电子信息专业毕业论文旋转LED显示屏设计.docx

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电子信息专业毕业论文旋转LED显示屏设计

摘要

LED显示屏已广泛应用于广告、车站、银行、商场等公共场所，它具有功耗小、寿命长、色彩好等优点。

现在的LED显示屏的发光器件主要采用LED平板模块，这种类型的显示屏主要有两个问题有待改进：

首先是整个显示屏全由LED模块组成，器件数量多，成本高；另外，由于显示屏是一个平面，同时LED象素点有一定视角限制，使显示屏的可视范围被局限到正面某个范围之内，在应用中使显示屏的信息发布受到了一定的空间限制。

本文给出了一种新型的柱式旋转LED显示屏，以旋转扫描方式代替逐行扫描，可视范围达到了360度，成本大大降低，克服了LED平板显示屏的不足。

本文在简要介绍旋转LED显示屏工作原理的基础上，详细说明了旋转显示屏的方案选择和系统结构设计，以及具体硬件电路和软件设计流程。

在此基础上，本文还讨论了旋转LED显示屏设计中需要注意的一些关键问题，给出了相应的解决方案，并提出了一些改进和完善本系统的思路和设想。

实际制作的LED旋转显示屏技术参数的测试结果，以及实际的运行效果表明，本文设计和制作的旋转显示屏符合设计要求，具有一定的创新性和实际应用价值。

LED旋转显示屏的意义；目前路灯应用市场已经启动，随着效率的进一步提高和技术的日趋完善，将有很快的发展，市场前景更为看好。

面对难得的发展机遇和市场需要，LED旋转灯还存在不足之处，如没有统一的标准等问题，但是由于节能环保的特点LED旋转灯的发展已经形成一种趋势。

关键字：

LED；视觉暂留；直流电机；桥式整流；旋转。

1引言

由于物理学的重大突破，电子技术在20世纪取得了惊人的进步。

特别是近40年来，电子技术的发展突飞猛进，无论是工业、农业，还是国防领域都随之发生了重大变革，也为技术创新打下了坚实的理论基础。

我们则应当具备开发和创新的能力，本文所介绍的旋转LED显示屏就是一个例子。

通过单片机的应用和普通直流电机的改装实现这一功能，通良好的视觉效果激发我们对电子科学的兴趣。

柱式旋转LED显示屏是一种新颖的显示屏，总的来看，成本低是一大优点，另外360度的可视角度使之非常适合于像大厅和候车室之类的场合。

如果能较好的解决显示亮度问题，可应用于室外，尤其是一些广告塔、楼顶等场合，是LED显示屏的一个新品种、发展的新方向。

此类显示屏如果更进一步，解决视频数据的传输，则可以做出旋转柱式视频显示屏，视频显示的控制电路较为成熟，显示器件只需换为RGB阵列即可，这样应用范围可大大增加。

本文所设计的旋转LED显示屏以AT89S52单片机为核心，最大限度的利用单片机的资源，与LED驱动芯片紧密结合，通过无线收发芯片控制，实现显示功能。

本文分为六章，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；第2章对系统设计方案作了较详细的论证和介绍。

第3章对LED旋转显示及系统设计中使用的主要芯片作了简单介绍。

其主要是对MAX公司LED驱动芯片MAX6969作了一下介绍。

第4章详细介绍了系统的硬件设计。

本章对电路的设计原理、芯片的选择和各功能的实现作了详细的介绍。

第5章详细介绍了系统的软件设计方案及系统的开发平台。

第6章讲解系统的调试过程和实现的主要功能。

对系统软、硬件调试和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。

2方案论证

2.1系统供电方案

方案1：

采用固定电池供电。

即在电路板是直接附带一个蓄电池，为系统供电。

这种供电方式比较简单。

但是，有两个问题难以解决。

首先，高亮度LED的功耗比较大，而电池的蓄电量有限，这就难以实现系统的长期运作；其二，由于电池的体积和重量比较大，若固定在板子上，电量用完后，难以替换。

若不固定，在电机转动的时候可能会甩出去，引起安全隐患。

同时，也增加了旋转重心的调节的难度。

故不采用此方法。

方案2：

采用电刷供电。

即在电机的转轴上，手工增加一个电刷，通过电刷为系统供电。

此方法能够让系统长期供电，但是由于增加了电刷，电机的摩擦增大，势必会使

系统的功耗增加。

故不采用此方法。

方案3：

从电机转子中引出电源线，为系统供电。

此方法直接在电机的转子中引出电源线，通过整流滤波后，可以作为系统供电，同时也可以作为系统控制时序的中断源。

此方法容易实现，并且一举两得，因此选用。

2.2LED驱动芯片选择

122.1LED驱动芯片选取原则

LED驱动芯片关键的指标之一输出功率的大小。

LED的亮度直接决定了显示屏的可见范围。

采用大电流驱动芯片，使得可视距离更远。

高功耗，同时意味着芯片的能够良好的散热。

LED驱动芯片的另一个关键指标是工作频率，即工作的速度。

为了能够更清晰的显示字体和图像，芯片的工作速度是不可忽视的。

芯片必须能够快速响应和编码输出。

MAX6969串行接口LED驱动器提供16个漏极开路、恒流吸收、额定5.5VLED驱动器输出。

MAX6969采用3V至5.5V电源供电。

采用工业标准移位寄存器加锁存器形式的串行接口。

数据通过数据输入DIN和时钟输入CLK移入驱动器的16位移位寄存器。

采用高效散热的24引脚封装。

2.3单片机其他外围电路

2.3.1通讯模块选择

方案1：

使用采用红外通讯，电路简单，但红外通讯需要大量的编码、译码，程序设计复杂，且由于AT89S52速度比较慢，在短时间难以做太多的运算，故不采用此方法。

方案2：

使用数字载波无线通讯。

电路比较简单，使用方法也简单，只需把数据送到串口，就可以立即发送，无需进行初始化，不需要对数据进行曼切斯特编码，具有半双工的通讯功能，并且有两个通讯频道，受外界影响较小。

在处理器运算速度相对比较慢的情况下，采用此方法。

2.3.2电机选择

方案1：

采用步进电机。

步进电机能够准确的定向，但是图像或者文字的分辨率受到步进电机的步进角度的限制。

并且步进电机以及控制电路成本较高，并且需要单片机控制，占用CPU的资源。

方案2：

采用普通的电机。

此方案不占用单片机I/O口，节省单片机资源，使用方便，成本较低，通过简单的改装，可以给系统供电。

综合各方面考虑，为了节省成本，简单系统电路，以及更方便的为系统供电，使系统能够长期工作，故采用方案2。

3系统设计

3.1系统的设计目标

本设计要求进行旋转LED显示屏的研究和设计。

系统以MCS-51系列单片机作为核心控制器件，通过控制电机保持一定的速度稳定旋转，带动单排LED旋转，形成扫描显示屏；单片机根据LED旋转的速度，控制LED发光或熄灭，在视觉上形成平面图形点阵的显示效果。

3.2总体设计

旋转LED显示屏的系统总框图，如图1.1所示。

系统由6个部分组成：

系统供电模块、数据处理与控制单元、显示单元、通讯单元和键盘输入单元。

其中，LED显示由单片机和MA6969大电流LED控制器共同控制，键盘则用来实现人机交互的功能，系统供电是通过从电机中心引出，然后通过整流滤波，给系统供电。

用户可以通过按键输入命令到主单片机，并将命令通过串口无线传输到从单片机，再由从单片机对命令进行译码由MA6969大电流LED控制器控制LED的循环显示。

系统中，主单片机负责人机界面的交互，从单片机负责对主机命令的翻译，利于系统的改进和更新。

图3-1系统总框图

4LED显示技术及系统中的主要芯片

4.1LED以及旋转LED显示屏简介

4.1.1LED应用简介

LED（lightemittingdiode）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范围、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，业内公认的平均值达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的寿命期内，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，色温范围从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产业内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（内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。

4.1.2旋转LED显示屏简介

LED显示屏已广泛应用于广告、车站、银行、商场等公共场所。

它具有功耗小、寿命长、色彩好等优点。

现在的LED显示屏的发光器件主要采用LED平板模块，室内显示屏主要采用16行循环扫描的方法，即每16行为一个单元，在每一帧中,逐次每行亮十六分之一秒的时间，由于帧频一般大于60Hz，我们并不觉察到扫描，而认为是一幅稳定的图像。

这种类型的显示屏有两个问题有待改进：

第一、显示屏整个面积全由LED模块组成，器件数量多，成本高；第二、由于显示屏是一个平面，而且LED象素点有一定视角限制，使显示屏的可视范围被局限到正面某个范围之内，在应用中使显示屏的信息发布受到了空间的限制。

新型的旋转柱式显示屏，克服了以上两个不足，以机械转动扫描方式代替逐行扫描，成本大大降低，可视范围做到了360度。

本文介绍了它的显示原理，系统组成，指出了设计中要注意的几个核心问题，并提出了一些新的发展方向。

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

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3.1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3-1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3.2所示。

图中a）b）c）是

图4-2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°。

5系统硬件设计

51各功能实现原理

5.1.1系统供电

（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。

通过对电机进行改装，引出电源线，并通过整流、滤波、稳压得到系统供电电源。

（2）实现方法：

主要通过电机的改装。

电机的改装：

at{}Nt&m

电路的供电和LED的定位是本制作的一个难点。

装在电机上的电路始终在高速旋转，无法使用通常的方法来给电路供电。

但可以通过对电机的改造来解决。

一般的直流电机是线圈作为转子，而永磁体作为定子的。

它是通过电刷来实现给线圈供电的，而且直流电机的旋转需要交变的电流，这是由固定在转子轴上的换向器来巧妙的实现直流变为交流的。

本设计的电路是固定在电机的转子上的，它和转子是保持相对静止的。

因此，可以从电机的转子中取得电源。

方法很简单，也就是从电机的换向器上用漆包线把电引到电路板上，经整流、滤波后给单片机电路供电。

换向器上的每个电极什么时候变化，是和电机转子的位子有关的，可以使用其中的一路信号来给LED显示的起始位置定位。

=Pjv08{ 

具体改装过程如下：

Nr6:

/*x 

1）拆开电机，注意拆的时候别弄坏了电机的电刷；

2）小心地从电机换向器上的三个电极引出三条漆包线；

3）取下电机外壳的含油轴承；

4）在轴承的圆片上面钻了几个小孔，把那三条漆包线从小孔里穿出来。

从而可以用来保护漆包线在转子和定子结合出的安全。

（注意：

替代上去的部分是和转子保持固定，和外壳之间是可以旋转的）。

U,Pau0:

A 

5）组装回整个电机，电机改装至此结束。

K!

L;`\Vi 

5.1.2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5-1杠杆原理示意图

如上图4.1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。

5.2具体硬件电路实现

5.2.1电源设计

由于电源是从电机中引出来的，所以需要通过整流、滤波才能为系统供电。

如图4.2所示为具体的设计电路。

图5-2整流电路图

图5-3稳压电路

5.2.2LED旋转同步设计

该电路分为两个部分：

1）中断系统

采用中断是为了更有效的利用单片机内部资源。

为了能够连续的显示文字和图象，本文采用了外部中断的方法，即在外部中断的时候，计算和调整显示文字和图象的时间。

为了得到可靠的外部中断源，有两种方法。

其一，如图4.4所示：

图5-4采用光感的外部中断电路

但是，这种方法功耗相对比较大，而且成本比较高。

为了减少制作成本，通过比较，有个更好的方法。

因为电机是三相的，带电刷转动的，即每转一周，三个电刷会得到从高到低，又从低到高的逻辑电平状态。

因此可以从中引出一条线来作为外部中断源，这个方法简单容易实现，其具体的电路如图4.5：

图5-5简单的外部中断电路图

该方法利用电刷在转动过程中的电平变化，通过一个三极管S8050转换成单片机可以识别的数字逻辑电平，解决了外部中断的问题，电路简单，可靠性高。

2）LED驱动电路。

本文采用了MAXIN公司的MAX6969大电流LED驱动芯片，其外部接口电路非常简单。

如下图：

（图上的OUT0到OUT15通过一个100Ω电阻接到LED上）。

图5-6MAX6969驱动电路

下面简单的计算一下这个电路的功耗。

MAX6969LED驱动电流的大小是由一个外部电阻决定的。

在本电路中，这个电阻RSET取360Ω。

RSET=18000/IOUT（4-1）

因此IOUT=18000/360=50mA（4-2）

其功耗计算如下：

PD=（V+xI+）+（VOUTxDUTYxIOUTxN）（4-3）

其中：

V+=供电电压

I+=N路输出吸收IOUTLED驱动电流时的电源工作电流

DUTY=加至OE端的PWM信号占空比

N=同时用来驱动LED的MAX6969输出端口数（最大值为16）

VOUT=MAX6969驱动负载LED时端口的输出电压

IOUT=由RSET设定的LED驱动电流

PD=功耗，如果电流单位为mA，其单位为mW

IOUT=50mA，N=16，DUTY=1，VOUT=2V

PD=（5V*50mA）+（2V*1*50mA*16）=1.850W（4-4）

5.2.3LED驱动芯片接口电路设计

方案1：

采用数字信号处理单片机MSP430和LED驱动芯片接口，由于MSP430速度比较快，有较强的运算能力，大大提高了计算调整LED显示的时间的模糊算法的时间，并且能够快速的对通讯数据进行CRC校验，减少了程序的复杂程度。

方案2：

采用单片机AT89S52与LED驱动芯片MAX6969接口，AT89S52逻辑能力较强但速度比较慢，价格相对比较便宜，但工作量要比方案1大的多。

综合考虑价格、元件是否容易购买等因素，在此设计中选用方案2。

6系统软件设计

6.1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。

8051系列单片机作为工业标准地位，从80年代开始就有了51单片机的C语言编译器。

C语言可以调用汇编语言的子程序或子函数。

因本系统界面比较庞大，控制较多且单片机的工作时序没有严格要求，故在本系统中，单片机程序采用C语言编写。

6.2软件总体设计

系统监控程序是控制单片机系统按照预定操作方式运转的程序，是整个系统程序的框架。

在本系统中，单片机的主要任务是用来显示和操作者按下不同的按键后，执行相应的任务，各个任务执行的先后顺序取决于键码。

根据这样的功能和操作方法，程序总体结构采用键码分析作业调度型，即作业调度完全服从操作者的意图，操作者通过键盘发出作业调度命令，监控程序接收到控制命令后，通过分析启动对应的作业。

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。

模块化编程的具体体现是把各个功能相对独立的模块作为子函数，主程序是一个不断循环检测结构。

当系统上电自检、初始化后，进入信号输出的循环，并自动查询面板按键的状态，以检测用户可能输入的指令，确定程序将要执行的功能。

本系统软件由主监控程序模块、命令翻译模块、信号产生模块、人机交互模块构成。

其中主监控程序是系统软件的主程序，是整个系统软件的核心，上电复位后系统首先进入监控主程序。

它的任务是识别命令、发送命令，起着引导仪器进入正常工作状态，协调各部分软件有条不紊地工作的重要作用。

6.3系统各模块程序的设计

6.3.1主控机程序模块

首先，对单片机串口初始化，设置波特率为2400bit/s，以及nRF401初始化设置，因为nRF401是半双工的无线通讯，所以初始设置为发射状态，选择通信频道1。

然后，调用键盘函数读取键盘状态，通过读取键盘状态，获得要发送的控制数字指令，通过CRC检验转换成数字命令，从串口通过nRF401把命令发送出去。

图6-1主机控制程序流程图

6.3.2从机程序模块

从机的程序开始，对NRF401、串口、MAX6969以及中断进行初始化，然后进入默认的中文显示模式，等待中断。

因为16阵列每个点显示的时间是由定时器确定的，但是，电机的转速，一开始都是不确定的。

所以，一开始显示的不怎么正确。

等到进入中断以后，通过自适应算法，逐渐对计时器的初始值进行调整，过一定时间后，显示就正常了。

进入中断后，通过对接收的数据进行判断，实现文字和数字显示的切换。

，自适应算法的实现过程。

首先，把假设旋转一周显示的点阵数为16*128。

那就意味着旋转一周需要显示的点数为128个。

由于电机旋转一周产生的中断次数为3次。

那么每次外部中断发生时，应该扫描的点数为43个。

在这里我设计为45个。

也就是外部中断产生时，定时器应该产生的中断次数为45次（也就是扫描45个点）。

当进入外部中断时，通过判断计时的中断次数来重新调整计时器的值，如果定时器中断次数大于45，表明LED显示一个点的时间太短（图象或者文字宽度减少），应该适当的

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图6-2从机控制程序流程图

延长定时器定时时间；若定时器中断次数小于45，表明LED显示一个点的时间过长，应该适当减少定时器定时时间。

通过对定时器定时时间的不断调整（也就是调整LED显示每一个点的时间），从而达到稳定的显示。

这种方法只需在软件上进行修改、调试，即使电机的转速发生了改变，也能够正确的显示文字或图象。

7系统调试

在前面几章中，我们详细讨论了LED旋转显示屏的软件、硬件设计，要系统真正运行起来并达到预期的指标和功能，进行调试是必不可少的。

7.1元件的焊接和整板测试

（1）元件焊接

焊接前对电阻、电容的量值要进行测量、筛选，选择与电路中参数值最接近的元件。

芯片选择时要注意封装。

本系统中元件全部都是直插式的。

（2）整板测试

整板测试是在元件焊接完成但未加电