自动控制原理实物设计制作报告.docx
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自动控制原理实物设计制作报告
自动控制原理实物制作报告
题目:
LED 显示棒
摘要
本系统是用单片机(AT89C2051/4051)、三个驱动芯片 74HC595、超高亮白色
LED 灯 24 个、电源、水银开关等器件制作 LED 显示棒。
该系统是利用手挥动 LED
显示棒,由位于显示棒上端的水银开关产生中断,并将中断信号送单片机处理,
控制三个驱动芯片 74HC595,利用该芯片的移位与锁存功能控制 LED 灯点亮或熄灭,
由于人眼的视觉暂留效应,当位于一条直线上的 LED 灯进行逐列扫描时,通过软
件的设置,扫描过的区域便会显示出所要求的字符或图形。
用按键切换要显示的
内容、控制字符或图形的缩放。
根据实测结果,表明所设计的系统性能指标完全达到题目基本要求,发挥部
分也已经完全满足题目要求。
参与同学姓名:
班级:
学号:
分工:
参与同学姓名:
班级:
学号:
分工:
1
一.引言
为了满足题目的要求,即能显示图形、字符,设计中采用 AT89C2051/4051 单
片机控制 24 个高亮白色 LED 灯,形成 24×24 点阵显示扫描区,用其中一个按键
来切换要显示的图形、字符,同时为了满足发挥部分的要求,再设计另一个按键
来实现显示图形、字符的缩放。
二.系统整体结构及方案论证
2.1 设计思路
根据题目要求,要设计制作一个 LED 显示棒,依靠摇动显示设定的字符、图
形。
例如要显示设定的字符“A”,摇动 LED 显示棒形成的点阵显示区如图 2-1 所
示(以 24×16 为例讲述原理):
图 2-1字符‘A’示意扫描区
其中字符“A”的字模如下,/*--宽度 x 高度=16x24--*/
0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x07,0x0E,0x1C,0x1C,0x0E,0x07,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00
0x01,0x07,0x1F,0x7E,0xE6,0x86,0x06,0x06,0x06,0x06,0x86,0xE6,0x7E,0x1F,0x07,0x01
0xF0,0xC0,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xC0,0xF0
注:
图 2-1 中黑色为亮的 LED 灯,白色为熄灭的 LED 灯,实际显示的是字模中数
据的取反。
该装置由 AT89C2051/4051 单片机控制,利用 24 个超高亮白色 LED 灯,纵向
排列为一条直线。
图像形成的原理是:
当开始摇动 LED 显示棒时,即进行第一列
像素的扫描,由单片机控制将图形列像素数据 0x00,0x01,0xF0 传输到三个驱动芯
片 74HC595 中,因为实际电路中的 LED 灯是共阳极连接的,所以 24 个 LED 灯中对
应为 0 的被点亮,对应为 1 的被熄灭。
反应到图 2-1 中的第一列,图中黑色点对
应的是被点亮的 LED 灯。
在第一列像素数据开始显示的同时进行第二列像素数据
的串行传输。
由于 74HC595 芯片内置数据锁存器和移位寄存器,所以在移动的过
程中,能够进行下一列数据的传输又不会影响本列数据的显示,在第一列数据显
2
示结束时,第二列数据已经传输完毕,在给出锁存器选通信号后,开始新一列像
素数据的显示,同时开始下一列像素数据的传输,依次类推形成逐列扫描,直到
16 列数据全部扫描结束。
只要顺序传送的速率足够快,由人眼的视觉暂留效应,
这个点阵扫描区就会形成一个完整的字符“A”了。
因为在软件中设定了每列数据
的显示时间,所以扫描图形的宽度就由手移动的速度决定了,总体视觉效果如图
2-1 示.行数 24 是由硬件电路决定,但具体多少列由软件决定,可通过软件设置改
变列数。
其它图形的显示原理和字符“A”的显示原理相同。
2.2 系统结构与方案论证
系统的结构框图如图 2-2:
运动检测
供电电源
单片机控制
驱动显示
按键
图 2-2系统结构框图
整个系统由单片机控制、运动(扫描位置)检测、按键、驱动显示、供电电源
等几部分组成。
各部分作用如下:
1)单片机控制部分:
接受来自运动检测部分和按键部分送来的信息,进行处
理并提供列像素数据,驱动显示部分控制 LED 灯的点亮与熄灭,配合 LED
显示棒的移动显示要求的字符、图形。
2)运动检测部分:
采用水银开关,用来检测显示棒移动的位置,产生中断。
3)按键部分:
切换要显示的图形形状、控制缩放等。
4)驱动显示部分:
接收并保存单片机送来的像素数据,由 74HC595 驱动控制
LED 灯的点亮与熄灭。
5)供电电源:
向整个系统供电,AT89C2051/4051 单片机采用 5V 电源供电。
2.3 各部分设计方案选择
2.3.1 单片机控制部分
方案一:
采用 AT89C2051/4051 单片机,串行输出方式,满足设计的要求。
AT89C2051/4051 是一种低电压(12㎒时的电压范围在 3V-5V)、高性能 CMOS8
位单片机,片内含 2K/4K 字节的可反复擦写的 Flash 程序存储器 ROM 和 128 字节
的随机存取数据存储器 RAM,器件采用高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准
MCS-51 指令系统,片内置 8 位中央处理器和 Flash 存储单元,其时钟频率可以为
零,即具备可用软件设置的睡眠省电功能,性价比较高。
3
使用 AT89C2051/4051 单片机,连接三个 74HC595 驱动芯片,采用串行输出方
式时,利用 74HC595 的移位锁存功能,能够驱动超高亮白色 LED 灯的显示,具有
足够高的亮度;当采用并行输出方式时,由于每次只能传输 8 位数据,必然会造
成同一列数据显示的滞后,另一方面又因视觉暂留效应,使显示的图案看起来形
成错位。
所以当采用 AT89C2051/4051 单片机时,使用串行输出方式,满足设计的
要求。
方案二:
采用 89C51 单片机,满足设计的要求。
89C51 单片机拥有 40 个管脚,集成度高,功能强大。
当采用 89C51 单片机直
接驱动时,单片机单个管脚的输出电流可以达到 20㎃,能够驱动 LED 灯的显示,
但是设计采用了 24 个 LED 灯,这样就会造成总的对地电流很大,单片机很难负荷
如此大的电流,同时又因被分配到每一个 LED 灯上的电流变小,所以亮度变小;
当采用驱动芯片作为中间传输媒介时,一方面会使许多管脚处于闲置状态,造成
资源的浪费,另一方面,会造成硬件电路面积较大,不利于显示棒的移动,影响
实验效果。
方案选择:
从这二个方案可知,选择任一种单片机,当采用不同的连接方式时
基本能满足设计的需要,在满足设计需要的前提下,从设计显示的效果、资源的节
约及硬件电路连接上考虑,选择方案一并采用串行输出的方式是最好的设计方案。
2.3.2 运动检测部分
水银开关是用来检测显示棒的移动位置,目的是通过水银球的摆动控制开关
的通断,产生中断信号,并将信号送到单片机处理,控制显示棒的扫描周期。
此
处也可以采用光限位开关,它是机械开关,但机械开关存在抖动,会造成触发的
不稳定。
水银开关相对于机械开关来讲,具有许多优点:
结构简单,体积小,最
主要的是它电极间的接触电阻一般低于 100mΩ,其导电性较好,性能可靠。
所以
该部分设计方案采用的是用水银开关。
2.3.3 扫描方式及显示驱动电路
扫描方式:
方案一:
采用双向扫描方式。
开始摆动时,水银球触发电路扫描计时开始,
在显示棒运动到最右端时,再次产生中断,下一个扫描周期开始。
这样存在的问
题是当第一个周期的显示尚未结束,下一个周期的扫描便开始,在棒进行回摆时,
由于视觉暂留效应,使图像看起来比较混乱。
方案二:
采用单向扫描方式。
第一个扫描周期与双向扫描的情况相同,不同
的是在进行下一个周期的扫描时,由于显示棒运动到最右端时,然后再回摆的过
程中,单片机不再响应中断,从而使上一次的最后一列的扫描数据有足够的时间
显示完毕,所以扫描图像看起来比较清晰,不会有图像重叠的现象。
根据上述实
际情况,设计采用方案二。
显示驱动:
驱动芯片 74LS164可以通过同步串口驱动 LED 的显示,但是不具
有数据锁存器,传输数据没法锁存,造成显示看起来不清晰,对本系统不太合适。
驱动芯片 74HC595 主要优点时具有数据锁存器,在移位的过程中,输出端的数据
保持不变,这样就能保证 LED 灯的同时点亮。
所以决定采用驱动芯片 74HC595。
与
普通的 LED 灯相比,超高亮白色 LED 灯的优点是发光强度高,性能更加的可靠。
2.3.4 按键
按键可采用功能复用方式,采用这种按键数量少,节省硬件,但增加了软件
的复杂性,;另一种方案是采用单功能键,按键有两个,但操作简单、直观。
由于
该设计硬件相对简单,所以采用单功能键。
4
2.3.5 供电电源部分
可供选择的方案有两种:
方案一:
采用镍镉/镍氢蓄电池方案,满足设计的要求。
方案二:
采用一次性干电池方案,同样可以满足设计的要求。
方案选择:
镍镉/镍氢蓄电池供电时内阻小,负载特性硬,虽一次性投资较多,
但多次使用可彰显其经济性。
一次性干电池由于其内阻相对较大,会使负载电压
特性较软,其输出大电流的能力不及镍镉/镍氢蓄电池,虽单只价格比较便宜,但
寿命短,经济性差。
由于本设计采用 AT89C2051/4051 单片机,在频率为 12㎒时其
要求输出在 3V 到 5V 之间,由镍镉/镍氢蓄电池的单体标称电压为 1.2V,采用 4 个
时电压为 4.8V,正好满足要求,且无需稳压电路;一次性干电池的单体标称电压
为 1.5V,采用 3 个时只是在最初满足要求,很快电压就下降无法驱动单片机,采
用 4 个时,在最初会超过单片机极限电压,这是不允许的。
综合考虑决定采用镍
镉/镍氢蓄电池作为供电电源。
根据上述各部分分析,最终设计的原理图如图 2-3 所示:
D24
D23
LED
R24
RES2
R23
1
2
3
4
5
6
7
8
912
VC C
C7
C5
SW2
GND
J9
GND
AT89C4051
S1
SWSPST
+5V CB
C3
JT C1
R26
RES2
GND C2
CAP
R27
RES2
13
12
10
11
12
13
12
10
11
12
U1
G
RCK
SRCLR
SRCK
SER
74HC595
U2
G
RCK
SRCLR
SRCK
SER
74HC595
QA 15
QB 1
QC 2
QD 3
QE 4
QF 5
QG 6
QH 7
QH1 9
QA 15
QB 1
QC 2
QD 3
QE 4
QF 5
QG 6
QH 7
QH1 9
D22
LED
D21
LED
D20
LED
D19
LED
D18
LED
D17
LED
D16
LED
D15
LED
D14
LED
D13
LED
D12
LED
D11
LED
D10
LED
RES2
R22
RES2
R21
RES2
R20
RES2
R19
RES2
R18
RES2
R17
RES2
R16
RES2
R15
RES2
R14
RES2
R13
RES2
R12
RES2
R11
RES2
R10
CAP
D9
LED
RES2
R9
R25
RES2
D8
LED
D7
LED
RES2
R8
RES2
R7
C1
SW2
13
12
10
11
12
U3
G
RCK
SRCLR
SRCK
SER
74HC595
QA 15
QB 1
QC 2
QD 3
QE 4
QF 5
QG 6
QH 7
QH1 9
D6
LED
D5
LED
D4
LED
D3
LED
D2
LED
RES2
R6
RES2
R5
RES2
R4
RES2
R3
RES2
R2
D1
LED
LED
RES2
R1
RES2
5
图 2-3 系统完整电路图
三.设计实现
要想完成 LED 显示棒的设计,软件占据很大一部分作用,其中最主要的问题
是如何定时一周期?
启动开关,当 LED 显示棒静止时,LED 灯不会发亮,当摆动显
示棒时,水银开关接通触发外部中断零(INT0),单片机 AT89C2051/4051 启动 T0
计时,当显示棒再次摆回到原位置时 INT0 再次产生中断,T0 停止计时,即可得出
摆动一次时间 T,既是摆动周期。
由于系统设计的是 24×24 扫描区域,所以将 T
平分 24 等份,每份时间由定时器 T1 计时,每列显示的时间就是 T1 的定时时间。
具体的软件系统包括主程序、外部中断子程序、定时器中断子程序,具体设计思
想见附件 1 程序流程图。
四.测试结果
4.1 测试方法及过程
本系统测试方法及过程非常简单:
将实物组装好,闭合开关,按照一定的规
律来回摆动 LED 显示棒,观察是否能清晰的显示题目要求显示的字符、图形。
要
显示其它的图案,可通过按键切换实现。
4.2 测试结果
“
利用手来回摆动 LED 显示棒,题目基本要求部分全部完成,即通过按键的切
换,可以清晰的观察到字符“A”、 电”、国际奥委会五环图形;发挥部分的字符、
图形“Welcome”、“美亚”、北京奥委会会徽也已能清晰的看到。
我们设计的特色
是显示一个能缩放的字符和自动播放字符或图形。
部分显示扫描结果已拍成照片,
详见附件 2.
五.结论
通过测试结果知道,本设计不仅完成了基本要求部分,而且发挥部分我们都
成功完成。
在这次设计的过程中遇到了一些问题,最主要的是不能够稳定的显示、
显示混乱等问题,但最后通过我们的努力,仔细的分析,问题都被成功的解决了。
此次电子设计大赛使我们受益非浅,收获颇丰,不仅知识体系有了很大的扩
展,自己解决问题的能力有很大的提高,更为重要的是在这个过程中我们深刻地
体会到共同协作和团队精神的重要性。
以后我们会更加的努力学习、实践,用知
6
识武装自己。
7
开始
初始化
关显示
按键否?
N
附件 1 程序流程图
开始
启动T0并关中断
N
持续时间>100㎳ ?
Y
开始
对T0重复初值
显示标志位置位否?
N
Y
判键子程序
据键值设置欲
显示内容
开中断
自动播放?
N
置显示标志
中断返回
Y
置自动播放标志
N
继续上次
送显示
Y
显示完?
Y
重新送显示
中断返回
图(B)外部中断子程序图(C)定时器中断子程序
8
附件 2实物扫描图像照片
9
10
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