文献，写毕业论文并完善修改；

2015.05.10-2015.06.01撰写论文，准备答辩。

七、方案可行性分析

本设计中要解决的核心内容是如何精确的控制LED在不同位置的亮灭，通过加入位置检测装置，成功的解决了这一问题，实际显现效果良好。

八、主要参考文献

[1]李竹君,张恒超.KeilC51中断编程中寄存器组的选用与保护[J].空间电子技术.2012（03）.

[2]孙超,周国祥.面向网络传输的无损压缩算法优化研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版）.2012（06）.

[3]张明长.基于Atmega16和DS1302的数码管时钟设计[J].北京印刷学院学报.2012（02）.

[4]胡阳.RGBPOV在点阵旋转屏中的应用及其电源解决方案[J].中国科技信息.2012（07）.

[5]胡阳.基于视觉暂留的动态扫描LED旋转屏[J].现代电子技术.2012（05）.

[6]魏世秀,王翀.一种基于单片机的RGBLED背光源的设计[J].现代电子技术.2012（04）.

[7]张玉健.基于nRF24L01的无线温湿度检测系统设计[J].物联网技术.2012（01）.

[8]曹青梅,徐立友,曹艳玲,席志强.基于nRF24L01的移动数据通讯网络设计[J].微型机与应用.2011（24）.

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

指导教师（签字）

年月日

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

审题小组组长（签字）

年月日

摘要

在当今社会中，LED显示屏的应用已经非常广泛，新型的LDE显示屏，以旋转扫描方式代替传统的逐行扫描，可视范围达到360度，在稳定旋转的载体上安装LED发光器件，静止时，各列发光管等间距分列排开，随着扫描速度的加快，在计算机的软件精确的时序控制下，不断扫描出预设的文字和图案，利用STC15F2K单片机控制，采用NE555多谐振荡电路来无线供电，并用移位寄存器控制LED显示符，成本低廉，易于实现。

LED显示屏是种用发光二极管按顺序排列而成的新型成像电子设备，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有点。

由于其亮度高、可视角度广、寿命长等特点，正被广泛应于户外广告等产品中。

本设计通过在等稳定的旋转的载体上安装多列LED发光器件实现旋转式显示功能，根据视觉滞后效应的原理，在静止时将各列发光管等间距分列排开，然而随着旋转速度的加快，在LED显示屏控制软件的时序控制下，使预设的图案显示在载体的表面上。

关键词：

单片机；LED显示屏；旋转扫描；无线供电

ABSTRACT

Intoday'ssociety,theLEDdisplayscreenhasaverywiderangeofapplicationofnewtypeofLDEdisplay,insteadofthetraditionalprogressivescaninrotatingscanningway,visualrangeupto360degrees,LEDlight-emittingdevicesinstalledonthestablerotatingcarrier,resting,thecolumnssolidlight-emittingtube,spacingrespectively,withthespeedingupofthescanningspeed,thecomputersoftwareofprecisetimingcontrol,constantlyscanningthedefaulttextanddesign,usingSTC15F2Ksingle-chipmicrocomputercontrol,adoptingmanyharmonicoscillationofNE555circuitforwirelesspower,andtheshiftregistercontrolLEDdisplay,lowcost,easytoimplement.

LEDdisplayisakindofusingledsinsequenceofnewimagingelectronicequipment,candisplaythechangenumber,text,graphics,image;Notonlycanbe

usedinindoorenvironmentalsocanbeusedinoutdoorenvironment,withaprojector,TVwall,LCDdisplayscreentheincomparableabit.Duetoitshighbrightness,wideviewingAngle,longlifeandothercharacteristics,isbeingwidelyshouldbeinoutdooradvertisingandotherproducts.StablerotatingcarrierlikethisdesignbyinstallingmultiplecolumnsLEDlight-emittingdevicesrealizerotarydisplayfunction,accordingtotheprincipleofvisuallageffect,willbethecolumnswhenstillluminoustubespacingwerelined,however,withthespeedingupoftherotationspeed,underthesequentialcontrolofLEDdisplaycontrolsoftware,makethepresetpatternshowsonthesurfaceofthecarrier.

Keywords：

Singlechipmicrocomputer；LEDdisplay；Rotatingscanning；Wirelesspowersupply

第一章绪论

1.1课题的提出及研究意义

近年来微型计算机不断地更新换代，新产品层出不穷。

微型机体积小，成本低，容易掌握，适用面广。

单片机属于微型计算机的一种。

单片机是在一块超大规模集成电路芯片上，集成了CPU存储器、定时器和多种输入输出接口等电路。

LED显示屏已经进入了我们的日常生活，我们看到的绝大多数显示屏都是由无数个LED组成的点阵集合。

这种传统显示器的独特优点是不容质疑的，但它需要使用大量的LED却是一个让人十分头痛的问题。

通过单片机控制的旋转LED灯在现代娱乐场所，诸如宾馆、餐厅、酒吧，在适当的地方以此创意新颖的形式代替传统的普通灯，或其他宣传工具，可以更加吸引顾客，增加企业的竞争力。

不仅如此，在雷达干扰和预警侦察等军事方面也逐渐得到更多的应用。

眼睛的一个重要特性是视觉惰性，即光像一旦在视网膜上形成，视觉将会对这个光像的感觉维持一个有限的时间，这种生理现象叫做视觉暂留性。

对于中等亮度的光刺激，视觉暂留时间约为0．05至0．2秒。

因为人类能够将看到的影像暂时保存，在影像消失之后，之前的影像还会暂时停留在眼前。

这就是会动的卡通的基本原理，称为视觉暂留。

视觉暂留就是我们的眼睛看任何东西时，都会产生一种很短暂的记忆。

把这些记忆记下来，连结在一起，我们就会看到动作，产生画面连续不断的错觉，这就是视觉暂留！

像在房间里把灯关掉，拿着手电筒快速地旋转，你们会看到一个光环，这也是视觉暂留的一种现象。

旋转LED显示屏是一种通过同步控制发光二极管（LED）位置和点亮状态来实现图文显示的新型显示屏，因其结构新颖、成本低、可视视角达360度而得到了迅速的发展。

目前，常见的LED显示屏都是采用扫描方式进行显示的，其实现原理是在不同时间段内控制不同批次的LED轮流点亮，根据人眼的视觉暂留特性，当扫描帧频达到24HZ以上时，人眼便感觉不到扫描过程，而是一幅稳定的图像。

旋转显示屏则是通过控制一行或一列LED快速移动位置和改变点亮状态来实现图形的显示，如果LED在各位置循环变换速度足够快，同样可以显示出一幅稳定的图像。

本文的设计很好的解决了普通LED显示屏中的不足，通过双排LED旋转显示，使得可视范围达到360度。

每排18个高亮度的LED，总共36个，，大大减少了LED数量，克服传统LED显示屏的不足，同时也能充分保证了显示的清晰度。

通过线圈供电，取代旋转臂的电池供电，使得悬臂结构简化，电路更加简单。

1.2课题背景

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。

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，具有十分重大的意义。

1.2.1旋转LED显示屏的设计背景

随着科学技术的发展，社会不断进步，电子事业也有着突飞猛进的改革。

单片机以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。

单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性很高，灵活性好，开发较为容易。

LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED均由矩阵块组成。

图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文字和图形；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、VCD节目以及现场实况。

LED显示屏显示色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于交通运输、车站、商场、医院等公共场所。

由于大规模集成电路技术的发展，其控制系统已能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，还可以通过软件控制来实现，并能够实现智能化。

人们对公共传媒质量的要求越来越高。

随着近几年来LED字符显示器的推出和不断完善，他的应用范围正在扩大，应用效果十分显著。

不难看出，这一电子信息技术发展的新成果在宣传、政治思想教育、广告娱乐等方面的应用日益突出。

1.2.2旋转LED显示屏的设计依据

根据LED显示屏设计的基本原理，结合其设计要求：

“1.显示汉字；2.显示时钟；3.可以移动；4.可循环显示。

”由此设想出以下设计方案有STC15F2K单片机最小控制系统、控制部分、显示部分组成，进行汉字的循环显示以及时钟显示。

1.3课题的主要工作

本设计主要进行旋转LED显示屏的研究和设计。

系统以单片机作为核心控制器件，通过控制电机保持一定的速度稳定旋转，带动单排LED旋转，形成扫描显示屏；单片机根据LED旋转的速度，控制LED发光或熄灭，在视觉上形成平面图形点阵的显示效果。

基于此要设计基于STC单片机的下位机直流电机转速控制电路，设计基于无线供电的整流、滤波等电路，以及设计基于STC单片机的上位机的点阵屏控制电路、时钟电路并完成该电路的C程序设计。

第二章硬件部分

2.1系统总体硬件构成

旋转LED显示屏的系统总框图，如下图所示。

系统由7个部分组成：

系统供电模块、按键模块与单片机控制单元、显示模块、直流电机模块以及红外发射模块、红外接收模块。

其中，LED显示由单片机和直流电机共同控制，键盘则用来实现人机交互的功能，系统供电是通过外接直流电源，然后通过整流滤波，给系统供电。

用户可以通过按键输入命令到单片机去控制LED控制器控制LED的循环显示。

2.2STC15F2K芯片简介

STC15F2K系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代51单片机。

在相同的时钟频率下，速度又比早期的1T系列单片机的速度快20%。

STC15F2K系列单片机中包含中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时器、I/O口、高速A/D转换、看门狗等。

STC15F2K系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。

STC15F2K系列单片机有3个16位可重装载普通定时器/计数器,这三个普通的定时器/计数器分别是定时器/计数器0、定时器/计数器1和定时器/计数器2；三路CCP/PWM/PCA（可再实现3个定时器或3个D/A转换器）；掉电唤醒专用定时器；5个外部中断INT0/INT1/INT2/INT3/INT4；2组高速异步串行口（可同时使用）；1组高速高速同步串行口通信SPI；8路高速10位A/D转换器；2个数据指针DPTR；外部数据总线等功能。

2.3LED显示器的控制系统

本系统的硬件设计中，控制芯片采用的是低电压低功耗单片机STC15F2K，射频采用的是Nrf24L01芯片，电源解决方案采用基于松耦合的无线电供电。

系统采用模块化设计方案，本系统由无线电源，整流电压，USB-UART桥接电路，射频，红外传感，SD存储，时钟控制，显示等若干模块组成。

LED系统板上的射频识别系统，当接收到信道中的射频信息时，会分析、识别控制信号及数据信号；当接收到红外信号时，会分析、识别控制信号。

通过上位机可对系统进行参数设定，状态调整，信息更替等一系列调整。

时钟模块为整个系统提供始时钟信息。

系统可以读取SD卡或者片内ROM的数据进行色彩显示。

2.3.1电源模块

在LED系统中，显示是否稳定、工作是否可靠与电源的能量供给有着密不可分的关系。

电源为机械旋转部件、射频通信、LED显示提供能量，是系统正常运转的基础。

在本系统中，无线供电的发射电路如图2-1所示，在输出端产生100K赫兹的交变信号，能量通过定线圈发射到空间中。

图2-1无线供电发射电路

由于电源是从电机中引出来，所以需要通过整流、滤波才能为系统供电。

整流滤波电路图如图2-2所示

图2-2整流滤波电路

2.3.2红外传感部分

红外部分采用红外传感器，接收到红外信号后，将译码成控制信号，控制整个LED系统的状态切换，信息读取、存入、更新等。

红外传感部分的原理图如图2-3所示

图2-3红外发射原理图

2.3.3时钟模块

对于常规的点阵LED显示器，不仅可以显示信息，简单动画，还常常在屏幕上显示当前的时间，时钟芯片的选取我们使用的是DS12887，它在万年历的制作中被广泛使用。

但是由于本系统对体积及重量有着非常高的要求（传动系统为12V直流无刷电机，高速旋转时要求整个系统旋转面的几何中心与质量中心为同一点，否则将产生剧烈的抖动，影响系统正常运转。

特别将旋转板的质量越大时，对系统物理稳定性要求越高，且转速与质量成正比，过大的质量影响转速从而进一步影响效果）故在芯片选用上采取体积小质量低的贴片DS1302。

DS1302具备了运行的高可靠性、能量的低损耗性、并内置了具备存取存储器的实时时钟电路，拥有对year、mouth、weekend、minute、second进行计时能力，并具备闰年补偿能力。

DS1302运行电压为2.4V-5.5V,采用SCLK、I/O、CE与MCU进行同步通讯。

实时时钟部分原理图如图2-4所