电子显示屏设计

1、学位论文独创性声明本人郑重声明：1坚持以“求实，创新”的科学精神从事研究工作。2本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。3本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。4本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。5其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了感谢。 作者签名： 日 期：摘要本设计是以电机的转动来带动上面电路板的转动，形成一个圆柱体的形状，在上平面显示一个指针时钟和一个数字时钟，两者的切换是用红外遥控器来控制的，在时钟显示的同时在柱面显示汉字。此设计是以STC15F2K60S2为核心芯片来工作的，主要功能是

2、以74hc595芯片串行输入并行输出的功能来驱动LED在柱面显示滚动的汉字和在上平面显示一个时钟。同时可以通过红外用遥控器来控制电机的转速，体现低速和高速情况下显示画面的清晰度。主要电路部分都是在一块电路板上，是由电机来带动旋转的，电机是有线供电，而单片机和LED等是由两个线圈通电改变磁通量和整流滤波电路供电，也可以成为无线供电。关键词: LED; STC15F2K60S2;无线供电；74hc595；AbstractThe design is based on the rotation of the motor to drive the rotating

3、 above the circuit board, forming the shape of a cylinder, the upper plane display a pointerclock and a digital clock, the switch is used in infrared remote control, in the clock display at the same time Chines

4、e characters displayed on the cylinder. Thisdesign is based on STC15F2K60S2 as the core chip to work, the main function isto 74HC595 chip serial input parallel output function to drive the LED incylindrical display scrolling Chinese characters&#

5、160;and in the flat display a clock. At the same time can be controlled by infrared remote control motor speed, reflect the low and high speed case to show the sharpness of the picture. The maincircuit is a circuit board

6、, is composed of a motor to drive the rotation of the motorpower supply, cable, and the micro controller and LED is composed of two coilschanging magnetic flux and the rectifier filter circuit, can also become a wireless power sup

7、ply.Keywords: LED; STC15F2K60S2; wireless power supply; 74hc595;目 录第一章 引 言11.1 研究现状综述11.2 本课题的研究内容11.3 本研究的主要系统构成1第二章 系统方案的设计22.1 方案的设计22.2 系统构成2第三章 系统硬件电路的设计43.1 供电电路的设计43.2 单片机电路的设计43.3 时间日期电路的设计53.4 LED驱动电路的设计63.5 红外对射校正方位电路的设计73.6 红外遥控电路的设计7第四章 系统软件设计84.1 Keil开发环境84.2 旋转时钟显示程

8、序的设计8第五章 系统调试115.1 系统调试的供电问题115.2 系统调试的平衡问题115.3 实物效果11参考文献14致 谢1515第一章 引 言随着科学技术的发展， LED显示屏得到广泛的应用，城市的亮化工程中LED就是主角，通过各种各样的型号的LED，加上不同的控制器，我们可以显示出不同的图案，丰富我们的社会生活环境，通过LED滚动屏，我们可以展示的产品，在显示图案的同时也能够展示先进的科学技术。1.1 研究现状综述目前的基于LED的显示屏的高级方面的应用大部分用于一些楼顶的广告牌，墙体的电视墙，作为新的技术，人们在越来越多的场合能够见到LED屏的身影。通过阵列卡，可以在这些组合的显示

9、屏上显示出高亮度的画面，同时又满足了低功耗的功能，是未来广告行业的主要发展方向。但大部分的显示屏只能在平面显示，不能满足一些场合的需求，比如一个车站大厅，如果使用平面的显示屏，那么就需要去铺排一系列的显示屏，几乎要铺满整个候车室，那样会造成资源的浪费，且显示的广告效果也不会和预期收入成正比，因此人们开始设想更加经济、科学的显示方案。通过多年的研究，根据视觉暂留原理设计制成的旋转LED显示器的设计被带入了我们的生活。逐步从实验室产品发展到玩具行业，最后又开始被广告行业所使用。1.2 本课题的研究内容本次的毕业设计主体是设计一款旋转LED显示器，通过51内核的单片机进行程序控制，利用单片机来控制L

10、ED的亮灭，继而来输出一组特定的字符数据，通过视觉暂留效应，利用旋转的LED阵列来实现画面的显示功能，通过光电传感器，可以知道当前旋转的相对地址，通过不停刷新画面来形成产品显示效果的及时更新。1.3 本研究的主要系统构成本次设计的系统主要由单片机系统，无线供电模块，电机旋转电路，红外检测模块，时钟模块和LED显示驱动部分等组成。单片机系统是由单片机内部电路以及外部的几个电容组成的最小系统。LED显示驱动部分是由一个行和一个列组成，可以在上面和旋转时的侧面看到显示的时钟和字。本设计大部分的元器件是使用的贴片封装的元器件，这样更节省空间和资源。第二章 系统方案的设计2.1 方案的设计本次设计的旋转

11、LED显示器的主要工作原理跟流水灯的原理类似，通过流水灯的效果程序，将时间轴划分为不同的等份，对一幅将要显示的画面进行取模操作，然后通过单片机控制每一个时间等份上进行不同的数据的输出，这样如果将两个数据区的时间间隔设置的比较巧妙的话，显示出的就是一幅画面了。同时可以对电路进行同步设计的理论添加，在不间断快速旋转的LED灯板上添加一个红外光电接收器，同时在底板上添加一个不间断发射的红外光电发射器，两个元件的位置对准，那么每旋转一周就会检测到一次红外触发信号，单片机就可以知道当前旋转的角度及位置，通过周长的固化计算，可以算出单片机一周能够散布的画面的阵列数，如果设计的画面不足一周，就空白散点，如果

12、超过一周，就继续经过测量点，依次计算出最终需要暂停的点位。从而可以实现一组不间断地画面的输出功能。2.2 系统构成系统的主要实现目标是通过旋转的画面显示出一个模拟的时钟，包含时针、分针和秒针，并且实时保存当前的时间值。该系统的构成如下图所示：图1 系统框图在本次设计的系统中，对普通的旋转LED显示器进行了改进，一般的旋转LED显示器的显示都是侧面或者平面，这样显示的效果就比较局限，而且在侧面的时候无法显示模拟的时钟，在平面的时候显示的字体都会呈现梯形，显示效果无法得到提高。此外，一般的旋转LED的分辨率都不高，一般使用12个LED就可以显示汉字了，但是本次设计的LED显示器的分辨率得到了提升，

13、在平面显示时采用了32+2个LED作为显示器。这样就在旋转的过程中就可以达到直径上有64个点了，分辨率足够显示图案了。对于侧面板，使用了16个LED来显示汉字图案，在系统旋转的时候，基本上可以将该旋转的圆周看成一个16*180的平面显示屏的效果了。第三章 系统硬件电路的设计3.1 供电电路的设计本次设计的系统的供电问题一直是个比较重要的问题，因为旋转的过程中，我无法使用有线供电，这样线会被缠绕，所以设计一个比较好的供电方式是这个系统的关键问题所在。由于最近的无线供电技术的推广，无线供电方式映入眼帘，将电流的直流信号转化成交流信号，通过旋转的线圈进行变压器的操作，初步达成了无线供电，最后通过整流

14、电路，将交流信号转化成直流信号，最后通过稳压二极管，将电压稳到5V，只要电路能够正常运行，线圈不摩擦，基本上这个电路不会出现什么供电问题。此方案在整体的实施上比较简单，只需要绕制两组线圈，粗略计算线圈的绕制比，这样就可以对电压进行粗略的调控，同时先前之间相互不接触，形成了无线供电的功能，不会存在电刷接触不良的情况。所以在本次设计中使用了无线供电技术对单片机进行电源的供给。无线供电电路产生的交流电压需要经过桥式整流电路进行整流，最终输出直流信号，该电路的原理图如下图：图2无线供电3.2 单片机电路的设计本次使用的单片机的型号我进行了严格的筛选，首先，运行速度要快，其次内存要大，最后，尽可能的I/

15、O端口要多，这样我进行对LED的控制时才会变得简单。此次设计我选用的ST公司的最新系列的STC15F2K60S2单片机，该单片机的主要特点有：（1）内核使用的是最新一代的加密内核，基本上达到了无法破解的功能（2）该单片机的运行不需要晶振电路，直接可以使用内部自带的时钟源就可以工作了，同时，该型号的单片机也不需要外部的复位电路，对于此单片机系统的设计减少了不少难度。（3）该单片机的内存比较大，拥有2K的内部SRAM，使得单片机的处理能力大大增强，（4）该单片机属于低功耗单片机，对于无线供电效率底的情况下仍然能够正常工作，且运行速度远高于普通单片机，可靠性也大大增强了。（5）该单片机内部集成了60

16、K的E2PROM，对于本设计需要存储的图像信息和文字信息可以直接保存，掉电不丢失。所以在本次设计的系统中使用该型号的51单片机是最合适的，对于此次的设计带来了各种各样的便利。下图就是单片机系统的原理图：图3单片机管脚图3.3 时间日期电路的设计本次设计的电路中将要显示时间，所以优先选用了时钟芯片，最常见的时钟芯片莫过于DS1302了，所以本次的系统中使用了该型号的时钟芯片，设计了该时钟芯片的外部驱动电路，添加了时钟晶振32.768MHz，同时，添加了一个纽扣电池作为时钟芯片的供电电源，这样时钟芯片内部的时间就会24小时不间断地运行了，不需要外部时钟的添加也仍然能够正常运行。这各电路就是实时时钟

17、电路的基本构成电路图：图4时钟电路3.4 LED驱动电路的设计由于平面上需要驱动32个LED，垂直面上需要驱动16个LED，另外还有时钟芯片和红外端口及其余拓展电路，所以全部使用单片机的普通I/O口是远远不够的，因此需要进行端口的扩展或者使用其余方式来驱动LED，在本次设计中选用了串行移位寄存器74HC595来进行LED的串行驱动，所有的LED分为8个一组，直接接到595芯片的输出端，通过串行控制输出信号对LED进行显示驱动，最后通过74HC595的级联操作，对剩余的每一组LED进行显示控制，通过该电路，就可以简单地进行显示电路的控制。该驱动方式比较简单，电路设计完之后只需要级联即可，无需进行

18、端口的拓展。其余设计电路都会有或多或少的复杂性。该电路的电路原理图如下：图5 LED显示驱动电路这款单片机支持在线下载功能，因此不需要设计额外的下载端口来下载程序，仅仅需要将单片机的串口1引出来，注意的是该单片机拥有两个串口，默认情况下，串口2是不可以用来下载程序的，所以进行串口的引用之后，需要对计算机安装PL2303串口，将购买的PL2303硬件插入计算机USB口，通过管理工具看到串口号，该串口不同于232串口，所以电平不能直接相连。对接单片机和PL2303，就可以通过官方下载软件进行程序的下载了。3.5 红外对射校正方位电路的设计在旋转LED显示器旋转的过程中，可能无法通过眼睛确认目前旋转

19、面转到的准确地址，所以，通过安装红外对射管，一个安装在底板上，一个安装在旋转的LED灯板上，灯板上的用于接收，那么，灯板每旋转一周就会接收到一次红外触发信号，所以将这个点设置为初始位置和终点位置。通过计算周长，设灯板的直径为Rcm，那么周长就为Rcm，相邻灯的间距为2MM，则如果矩阵化电路的显示阵列，那么对于垂直柱面上的LED面，我们可以近似看成16*R的点阵屏，大约可以显示汉字的个数为19个。当然由于电机的限制和运行稳定性的决定，此次设计的旋转LED屏并没有做到这么大。下图为红外对射管的电路原理图：图6红外对射管电路3.6 红外遥控电路的设计由于此次设计的是旋转LED显示器，那么旋转的过程中

20、，无法通过手动按键去进行设置，所以添加了红外遥控功能。通过红外遥控器输入红外遥控信号，再对所显示的内容进行控制，使得有不同的显示效果。红外遥控电路原理图如下：图7红外遥控电路第四章 系统软件设计4.1 Keil开发环境本次设计是用Keil这款软件来编写程序的，在使用keil的同时必须要设定好一些参数。第一，点击菜单Project下面的NewProject，这时可以先设置好保存的路径和此次项目的名称；第二设置参数，此设计使用的是Stc15f2k60s2芯片，虽然keil里面没有这款芯片，但是可以兼容51单片机的，所以选择Atmel公司的芯片，点击Atmel确定后选择AT89c51这个芯片。第三，

21、设置其他参数值，在OptionsforTarget的菜单中在Xtal的选项中输入22.1184MHZ，在这同时设定好一些串口的设置，方便在下载程序。4.2 旋转时钟显示程序的设计因为此次设计的显示是通过一个转子的旋转和视觉暂留来达到显示效果的，在平面上显示一个模拟的时钟，需要有时针、分针、秒针组成，均由Led的扫描实现。在软件的设计过程中需要设计显示模式的软件方案，在转子上只有32个LED，每个Led的间距为2mm，半径6.4cm，在旋转时组成的平面即为直径12.8厘米的圆，周长大约400厘米，采用等间距的显示方案时，每个圆周上的显示间距最外圈也设置为2毫米，那么一周大约200个点阵数据，只需

22、要按照顺序在一周范围内通过单片机发送完全部代码，这个程序的设计基本上和点阵屏的显示方案差不多，需要的仅仅是计算每个单位数组之间的发送间隔。因此，需要计算电机的转速，从而根据转子的半径计算每个数组之间的间隔时间。单片机通过红外对射管，在转子每次经过红外发射管的时候进行一次中断判断，证明该点为模拟显示的初始位置，当一个画面满足于200个点阵数据的时候，最后一组数据即为第一组数据，通过画面的循环播放，满足24帧每秒的频率就可以清晰的显示出图案。通过对时钟芯片DS1302的读操作，单片机可以知道当前的时间，并将该数据分成三个码表，每个码表由200个点阵数组组成，以此显示即可完成整个模拟时钟的显示功能。

23、软件实现方案的流程图如下：图8 时钟显示流程图主函数：void main (void)uinti;OEB=1; /595使能初始化Exti_init(); /中断初始化Time_init(); /两个定时器初始化time_first_read(); /第一次读取时间InitUART(); /串口初始化for(i=0;i<19;i+)disp_timei=0x00;while(1) OEC=1； /侧面595使能初始化key_cont();/按键键值判断switch (DIS_MODE)case 1:display_hand();break;/时钟指针显示case 2: display_f

24、igure();break; /时钟数字显示default:break; 设置时钟程序：void Init_1302(void) / write_clock(WRITE_PROTECT,0x00); /允许写操作write_clock(HOUR,0x00); /二十四小时制write_clock(YEAR,0x14); /年write_clock(WEEK,0x07); /星期write_clock(MONTH,0x02); /月write_clock(DAY,0x03); /日write_clock(HOUR,0x19); /小时write_clock(MINUTE,0x57); /分钟wr

25、ite_clock(SECOND,0x30); /秒write_clock(0x90,0xa5); /充电write_clock(WRITE_PROTECT,0x80); /禁止写操作红外解码：voidIR_pros(void) /下面是解码了用户码和操作码,如果加上用户码判别,可以杜绝不同遥控器的干扰uchari,j,k,value;k=1; for(i=0;i<4;i+) /四个字节 for(j=1;j<=8;j+) /每个字节中的八位 if(irdatak>14) value=value|0x80;/或上0x80 就为1 else value=value; /否则就为0

26、 if(j<8) value=value>>1; /8为数据移位 k+; /位数加1 ircodei=value; /把处理完的字节放到irdate_pro里value=0; 第五章 系统调试5.1 系统调试的供电问题此次设计的单片机和LED等电路必须安装在电机的上面，如果采用寻常的供电方式，在电机旋转时会把线给绕进去，导致硬件的损坏。所以对其供电时比较麻烦的一件事。此次的设计采用无线供电的方式，单片机和LED等电路所需要的电压电流不大，而且跟上现在的时代趋势，可以采用无线供电。这是一个比较理想的供电方案。无线供电功耗小，但同时带来了一个问题，就是无线供电输出的电压不能使单片

27、机正常的工作，所以给电路增加了一个整流放大的电路，使其升压之后再降压，这样既可以是单片机正常供电，同时做到了是硬件更加的美观和具有观赏性！5.2 系统调试的平衡问题供电问题的解决了，接下来要解决本设计的平衡问题。在硬件开始工作时电机是在高速的旋转当中，如果整体的不平衡，这样转动其来就会有比较大的震动，导致所显示的时间和汉字等不清晰，甚至根本就不能看到所做的功能和显示结果，偏差如果比较厉害的话会导致直接把电路板甩出去。要解决这类问题，得需要以前学的物理知识，利用所学的杠杆原理，首先测试出那边比较重后者轻的，然后在轻的这一边加上废弃的电池或者小的铁块铅块等小型物件，然后用热能胶来进行固定作用，根据

28、实际情况解决了平衡的问题。5.3 实物效果平面显示主要显示的是一个模拟的时钟，时分秒可调且最小分辨率为1秒，按照旋转的速度将它划分为打给200个分区，算好每组之间的发送间隔，根据红外检测来判断起始位置，通过一定的电机转速来达到人眼视觉暂留的效果，效果如下：图9 显示时钟柱面主要用来显示汉字，汉字的显示方式为16X16的点阵字模数据，汉字是以滚动模式显示的，当一段汉字经过起始点位置结束时所有led都亮，进行全屏刷新；同时可以通过红外遥控来控制电机的转速，可以在低速和高速的情况下明显的看出显示的不同。显示效果如下：图10 柱面显示参考文献1 刘欣铭,张广斌,陈骞.  LED显示

29、屏技术综述M. 黑龙江电力. 2003(04)2 单片机原理与实践/陈连坤编著M. 北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社, 2009.11.3 王为青, 程国钢编著. 单片机Keil Cx51应用开发技术M. 北京：人民邮电出版社, 2007.24 雷伏容, 张小林, 崔浩. 51单片机常用模块设计查询手册M. 北京清华大学出版社, 2010.1.5 例说51单片机（C语言版）M. 人民邮电出版社出版. 6 李广地. 单片机基础M. 北京：北京航空航天大学出版社，2001.7. 7 网站：7 俞国亮, 蒋敏, 俞日龙. MCS-51单片机原理与应用M. 8 网站：9 张毅刚. 新编MCS-51单片机应用设计（第3版）M. 哈尔滨工业大学出版 10 Progress in