POV旋转LED显示器的设计及及

1、天津滨海职业学院全日制高等职业教育毕业实践环节毕业设计（典型性项目）说明书POV旋转LED显示器的设计作者： 主要内容简介现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。近年来，随着电子产品的发展，人们对时钟的要求越来越高，而在对要求高之余，又要讲究有创意，新奇，所以在这个基础上设计一款既能满足人们的要求，又要有创意的时钟装置是很有必要的，贴片LED旋转屏时钟在可以计时的基础上，又能够满足人们对事物要有创意的需求。本设计采用的是POV LED（POV即persisten

2、ce of vision视觉暂留）技术，它指的是，借助人的视觉暂留效果，通过少量LED灯的机械扫描方式来显示各种字符或者图像。其原理很简单，就是靠电动机带动一排LED灯绕电机轴高速旋转，与此同时单片机控制各个LED灯在旋转平面相应的位置上点亮，构成一幅点阵画，虽然它们不是同时点亮的，但由于人的视觉暂留效果，会误以为每个点都是同时点亮的。其具体应用还可见于电影的拍摄和放映。关键字：单片机、LED、时钟、视觉暂留、红外接收、扫描显示目 录 TOC o 1-3 h z u LED简介第一节 什么是POVPOV 即英文Persistence of Vision一词的缩写,中文是“视觉暂留”的意思。每当

3、人的眼睛在观察物体之后,物体的映像会在视网膜上保留一段很短暂的时间。在这短暂的时间段里,当前面的视觉形象还没有完全消退,新的视觉形象又继续产生时,就会在人的大脑里形成连贯的视觉错觉。其实,对于这种独特有趣生物现象,我们随时都能感受到。下雨时,纷纷快速下落的雨滴,在我们的眼里却成了一条条富有诗意的“雨丝”;用一支激光笔射在墙上,并快速晃动,我们会感受到一幅由线条组成的画面。进一步的研究发现,人的视觉暂留时间约为1/24s,这个时间值并非是个标准值,它因观察者的个体差异和观察的物体的亮度及大小约有不同。现代电影根据这一事实,以每秒24个画格的速度进行拍摄和放映,使得一系列原本不动的连续变化画面,在

4、人眼里产生连贯的活动错觉影像。对“POV”现象的认识和利用,可追溯到两百多年前。在这一个世纪，光电子产业在社会上得到了广泛的重视，信息显示技术发展非常迅速，随着LED器件材料性能的不断提高，现在已经广泛应用在室内外需要进行服务内容和宣传服务宗旨的公众场所，在路边很多地方我们都能见到LED显示屏的踪影。传统的LED屏使用的是LED点阵屏，屏幕需要做到越大，LED的数量就需要越大，因为需要使用LED等铺满整个显示屏。相比起来，一旦大型化价格相当高昂、安装及操作起来都极其麻烦，同时因为使用器件数目多，也不易维护。而POV旋转LED显示器由于LED灯使用数量少，只需要使用单排LED灯（即能填满圆形屏幕

5、的半径长度的单排LED灯），从根本上避免了传统LED显示屏的种种不足。因此，设计一个可以平面旋转LED显示屏，具有十分重大的意义。第二节 发光二极管简介光二极管(LED)是一种电致发光的光电器件。早在1907年开始,人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象,但生产出有一定发光效率的红光LED已是1969年了。到今天,LED已生产了30多年,回顾过去,它已茁壮成长。各种类型的LED、利用LED作二次开发的产品及与LED配套的产品(如白光LED驱动器)发展迅速,新产品不断上市,已发展成不少新型产业LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。随着LED技术的迅猛发

6、展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场，将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。展望将来,还期望更进一步地提高。 图 LED结构图发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一

7、部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图所示。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数m以内产生。 发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看

8、不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG 400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管：另外还有多色、变色发光二极管等等。 图 LED结构图图 LED符号及LED发光原理图。LED显示屏的显示原理LED显示屏（LEDdisplay,LED Screen）：又叫电子显示屏。它是由LED点阵平板模块组成的。LED显示屏能够显示出文字和图片等内容，均是由各种色彩LED灯亮灭组合来实现的。LED显示屏可以更改显示内容，只需要通过用flash将显示的内容制作成一个动画,存放在显示屏的一张内存卡里,通过技术手法显示出来的。因此可以根据现场的需要在不同的场合进行相应

9、的调整，所以同一块LED显示屏可以灵活地运用于各种各样的场合。内容可以根据不同的求进行随时更换，显示灵活多变，便于经常需要更改内容的人群使用。传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。LED之所以受到重视并且能够迅速地广泛地发展，跟它本身所具有的种种优点有关。LED灯的显示亮度较高、需要的工作电压比较低、消耗的功耗较小、可以做成大型显示屏、而且LED灯寿命一般都很长、耐冲击能力强，同时性能相比其他照明灯具稳定。LED的发展前景极为广阔，在未来的研究发展中主要朝着做到更高的照明亮度、更耐气候变化、发光密度更强、发光更加均匀、更加安全可靠、色彩显示更全面的方向发展。利用POV 即“视

10、觉暂留”这一原理,我们可以通过发光体的运动,产生一系列运动轨迹的残留影像,达到漂浮在空中似的神奇梦幻般的显示效果。纵观各种与此相关制作,无论是商业化产品还是DIY 作品, 归纳起来无非就是看：运动的是发光体,发光体如何运动,如何给运动的系统供电,采用什么样的传感器感知运行状态,如何控制运转着的系统。下面将对这几个方面进行归纳和探讨。发光体的不同的运动方式,成就了各种显示形态的POV。归纳起来看,形形色色的POV 制作,其运动状态大多超不出以下的这几种方式:1、圆形显示原理在基于POV的圆形旋转线阵LED显示屏中，一个条状PCB板上集成了20个贴片型发光LED，下文简称线阵LED1。集成有LED

11、的PCB板绕其一端随电动机转动，当转动到合适的角度时点亮合适的LED就可以显示需要显示的内容，其示意图如图1所示，而在何处点亮哪些LED就应该符合圆形LED屏的显示原理，图2和图3分别描述了圆形指针式时钟和数字式时钟的显示原理。图 圆形旋转LED显示屏工作过程示意图在图2中，图2(1)指定了20颗LED用于显示表盘、时间刻度、时针、分针和秒针的颗数及分布。明显可以看出最内和最外一颗用于显示表盘的内圈和外圈。自内向外，第19颗用于显示时针，第112颗用于显示分针，第115颗用于显示秒针，第1719颗用于显示时间刻度。具体来讲，3颗亮表示12点刻度，2颗亮表示3、6、9点刻度，1颗亮表示其余时间刻

12、度。为了将时针与刻度隔开而提高时钟的易读性，第16颗LED一直不亮。在线阵LED的每一圈旋转过程中，在图示的位置点亮对应的LED并延时就可以显示出当前时刻。图2(2)中显示的时刻为03：40：00。图 圆形旋转LED显示屏时钟原理图图3描述了圆形LED显示屏显示数字的原理，即是在每一圈旋转内的 时时间内，点亮第1、7、11、15及20颗LED，在 的下一个时刻点亮第1、715及20颗LED就可以显示数字3。特别地， 图 圆形旋转LED显示屏数字时钟原理图图 圆形旋转LED显示屏显示英文原理图2、圆柱面型显示原理基于POV的圆柱面型旋转线阵LED显示屏的结构如图4所示。本设计在圆形LED显示屏的

13、基础上增加了一个竖直的集成有17颗贴片LED的PCB板，下文称线阵LED2.当然，为了维持系统旋转的平稳性，在另一端我们增加了螺柱等使两端重量平衡。当线阵LED2随着电动机旋转时，在的合适的位置点亮特定的LED，在视觉暂留的影响下我们就能看到各种文字和图形。图 圆柱面型旋转LED显示字幕D的原理图在图5中，图5(0)指定了17颗LED的相应功能，即自上而下第116颗LED是显示LED，第17颗为底边线LED；图5(18)描述了圆柱面型LED显示屏显示字母D的详细过程，即根据字母D的字模数据在每一圈旋转内的起始时刻 点亮第3、13及17颗LED，在接下来的时刻分别点亮第313和17颗，第3、13

14、及17颗，第3、13及17颗，第3、13及17颗，第4、12及17颗，第511和17颗最后再全部不亮就可以显示出字母D。图 圆柱型旋转LED显示屏显示加油的原理图第三章 旋转LED屏设计第一节 设计任务本课题运用单片机、LED发光二极管和电机等器件设计一个POV显示器。显示内容及要求：1、平面与立体一起移动显示字幕+暂停控制2、平面显示数字时钟与立体移动显示字3、平面显示指针时钟4、立体滚动显示字+暂停控制5、立体下移显示字+暂停控制6、立体显示动画效果7、显示打印字的效果8、立体显示时间+滚动字效果9、上位机软件校时第二节 系统硬件框图系统硬件框图如图所示。图 系统硬件框图第三节 机械结构旋

15、转线阵LED显示屏的机械结构如图6所示，结构要求重量均匀分布在电机转动轴两旁。本文将单片机、时钟芯片、线阵LED、一体化红外接收头等器件焊接在一块指针型的电路板上，这样可以使旋转的电路成为一个独立的部分。电路板一端钻一个电机轴插孔，插孔为半圆且半径与电机轴相等。电机轴插入其中带动指针板旋转。图 系统机械结构图第四节 旋转LED动态显示旋转LED旋转起来是一个圆，那么就需要有一个传感器来判断起点位置，有人用霍尔传感器，有人用红外对管，本人觉得用红外对管便宜些，而且实现起来也容易。这个起点检测非常重要，单片机就是根据这个起点来判断是否要开始显示 数据的。如果起点检测不到 单片机就不开始显示。如何让

16、一列灯不断的送数据实现一个文字的显示呢这个我们就要了解文字取模的原理了，这里以PC2002字幕软件为例，取一个16*16的中文字，见字幕选项设置：从第一列开始向下每取8个点作为一个字节，如果最后不足8个点就补满8位。取模顺序是从低到高，即第一个点作为最低位。如*-取为00000001 取模后如下表：0 xFF,0 x7F,0 xFF,0 xBF,0 x3F,0 xC8,0 xBF,0 xFB,0 xBF,0 xFB,0 xBF,0 xEB,0 x80,0 x9B,0 xB7,0 xFB,0 xB7,0 xEB,0 xB7,0 x9B,0 xB7,0 xFB,0 x37,0 xF8,0 xF7,

17、0 xEF,0 xF7,0 x1F,0 xFF,0 xFF,0 xFF,0 xFF,/*点,0*/现在我们知道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，如下图：图 旋转LED显示屏侧板原理图一列灯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P4 P5口，这里硬件中P4 P5组成一个字节，所以显示程序如下：for(i=0;i16;i+) 速供转动的主板供电有3种方案:方案一：直接把电池装在主板上随主板转动，用电池直接给主板供电，这样成

18、本低，但是寿命短，而且严重影响电机的转速和稳定。方案二：使用电刷连接供电，制作简单，非常有效，但是这样的供电寿命很短，主要是需要在电路板上加焊一层耐磨导电层，一旦使用时间长了电刷触点就会不够光洁而且接触压力变大大，几小时就可以将线路板上的铜皮磨穿，更换的成本太高，而且不稳定。方案三：用无线输电的方法，无任何触点，所以避免了使用电刷的更换问题，而且这样的制作寿命很长。利用电磁耦合原理，用磁线圈对主板进行供电。利用互补正反馈振荡电路将直流电转化成高频交流信号，通过线圈（线圈内有铁氧体磁芯，提高效率），将交流信号输送到旋转的主电路板上，主电路板上利用的稳压二极管，将接收到的交流信号变成直流电，通过2

19、20uF的电解电容滤波，供给单片机，使单片机能正常工作。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。其结构如图所示，其中L1为给主板部分供电的磁线圈。 图 无线供电原理图2.方案比较与确定：对于方案一中采用直接用电池给主板供电，这样电池必须固定安装在主板上面，由于电池自身存在重量问题，在高速旋转的时候一旦重心不在旋转轴心，会导致旋转屏剧烈震动。这样会不但影响到显示屏的显示，而且会是整个旋转显示器硬件损坏，甚至误伤人员。所以这个方案不采用。

20、对于方案二是采用电刷的方法，这个其实在很多供电场合有用到，但是电刷在旋转过程中与导电层有高速剧烈的摩擦，时间久了会摩擦受损，这样会照成接触不良现象，从而影响了供电的稳定，而且一旦受损就需要更换新的导电层，这对于一个设计来说成本过于高昂。故此方案也不采用。方案三中采用的是无线供电。因为是无线所以供电体与受供体分离，因此方便了对电源的安装，而且采用的材料成本较为低廉，且无触点，没有摩擦照成的短寿命现象。所以最终决定采用无线供电的方法给旋转显示屏供电。第四节 主控元件在我们生活中几乎所有电子产品都离不开单片机，因为单片机集成度非常高，功能又强，可靠程度很高，所以它的体很小，而且单片机的功耗并不高，价

21、钱还比较低廉，因此被众多领域运用在各种各样的器件上。如今单片机已经存在于我们生活中的每一个角落。此次设计主要采用宏晶科技的STC15F2K60S2单片机为主控单元。STC15F2K60S2芯片是宏晶科技生产的高速/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的8051，用它作为本设计控制核心。STC15F2K60S2主要性能及引脚排列如下图所示：图 STC12C5A60S2单片机结构图STC12C5A60S2单片机主要集成了以下资源： = 1 * GB3 增强型8051内核，单时钟机器周期，速度比传统8051内核单片机快812倍 = 2 * GB3 60KB Flash程序存

22、储器;1KB数据Flash;2048字节的SRAM = 3 * GB3 3个16位可自动重装载的定时/计数器（T0、T1、T2） = 4 * GB3 可编程时钟输出功能 = 5 * GB3 至多42根I/O口线 = 6 * GB3 2个全双工异步串行口（UART） = 7 * GB3 1个高速同步通信端口（SPI） = 8 * GB3 8通道10位ADC, 3通道PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元 = 9 * GB3 内部高可靠上电复位电路和硬件看门狗 = 10 * GB3 内部集成高精度R/C时钟，常温工作时，可以省去外部晶振电路。第五节 时钟芯片DS1302大多数的单片机没有实时时钟

23、部件,一旦系统掉电时钟就不能运行,下次再运行，时间就不准确了。即便使用备用电池,但要维持单片机系统的较大功耗也是坚持不了多久的。而我所做的旋转时钟用到的单片机主要是来准确显示时间的，因此实时时钟部件必不可少，这里我用了MAXIM公司的DS1302时钟芯片作为实时时钟部件，保证时间的长久准确性。DS1302 有着很强的功能。包括时钟/日历寄存器和31 字节（8位）的数据暂存寄存器，数据通信仅通过一条串行输入输出口。实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年份信息。闰年可自行调整，可选择AM/PM的12 小时制或24小时制。只通过三根线进行数据的控制和传递：CE(输入信号，在读、写数据期间，

24、必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。)；I/O(三线接口时的双向数据线)；SCLK(串行时钟输入)。通过备用电源可以让芯片在小于1MW的功率下运作。对时钟寄存器初始化可以设定当前时间,控制芯片的运行,时间是用BCD码保存的,RAM可以用来存取用户数据,在用了备用电池后RAM内的数据在系统掉电时能够保持不丢失。芯片采用了简单的I2C 三线通信方式,便于节省芯片资源和与之接口的MCU的引脚。芯片有着的宽供电电压范围,在5V供电时其接口与TTL电平兼容。并且有着很低的功耗,在供电时仅耗300nA 的电流。引脚X1

25、和X2 连接 晶体,与内部振荡器组成时钟。晶体的精度直接影响着芯片时间的准确与否。DS1302有两个电源引脚VCC1和VCC2,分别连接备用电池和电源VCC。VCC2与主电源连接，VCC1接备用电池。当VCC2低于VCC1时,芯片由VCC1供电；当VCC2-VCC1时,备用电池为芯片供电。在VCC2供电时芯片能够对接在VCC1的备用电池充电,并且是否充电和充电电流都可以由芯片内地址为08H的时钟寄存器进行控制。DS1302与单片机的硬件接线图如图三所示。在进行任何数据传输时，CE必须被制高电平（虽然CE被置为高电平，但内部时钟还是在晶振作用下不停地计时的），在每个SCLK上升沿时读入数据，下降

26、沿时写出数据。每个字节的传输都是由控制字节(如表1所示)指定的，控制字节的最高位Bit7必须是“1”，否则读写将会被禁止。bit6 为“0”则指定对时钟/日历寄存器进行读写操作，为“1”则对RAM区的数据进行读写操作，bit1-bit5 指定相关寄存器进行输入输出操作，最低位bit0 指定是输入还是输出，为“0”则为写，相反则为读，输入输出根据脉冲的上升沿和下降沿串行进行。765432101RAM/用来表示相关寄存器的地址RD/图 DS1302控制字节控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。同样，在紧跟

27、8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。数据读写时序如图四所示。图 DS1302数据读写时序通过8个脉冲便可读取一个字节，从而实现串行输入与输出。最初通过8个时钟周期载入控制字节到移位寄存器。如果控制指令选择的是单字节模式，连续的8个时钟脉冲可以进行8位数据的读写操作。8个脉冲便可读写一个字节。载入控制字节后就可以对时钟/日历寄存器进行相应操作，时钟/日历寄存器如下表所示。读寄存器写寄存器BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2-BIT0范围81h80hCH16-59秒0-15秒00-5983h82h16-59分0-15分

28、00-5985h84h12020-2315-19时0-15时1-12/0-23/PM87h86h00016-31日0-15日1-3189h88h00010月月1-128Bh8Ah000001-7周1-78Dh8Ch015-99年0-15年00-998Fh8EhWP0图时钟/日历寄存器秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。当该位置1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置为0时，时钟开始运行。小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式下，位5为1时，表示PM。在24小

29、时模式时，位5是第二个10小时位(20-23时)。控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保护位（WP），其它7位均置为0。在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。第六节 硬件原理图1、旋转LED基板原理图:图旋转LED基板原理图2、旋转LED平面原理图：图旋转LED平面原理图3、旋转LED侧板原理图：图旋转LED侧板原理图图硬件PCB图4、遥控器说明:图 遥控器示意图第五章 系统软件的设计第一节 软件设计流程图1、该程序的软件设计流程图如图所示:图程序整体框架图软件设计流程图(时钟)第二节 各个功能模块流程图1、单片机读写DS130

30、2程序设计: 图读写单字节程序流程图2、单片机对红外遥控代码的译码程序设计:图 红外遥控代码的译码程序第六章 系统的安装与调试第一节 硬件调试发光二极管的调试。焊接好LED灯及电阻后，给板上电，分别使每个LED的阴极接地。发现25支LED灯都能正常点亮和熄灭。红外对管的调试。给发射管接限流电阻并上电后，去对准焊在板子上的红外接收管，用电压表测试其阴极，为低电平；移开发射管后为高电平。红外对管工作正常。红外遥控器的调试。调试时使用USB-ISP线一步步监控单片机接收到的红外信号是否符合设计要求。电源驱动调试。电刷制作完成后，将LED灯都接地，并给电机和单片机都上电。指针板开始旋转，并且LED灯都

31、能点亮，供电成功。电机转速调试。调试时可试着从低到高给电机供电，使其速度慢慢提高，同时观察整个系统是不是稳定地旋转，如果速度很低就晃动得厉害就需要考虑平衡问题，哪边轻可以在哪边加配重。 图 硬件实物图第二节 软件调试基本上排除了应用系统的硬件故障后，就可以进入软件的综合调试阶段，这个阶段的主要任务是排除软件错误，也解决硬件遗留的问题。本系统程序是用汇编语言编写的，主要分为三大块：LED扫描显示程序、单片机读写DS1302程序、单片机对红外遥控代码的译码程序。软件调试可以一个模块一个模块地进行。在进行软件调试时要充分利用调试软件中单步、断点、设置观察项等调试手段，主要针对程序跳转错误、程序错误、动态错误、输入输出错误和加电复位电路错误等方面着重调试。平面（图片/动画）取模时应注意：图片仅支持24位真彩图片，不支持其他格式图片，图片取模时，不论图片大