基于51单片机的旋转LED点阵显示屏设计与实现毕业设计论文.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文） 基于51单片机的旋转led点阵显示屏设计与实现摘 要本设计是一个旋转式led显示屏，它利用了视觉暂留原理，以51单片机为核心控制器件。led模块安装在稳定旋转地载体上，静止时，各列发光二极管等间距排列。当显示模块随着旋转体速度的加快并最终稳定下来后，在程序精确的控制下，由于视觉暂留效应，人眼就能够看到显现出预设的文字，字符等。红外收发二极管的作用是，当接收二极管随旋转显示屏转到发射二极管，两者对接时完成信号收发，引起单片机外部中断，单片机控制程序初始化。因装在电机上的控制电路始终在高速旋转，所以不方便使用电刷供电方法来给控制系统和显示模块供电。这里采用通过高频线圈耦合（等同于变压器初次线圈耦合）供电。次级线圈耦合得到的是交流电，还需通过整流二极管整流成直流电，供旋转模块使用。关键词：视觉暂留，直流电机，无线耦合输电，红外触发 the design and implementation of rotation led dot matrix display screen based on 51 mcuabstractthe design is a rotating led screen based on the c51 mcu controlling and the visual persistence principle. installing 16 led (light-emitting device) on a rotating steadily device, each row of light-emitting devices spacing are lined up, along with the rotation speed and finally stabilized in the control of the microcontroller program, accurate, continuous rotation shows the text, characters , etc ,which is designed in advance.the function of a infrared diode is that when the receiving diode with the display screen rotating to the emitting diode, the process of signals receiving and transmitting is completed. there will be a interrupt leading to scm controllable display program being restored to its original state. though the main controlling circuit on the motor is rotating at a high speed, its not convenient with the brush contact to supply power to control system and display module. it can be done by high-frequency coil coupling (just like the transformer primary coil coupling) to supply power. though the current got by secondary coupling coil is alternating current, it need to be rectifier to be dc by a rectifier diode, used by rotary module.key words: persistence of vision, dc motor, wireless transmission, infrared trigger7毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录前言1第1章 方案论证与选择31.1系统总方案31.1.1 主控制部分31.1.2 通信模块31.1.3 led显示屏方案41.2系统硬件方案61.3系统软件方案61.3.1 单片机编程语言71.3.2 系统软件编译器选择7第2章 硬件系统设计92.1 硬件整体设计概述及功能分析92.2 控制单元设计102.2.1 c51芯片的选择102.2.2 stc89c51rc简介112.2.3 控制系统设计142.3 模块供电设计方案152.3.1 高频振荡电路152.3.2 稳压整流电路162.3.3 驱动电路172.4 通信系统硬件设计17第3章 系统软件实现193.1 系统程序方案193.1.1 程序整体规划193.1.2 定时中断控制流程203.1.3 显示子程序介绍213.2 开发编译环境keil vision4 介绍213.3 字符代码生成器213.4 proteus仿真233.4.1 软件介绍233.4.2 电路仿真243.4.3 借助仿真初步完善软件程序25第4章 电路焊接及调试264.1 焊接264.2 调试264.2.1 加电初步检测264.2.2 载入程序验证274.3 程序完善284.3.1 显示多样化284.3.2 程序编写设计284.4 硬件优化284.4.1 转速改善284.4.2 线圈耦合294.4.3 次级线圈电压电流29结论30谢 辞31参考文献32附录33外文资料翻译42前言该设计课题使我们能够掌握led显示屏的基本显示原理和设计方法，对led显示屏这个行业能有较为深刻的了解和认识。并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。在本文所设计的旋转led显示屏以stc89c51单片机为核心，最大限度的利用单片机的资源，实现显示功能。利用视觉暂留效应，设计一种旋转式led显示屏在稳定旋转的载体上安装多个发光二极管。静止时，各个发光二极管等间距排布。当红外二极管收发器旋转到相对应位置，接收二极管电平变化，初始化显示。通过低压直流电来驱动电机，使加载在直流电机上的设计电路达到匀速稳定旋转的效果，通过c语言程序在高速旋转中控制单片机相应引脚电平高低，来实现发光二极管在旋转中显示文字字符的效果。其目前社会生活中应用领域主要在证券交易、银行等金融营业点信息显示，工业、道路交通安全信息显示和导引标志、舞台场景灯光的营造，机场航班、港口、车站旅客引动态信息显示、体育赛事场馆信息显示、指挥调度中心信息显示，餐饮业、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示、广告媒体宣传产品、大型户外led屏展览、租赁、集会等各种场合。而现如今， led产业从全球分工来看，中国台湾已成为全球led重要的生产基地，而美国、日本、欧盟在led上游外延片、芯片生产上仍拥有巨大的技术优势，。全球已形成了以日、美、德为龙头产业，中国台湾、韩国紧跟其后，中国大陆、马来西亚等国家和地区积极跟进的态势。目前中国国内庞大的需求应用给led下游厂商创造了巨大的发展机会，这为我国led产业的发展提供了良好的机遇1。未来led产业会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展2。所以，通过该课题设计，学习和熟悉51单片机的的软硬件开发工具的使用方法和实际问题的解决能力，激发创新意识，活跃思维能力，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。其中所需要学习和研究的主要内容如下：(1)以单片机为控制核心的控制应用，以及外围软硬件扩展兼容要求；(2)红外收发器模块的触发工作原理；(3)无线供电模块原理，旋转模块的控制；(4)人眼视觉停留的参数；(5)各模块电路功能结果的仿真；本文分为四章，详细说明了led旋转屏的原理、设计方法、以及设计流程。第1章主要介绍系统总体设计方案及可行性论证。第2章对系统硬件设计方案作了论证，介绍了对主控芯片和各块电路基本设计思路。第3章详细介绍了系统的开发平台，系统要实现的主要功能，软件仿真程序设计及结果。第4章对硬件焊接检查，程序下载实物演示，硬件和软件程序调试中遇到的问题作了说明，并对各功能进行了测试和分析。 第1章 方案论证与选择1.1系统总方案由于旋转led显示屏高速旋转，所以对硬件的质量要求非常的高。为方便检修和维护，在硬件电路设计时通常采用模块化的设计方法。硬件的设计这里采用模块化设计，要同时兼满足模块本身功能和系统兼容。如图1-1所示，根据设计要求的功能特点确定系统总体要由通信系统，控制部分，显示部分三部分组成。单片机通过通信模块下载得到的控制指令和显示内容代码，执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式3。控制部分通信部分显示部分图1-1 系统硬件组成框图1.1.1 主控制部分控制部分是整个系统的核心部分，其功能为发送数据和控制指令处理后控制显示部分显示内容。这里用的电子设计方法是采用单片机。单片机总体概括性的说是集成了cpu，rom，ram和i/ o口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制,因此又叫微控制器(mcu)。单片机品种齐全,型号多样 cpu 从8，16，32到64位，多数采用精简指令集(risc)技术，有非常丰富片上i/o；有的单片机还集成有a/ d，what dog，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。这在便携式产品中大有用武之地4。1.1.2 通信模块通信部分的最重要的设计要求就是要满足快速简单、稳定、易实现。pc机数据传输一般采用的方式是串行通信和并行通信。1.串行通信串行通信数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的速度低，但传送的距离长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合。在串行发送时，数据是一位一位按顺序进行的，而计算机内部的数据的传递和处理是并行的。因此，当计算机接受数据时，必须将串行数据转换为并行数据。反之，又必须将计算机中并行数据转换为串行数据输出。这种转换可以用软硬件来实现。但由软件实现会增加cpu负担，会降低其利用率，故目前常采用硬件实现。通用异步接收/发送器，简称uart（universal asynchromous receeiver/trabsnitter），是一种硬件电路。在单片机芯片中，uart已经集成在其中，作为其组成部分，构成一个串行口5。2.并行通信并行通信，数据的各个位可以字或字节为单位并行同时进行传送。并行通信最大特点是速度快，但其需要的通信线多、各位收发同步协调要求高，成本高，故适合远距离通信。由于课题任务要求是基于51单片机的开发方式，单片机内已经集成uart，在此选择串行通信方式。1.1.3 led显示屏方案由于人眼具有视觉暂留的特性，当以一定速率刷新平面画面时，我们就可以看到连续的图像，阴极管显示屏采用的就是逐点扫射方式，每秒钟至少要刷新画面25 帧的情况下,在人眼中才是一幅流畅的图像了。传统的 led点阵显示屏逐行扫描循环点亮，当刷新速率足够大时，看到的即是一整幅稳定的画面。它的原理示意如图1-2 所示，其中 (f)为人眼看到的由(a) (b) (c) (d) (e) 不同时间的显示状况拼接组成的的完整画面“3”。在这种led显示屏中，采用的是逐行下移扫描点亮器件的方式，整个显示屏不论有没有点亮的led，每一行都必须要有足够多的led显示器件，这就增加了显示屏的制作成本。图1-2 传统led显示原理旋转显示扫描，同样也是是利用人眼视觉暂留原理来实现显示效果的。显示部分包括两列led显示排列（每列十六组led发光二极管即每列占用两组i/o口），驱动电路。该led显示屏是由一个一个的发光二极管纵向排列构成的，要显示字符就要使其旋转起来，并使发光二极管列结合程序定时的亮灭。这里直接通过直流电机的转动来带动led列的旋转，运行到某一位置时就初始化该位置的状态，到一定时间后又显示下一状态的图像，即一列显示器件要由电机转动来更换位置实现完成全部图像的显示。其显示原理如图1-3所示。图1-3 旋转led显示屏原理a),b),c)是在不同时间的显示效果，d)是我们人眼看到的整体画面“3”。其旋转成像是一个柱面显示屏，并且观看视角可达360。需要32个led，可以充分利用i/o口，通过程序进行位操作实现。较平面点阵显示屏，led用量少，易检修。所以，在此我选择旋转led显示屏。1.2系统硬件方案 系统最终方案框图如图1-4所示，以51单片机机作为控制显示效果主控制器件，用串行通信isp下载线将显示内容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据下载来的内容和指令通过端口电平输出来驱动2块各有16个led灯组成的显示模块构成的216的led纵列显示模块。此设计题目以此方案为总体指导展开具体的硬件电路设计。串行通信单片机驱动电路216led显示排供电模块旋转电路图1-4 硬件设计方案1.3系统软件方案中断程序主程序字符数组显示程序初始化程序软件的设计除了满足基本的显示功能外还必须要满足易读写，易检错，程序精简提高下载和编译效率。在显示目标和硬件总体构架确定的情况下，软件可以大致分为主程序，显示子程序等子程序，通信程序三个主要程序模块部分组成。具体结构如图1-5所示。图1-5 软件功能结构框图软件的编译过程需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。编写软件之前得需要选择一种合适的编写语言以及配套的编辑器和编译软件。最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。1.3.1 单片机编程语言目前单片机编程语言有汇编语言和c语言两种。汇编语言(assembly language)是面向机器的程序设计语言，功能强大，可以利用计算机所有硬件特性并直接控制硬件。它的执行速度快，内存空间占用量少，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，可读性差，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植6。c语言是一种源于编写unix操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。c语言可以进行许多机器级函数控制。对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的存储器结构有基本了解；可由编译器管理寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节；用c语言编写的程序有规范的结构。这种程序结构化方式，改善了程序的可读性；程序编译和调试时间短，效率从而提高；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；可移植性好，因为它具有方便的模块化编程技术。c语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，c语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机的不同较快地移植过来7。我在刚入学时学过c语言课程，对汇编语言不了解，以及后来在51单片机的学习中我一直使用的是c语言来编写程序的。基于以上理由决定采用c语言为该显示系统的编程语言。1.3.2 系统软件编译器选择我们采用c语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单片机可执行的机器语言。因此在系统软件设计中，需要编译器。支持用c语言编程的c51编译器主要有两种：franklin c51编译器和keil c编译器8。我大二学习51单片机时，我熟悉并熟练操作的也是keil c编译开发环境，目前在单片机开发中普遍都是使用keil c来进行编译，图书馆和网络上关于51单片机学习开发资源上绝大多数讲解教授的是keil c编译器，所以这里我采用了keil c编译开发环境。第2章 硬件系统设计2.1 硬件整体设计概述及功能分析 显示系统具体设计主要由通信系统，单片机系统，显示驱动电路和216 点阵排列屏五部分组成。具体操作和工作流程为：用串行下载下借助pc机上的下载软件向单片机载入控制指令和显示代码内容；下载完毕后，给系统上电，执行控制指令，处理显示代码将显示内容通过i/o口输出并且控制各个i/o端口电平变化，最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理，以达到led显示屏所需大小的显示电压电流要求，进而使显示屏显示出内容。根据硬件的功能结构图选取合适器件，器件不但要求能实现所要求的功能还要能兼容至整个系统之中。通过查阅资料和对比最终的硬件原理图如图2-1所示。 图2-1 功能结构框图该系统所要实现的功能和要求有以下几点：(1) led显示屏的面积必须满足至少显示一个汉字的标准。并且显示要清晰。(2) 驱动电路要能提供led显示正常工作范围内的电压和电流要求。(3) i/o口高低电平的区分能力以及其输入输出频率必须满足单片机以及驱动电路响应的要求。(4) 单片机要能够控制led显示屏的显示，并且端口驱动能力要足以驱动显示电路，执行频率要能达到扫描显示的最低要求。(5) 单片机由isp下载线下载程序，由无线振动电路以及耦合线圈给显示和控制系统供电，需外接5v直流电源给振荡模块和旋转电机供电。2.2 控制单元设计2.2.1 c51芯片的选择 控制系统单元是整个显示系统的核心，该系统中采用51系列单片机为核心器件，用来处理控制指令和显示内容，并且直接通过i/o口输出电平通过驱动电路来控制led显示屏的显示内容和显示状态。在51系列单片机中选定一款合适的型号来作为控制单元的主控芯片。常见的51系列单片机有以下几种，如表2-1所示。表2-1 51单片机芯片厂商产品公司名称产品at(atmel)at89c51，at89c52，at89c53，at89s51等philipsp80c54，p80c58，p87c54，p87c58，p87c524等inteli87c54，i87c58，i87l54，i87l54等stcstc89c51rc，stc89c52rc，stc89le51rc等根据题目的设计要求，所选芯片必须要具有的就是方便的编程下载能力，足够的i/o端口和中断引脚，足够高低运行速度。stc89系列单片机还具备除满足以上基本条件以外的超强抗干扰、高速、低功耗、指令代码与传统8051单片机完全兼容的增强型8051单片机等诸多优点。加之在大三时，我学习的课程就是以stc89c51架构来开展的，因此这里我就选择国产宏晶科技生产的stc89c51rc为控制单元的主控芯片，采用的是pqfp-44封装类型。2.2.2 stc89c51rc简介1.性能特点：stc89c51rc是国内宏晶科技有限公司设计生产具备超强抗干扰、高速、低功耗、指令代码与传统8051单片机完全兼容的增强型8051单片机。6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统8051；工作电压：5.5v-3.3v（5v单片机）/3.8v-2.0v（3v单片机）；工作频率范围：040mhz，实际工作频率可达48mhz；用户可应用程序存储空间分为：4k/8k/13k/16k/32k/64k字节；片上集成1280字节或512字节数据存储空间ram；通用i/o口（35/39个）；复位后为：p1/p2/p3/p4是准双向口/弱上拉（普通8051传统i/o口）；p0口作为总线扩展用时，不用加上电阻，作为i/o口用时，需要加上拉电阻；最具特点是支持在系统可编程isp（in-system programming），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（rxd/p3.0，txd/p3.1）直接下载所编程序，即可就能完成；有e2prom功能（electrically erasable programmable read only memory电可擦写可编程只读存储器），是用户可更改的只读存储器（rom）；内部看门狗（wdt）定时器；共有三个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；有四路路外部中断，下降沿中断或低电平触发中断，power down模式可由中断低电平触发中断方式唤醒；通用异步串行收发口（uart），还可结合定时器软件实现多个uart；工作温度范围：-40+85c（工业级）/175c（商业级）；封装形式： pdip-40，plcc-44，pqfp-449。2. stc89c51rc的pqfp-44封装芯片管脚图如图2-2所示。图2-2 芯片管脚图3.主要涉及引脚功能说明：vcc电源电压gnd地p0口p0口是一组双向8位三态i/o口，可向其写入1使其状态为悬浮，用作高阻输入。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个ttl逻辑门电路，对端口p0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。p0口也可以在访问外部程序存储器时，作地址的低字节；访问外部数据存储器作数据总线，此时通过内部强上拉传送1。在flash编程时，p0口输出指令字节，要求外接“上拉电阻”。p1口p1口是一组内部带上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流10。p1.0和p1.1的第二功能：(1)p1.0 t2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出；(2)p1.1 t2ex（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）；p2口p2是一组内部带上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对于端口p2作输入口时写“1”，原理同p1口。p3口p3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向i/o口。p3口第一功能同p1、 p2口。p3口除作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-2所示。rst复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ea/vpp外部寻址使能/编程电压，在访问整个外部程序存储器（地址0000h-ffffh），ea端必需保持低电平（接地）。如果ea为高时，将执行内部程序。当rst释放后ea脚的值被锁存，任何时序的改变都将无效11。表2-2 p3口的第二功能口线第二功能类型名称p3.0rxdi串行输入口p 3.1txdo串行输出口p3.2intoi外中断0p3.3int1i外中断1p3.4toi定时/计数器0p3.5t1i定时/计数器1p3.6wro外部数据存储器写选通信号p3.7rdo外部数据存储器读选通信号2.2.3 控制系统设计控制电路设计中采用的是单片机系统，该系统必须要是工作在一个最小系统。stc89c51rc的最小系统包括了外部时钟电路和复位电路，选定一定数量的io口作为控制口控制外部的各个器件和数据的输出。根据实现功能选择一定的单片机端口添加外围器件，具体电路如图2-3所示图2-3 控制系统电路图在该控制系统中，p0、p1、p2、p3口主要用作led显示数据的控制输出。由于端口的驱动电压电流有限，所以在这些端口都外接了560的上拉电阻来提高驱动能力。其中p3.0、p3.1还被复用为isp下载功能口。具体做法是：将p3.0、p3.1两位端口和电源正负极接在4针弯针的同一侧即可。端口p4.3接到红外接收管的正极用于外部中断初始化程序。29号引脚ea/vpp要执行内部程序不需访问外部存储器，所以其直接和38号引脚（vcc）同时接在整流二极管负极，即电源正极。14号和15号引脚（xtal2和xtal1）外接11.0592mhz晶振，与两个20p电容组成时钟电路。2.3 模块供电设计方案主控供电方案：(1)通过线圈耦合（相当于变压器原理）无线输电的方法，无触点。(2)用电动机电刷的方法，简单有效，但这样如果电刷与触点接触不充分或压力不足，影响供电效果。而若接触压力大，电刷磨损快，寿命短，并且由于阻力的因素，容易造成电机发热量多，功耗大。(3)直接用电池给主板供电，成本高，电池装在主板上随主板转动，影响转速。综上比较，结合本题目实际特点，选择第一种方案。其供电系统整体框架如图2-4所示：高频振荡供电驱动稳压整流初次级线圈5v图2-4 供电系统框图2.3.1 高频振荡电路高频振荡电路模块原理图，该电路由5v 1000ma直流电源放大电路、lc振荡电路、稳频选频电路组成，如下2-5所示：图2-5 供电系统框图其中三极管q1是pnp型b772，如图2-6所示：图2-6 b772外形引脚图q2是s9014，相关介绍如下：三极管s9014 的结构是npn，集电极-发射极电压 45v，集电极-基电压 50v，射极-基极电压 5v，集电极电流0.1a，耗散功率 0.4w，结温150，最小特征频率150mhz，放大倍数：20-90。 其引脚从左向右依次为e发射极 b基极 c集电极；对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为e b c，如图2-7所示：图2-7 s9014外形引脚图2.3.2 稳压整流电路安装在旋转模块上的次级线圈因耦合得到的电动势是同初级线圈同频率交流振荡电压，经整流二极管d1变成单向电流，220uf电解电容做一次滤波，稳压管d2确保输出5.0v系统电压，104电容为二次率波。原理电路如图2-8所示图2-8 稳压整流电路图2.3.3 驱动电路先用上拉电阻把各个i/o口和led灯依次连接起来，并把所有二极管的正极连接在5v稳压整流电源的正端，确保稳定的+5v驱动电压，构成完整的驱动电路，电路如图2-9所示。这里发光二极管一律采用共阳接法。图2-9 驱动连接电路图2.4 通信系统硬件设计stc89c51rc单片机具有通用异步串行口（uart），支持单片机进行数据的串行传输。单片机与计算机不能直接相连进行通信必须将rs-232c与ttl电平进行转换12。在通用的电平转换芯片中max232系列的芯片以集成度高，单5v电源工作，只需外接5个小电容即可完成rs-232c与ttl电平之间的转换而成为单片机系统中的常用芯片。芯片max232为下载模块中最重要的组成部分。电路如图2-10所示：图2-10 串口下载线电路图17洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 系统软件实现3.1 系统程序方案 3.1.1 程序整体规划系统程序按照模块化的设计思路采用c语言编写。程序要实现串口通信，静态显示，画面切换显示三大功能。其功能结构如图3-1所示。通信程序接收数据，交给主程序处理再通过控制程序选择不同的显示程序进行显示。程序的总体流程如图3-1所示：定时器t0中断定时器t1中断电源开始系统初始从显示数组读取显示数据到寄存读取控制命令，调用相应子程序选择显示内容外部中断int2图3-1 主程序流程图程序开始时首先必须对单片机进行初始化，其中初始化的内容包括：定时器中断的开启和偏差量初值的设定，i/o端口电平重新置高初始，显示起始位置。初始化完成后，中断源有外部中断int2、定时器t0、定时器t0组成。外部中断由红外接收管的电平变化引起int2的触发，外部中断主要功能是不断初始化程序设置。定时中断程序设定了led点阵显示屏所要显示的内容和显示的方式，最后执行的是各种显示程序。3.1.2 定时中断控制流程两个定时中断控制流程如图3-2所示.定时t0中断初值重赋变量过？接收显示数据及控制命令，检查接收是否完毕将显示数据移入显示数组并赋值给对应io口定时返回定时t1中断初值重赋计时，计数判断设置时间和累计数值是否到达，到达时，重置变量归零定时返回图3-2 定时中断流程图3.1.3 显示子程序介绍 在主函数中，根据定时器计数，来控制显示状态变量的值来判断下一步显示内容，即要调用那一个显示子函数。子函数中，主要是有一个while循环构成的一个有限循环来实现字符数组中的元素值向缓冲数组的转移。当转移完全后，以后显示，端口赋值直接从缓冲数组里取值。以后的显示直接从缓冲数组中取值，显示内容的更新与显示时刻不冲突，避免了彼此的干扰冲突。3.2 开发编译环境keil vision4 介绍目前，单片机c语言的开发环境主要是keil vision，该软件用于mcs-51单片机开发工具，可以支持汇编和c语言；vision这一开发环境集成了项目管理器、拥有完善功能的编辑器、仿真器、选项设置工具以及在线帮助，其是目前51系列单片机最佳的软件开发工具13。其基本操作有：(1)打开keil c窗口界面；(2)新建工程文件夹（project-new project），选择路径，输入工程名称，选择对应单片机型号；(3)新建编辑区，输入所需代码，保存为扩展名为“.c”的文件格式；(4)再在source group 1中添加上步保存的“.c”文件；(5)选择target，勾选create hex file选项框，点击“ok”；(6)然后依次点击translate current file、build target、rebuilt all target file图标。3.3 字符代码生成器打开通用led点阵代码生成器，如图3-3所示。该生成器，只需在文字预览框里输入要显示的字符，点击“旋转点阵”并选择“c51”或“汇编”来生成相应的显示字符代码。复制生成的代码放入所编程序中，下载到硬件电路中运行显示即可。此软件无需安装及驱动，直接运行即可使用，操作简单，字符代码生成质量高，速度快。图3-3 字符代码生成窗口213.4 proteus仿真3.4.1 软件介绍proteus软件是英国labcenter electronics公司出版的eda工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它eda工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。该软件具有其它eda工具软件（如multisim）的功能。用户可以实时采用诸如ram，rom，键盘，马达，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分i2c（inter ic bus）器件。可以仿真mcs-51系列、avr、pic、arm等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，proteus建立了完备的电子设计开发环境14。它拥有超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的spice文件自行设计仿真器件，labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；支持主流的cpu类型：如arm7、8051/52、avr、8086、pic10/12、pic16、pic18、pic24、等；支持通用外设模型：如直流/步进/伺服电机、lcd点阵和图形模块、led显示模块、电子温度计、按键、rs232虚拟终端等等，其compim（com口物理接口模型）还能够实现通过pc机串口使仿真电路和外部电路实现双向异步串行通信；可以与第三方集成编译环境（如keil c、iar和hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真与调试；从原理图到pcb的快捷转换：即原理图设计完成后，可一键进入ares的pcb设计环境，从而实现从原理概念图到产品的完整设计；先进的自动布局/布线功能：支持器件的人工/自动布局；支持无网格自动布线或人工线；支持门交换与引脚交换功能，使pcb设计更具合理性15。 打开软件窗口，点击打开元器件库（pick parks from libraries）窗口界面，在元件查找栏输入要查找的单片机和其他元器件,双击元器件名称添加，如图3-4所示。在操作编辑窗口，双击每个元件编辑相应参数，按照原理电路图布线连接，仿真电路如图3-5所示。图3-4 元器件添加窗口图3-5 仿真电路3.4.2 电路仿真完成电路原理图连线后，双击单片机，在弹出的界面中的program file一栏中选择keil c编译过生成的“.hex文件”，点击“ok”，并开始仿真。仿真结果如图3-6所示。图3-6 仿真结果显示3.4.3 借助仿真初步完善软件程序由于编程时忽略发光二极管共阴、共阳问题。原理图中二极管是共阳连接。焊接完成后，芯片引脚出来的是高电平控制，二极管又共阳连接，导致二极管与预期控制亮灭反向，所以把程序中的端口赋值按位取反。如下：p0=v12*j;/取出的数据到p0输出口p2=v12*j+1;/取出的数据到p2输出口24第4章 电路焊接及调试4.1 焊接为了做到统一规划，尽可能少出错，避免将来后期硬件焊接完毕后或者出错检查相当困难，这里做了如下安排：(1)认真检查电路原理图，确保电路原理正确可行；(2)针对原理图中所涉及到的所有元器件，一一确认型号、参数、数目；(3)借助万用表一一检测电阻，二极管，三极管，电容等元件，确保完好无损，参数正确；(4)电路焊接遵循“注意正负，认准型号，一个模块一个模块依次焊接，先小件后大件，焊一件测一件，测通路检短路”的原则；(5)焊接完毕后，再次与原理图一一对照，确认无误，并检测焊接在电路板上的元件好坏。4.2 调试按照上述步骤，硬件焊接完毕，认真比对检查，初步确认焊接与原理图一致后。4.2.1 加电初步检测连接电源，打开开关，旋转显示屏不转动，且没有一盏led灯点亮。发现电源指示灯不亮，用万用表测电源接头电压值为0v，即电源损坏。换了一个5v直流电源后，led屏旋转；但led灯不亮，使用万用表检查led灯及相关电路没有问题，但通过比较前后使用的两个电源发现第二个电源输出额定电流值只有800ma,又更换一个5v1a电源，上述问题解决。4.2.2 载入程序验证利用串口线，通过stc网站提供的isp下载软件向单片机内部程序存储器中载入一个基本的验证性程序。此次目的在于根据显示效果和出现的问题，来确定硬件是否有未发现的错误或设计不合理的地方，进而修改完善硬件电路。若经过多次修改完善下载程序，并确定程序正确无误，则要重新检查审视电路原理和硬件电路焊接的正确性与合理性。这里，程序是一个最基本的引脚控制显示程序，仅有头文件,字符代码数组，main()函数，总线赋值，定时器中断，while循环。此程序旨在对硬件实物电路基本功能的测试（led的焊接情况，电路电气正确性，功能基本实现情况等）。isp下载操作界面如图4-1所示。图4-1 isp程序下载窗口这里，经反复核对修缮验证程序，观察硬件显示效果。在借助万用表确认焊接元器件无短路、断路、遗漏情况，与原理图相一致，元器件并无损坏，电路电气特性良好，但显示效果混乱。多次比对i/o口赋值与原理图发现，电路设计初衷没有考虑到的合理性。问题在于：原理图上，发现其上p0、p1、p2 、p3、口从上到下顺序为07，而由通用led字符代码生成器生成的字符代码放在程序数组中赋给各个io口是上到下的顺序为70。在设计时只是简单亦步亦趋的按照原理图上的芯片引脚连接的led排列，没有注意到在实际的软件程序编写过程中可能出现的不便操作，甚至是出现不可能实现的效果。找到问题所在处后，重新调整焊接了各io口led灯位排列次序，使其从高到低排序是从px7到px0（x=0,1,2,3）。重新载入程序，加电实验，可以显示预期的简单字符。4.3 程序完善 4.3.1 显示多样化由于第4章的所载程序只是一个基本的验证程序，他的功能只是检验硬件电路的正确性和合理完善性。要实现多样化显示，需要结合51单片机特点和硬件电路，在程序中要进行相应的中断、子函数调用、数组等操作。这就增加了程序的复杂性，同时也增加了程序和硬件显示的协调设计难度。stc89c51rc 单片机pqfp-44封装，它有足够的i/o端口，并且拥有四个外部中断（int0、int1、int2、int3）和三个定时器/计数器中断（t0、t1、t2），这就方便了在不使用锁存器呵占用i/o口的情况下，可以用多余的外部中断和内部定时计数器来实现初始化、函数调用、显示内容变换。4.3.2 程序编写设计依照软件整体设计方案，进行程序多样化的编写。在此前验证程序的基础上，加入中断、子函数、多个字符显示代码数组。难点在于如何是显示同转速更加顺畅协调，实现程序和代码高效率的显示。 4.4 硬件优化影响硬件显示效果和程序设计中的时间协调性的主要因素有：旋转屏的旋转速度，线圈耦合系数，次级线圈得到的电压电流值。4.4.1 转速改善这里是增加转速，措施是将电机原来的负极从pnp三极管b772的发射极直接接地，减少电机电路后续串联电路阻抗的分压。如图5-1所示。图4-2 电机负极接线前后对比4.4.2 线圈耦合载流线圈与其他线圈之间通过磁场相互联系的物理现象称为磁耦合。一对有磁耦合的线圈，若流过其中一个线圈的电流随时间变化，则在另一线圈两端将出现感应电压，反之亦然。这在电磁学中称为互感效应。直流激励下电路的稳态响应中没有互感现象。变压器是利用互感原理工作的最典型的电气元件16。无线供电模块中的线圈耦合原理，就等同于变压器耦合原理，都是利用了麦克斯韦电磁场理论的基本观点：变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场，也即磁耦合。4.4.3 次级线圈电压电流要想增加次级线圈的电压与电流，就需要提高次级线圈的磁通量，可以增加次级线圈匝数，增加磁芯。这里采用了直径小于初级线圈直径的增加了匝数的漆包线线圈做次级线圈，并在次级线圈内部加装一个磁导体曾加磁通量，来有效增加磁耦合。如图5-2所示图4-3 加装磁导体的次级线圈51 结论此次设计并不是一项创新性课题。旋转的led点阵显示屏此前也早已有之。此次毕业设计在参考前期的参考类似设计后，了解其课题的基本原理后，拟定整体设计