【正文】 上，詳細(xì)說(shuō)明了旋轉(zhuǎn)顯示屏的方案選擇和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及 具體 硬件 電路 和軟件設(shè)計(jì)流程 。 題 目： 旋轉(zhuǎn) LED 顯示屏 院 （系） ： 電氣電子工程系 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息 班 級(jí)： 11電信 2 姓 名： 陳 然 學(xué) 號(hào)： 2021010202021 指導(dǎo)老師： 高 倩 2021 年 3 月 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 摘 要 LED 顯示屏已廣泛應(yīng)用于 廣告、車(chē)站、銀行、商場(chǎng)等公共場(chǎng)所 ， 它具有功耗小、壽命長(zhǎng)、色彩好等優(yōu)點(diǎn)。 在此基礎(chǔ)上， 本文還 討論 了旋轉(zhuǎn) LED 顯示屏設(shè)計(jì)中 需 要注意的 一些關(guān)鍵 問(wèn)題 ，給出 了 相應(yīng)的解決方案，并提出了 一些改進(jìn)和完善本 系統(tǒng)的思路和設(shè)想。 關(guān)鍵字： LED； 視覺(jué)暫留；直流電機(jī)； 橋式整流 ； 旋轉(zhuǎn)。 我們則應(yīng)當(dāng)具備開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新的能力，本文所介紹的旋轉(zhuǎn) LED顯示屏就是一個(gè)例子 。此類(lèi)顯示屏如果更進(jìn)一步，解決視頻數(shù)據(jù)的傳輸，則可以做出旋轉(zhuǎn)柱式視頻顯示屏，視頻顯示的控制電路較為成熟，顯示 器件 只需換為 RGB 陣列即可，這樣應(yīng)用范圍可大大增加。第 3章對(duì) LED旋轉(zhuǎn)顯示及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的主要芯片作了簡(jiǎn)單介紹。第 5章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。即在電路板是直接附帶一個(gè)蓄電池，為系統(tǒng)供電。若不固定，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候可能會(huì)甩出去，引起安全隱患。即在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，手工增加一個(gè)電刷，通過(guò)電刷為系統(tǒng)供電。此方法直接在電機(jī)的轉(zhuǎn)子中引出電源線，通過(guò)整流濾波后，可以作為系統(tǒng)供電 ， 同時(shí)也可以作為系統(tǒng)控制時(shí)序的中斷源。采用大電流驅(qū)動(dòng)芯片，使得可視距離更遠(yuǎn)。芯片必須 能夠 快速響應(yīng) 和 編碼輸出。數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)輸入 DIN和時(shí)鐘輸入 CLK移入驅(qū)動(dòng)器的 16位移位寄存器。電路比較簡(jiǎn)單，使用方法也簡(jiǎn)單，只需把數(shù)據(jù)送到串口，就可以立即發(fā)送，無(wú)需進(jìn)行初始化，不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼切斯特編碼，具有半雙工的通訊功能，并且有兩個(gè)通訊頻道，受外界影響較小。并且步進(jìn)電機(jī)以及控制電路 成本較高，并且需要單片機(jī)控制，占用 CPU 的資源。 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 本設(shè)計(jì)要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn) LED 顯示屏的研究和設(shè)計(jì) 。其中，LED 顯示由單片機(jī)和 MA6969 大電流 LED 控制器共同控制，鍵盤(pán)則用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，系統(tǒng)供電是通過(guò)從電機(jī)中心引出，然后通過(guò)整流濾波，給系統(tǒng)供電。目前， LED 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過(guò)了它的發(fā)展初期和中期 ， 普通 LED 的應(yīng)用已經(jīng)成為過(guò)去 ， 高亮度 LED 的使用也已無(wú) 需著力推廣。目前技術(shù)條件下， LED 已經(jīng)顯示出了眾多的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的顯示媒介相比，有以下特點(diǎn)： （ 1） 是壽命超長(zhǎng)，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的平均值達(dá) 10 萬(wàn)小時(shí)，可期望目標(biāo)將會(huì)達(dá)到 25萬(wàn)小時(shí)； （ 2） 是色彩豐富， LED 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)波長(zhǎng)的單基色，有紅、琥珀黃、黃、綠、藍(lán)等，基本滿足了應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?LED 色彩的要求，隨著更多新材料的開(kāi)發(fā)，還會(huì)實(shí)現(xiàn)更多的基色及至全彩色； （ 3） 穩(wěn)定可靠，在 LED 的壽命期內(nèi)， LED 差不多都能穩(wěn)定的工作，維護(hù)工作量極小； （ 4） 電氣安全性高， LED 一般工作在低電壓 (624V)、小電流 (1020mA)情況下，屬弱電級(jí)工作器件 ， 有較好的電氣安全性能； （ 5） 節(jié)能環(huán)保效率高，在同等亮度下， LED 的耗電僅為普通白熾燈的 1/10，而且不存在有害金屬汞污染等問(wèn)題 ， 符合社會(huì) 發(fā)展趨勢(shì)； （ 6） 應(yīng)用靈活性好， LED 可進(jìn)行低壓供電，也可 110V/220V 電源供電，加上單粒 LED 的體積小 (芯片更小 )， 只用 35 平方毫米，大大方便了工程應(yīng) （ 7） 受控制能力強(qiáng)，現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn) LED 的亮度、灰度、動(dòng)態(tài)顯示，分 布控制等 ， 是其它發(fā)光裝置無(wú)可比擬的； 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 （ 8） 抗震性能優(yōu)越， LED 的堅(jiān)固、耐震、耐沖擊性能，超過(guò)了目前所有其它類(lèi)型的電光源產(chǎn)品； （ 9） 響應(yīng)速度快， LED 的響應(yīng)速度在毫秒級(jí)，可以自如有效地應(yīng)用于顯示屏、汽 車(chē)剎車(chē)燈、相機(jī)閃光燈等； 10） 顯色性能良好 ， 白色 LED 目前的顯色指數(shù) Ra 達(dá)到了 70 以上 ， 色溫范圍從 3600K 到 11000K(隨熒光粉不同而變 )，而且已經(jīng)獲得了實(shí)驗(yàn)室提高的方案；另外還有亮度高、無(wú)干擾、方向性好等等也是十分有用的優(yōu)點(diǎn)?？梢酝葡?， 未來(lái)的 LED 產(chǎn)業(yè) ， 一定會(huì)根據(jù)應(yīng)用的要求 ， 在亮度、功率、基色等技術(shù)方面進(jìn)一步突破 ， 使不同類(lèi)型的 LED 更加廣泛地被使用 ，并且還會(huì)逐步地建立起各自相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用領(lǐng)域 ， 從而步入 LED 細(xì)分時(shí)代 ， 我們有理由相信 ， 亮飾、照明、顯示將會(huì)首先獨(dú)立出來(lái) ， 形成 LED 應(yīng)用的專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域?，F(xiàn)在的 LED 顯示屏的發(fā)光器件主要采用 LED 平板模塊，室內(nèi)顯示屏主要采用 16 行循環(huán)掃描的方法，即每 16 行為一個(gè)單元，在每一幀中 , 逐次每行亮十六分之一秒的時(shí)間，由于幀頻一般大于 60Hz，我們并不覺(jué)察到掃描，而認(rèn)為是一幅穩(wěn)定的圖像。 旋轉(zhuǎn)掃描的原理：由于人眼具有視覺(jué)暫留的特性 ， 當(dāng)畫(huà)面以一定速率刷新時(shí) ，我們看到 就是連續(xù)的圖像 ， 電視機(jī)顯示采用逐點(diǎn) 掃描方式 ， 每秒鐘要刷新畫(huà)面 50 場(chǎng) (25 幀 ),而在人眼中則是一幅完整的畫(huà)面 ， 傳統(tǒng) LED 顯示屏一般采用 1/16 掃描 ，16 行進(jìn)行逐行循環(huán)點(diǎn)亮 ， 由于刷新速率足夠大 ， 看到的也是一幅穩(wěn)定的畫(huà)面。 圖中 a)b)c)是 圖 42 旋轉(zhuǎn)柱式顯示屏的顯示原理圖 不 同 時(shí)刻的顯示狀態(tài) ， d)是人眼看到的完整畫(huà)面 “ 3” 。 (2) 實(shí)現(xiàn)方法： 主要通過(guò)電機(jī)的改裝。一般的直流電機(jī)是線圈作為轉(zhuǎn)子，而永磁體作為定子的。方法很簡(jiǎn)單，也就是從電機(jī)的換向器上用漆包線把電引到電路板上，經(jīng)整流 、 濾波后給單片機(jī)電路供電。 (注意：替代上去的部分是和轉(zhuǎn)子保持固定，和外殼之間是可以旋轉(zhuǎn)的 )。旋轉(zhuǎn)的重心如果不在轉(zhuǎn)軸上的話，在高速的旋轉(zhuǎn)中，會(huì)產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)，在巨大的離心力 下，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)分解，產(chǎn)生安全隱患。根據(jù)物理質(zhì)心計(jì)算方法，可知道，均勻的圓盤(pán)的重心就在圓盤(pán)的中心。 圖 51 杠桿原理示意圖 如上圖 所示，只要 M1*L1 = M2*L2 時(shí)，在布 PCB 的同時(shí)，只要通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)量和計(jì)算便可以使得杠桿處于平衡。為了能夠連續(xù)的顯示文字和圖象，本文采用了外部中斷的方法，即在外部中斷的時(shí)候，計(jì)算和調(diào)整顯示文字和圖象的時(shí)間。因?yàn)殡姍C(jī)是三相的，帶電刷轉(zhuǎn)動(dòng)的，即每轉(zhuǎn)一周，三個(gè)電刷會(huì)得到從高到低，又從低到高的邏輯電平狀態(tài)。如下圖： (圖上的 OUT0 到 OUT15 通過(guò)一個(gè) 100Ω 電阻接到 LED 上 )。 RSET = 18000 / IOUT (41) 因此 IOUT = 18000/360 = 50 mA (42) 其功耗計(jì)算如下 ： 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 PD = (V+ x I+) + (VOUT x DUTY x IOUT x N) (43) 其中 ： V+ = 供電電壓 I+ = N路輸出吸收 IOUT LED驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的電源工作電流 DUTY = 加至 OE端的 PWM信號(hào)占空比 N = 同時(shí)用來(lái)驅(qū)動(dòng) LED的 MAX6969輸出端口數(shù) (最大值為 16) VOUT = MAX6969驅(qū)動(dòng)負(fù)載 LED時(shí)端口的輸出電壓 IOUT = 由 RSET設(shè)定的 LED驅(qū)動(dòng)電流 PD = 功耗，如果電流單位為 mA，其單位為 mW IOUT = 50mA， N = 16， DUTY = 1， VOUT = 2V PD =（ 5V*50mA） +(2V*1*50mA*16) = (44) 5 . LED 驅(qū)動(dòng)芯片接口電路設(shè)計(jì) 方案 1：采用數(shù)字信號(hào)處理單片機(jī) MSP430 和 LED 驅(qū)動(dòng)芯片接口，由于 MSP430速度比較快，有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，大大提高了計(jì)算調(diào)整 LED 顯示的時(shí)間的模糊算法的時(shí)間，并且能夠快速的對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗(yàn) ，減少了程序的復(fù)雜程度。 C 語(yǔ)言是一種通用的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它既有高級(jí)語(yǔ)言的各種特 征，又能直接操作系統(tǒng)硬件。 (4) 可使用與人的思維更相近的關(guān)鍵字和操作函數(shù)。 (8) C 語(yǔ)言可移植性好且非常普及 。 軟件總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)監(jiān)控程序是控制單片機(jī)系統(tǒng)按照預(yù)定操作方式運(yùn)轉(zhuǎn)的程序，是整個(gè)系統(tǒng)程序的框架。模塊化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)功能明確設(shè)計(jì)和調(diào)試比較方便、容易完成。 本系統(tǒng)軟件由主監(jiān)控程序模塊、命令翻譯模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊、人機(jī)交互模塊構(gòu)成。然后，調(diào)用鍵盤(pán)函數(shù)讀取鍵盤(pán)狀態(tài)，通過(guò)讀取鍵盤(pán)狀態(tài)，獲得要發(fā)送的控制數(shù)字指令，通過(guò) CRC 檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換成數(shù)字命令，從串口通過(guò) nRF401 把命令發(fā)送出去。等到進(jìn)入中斷以后，通過(guò)自適應(yīng)算法，逐漸對(duì)計(jì)時(shí)器的初始值進(jìn)行調(diào)整，過(guò)一定時(shí)間后，顯示就正常了。那就意味著旋轉(zhuǎn)一周需要顯示的點(diǎn)數(shù)為 128 個(gè)。也就是外部中斷產(chǎn)生時(shí)，定時(shí)器應(yīng)該產(chǎn)生的中斷次 數(shù)為 45 次 (也就是掃描 45 個(gè)點(diǎn) )。 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 7 系統(tǒng)調(diào)試 在前面幾章中，我們?cè)敿?xì)討論了 LED 旋轉(zhuǎn)顯示屏的軟件、硬件設(shè)計(jì)，要系統(tǒng)真正運(yùn)行起來(lái)并達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)和功能，進(jìn)行調(diào)試是必不可少的。 (2) 整板測(cè)試 整板測(cè)試是在元件焊接完成 但未加電前對(duì)電路板進(jìn)行的檢查。首先還是應(yīng)該測(cè)試電源部分，系統(tǒng)上電以后，測(cè)試各個(gè)電源端口和器件的電源部分是否工作正常，同時(shí)應(yīng)注意系統(tǒng)中有無(wú)器件過(guò)熱情況，如果有的話，可能是相應(yīng)的器件損壞或電路中有短路， 需要處理之后再加電。電路由多個(gè)模塊組成，電源模塊、復(fù)位電路、輸入輸出接口電路、下載接口電路等。 其次，對(duì)從機(jī)的 MAX6969 芯片進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)軟件調(diào)試時(shí)也要分模塊來(lái)進(jìn)漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 行調(diào)試，這樣才能使進(jìn)程有條不紊的進(jìn)行下去，而不至于出現(xiàn)混亂。利用萬(wàn)用表測(cè)量輸出端口的電壓發(fā)現(xiàn)，電壓幾乎為零。 其次，對(duì)通訊模塊進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在 nRF401 沒(méi)有接上的時(shí)候，端口電壓正常，但是接上的時(shí)候卻變?yōu)?。通常檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法有，奇偶校驗(yàn)、 CRC 校驗(yàn)等。 表 71 CRC 校驗(yàn) 十六進(jìn)制數(shù) 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 CRC 檢驗(yàn)碼 0x00 0x0d 0x17 0x1a 0x23 0x2e 0x34 0x39 十六進(jìn)制數(shù) 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0c 0x0d 0x0e 0x0f CRC 檢驗(yàn)碼 0x46 0x4b 0x51 0x5c 0x65 0x68 0x72 0x7f 其原理是把要發(fā)送的命令通過(guò)讀表的方式，得到 CRC 校驗(yàn)碼，發(fā)送出去。文字顯示歪歪斜斜的，過(guò)了很長(zhǎng)一段時(shí)間，還是這樣。通過(guò)修改定時(shí)器的初始值后，上電測(cè)試， LED 能夠顯示出文字。如表 62 所示： 表 72 主機(jī)發(fā)送 的數(shù)據(jù)與從機(jī)接收到的數(shù)據(jù)比較 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 十六進(jìn)制數(shù) 0x02 0x0a 0x07 0x0b 0x08 0x05 0x0e 0x0d 主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)（ CRC 檢驗(yàn)碼） 0x17 0x51 0x39 0x5c 0x46 0x2e 0x72 0x68 從機(jī)接收的數(shù)據(jù) 0x17 0x51 0x39 0x5c 0x40 0x20 0x72 0x68 十六進(jìn)制數(shù) 0x07 0x0a 0x03 0x09 0x08 0x0d 0x06 0x05 主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)（ CRC 檢驗(yàn)碼） 0x39 0x51 0x1a 0x4b 0x46 0x68 0x34 0x2e 從機(jī)接收的數(shù)據(jù) 0x44 0x51 0x1a 0x4b 0x46 0x68 0x34 0x2e 最后，通過(guò)把主機(jī)的命令改為多次的間斷發(fā)送，即使從機(jī)第一次接收到錯(cuò)誤命令，不做出響應(yīng)，但是主機(jī)不斷的發(fā)送命令，即使通訊中有干擾，從機(jī)也總能接收到正確的命令，從而解決了這個(gè)問(wèn)題。同時(shí)也提高了利用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)單片機(jī)程序的能力，以及查閱資料和解決問(wèn)題的能力。 不過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)仍然存在不足的地方。他為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文的順利完成傾注了心血和汗水，他淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、平易近人的性格以及在設(shè)計(jì)上敏銳的洞 察力，使我受益非淺。他們?cè)谖疫M(jìn)行調(diào)試過(guò)程中給了許多指導(dǎo)并提供了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成。 最后，我感謝我的家人和朋友，他 (她 )們對(duì)我的