线阵LED图文显示装置（E） 论文.doc

2015年吉林建筑大学电子设计竞赛 线阵LED图文显示装置（E）【本科组】 2015年5月27日- 17 -摘要随着社会的发展，能源短缺紧张问题日益严重，电热水器、饮水机、电饭煲之类的家用电器在保温时，由于简单的温度控制系统，因而都会造成很大的能源浪费。因此，能源问题也成为最热门的话题，也是我们急需解决的。那我们从节省能源，保护环境出发，设计出本水温加热控制系统。为了完成对水温控制系统的设计，本文介绍了基于STC89C52的自动水温控制系统的设计及实现过程。该系统利用STC89C52组成最小系统，利用DS18B20组成实时测温系统，用固态继电器控制加热系统，且通过自制水位器精确的测出水位。该系统具有实时显示温度和水位、温度测量准确、温度设定灵活并能根据设定值对水的温度进行调节和控温的目的以及达到上限水位的报警功能。水温实时控制由继电器电热棒进行升温。显示部分由“人机交互界面”的12864液晶显示，增加可读性。该系统具备较高的测量精度，能较好的完成设计要求。关键字：STC89C52 固态继电器 DS18B20 自制水位器 液晶显示目 录一、作品说明2二、系统总体设计4三、硬件设计6四、软件设计7五、系统调试与分析8六、课程作品制作体会11线阵LED图文显示装置（E）【本科组】一、系统设计方案1.1、总体方案比较与论证线阵LED，其实就是一个循环的LED显示，利用人的视觉滞留产生静态显示的现象。要实现这个目标，就要求延时部分做的比较小，所以采用石英晶体振荡器。而目前能够实现这种功能的器件有很多种，不同的类型的器件也能够很好的完成。本作品本着方便、价格低廉的原则，采用单片机控制，由独立按键开关的闭合对单片机产生外部中断，从而对中断进行采集。到达一定数量便进行图象的转换。整个系统由单片机控制模块，开关及电源模块和输出显示模块三个部分构成。系统框图如下：输出显示LED单片机切换开关 1.2、主要部件原理 （1）单片机控制模块 用单片机想要控制LED显示只需要定时输出就可以，但每个人摇动的速度不一样，如何准确的并稳定的变换图案呢？这就需要用到外部中断。将开关的两个引脚一端接VCC，一端接GND，这样的话，当线阵LED运动时LED按照程序编辑好的规律显示，而向另一边运动时LED全灭，此时一个周期就会产生一个下跳沿的信号，信号传递给单片机的nINT0产生中断，对中断的数量计数，当计到10时便转换显示的图案，当依次显示完后便回到初始状态进行循环。由于人的视觉滞留时间长达0.1s，所以在每显示完一列LED后加入一段合适的延时，如5ms，每个字之间加入延时如15ms，这样，我们就能看到静态的稳定的字，并且每个字之间是有空隙的。为了让字能够在空间的中部显示，在启动中断显示后延时一段合适的时间，使棒在半圆轨迹的大约1/4处开始显示，这样看到的字方向上才比较正。（2）亮度自动调节电路设计通过采用TI公司的芯片TLC555与光敏电阻搭建电路。用TLC555、电容、电位器组成振荡电路产生稳定的PWM波输出。而光敏电阻的变化引起输出PWM波占空比的变化，从而改变显示亮度，实现亮度随外界环境变化而自动调节，亮度自动调节电路图见附图三。（3）起始标志杆检测电路设计本电路采用霍尔传感器采集数据并检测标志杆，把霍尔传感器固定到旋转平台，一块小磁铁固定到标志杆上，并与霍尔传感器水平一条线放置。当旋转平台边缘上网霍尔传感器经过标志位的小磁铁时，传感器感应到磁场发生变化，同时产生输出电压脉冲，并将此脉冲送入单片机。起始标志杆检测电路图见附图四。2、 系统设计2.1.1系统理论分析主控芯片的理论分析经过对此系统的设计，我们重点分析了俩种控制芯片：方案一：采用凌阳公司的16位单片机。它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。方案二：采用STC89C52单片机作为主控芯片。STC89C52是一个超低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含8kB空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有512bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，两个16位可编程定时计数器。且该系列的51单片机支持串口下载和串口调试。综合考虑我们选择了方案二。 本系统包括单片机控制模块，开关及电源模块和输出显示模块三个部分。单片机控制模块由Keil C进行编写，实现起来简单，主要有三部分，主程序、中断服务部分还有字符点阵。开关及电源模块采用5V变压器并配合无线开关使用。输出显示模块采用16个LED灯，在版上一字排开。 2.1.2 电机的比较与选择方案一：采用步进电机来带动旋转平台，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件，使得在速度、位置等控制领域用步进电机变的非常简单。故不选择。方案二：运用直流电机带动旋转平台，直流动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛。 由于步进电机转速不易调整，而直流电机机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广、维护方便，满足题目要求，所以我们选择直流电机带动旋转平台。2.1.3 电机驱动电路比较与选择方案一：中功率三级管直接搭建。在电机驱动要求不高的地方可以由三极管直接搭建一个驱动电路，使用三级关搭建的电机驱动电路电路简单，但功率和性能一般。对输入信号要求较高，输出性能只能满足一般要求。方案二：使用单片机MSP430G2553控制电机驱动芯片L298N。L298N的驱动能力强，输入电压可变化范围大，是一块专用直流电机驱动芯片。其各项性能都较好，但价格较高，在电机要求驱动器较高的地方使用较佳。在该系统中，带动旋转平台的直流电机使用L298N驱动模块，很容易实现对电机较稳的控制，故采用方案二。2.1.4 亮度自动调节电路比较与选择方案一：采用线性较好的光敏电阻，将光敏电阻串入控制电路的输出端再接入线阵LED灯，当光亮度变化时即可改变电流大小，从而达到亮暗调节。但是电路不稳定，故不采取此方案。方案二:采用光敏电阻与TLC555搭建电路。用TLC555、电容、电位器组成振荡电路产生稳定的PWM波输出。而光敏电阻的变化引起输出PWM波占空比的变化，从而改变显示亮度。电路简单，且易于控制，因此选定此方案作为环境亮度变化调节电路。2.2 理论分析与参数计算2.2.1 线状点阵LED驱动参数分析与计算该线状点阵中LED驱动方法为普通的LED与电阻串联的方式来驱动点亮LED，该限流电阻计算公式如下：根据设计要求，可求得限流电阻：经计算采用电阻与LED串联即可。22.2 线阵LED运动参数分析与计算在电机的带动下，线阵LED依靠旋转平台进行旋转，设电机周期为，LED完成需要时间为，软件延时为，它们之间存在下列关系：只要保证，经计算由，得，线阵LED就能很好的地显示图文。22.3 指针式秒表分析与计算指针秒表完全通过软件来控制显示，设电机周期为，LED完成需要时间为，软件延时为、，存在下列关系：保证成立，确定LED完成需要时间为，线阵LED就能很好的地显示秒表计时。22.4 显示亮度自动调节分析与计算采用TI的TLC555、电容，、电阻,和光敏电阻等组成振荡电路产生稳定的PWM波输出。则产生PWM波的周期、高电平及其占空比的计算公式如下：光敏电阻的变化引起输出PWM波占空比的变化，从而改变显示亮度,即电流控制。控制电流大小计算如下：三、硬件设计硬件连接上用无线开关产生的电平转换引发中断，传递给单片机，再由单片机调用点阵文件输出到LED上。摇摇棒设计电路图AT89S52单片机作为控制器，在它的P0、P2口接有16只以共阳的方式连接的高亮度LED，由单片机输出低电平点亮。P0口处接上拉电阻RA1。串在LED公共端的二极管D1会产生一定的压降，用来保护LED。K1是画面切换开关，用于切换显示不同内容。系统电源VCC为5V，实际使用时用3节干电池串联4.5V即可。16只LED发光管作为画面每一列的显示，左右摇晃起到了扫描的作用，人眼的视觉暂留现象使得看到的是一幅完整的画面。4、 软件设计4.1软件设计软件部分包括主函数程序、中断服务程序、延时子程序以及四个显示子程序。软件设计流程如下：4.2主程序设计当系统上电后单片机初始化后，先进行LED检测，按键触发计数选择显示不同的图文，程序则按照相应部分的程序算法执行，主程序流程图如图2。当系统上电后单片机初始化后，先进行LED检测，按键触发计数选择显示不同的图文，程序则按照相应部分的程序算法执行，主程序流程图如图2。5、 系统调试与分析测试结果5.1 测试仪器 示波器DS1302CA、万用表DT-92055.2测试结果完整性1.完成制作一个由16只 LED构成的线状点阵及其控制电路，安装于可旋转的平台上，在平台的中心设置一个按键，用于功能的切换，电机带动平台以合适速度旋转。2.开机时装置完成显示自检，能对点阵中16只LED逐个点亮，每只LED显示时间约为1秒，此时平台不旋转。3.通过按键切换，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。4.LED显示亮度能依据环境亮度变化自动调节。5.通过按键切换，显示字符“TI杯”，要求字符显示较稳定，无明显漂移。6.通过按键切换，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，旋转一周的时长为601秒。5.3测试结果分析 经过测试，可以确定系统构架设计比较合理，可以很好确定旋转平台的中心，电路功能实现基本符合设计要求。主要测试单片机的工作情况，能否正常用LED显示出各图案，并且记录各图案持续的时间和稳定显示度以及一个循环周期所用的时间。并且检查LED的发光亮度，使之可以明显的分辩出来。图 案稳定程序1秒自检较稳定 0.3秒同心圆较稳定TI杯较稳定经过测试，当摆动的幅度和速度适当时，各个画面均可以明显的显示出来。整体来说，本方案设计比较成功。六、课程作品制作体会通过一学期的单片机原理与应用课程的学习，对单片机有了一定的认识和体会。作为机械电子方向的学生，要想深入发展，尤其是对自动化感兴趣的我，单片机是必须要学好的一门课程。从小喜欢敲敲打打，对制作单片机很感兴趣，满心希望能做出一个让自己满意的作品。但是想起来容易做起来难，由于种种原因，我在学习、制作过程中遇到了很多的困难。首先，单片机的先修课程微机原理这门课，我们虽然上学期学过，但是当时掌握效果很差，所以在单片机课程开始阶段，涉及到相关知识时感到很吃力，花了很多的时间去“补课”。其次，焊接的基本功不扎实，上学期虽然做过焊接收音机的实习，但是那次是在设计电路已给出、精密度较低的情况下糊里糊涂的完成的，跟这次课程设计要完成的任务差距甚大,所以也花了不少的代价去弥补基本功的不扎实。最后还有一个问题是，原机械专业及物理方面共八门考试，让自己的复习、制作过程相当紧张，而机电院还安排了在长沙各工厂的认识实习，时间相当紧迫。我能做的就是，抓紧时间，少走弯路，提高效率。请教了有经验的同学以后，我开始在网上搜各种相关程序和资料，根据自己的想法进行修改和整理。由于以前学过C语言，有一定的基础，所以就不顾老师强烈推荐的汇编语言，毅然选择用C语言设计了。相关知识理解得差不多了以后便开始设计电路。由于画图的软件应用不很熟悉，又没有经验，刚开始的图又丑又乱，焊起来很是麻烦，改了又改，加上基本功的不扎实，因此烧坏了第一块板子沮丧之后，我请教了上届教物的一个师兄，在他的指导下我修改并完善了线路图，重新买了板子从头做起。这次为了避免犯大的错误，我遇到没有把握的地方认真分析，实在不会的就及时请教，一点一点踏实做起。然而，好事多磨，就在我仔细焊接完成之后，测试的时候却发现显示的字和画面都是反的！我又认真检查、分析了一下，发现自己把S52的两个端口搞反了，水银开头的方向也接反了。问题找到了，我又耐着性子，把线拆了重新焊起。一鼓作气，终于再次把电路板焊好。这次，终于成功了！通过此次课程作品制作，我对书本上很多以前不理解的内容有了新的实际的认识，也把很多抽象的知识具体化了，收获颇多。看来，很多时候我们只是读书是远远不够的，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，尤其是对于我们这些理工科的学生。以后的学习过程中，希望能有更多的实践的机会。附：一、硬件电路图#i二、源程序nclude #define uchar unsigned char#define uint unsigned int /宏定义#define KEY P3_0 /定义画面切换按键uchar KY; /KY作用在后面说明 uchar disp; /显示汉字指针uchar pic=0,num=0; /pic为按键次数；num为中断次数uchar code love = 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFE,0x3F,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xF8,0x0F,0x04,0x10,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x04,0x10,0xF8,0x0F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFE,0x07,0x00,0x08,0x00,0x10,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x10,0x00,0x08,0xFE,0x07,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFE,0x3F,0x82,0x20,0x82,0x20,0x82,0x20,0x82,0x20,0x82,0x20,0x82,0x20,0x82,0x20,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/*LOVE*/;uchar code loveyou = 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x78,0x00,0xFC,0x00,0xFE,0x01,0xFE,0x03,0xFE,0x07,0xFE,0x0F,0xFE,0x1F,0xFC,0x3F,0xF8,0x7F,0xFC,0x3F,0xFE,0x1F,0xFE,0x0F,0xFE,0x07,0xFE,0x03,0xFE,0x01,0xFC,0x00,0x78,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/*心形图案*/;uchar code hehe = 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xC0,0x01,0x40,0x01,0xC0,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0xF0,0x0F,0x08,0x10,0x04,0x20,0x00,0x00,0x00,0x00,0xF0,0x3F,0x08,0x00,0x04,0x00,0x04,0x00,0x04,0x00,0x08,0x00,0xF0,0x3F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x00,0x00,0x00,0xF0,0x3F,0x08,0x00,0x04,0x00,0x04,0x00,0x04,0x00,0x08,0x00,0xF0,0x3F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x04,0x20,0x08,0x10,0xF0,0x0F,0x00,0x00,0x00,0x00,0xC0,0x01,0x40,0x01,0xC0,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/*呵呵o(_)o图案*/;unsigned char code hanzi = /- 欢 - 0x04,0x10,0x34,0x08,0xC4,0x06,0x04,0x01, 0xC4,0x82,0x3C,0x8C,0x20,0x40,0x10,0x30, 0x0F,0x0C,0xE8,0x03,0x08,0x0C,0x08,0x10, 0x28,0x60,0x18,0xC0,0x00,0x40,0x00,0x00,/- 迎 - 0x40,0x00,0x42,0x40,0x44,0x20,0xC8,0x1F, 0x00,0x20,0xFC,0x47,0x04,0x42,0x02,0x41, 0x82,0x40,0xFC,0x7F,0x04,0x40,0x04,0x42, 0x04,0x44,0xFE,0x63,0x04,0x20,0x00,0x00,/- 使 - 0x40,0x00,0x20,0x00,0xF8,0xFF,0x07,0x00, 0x04,0x80,0xF4,0x43,0x14,0x45,0x14,0x29, 0x14,0x19,0xFF,0x17,0x14,0x21,0x14,0x21, 0x14,0x41,0xF6,0xC3,0x04,0x40,0x00,0x00,/- 用 - 0x00,0x80,0x00,0x60,0xFE,0x1F,0x22,0x02, 0x22,0x02,0x22,0x02,0x22,0x02,0xFE,0x7F, 0x22,0x02,0x22,0x02,0x22,0x42,0x22,0x82, 0xFF,0x7F,0x02,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/- 神 - 0x08,0x01,0x88,0x00,0x49,0x00,0xEE,0xFF, 0x58,0x00,0x88,0x00,0x00,0x00,0xF8,0x1F, 0x88,0x08,0x88,0x08,0xFF,0xFF,0x88,0x08, 0x88,0x08,0xFC,0x1F,0x08,0x00,0x00,0x00,/- 奇 - 0x40,0x00,0x40,0x00,0x44,0x00,0x44,0x3E, 0x64,0x12,0x54,0x12,0x4C,0x12,0x47,0x12, 0x4C,0x3F,0x54,0x42,0x74,0x80,0xC6,0x7F, 0x44,0x00,0x60,0x00,0x40,0x00,0x00,0x00,/- 魔 - 0x00,0x40,0x00,0x30,0xFE,0x8F,0x4A,0x80, 0xAA,0x5F,0x9A,0x4A,0xFE,0x2A,0xAA,0x1A, 0xCB,0x0F,0xAA,0x7A,0xFE,0x8A,0x9A,0xAA, 0xAA,0x8F,0x6B,0x80,0x22,0xE0,0x00,0x00,/- 幻 - 0x80,0x20,0xC0,0x30,0xA0,0x28,0x98,0x24, 0x87,0x22,0x80,0x21,0xC4,0x30,0x04,0x60, 0x04,0x00,0x04,0x20,0x04,0x40,0x04,0x80, 0x04,0x40,0xFE,0x3F,0x04,0x00,0x00,0x00,/- 摇 - 0x10,0x02,0x10,0x42,0x10,0x81,0xFF,0x7F, 0x90,0x04,0x54,0x05,0xCC,0xF4,0xB4,0x44, 0x84,0x44,0xBC,0x7F,0x82,0x44,0xA2,0x44, 0x9B,0xF4,0x82,0x06,0x00,0x04,0x00,0x00,/- 摇 - 0x10,0x02,0x10,0x42,0x10,0x81,0xFF,0x7F, 0x90,0x04,0x54,0x05,0xCC,0xF4,0xB4,0x44, 0x84,0x44,0xBC,0x7F,0x82,0x44,0xA2,0x44, 0x9B,0xF4,0x82,0x06,0x00,0x04,0x00