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旋转LED显示屏设计毕业论文
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第二章旋转LED显示屏显示原理
LED显示器具有功耗低，接口控制方便等优点，而且模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性，并能直接与单片机接口，可方便地实现各种不同的操作，在各类测量及控制仪表中被广泛的应用。
当在LED上显示汉字时，应先取得汉字的点阵构成数据，然后将其写入显示存储器中进行显示。
物体在快速运动时,当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像0.1-0.4秒左右的图像，这种现象被称为视觉暂留现象。
是人眼具有的一种性质。
人眼观看物体时，成像于视网膜上，并由视神经输入人脑，感觉到物体的像。
但当物体移去时，视神经对物体的印象不会立即消失，而要延续0.1-0.4秒的时间，人眼的这种性质被称为“眼睛的视觉暂留”。
假设我们设定我们的眼睛的暂留时间是0.4秒，如果我们的16个LED旋转一周的时间快过0.4秒，那么我们看到的图像就是这一列LED在各个位置显示的图像的叠加，如图2-1，如果我们用定时器把LED旋转一周的各个位置分割出180分，让它在相应的位置显示相应的图像，那么我们就可以得到一个累加的图像效果了。
图2-1图列分析
第三章旋转LED显示屏系统硬件简介
3.1系统硬件框图
系统各部分和各环节之间关系的图3-1示如下：
图3-1系统硬件框图
3.2旋转LED显示屏主机系统
3.2.1主机系统连接如图3-2所示
图3-2主控机管脚图
本次设计主机系统分为单片机、LED灯、电磁耦合供电电路，都焊接在主控板上，其次是在底座上的电动机，和电磁初级线圈。
3.2.2旋转LED显示屏主机芯片简介
本次毕业设计采用的STC12C5A60S2单片机，以下是对其的介绍：
STC12C5A60S2简介：
STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。
1、增强型8051CPU，1T（1024G），单时钟/机器周期
2、工作电压 5.5-3.5V
3、1280字节RAM
4、通用I/O口，复位后为：
准双向口/弱上拉
可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA
5、有EEPROM功能
6、看门狗
7、部集成MAX810专用复位电路
8、外部掉电检测电路
9、时钟源：
外部高精度晶体/时钟，部R/C振荡器
常温下部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11~17MHz3.3V
单片机为：
8~12MHz
10、4个16位定时器
两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1
11、3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟
12、外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.3
13、PWM2路
14、A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S 15、通用全双工异步串行口（UART） 16、双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.3 17、工作围：
-40~85
18、封装：
LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC
管脚说明
P0.0~P0.7 P0：
P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。
当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。
当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0~A7，数据线D0~D7
P1.0/ADC0/CLKOUT2
标准IO口、ADC输入通道0、独立波特率发生器的时钟输出
P1.1/ADC1
P1.2/ADC2/ECI/RxD2
标准IO口、ADC输入通道2、PCA计数器的外部脉冲输入脚，第二串口数据接收端
P1.3/ADC3/CCP0/TxD2
外部信号捕获，高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端
P1.4/ADC4/CCP1/SS非
SPI同步串行接口的从机选择信号
P1.5/ADC5/MOSI
SPI同步串行接口的主出从入（主器件的输入和从器件的输出）
P1.6/ADC7/SCLK
SPI同步串行接口的主入从出
P2.0~P2.7
P2口部有上拉电阻，既可作为输入输出口（8位准双向口），也可作为高8位地址总线使用。
P3.0/RxD
标准IO口、串口1数据接收端
P3.1/INT0非
外部中断0，下降沿中断或低电平中断
P3.3/INT1
P3.4/T0/INT非/CLKOUT0
定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出
A/D转换器的结构
STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒）。
8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。
上电复位后P1口为弱上拉型IO口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不须作为A/D使用的口可继续作为IO口使用。
单片机ADC由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER构成。
该单片机的ADC是逐次比较型ADC。
主次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。
逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。
需作为AD使用的口先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为‘1’，将相应的口设置为模拟功能。
3.3LED以及LED显示模块原理
3.3.1显示模块工作原理
旋转扫描的原理：
由于人眼具有视觉暂留的特性，当画面以一定速率刷新时，我们看到的就是连续的图像，电视机显示采用逐点扫描方式，每秒钟要刷新画面50场（25帧）,而在人眼中则是一幅完整的画面，传统LED显示屏一般采用1/16扫描，16行进行逐行循环点亮，由于刷新速率足够大，看到的也是一幅稳定的画面。
它的原理示意如图3-3所示，其中（a）（b）（c）（d）（e）分别是不同时刻的显示状态，（f）为人眼看到的完整画面“3”。
在这种LED显示屏中，采用的是逐行换位下移点亮器件的扫描方式，每一行都必须有LED显示器件，这就使显示屏的成本偏大。
图3-3传统LED显示屏的显示原理图
旋转扫描方式显示器只有一列，由电机带动它进行旋转，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，即一列显示器件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.其显示原理如图3-4所示。
图中a）b）c）是
图3-4旋转柱式显示屏的显示原理图
不同时刻的显示状态，d）是人眼看到的完整画面“3”。
由于旋转扫描成像不是平面，而是一个柱面，所以称之为旋转柱式显示屏，其观看视角是360°，利用人眼的“视觉暂留效应”显示文字及图案。
图3-4LED连接引脚图
3.3.2LED 应用简介
LED（light emitting diode）是发光二极管的英文缩写，它是一种电致发光器件。
目前，LED产业已经走过了它的发展初期和中期，普通LED的应用已经成为过去，高亮度LED的使用也已无需着力推广。
另外，中小功率超高亮LDE亦已诞生，并正在以极快的速度走向应用。
显示方面，LED被广泛应用于电子电器、工业设备等各类产品的状态性能显（指）示，也被越来越多地制作成多媒体平板显示屏、交通信号灯等等。
LED的应用虽然已经具有了很广的围、很大的规模，但是,由于LED拥有很多社会应用所需的优点、相关技术也有很大的发展空间，因此，LED有着更为美好的前景。
目前技术条件下，LED已经显示出了众多的优点与传统的显示媒介相比，有以下特点：
（1）是寿命超长，业公认的平均值达10万小时，可期望目标将会达到25万小时；
（2）是色彩丰富，LED已经实现了多个波长的单基色，有红、琥珀黄、黄、绿、蓝等，基本满足了应用领域对LED色彩的要求，随着更多新材料的开发，还会实现更多的基色及至全彩色；
（3）稳定可靠，在LED的寿命期，LED差不多都能稳定的工作，维护工作量极小；
（4）电气安全性高，LED一般工作在低电压（6-24V）、小电流（10-20mA）情况下，属弱电级工作器件，有较好的电气安全性能；
（5）节能环保效率高，在同等亮度下，LED的耗电仅为普通白炽灯的1/10，而且不存在有害金属汞污染等问题，符合社会发展趋势；
（6）应用灵活性好，LED可进行低压供电，也可110V/220V电源供电，加上单粒LED的体积小（芯片更小），只用3-5平方毫米，大大方便了工程应
（7）受控制能力强，现有的技术已经可以实现LED的亮度、灰度、动态显示，分布控制等，是其它发光装置无可比拟的；
（8）抗震性能优越，LED的坚固、耐震、耐冲击性能，超过了目前所有其它类型的电光源产品；
（9）响应速度快，LED的响应速度在毫秒级，可以自如有效地应用于显示屏、汽车刹车灯、相机闪光灯等；
10）显色性能良好，白色LED目前的显色指数Ra达到了70以上，色温围从3600K到11000K（随荧光粉不同而变），而且已经获得了实验室提高的方案；另外还有亮度高、无干扰、方向性好等等也是十分有用的优点，当然LED产业还有不少问题需要从根本加以解决。
基色尚不十分丰富，理想的是可见光波段实现全覆盖，最好能达到自然光的水平；显色性仍显不高，理想水平是黑体相达到Ra=100；亮度需要有效地提高，包括发光效率的两个方面（量子效率和光输出效率）和功率的提高；另外还有体积、成本、专用集成电路、驱动器、“冷光”感等问题。
纵观LED的发展，我们不难发现，LED产业的发展极大地缘于技术的进步，而技术进步的动力则是来自于应用的需求，亮度的提高、基色的丰富、功率的增加等等无不如此。
可以推想，未来的LED产业，一定会根据应用的要求，在亮度、功率、基色等技术方面进一步突破，使不同类型的LED更加广泛地被使用，并且还会逐步地建立起各自相对独立的应用领域，从而步入LED细分时代，我们有理由相信，亮饰、照明、显示将会首先独立出来，形成LED应用的专门领域。
当然,从技术关联角度看，未来的LED产业会像一棵树，细分出来的专门领域，其源头仍会统一在芯片材料的生产上，不同领域的LED应用会得到不同技术支持。
3.4电源的选择与分析
3.4.1供电方式
第一种，直接用电池给主板供电，电池装在主板上随主板转动，缺点是成本高，寿命短，且电池增加了主板的重量，影响主板的平衡性和给步进电机过重的负担。
第二种方案是采用电刷供电，电刷对于接触面的磨损很大，对主板造成损伤，且增加了结构的复杂度。
第三种方案是采用无线供电技术，利用电磁耦合原理，用磁线圈对主板进行供电，此方案对主板没有任何损耗。
电磁耦合对很多人来说，再也熟悉不过了，变压器就是利用这个原理来传递能量。
如果把变压器的两个绕组分开，就是某种意义上的无线供电。
但是用电磁耦合的方式有很大的缺点，没有高磁导率的磁芯作为介质，磁力线会严重发散到空气中，传递效率下降非常厉害。
所以不适合大功率，远距离的无线供电。
本设计所需的功率很小，供电距离很小，所以是较理想的方案。
其结构如图3-5所示，其中L1为给主板部分供电的磁线圈。
图3-5无线供电结构图
综合上述3种方案，本设计采用方案3实际中电路如图3-6、3-7所示：
图3-6PCB电路板上的供电电路
图3-7电机部分供电模块供电电路图
3.4.2实际原理分析
（1）为了使系统能够长期稳定的工作，必须解决系统的供电问题。
通过无线供电的方式，并通过整流、滤波、稳压得到系统供电电源。
（2）通过电磁感应的原理，在PCB板下方固定一个线圈同时固定在电机的转子上，在外围接入一个通电的线圈。
由此可得到一个简易发电机装置，当电机转动时，里面线圈随转子转动，进行发电，再由整流、滤波、稳压可为PCB板子上的系统提供稳定的电源如图3-8所示。
K!
L;`\Vi图3-8系统供电效果展示
3.5重心调节
重心调节是最困难的一个技术环节。
旋转的重心直接关系到系统的稳定的运行，以及安全性问题。
旋转的重心如果不在转轴上的话，在高速的旋转中，会产生剧烈的抖动，在巨大的离心力下，会使整个系统分解，产生安全隐患。
所以，重心调节是必须解决的问题。
下面介绍重心调节的方法。
首先是电路板的外观设置。
根据物理质心计算方法，可知道，均匀的圆盘的重心就在圆盘的中心。
但是，由于电子器件的封装，重量都是不同的，圆盘电路板的重心是不均匀分布的，比较难调节，故不采用这种方法。
根据杠杆原理，当支点两端的物体的质量与力距乘积相等时，杠杆就处于平衡。
因此我采用了长条方型的电路板结构。
图3-9杠杆原理示意图
如上图3-9所示，只要M1*L1=M2*L2时，在布PCB的同时，只要通过简单的测量和计算便可以使得杠杆处于平衡压器集成电路，属于线性稳压器件
3.6PCB电路板上元件的焊接
由于美观原因本次设计使用的元件都为贴片元件。
贴片元件的焊接方式和注意事项如下。
3.6.1贴片元件的焊接方式：
1、在焊接之前先在焊盘上涂上助焊剂，用烙铁处理一遍，以免焊盘镀锡不良或被氧化，造成不好焊，芯片则一般不需处理。
2、用镊子小心地将贴片元件放到PCB板上，注意不要损坏引脚。
使其与焊盘对齐，要保证芯片的放置方向正确。
把烙铁的温度调到300多摄氏度，将烙铁头尖 沾上少量的焊锡，用工具向下按住已对准位置的芯片，在两个对角位置的引脚上加少量的焊锡，仍然向下按住芯片，焊接两个对角位置上的引脚，使芯片固定而不能移动。
在焊完对角后重新检查芯片的位置是否对准。
如有必要可进行调整或拆除并重新在PCB板上对准位置。
3、开始焊接所有的引脚时，应在烙铁尖上加上焊锡，将所有的引脚涂上焊锡使引脚保持湿润。
用烙铁尖接触芯片每个引脚的末端，直到看见焊锡流入引脚。
在焊接时要保持烙铁尖与被焊引脚并行，防止因焊锡过量发生搭接。
4、焊完所有的引脚后，用助焊剂浸湿所有引脚以便清洗焊锡。
在需要的地方吸掉多余的焊锡，以消除任何可能的短路和搭接。
最后用镊子检查是否有虚焊，检查完成后，从电路板上清除助焊剂，将硬毛刷浸上酒精沿引脚方向仔细擦拭，直到焊剂消失为止。
5、贴片阻容元件则相对容易焊一些，可以先在一个焊点上点上锡，然后放上元件的一头，用镊子夹住元件，焊上一头之后，再看看是否放正了;如果已放正，就再焊上另外一头。
如果管脚很细在第2步时可以先对芯片管脚加锡，然后用镊子夹好芯，在桌边轻磕，墩除多余焊锡，第3步电烙铁不用上锡，用烙铁直接焊接。
当我们完成一块电路板的焊接工作后，就要对电路板上的焊点质量的检查，修理，补焊。
符合下面标准的焊点我们认为是合格的焊点:
（1）焊点成弧形（圆锥形）。
（2）焊点整体要圆满、光滑、无针孔、无松香渍。
（3）如果有引线，引脚，它们的露出引脚长度要在1-1.2MM之间。
（4）零件脚外形可见锡的流散性好。
（5）焊锡将整个上锡位置及零件脚包围。
不符合上面标准的焊点我们认为是不合格的焊点，需要进行二次修理。
（1）虚焊：
看似焊住其实没有焊住，主要原因是焊盘和引脚脏，助焊剂不足或加热时间不够。
（2）短路：
有脚零件在脚与脚之间被多余的焊锡所连接短路，亦包括残余锡渣使脚与脚短路。
（3）偏位：
由于器件在焊前定位不准，或在焊接时造成失误导致引脚不在规定的焊盘区域。
（4）少锡：
少锡是指锡点太薄，不能将零件铜皮充分覆盖，影响连接固定作用。
（5）锡球、锡渣：
PCB板表面附着多余的焊锡球、锡渣，会导致细小管脚短路。
3.6.2注意事项：
焊接时不允许直接加热元件的焊端和元器件引脚的脚跟以上部位，焊接时间不超过3s/次，同一焊点不超过2次；以免受热冲击损坏元器件
图3-10焊接成果展示图
第四章软件的设计与分析
4.1系统编程语言和编程工具
在单片机的开发应用系统中，汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，己经不能满足实际需要，高级语言被逐渐引入，C语言就是其中之一。
C语言是一种通用的计算机程序设计语言，它既有高级语言的各种特征，又能直接操作系统硬件。
对于大多数S系列单片机，使用C语言与使用汇编语言相比具有如下优点：
（1）不需要了解处理器的指令集，也不必了解存储器结构。
（2）寄存器分配和寻址方式由编译器进行管理。
（3）指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性。
（4）可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数。
（5）程序的开发和调试时间大大缩短。
（6）C语言中的库文件提供了许多标准的例程。
（7）可实现模块化编程技术，从而可将己编制好的程序加入到新程序中。
（8）C语言可移植性好且非常普及。
系统软件设计采用模块化设计的方法，它是把一个功能完整的较大的程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块，对各个程序模块分别进行设计、编程和调试，最后把各个调试好的程序模块联成一个大的程序。
模块化程序设计的优点是单个功能明确设计和调试比较方便、容易完成。
一个模块可以为多个程序所共享。
4.2旋转LED显示的软件原理分析
我们知道16*16取模是一列一列取的了，一列有2个字节，一共16列，所以一个16*16的汉字就有32个字节，需要占用单片机的Code空间32个字节。
然后再结合硬件来分析，如图4-1.
图4-1led与管脚连接展示
图
P2.2
P2.1
P5.3
P2.0
4-2管脚展示图
一列灯16个刚好对应16*16一个汉字的一列：
2个字节，所以把取模到的数据依次送到P2口和P4P5口，这里硬件中P4P5组成一个字节，所以显示程序如下：
for（i=0;i<16;i++）//送16列显示这里只显示一个字。
{
P2=zimo[i*2];//送数据低位显示
P4=（zimo[i*2+1]）;//送数据高位显示这里用了单片机P4和P5口是LQFP48脚才有的IO口
P5=（zimo[i*2+1]）>>4;//这里行和列都是IO口独立驱动的LED
DelayUs（200）;//延时让LED亮起来每列延时的时间
P2=0XFF;
P4=P5=0XFF;
}
在什么时候送显示呢？
当单片机IO判断到红外接收管接收到起点信号，就开始显示，显示完16列后等待下一次的起点信号。
这样只要电机的速度够快就会稳定的把字显示字空中了。
平面的文字显示同理。
如何让一组文字不断的移动？
这就需要一个字幕计数器，旋转LED每旋转一圈，这个字幕计数器就加一，指向下一列，这样不断的刷新，感觉文字就在移动了，程序如下：
j就是字幕计数器，每转一圈j就会加1；
if（KEY==0）//红外接收管判断起始位
{
j++;
if（j>672）//根据显示的字数定义改数值672/16=42个字显示完42个字后重新开始
{
j=0;
}
for（i=j;i<128+j;i++）//每转一圈前进一列这里定义一圈中同时显示128/16=8个字，
{P2=zimo[i*2];//送数据低位显示
P4=（zimo[i*2+1]）;//送数据高位显示这里用了单片机P4和P5口是LQFP48脚才有的
P5=（zimo[i*2+1]）>>4;//这里行和列都是IO口独立驱动的LED
DelayUs（200）;//延时让LED亮起来每列延时的时间
P2=0XFF;
P4=P5=0XFF;
4.3旋转led显示屏时钟显示部分程序分析
#include"NEW_8051.H"
#include"task.h"
bitflag;
ucharid;
voidShow_line_time（void）//立体显示时间
{
uchari;
for（i=0;i<8;i++）
{
P2=shuzi[Hour/16][i*2];//时的十位
P4=shuzi[Hour/16][i*2+1];
P5=shuzi[Hour/16][i*2+1]>>4;
delay_PIC
（2）;
}
P2=P4=P5=0XFF;
for（i=0;i<8;i++）
{
P2=shuzi[Hour%16][i*2];//时的个位
P4=shuzi[Hour%16][i*2+1];
P5=shuzi[Hour%16][i*2+1]>>4;
delay_PIC
（2）;
}
P2=P4=P5=0XFF;
/******************************************/
P2=P4=P5=0XFF;
for（i=0;i<8;i++）
{
P2=shuzi[10][i*2];//显示两点
P4=shuzi[10][i*2+1];
P5=shuzi[10][i*2+1]>>4;
delay_PIC
（2）;
}
P2=P4=P5=0XFF;
/**************************************/
for（i=0;i<8;i++）
{
P2=shuzi[Cent/16][i*2];//分的十位
P4=shuzi[Cent/16][i*2+1];
P5=shuzi[Cent/16][i*2+1]>>4;
delay_PIC
（2）;
}
P2=P4=P5=0XFF;
for（i=0;i<8;i++）
{
P2=shuzi[Cent%16][i*2];//分的个位
P4=shuzi[Cent%16][i*2+1];
P5=shuzi[Cent%16][i*2+1]>>4;
delay_PIC
（2）;
}
P2=P4=P5=0XFF;
for（i=0;i<8;i++）
{
P2=shuzi[10][i*2];//显示两点
P4=shuzi[10][i*2+1];
P5=shuzi[10][i*2+1]>>4;
delay_PIC
（2）;
}
P2=P4=P5=0XFF;
/*********************************************/
for（i=0;i<8;i++）
{
P2=shuzi[Sec/16][i*2];//秒的十位
P4=shuzi[Sec/16
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