旋转LED显示屏的设计与制作.docx
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旋转LED显示屏的设计与制作
旋转LED显示屏的设计与制作
摘要
随着社会信息技术的发展,高科技教育和创新活动越来越受到大家的关注,电子产品越来越受到大家的青睐,旋转LED显示屏这一信息技术的前沿领域也得到了飞速发展,而在旋转LED显示屏中主要应用的便是单片机。
在户外广告屏上,高科技是不可缺少的,因此单片机技术的应用注定是不可或缺的,所以利用AVR单片机技术制作的旋转LED显示屏的应用价值及科研价值是很高的。
我们利用AVR单片机,通过Atmega16芯片制作出的旋转LED显示屏,可以顺利完成我们所要求的显示的内容,现场演示。
通过自制的ISP下载线与电脑之间的链接,将电脑中的程序文件输入到单片机中,根据我们的需要显示不同的内容。
该设计主要包括:
基板硬件的设计、硬件驱动的设计、显示程序的设计等。
它具有设计思路简捷、程序简短、结构简单等特点。
旋转LED显示屏用于教学演示,可以使学生了解动态扫描的原理,同时对相关知识的综合应用有一个清晰的认识,易于加深对相关知识的了解、掌握。
能更好的应用所学到的知识,更好的把所学到的知识应用的实物中去,能引导同学们去开发想象到的东西,能是学到的理论知识更好的与实际相结合。
关键字:
旋转LED显示屏;Atmega16单片机
THEDESIGNANDPRODICTIONOFTHEROTATINGLEDDISPLAY
ABSTRACT
Withthesocialdevelopmentofinformationtechnology,moreandmorehigh-techeducationandinnovationactivitiesbegivendueattention,electronicproducts,moreandmorepeopleofallages,rotatingLEDdisplayofinformationtechnologyfrontierhasbeenrapiddevelopment,andthemainapplicationisintherotatingLEDdisplaymicrocontroller.
Outdooradvertisingscreen,high-techisindispensablefortheapplicationofsingle-chiptechnologyisboundtobeanintegralpartoftherotatingLEDdisplayusingAVRmicrocontrollertechnologytoproducevalueandscientificvalueisveryhigh.WeusetheAVRmicrocontroller,theAtmega16chiptoproducearotatingLEDdisplay,thesuccessfulcompletionofthecontentsofthedisplayweareasking,livedemonstration.LinkbetweenthehomemadeISPdownloadcablefromthecomputer,thecomputer'sprogramfilesareinputtothemicrocontroller,displaydifferentcontentaccordingtoourneeds.
Thisdesignmainlyincludes:
asubstratehardwaredesign,hardware-drivendesign,showingthedesignoftheprogram.Ithasasimpledesignideas,abriefprogram,simplestructureandothercharacteristics.
TherotationLEDdisplayforteachingdemonstration,toenablestudentstounderstandtheprincipleofdynamicscanning,theintegratedapplicationofknowledgeatthesametimehaveaclearunderstanding,easytodeepentheknowledgetounderstandandmaster.Betterabletoapplymyknowledgeandbetterapplicationofknowledgelearnedinkindtoguidestudentstodevelopimaginethings,thetheoreticalknowledgelearnedbetterwithpracticecombination.
Keywords:
therotatingLEDdisplay;Atmega16singlechipmicrocomputer
目录
1前言------------------------------------------------------------1
2系统设计构思-----------------------------------------------------2
2.1设计要求----------------------------------------------------2
2.2显示屏的原理------------------------------------------------2
2.3模块设计的方案----------------------------------------------2
2.3.1显示屏整体设计----------------------------------------2
2.3.2控制器模块--------------------------------------------2
2.3.3传感器模块--------------------------------------------3
2.3.4电源模块----------------------------------------------3
2.3.5显示模块----------------------------------------------4
2.4最终方案----------------------------------------------------4
3系统机构---------------------------------------------------------5
4硬件实现及单元电路设计-------------------------------------------6
4.1微控制器模块的设计------------------------------------------6
4.2指针板电路的设计--------------------------------------------6
4.3基板电路的设计----------------------------------------------7
4.3.1主要元件7805稳压块的介绍-----------------------------8
4.3.2主要元件3296电位器的介绍-----------------------------8
4.4光电管的安装------------------------------------------------9
4.5指针版电源的连接--------------------------------------------9
4.6ISP下载线的制作--------------------------------------------10
5软件实现--------------------------------------------------------11
5.1显示处理--------------------------------------------------11
5.2程序源文件------------------------------------------------15
6系统调试--------------------------------------------------------23
6.17805的降压与散热处理--------------------------------------23
6.2电量储存问题的处理---------------------------------------23
6.3文字调节问题的处理---------------------------------------24
7结论----------------------------------------------------------25
参考文献------------------------------------------------------26
致谢------------------------------------------------------------27
1前言
随着社会信息技术的发展,高科技教育和创新活动越来越受到大家的关注,电子产品越来越受到大家的青睐,旋转LED显示屏这一信息技术的前沿领域也得到了飞速发展,而在旋转LED显示屏中主要应用的便是单片机。
单片机又称单片机微控制器,它是把一个计算机系统集成到一个芯片上,单片机技术就是计算机技术的一个分支,是旋转LED显示屏的核心元件,在旋转LED显示屏设计中主要就是应用AVR弹片机的技术进行控制的。
我们在这次项目中应用的AVR单片机是很新颖的一种,它不仅价格低廉,可以节省很多开发费用,而且内部存储器的擦写可达到10000次以上,不会产生报废品。
在户外广告屏上,高科技是不可缺少的,因此单片机技术的应用注定是不可或缺的,所以利用AVR单片机技术制作的旋转LED显示屏的应用价值及科研价值是很高的。
我们利用AVR单片机制作出的旋转LED显示屏,可以顺利完成我们所要求的显示的内容,现场演示。
通过自制的ISP下载线与电脑之间的链接,将电脑中的程序文件输入到单片机中,根据我们的需要显示不同的内容。
所完成的作品可以直接应用于单片机的教学之中,使自己的毕业设计有了实在的应用价值。
本作品今后可以向商品化方面进行开发,以使之有更大的价值。
由于某些资料及时间的限制,所以致使AVR单片机的一些功能没有全部扩展出来,处于正在研究探索中。
我们会对该项目进行不断的创新。
2系统设计构思
2.1设计要求
(1)旋转部分的电路板重心要适中,以便旋转起来后没有大的抖动。
(2)旋转电路板能检测到一个固定的位置来确定显示起始位置。
(3)显示内容要有花形图案、汉字静态显示和汉字动态滚动显示。
2.2显示屏的原理
旋转LED显示屏采用扫描方式进行显示,其实现原理是通过控制不同时间段内让不同批次的LED轮流点亮,根据人眼的视觉暂留特性,当扫描帧频达到24Hz以上时,人眼便感觉不到扫描过程,而是一幅稳定的图像。
2.3模块设计的方案
根据设计要求,本系统主要由控制器模块、电源模块、传感器模块、显示模块等模块构成。
为较好的实现各模块的功能,我们选择了最合理的设计方案
2.3.1显示屏整体设计
制作旋转LED显示屏。
经反复论证考虑,采用方形薄木板做系统平台,用塑胶块做好支架。
中间装上直流电动机。
将焊好元件的条形电路板插在电动机转轴上。
为保平衡,在轻的一侧用小螺丝配重。
2.3.2控制器模块
采用Atmel公司的ATmega16L单片机作为主控制器。
ATmega16L是一个低功耗,高性能的8位单片机。
片内资源丰富,16K的Flash,Boot代码区,512字节的EEPROM,1K的SRAM,JTAG接口,仿真和下载,支持ISP下载,3个带PWM的定时器,8路10位的AD转换器,UART(异步串口),SPI(同步串口),看门狗,TWI(IIC)接口,模拟比较器等。
引脚图如图2-1。
图2-1ATmega16L引脚示意图
2.3.3传感器模块
用红外发射管和接收管。
红外发射管发出红外线,当发出的红外线照射到红外接收管就能检测出光信号而输出低电平,若接收不到发射管发出的光信号则输出高电平。
2.3.4电源模块
旋转LED显示屏设计的成败,不是取决于电路和程序,而是取决于结构。
或者说,取决于如何实现对指针板的供电。
根据所学知识,指针板的供电方式一般有以下三种:
(1)自感应发电
这种方法,就是从指针板上引出导线,接入到电机内部绕在转子上,电机旋转时该导线切割磁场产生感应电动势,经过整流后作为指针板上的电源。
这种方式的优点是:
设计很巧妙,无机械磨损。
更巧妙的是,由于感应出来的电动势是交流的,所以可以利用该过零信号来定位,不必另外准备定位信号了。
这种方式的缺点是:
提供的电流有限,只能适合LED较少的旋转时钟,当LED数量较多时,需要更多的电流,这种方式就不能满足了。
其次,这种方式要对电机本身进行改造,也有一定的难度。
并不是所有的电机都适合这种改造。
而且这种改造可能会给电机带来损害。
(2)自备电池
这种方式,就是在指针板上安装电池,由电池供电。
一般是用两到三节7号电池。
这种方式的优点是:
不用担心电压波动。
也不存在机械磨损,不用担心接触不良之类问题的困扰。
这种方式的缺点是:
很费电池,三天两头换电池,既不经济也不环保,费时费力!
电池很重,一般的电机带不动,必须用很大的电机。
这也意味了成本的上升。
(3)机械传导供电
这种方式就是采用滑环和电刷,通过机械接触传导电流。
这种方式的优点是:
能够提供比较大的工作电流。
这种方式的缺点是:
有机械摩擦,会产生磨损。
因此要求滑环和电刷材料要耐磨。
另外,还得有足够的弹性,并且要耐锈,否则会导致接触不良。
有机械阻力,因此要求电机有比较大一点的功率。
有机械噪音。
2.3.5显示模块
LED正端接到电源,负端经过限流电阻接到单片机的IO口。
之所以采用负端控制,是因为从CPU的IO口带载能力方面来看,灌电流一般都比拉电流大,采用LED负端控制能够提供更大的驱动能力。
2.4最终方案
经过反复论证,我们最终确定了如下方案:
(1)指针板用万能电路板实现。
(2)采用ATmega16L单片机作为主控制器。
(3)用外接12V直流稳压电源。
(4)用LTH-1650型红外光电管进行定位。
(5)用LED作为显示。
(6)基板用薄模板制作。
系统的结构框图如图2-2所示:
图2-2系统结构框图
3系统结构
旋转LED显示屏可以设计成多种样式,如圆柱式、圆锥式、圆盘式等,基于制作条件、造价和显示效果等多方面因素考虑,我采用了圆盘式的方案。
系统的总体结构是由以上提到的每个独立的模块组合而成的,结构设计如图3-1,成品结构如图3-2。
图3-1结构设计图
图3-2成品的总体结构
4硬件实现及单元电路设计
4.1微控制器模块的设计
采用Atmel公司的ATmega16L单片机,不用烧写器而只用串口或者并口就可以往单片机中下载程序。
我们在开发过程中程序的调试和整机的测试,“ISP下载线”相当于“数据线”,“ISP接口”相当于“U口”,“Atmega16”相当于“U盘”,因此不需要将单片机从指针板板上取下,直接在指针板上通过ISP接口在线调试。
如图4-1
图4-1指针板ISP接口
4.2指针板电路的设计
旋转LED显示屏的指针板是以单片机为核心,围绕AVR单片机展开的一系列连接,控制外部电路的使用,指针设计是一个至关重要的试验步骤。
旋转LED显示屏指针板电路原理图如图4-2所示:
图4-2指针板电路原理图
电路确定可以正常运行使用后,进行电路板的制作和实际焊接。
实际焊接是要注意元件的布局,小的元器件要放在插座内侧,这样既能节省空间又能保护器件不受损害。
如图4-3。
图4-3指针板结构图
4.3基板电路的设计
基板主要负责为指针板提供电源,通过红外发光二极管向指针板位置信号。
由于本系统的电机转速直接决定图形显示是否成功,所以在设计电机电源时要考虑电压是稳定性。
我们生活的供电是200V,但在实际中电压是180V-250V。
为了保证本系统供电正常设计了微调稳压供电。
以适应不同的供电环境。
如图4-4所示。
图4-4基板电路图
4.3.1主要元件7805稳压块的介绍
7805为定值三端集成稳压块。
正面面对7805,左边管脚是高电位输入,中间管脚为公共接地端,右边管脚为输出端。
输入电压过高会发热严重甚至击穿稳压块,输入电压过低则输出电压达不到稳定的目的。
7805输出为+5V稳定电压,最高输入极限电压36,最低输入电压7V,集成稳压块的最佳工作状态是输入电压与输出电压间的压差在3~4V左右。
如图4-4基板电路设计输入电压为12V,输出为5V,由于压差太大,在输入前端串联几个二极管降压,且在7805上加了自制的散热器,这样稳压块就不会很烫。
4.3.2主要元件3296电位器的介绍
电位器是一个可调的电子元件,俗称“可调变阻器”,它在电路中的主要作用有以下几个方面:
1.用作分压器2.用作变阻器3.用作电流控制器。
3296电位器是一个连续可调的电阻器,本实验用作变阻器的功能,把它接成两端器件,当调节电位器的转柄时,便可获得一个平滑连续变化的电阻值。
通过调节滑动变阻器,可以改变电动机的转速,使指针板旋转平稳,用以调节屏幕上字的宽度。
图4-57805和3296
4.4光电管的安装
根据设计的要求指针板旋转过程中要实时检测位置信号。
根据这个信号来确定显示图案的起始点。
并根据指针板所处的不同位置,点亮相应的LED,利用人眼的视觉暂留效应,形成完整的显示画面。
红外光电管采用LTH-1650型号,其优点是体积小、灵敏度高。
当发光二极管发出的光被三极管接收时,三极管导通输出低电平。
此光电管电路简单,工作性能稳定。
安装位置如图4-6。
图4-6光电管位置
4.5指针板电源的连接
如何通过12V直流电源给指针板供电,使显示屏在旋转时既不会被导线缠绕,也可以给指针板提供连续稳定的电压,经过反复思考与实验,确定用自制电刷和导电环为指针板提供电源。
具体做法是:
指针板的轴心为两部分金属材料,中间做绝缘处理防止短路,外部与导电环连接,基板电路的稳定电流由外部流入,为Atmega16及发光二级管供电,同时负电由轴心内部流出,使电路形成回路。
如图4-7。
且为了保证电源的稳定性在指针板的电源接入端并联大电容。
当电流稳定时,电容充电;当电流不稳定时,电容放电持续给指针板供电,使旋转显示屏在电流不稳定时也能形成稳定、完整、流畅的图形或文字。
图4-7指针板的轴心
4.6ISP下载线的制作
将代码写入AVR芯片一般使用并行烧写器和ISP下载线两种,由于ISP下载线可以在线编程,所以使用很方便,我们使用的是串口ISP下载线,如图4-8。
图4-8ISP下载线
5软件实现
5.1显示处理
旋转LED显示屏采用扫描方式进行显示,其实现原理是通过控制不同时间段内让不同批次的LED轮流点亮而形成一个整体的图形。
如图5-1。
图5-1旋转示意图
显示图形的设计是通过将整体的图形细分之后,分析每一个位置的显示情况。
将这些显示合并后就组成了一个整体的图形。
下面以“好”字为例介绍一下汉字的静态显示和动态显示。
图5-2汉字的点阵处理
根据系统结构的要求我们采用了纵向取模的方式。
由于汉字是16*16的点阵,而我们的单片机是8位的芯片。
所以我们将汉字从中间一分为二,分别对上半部和下半部进行取模。
上半部取模为:
0x08,0x08,0x0F,0xF8,0x08,0x0F,0x01,0x41,
0x41,0x41,0x4F,0x51,0x61,0x41,0x01,0x00,
下半部取模为:
0x01,0xC2,0x44,0x28,0x30,0xCE,0x04,0x00,
0x02,0x01,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
在实际程序中要用到字符表通过循环函数来实现汉字的显示。
例:
unsignedchara[]={0x08,0x08,0x0F,0xF8,0x08,0x0F,0x01,0x41,
0x41,0x41,0x4F,0x51,0x61,0x41,0x01,0x00};
unsignedcharb[]={0x01,0xC2,0x44,0x28,0x30,0xCE,0x04,0x00,
0x02,0x01,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,}
for(i=0;i<16;i++)
{
PORTA=a[i];
PORTB=b[i];
delay(100);
}
下面我们来设计一个汉字滚动显示的程序。
显示效果如图5-3所示。
汉字向左循环滚动。
图5-3汉字移位图
程序如下:
unsignedchara[]={0x08,0x08,0x0F,0xF8,0x08,0x0F,0x01,0x41,
0x41,0x41,0x4F,0x51,0x61,0x41,0x01,0x00};
unsignedcharb[]={0x01,0xC2,0x44,0x28,0x30,0xCE,0x04,0x00,
0x02,0x01,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,}
voiddisplay()
{
unsignedinti,j;
for(j=0;j<16;j++)
{
PORTA=a[(i+j)%16];
PORTB=b[(i+j)%16];
}
i++;
}
该程序可以实现没运行一次后显示表依次左移一位。
字符的取模用两种方式,通过Excel手动计算和用专业的软件实现。
上面的例子就是通过计算得出的,但字符较多时最好采用软件取模。
下面我们来介绍一个软件《字符取模》。
如图5-4所示。
图5-4取模软件
旋转LED显示屏的显示内容规划如下:
电机启动后,循环显示全亮、花形1、花形2、动态文字(鞍山师范物理科学学院)、花形3、静态文字(09级毕业生作品展示!
)、花形4。
旋转LED显示屏采用扫描方式进行显示,其实现原理是通过控制不同时间段内让不同批次的LED轮流点亮,根据人眼的视觉暂留特性,当扫描帧频达到24Hz以上时,人眼便感觉不到扫描过程,而是一幅稳定的图像。
但是在运用相机拍照过程中,相机的灵敏度比人眼球高很多,因此拍到的不是一幅稳定的完整的图像,而是一个片段。
图5-5显示花形1
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