【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路、時(shí)鐘電路并完成該電路的 C 程序設(shè)計(jì)。 北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 硬件部分 系統(tǒng)總體硬件構(gòu)成 旋轉(zhuǎn) LED顯示屏的系統(tǒng)總框圖，如下圖所示。系統(tǒng)由 7個(gè)部分組成：系統(tǒng)供電模塊、按鍵模塊與單片機(jī)控制單元、顯示模塊、直流電機(jī)模塊以及紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊。其中， LED 顯示由單片機(jī)和直流電機(jī)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)外接直流電源，然后通過(guò)整流濾波，給系統(tǒng)供電。用戶(hù)可以通過(guò)按鍵 輸入命令到單片機(jī)去控制 LED 控制器控制 LED 的循環(huán)顯示。 STC15F2K 芯片簡(jiǎn)介 STC15F2K 系列單片機(jī)是 STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期（ 1T） 的單片機(jī)，是高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代 51 單片機(jī)。在相同的時(shí)鐘頻率下，速度又比早期的 1T 系列單片機(jī)的速度快 20%。 STC15F2K 系列單片機(jī)中包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)器、 I/O 口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、看門(mén)狗等。 STC15F2K 系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模 塊，可稱(chēng)得上一個(gè)片上系統(tǒng)。 STC15F2K 系列單片機(jī)有 3個(gè) 16 位可重裝載普通定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ,這三個(gè)普通的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器分別是定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2；三路 CCP/PWM/PCA(可再實(shí)現(xiàn) 3個(gè)定時(shí)器或 3 個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器 )；掉電喚醒專(zhuān)用定時(shí)器； 5個(gè)外部中斷 INT0/INT1/INT2/INT3/INT4； 2組高速異步串行口（可同時(shí)使用）； 1組高速高速同步串行口通信 SPI； 8路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器； 2個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR；外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)等功能。 按鍵 電源 紅外發(fā)射 單片機(jī) 直流電機(jī) LED 紅外接收 北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 LED 顯示器的控制系統(tǒng) 本系統(tǒng)的硬 件設(shè)計(jì)中，控制芯片采用的是低電壓低功耗單片機(jī) STC15F2K，射頻采用的是 Nrf24L01 芯片，電源解決方案采用基于松耦合的無(wú)線(xiàn)電供電。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)由無(wú)線(xiàn)電源，整流電壓， USBUART 橋接電路，射頻，紅外傳感， SD 存儲(chǔ)，時(shí)鐘控制，顯示等若干模塊組成。 LED 系統(tǒng)板上的射頻識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)接收到信道中的射頻信息時(shí)，會(huì)分析、識(shí)別控制信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)；當(dāng)接收到紅外信號(hào)時(shí)，會(huì)分析、識(shí)別控制信號(hào)。通過(guò)上位機(jī)可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，狀態(tài)調(diào)整，信息更替等一系列調(diào)整。時(shí)鐘模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供始時(shí)鐘信息。系統(tǒng)可以讀 取 SD卡或者片內(nèi) ROM 的數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩顯示。 電源模塊 在 LED 系統(tǒng)中，顯示是否穩(wěn)定、工作是否可靠與電源的能量供給有著密不可分的關(guān)系。電源為機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件、射頻通信、 LED 顯示提供能量，是系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。 在本系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)供電的發(fā)射電路如圖 21 所示，在輸出端產(chǎn)生 100K 赫茲的交變信號(hào)，能量通過(guò)定線(xiàn)圈發(fā)射到空間中。 圖 21 無(wú)線(xiàn)供電發(fā)射電路 由于電源是從電機(jī)中引出來(lái)，所以需要通過(guò)整流、濾波才能為系統(tǒng)供電。整流濾波電路圖如圖 22所示 北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 22 整流濾波電路 紅外傳感部分 紅外部分采用紅外傳感器，接收到紅外信號(hào)后，將譯碼成控制信號(hào)，控制整個(gè) LED 系統(tǒng)的狀態(tài)切換，信息讀取、存入、更新等。紅外傳感部分的原理圖如圖23所示 圖 23 紅外發(fā)射原理圖 時(shí)鐘模塊 對(duì)于常規(guī)的點(diǎn)陣 LED 顯示器，不僅可以顯示信息，簡(jiǎn)單動(dòng)畫(huà)，還常常在屏幕上顯示當(dāng)前的時(shí)間，時(shí)鐘芯片的選取我們使用的是 DS12887，它在萬(wàn)年歷的制作中被廣泛使用。但是由于本系統(tǒng)對(duì)體積及重量有著非常高的要求（傳動(dòng)系統(tǒng)為12V直流無(wú)刷電機(jī)，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)要求整個(gè)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)面的幾何中心與質(zhì)量中心為同一點(diǎn)，否則將產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)，影響系統(tǒng) 正常運(yùn)轉(zhuǎn)。特別將旋轉(zhuǎn)板的質(zhì)量越大時(shí)，北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 對(duì)系統(tǒng)物理穩(wěn)定性要求越高，且轉(zhuǎn)速與質(zhì)量成正比，過(guò)大的質(zhì)量影響轉(zhuǎn)速?gòu)亩M(jìn)一步影響效果）故在芯片選用上采取體積小質(zhì)量低的貼片 DS1302。 DS1302 具備了運(yùn)行的高可靠性、能量的低損耗性、并內(nèi)置了具備存取存儲(chǔ)器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，擁有對(duì) year、 mouth、 weekend、 minute、 second 進(jìn)行計(jì)時(shí)能力，并具備閏年補(bǔ)償能力。 DS1302 運(yùn)行電壓為 ,采用 SCLK、 I/O、CE與 MCU 進(jìn)行同步通訊。實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分原理圖如圖 24所示 圖 24 實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分原理圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)由按鍵復(fù)位 RESET 電路、晶體震蕩電路以及 I/O 接口電路組成。復(fù)位的實(shí)現(xiàn)通常用兩種方式：開(kāi)機(jī)上電復(fù)位和外部手動(dòng)復(fù)位，本設(shè)計(jì)采用的是外部手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理圖如圖 25 所示 圖 25 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理 北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 過(guò)零檢測(cè)模塊 過(guò)零檢測(cè)指的是在交流系統(tǒng)中，當(dāng)波形從正半周向負(fù)半周轉(zhuǎn)換時(shí)，經(jīng)過(guò)零位時(shí)，系統(tǒng)作出的檢測(cè)。在本課題中過(guò)零檢測(cè)是必不可少的，設(shè)計(jì)中既涉既到了紅外過(guò)零檢測(cè)又涉及到霍爾元件過(guò)零檢測(cè)。其電路圖如 26所示 圖 26 過(guò)零檢測(cè)電路圖 霍爾元件應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。 所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是 1879 年被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過(guò)金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。 利用霍爾效應(yīng)可以 設(shè)計(jì)制成多種傳感器。霍爾電位差 UH 的基本關(guān)系為 : UH=RHIB/d （ 1） RH=1/nq（金屬） （ 2）式中 RH――霍爾系數(shù)； n――單位體積內(nèi)載流子或自由電子的個(gè)數(shù)； q――電子電量； I――通過(guò)的電流； B――垂直于 I的磁感應(yīng)強(qiáng)度；d――導(dǎo)體的厚度。 由于通電導(dǎo)線(xiàn)周?chē)嬖诖艌?chǎng)，其大小和導(dǎo)線(xiàn)中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng)，就可確定導(dǎo)線(xiàn)電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不和被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。 若把霍爾元件置于 電場(chǎng)強(qiáng)度為 E、磁場(chǎng)強(qiáng)度為 H的電磁場(chǎng)中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上同時(shí)產(chǎn)生的霍爾電位差和電場(chǎng)強(qiáng)度 E 成正比，如果再測(cè)出該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則電磁場(chǎng)的功率密度瞬時(shí)值 P可由 P=EH確定。利用這種方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器。 如果把霍爾元件集成的開(kāi)關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)物體上的永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)列可以傳感出該運(yùn)動(dòng)物體的位移。若測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運(yùn)動(dòng)速度。 北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 紅外遙控接收模塊 在本設(shè)計(jì)中可以用遙控器來(lái)控制旋轉(zhuǎn) led，所以再 設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)車(chē)紅外遙控接收電路，使得遙控器和旋轉(zhuǎn) LED連接起來(lái)，用遙控器來(lái)控制 LED，達(dá)到人機(jī)交互。紅外遙控接收電路及流程圖如圖 27所示 圖 27 紅外遙控 接收電路圖 圖 28 紅外遙控接收流程圖 按鍵是否完了 開(kāi)始 鍵值處理 處理是否成功 根據(jù)鍵值置相應(yīng) 的標(biāo)志位 退出 Y Y N N 北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 LED 驅(qū)動(dòng)電路 LED 驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè) LED 的核心，由芯片協(xié)同控制?？紤]到在同一時(shí)刻， MCU可能需要進(jìn)行射頻接收，解壓縮碼，讀取寫(xiě)入，顯示控制等一系列操作，根據(jù)顯示原理，在延時(shí)區(qū)間內(nèi)， LED 需要保持狀態(tài)不變，在空間劃過(guò)軌跡形成文字圖案等。故以上操作必須在該延時(shí)區(qū)間內(nèi)完成，如果無(wú)法完成將導(dǎo)致顯示不 暢或者顯示變形，所以 LED驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分 旋轉(zhuǎn) LED 平面板電路圖 旋轉(zhuǎn) LED 時(shí)鐘工作原理是利用人眼視覺(jué)暫留的原理。如圖 (a)所示，最內(nèi)側(cè)的一個(gè)發(fā)光二極管和最外側(cè)的一個(gè)發(fā)光二極管在點(diǎn)亮并繞電機(jī)軸高速旋轉(zhuǎn)后就形成了圖 (b)所示的內(nèi)框和外框。緊挨著外框的那個(gè) LED 燈用來(lái)顯示時(shí)間刻度，如圖 (b)所示。假設(shè) 12 點(diǎn)那個(gè)刻度為 0，那么每個(gè)小時(shí)時(shí)針之間的角度為 360176。247。 12=30176。，于是當(dāng)一列發(fā)光二極管每旋轉(zhuǎn) 30176。，該 LED 燈就點(diǎn)亮一個(gè)瞬間以呈現(xiàn)出時(shí)間刻度。如果在小于 秒的時(shí) 間內(nèi)這列 LED 燈能旋轉(zhuǎn)完一圈，人眼就會(huì)誤認(rèn)為先后產(chǎn)生的 12 個(gè)刻度是同一時(shí)刻顯示出來(lái)的。顯示秒針、分針、時(shí)針的方法跟顯示時(shí)間刻度的原理一樣。平面板電路如圖 28所示 圖 28 旋轉(zhuǎn) LED平面板原理圖 旋轉(zhuǎn) LED 側(cè)面電路圖 采用的是旋轉(zhuǎn)掃 描顯示方法，即顯示器件只有一列共 36 個(gè)高亮度發(fā)光二極管，由電機(jī)帶動(dòng)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行到某一位置時(shí)就顯示該位置的狀態(tài)，到下一位置時(shí)又顯示下一位置的狀態(tài)，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)，人眼看到的就是連續(xù)的圖像。本設(shè)計(jì)用一列顯示器件即完成了全部?jī)?nèi)容北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 的顯示，掃描過(guò)程由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)更換位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn) LED 側(cè)面電路圖如 29所示 圖 29 旋轉(zhuǎn) LED側(cè)面板電路圖 北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第三章 軟件部分 POV LED 軟件簡(jiǎn)介 新型旋轉(zhuǎn) LED 顯示器控制系統(tǒng)與軟件件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)選用的是宏晶科技的八位 MCU，采用 C 語(yǔ)言完成代碼編寫(xiě)。在下位機(jī)，采用改進(jìn)的 LZSS 算法對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行壓縮；在旋轉(zhuǎn)板系統(tǒng)中，編寫(xiě)、調(diào)試代碼，完成各個(gè)模塊正常穩(wěn)定的工作；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制與顯示的自適應(yīng)算法，使整個(gè)系統(tǒng)顯示與電機(jī)轉(zhuǎn)速構(gòu)成信息上的反饋。 系統(tǒng)程序由 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，使用 Keil uVision2 完成編寫(xiě)、編譯、糾錯(cuò)、連接。 Keil uVision2 是德國(guó) Keil Software 公司出品的 C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，該軟件還能嵌入?yún)R編語(yǔ)言，使程序達(dá)到接近于匯編的工作效率。 Keil uVision2 共豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面，生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 上位機(jī)軟件 ZQB 簡(jiǎn)介 軟件主要由三部分組成，（ 1）菜單、展示欄與狀態(tài)欄（ 2）平面圖形涂鴉部分（ 3）軟件 主體操作部分。如圖 31所示 圖 31 上位機(jī)軟件 北京交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圓形涂鴉部分正右方代表起始位置“ 0”，正左方為位置“ 89”，整個(gè)圓分為180份。當(dāng)鼠標(biāo)在圓內(nèi)活動(dòng)時(shí)，按下左鍵，則鼠標(biāo)過(guò)往的地方 LED 燈亮，按下右鍵，則鼠標(biāo)過(guò)往的地方 LED 燈滅。矩形 LED 部分能夠精確描 繪內(nèi)部 LED燈狀態(tài)，其中左邊為高位，右邊為低位， 8盞 LED 燈為一個(gè)存儲(chǔ)字節(jié)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)從左到右。矩形 LED 邊框右側(cè)是表示 LED 燈旋轉(zhuǎn)位置，從 0179 共 180 份。 軟件主體操作部分：（ 1）標(biāo)題：當(dāng)無(wú)工程時(shí)，顯示無(wú)工程；當(dāng)建立了工程后，顯示對(duì)應(yīng)工程名字；當(dāng)文件修改了以后，在工程名前面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“ *”號(hào)，保存后，“ *”號(hào)消失；（ 2）平面（圖片 /動(dòng)畫(huà)）：圖片取模，是將符合的格式進(jìn)行取模；注意，僅支持 24 位真彩圖片，不支持其他格式的圖片；圖片取模的方法，不論圖片大小，先將圖片按比例縮小，并在圖片中心取模；注意，圖片至 少應(yīng)該為 67x67，再次導(dǎo)入圖片時(shí)，原來(lái)的數(shù)據(jù)不丟失，方便數(shù)據(jù)合成；單選按鈕“動(dòng)畫(huà)”、“圖片”，在列表框中顯示當(dāng)前保存的動(dòng)畫(huà)和圖片數(shù)據(jù)；在列表框中可以按上下鍵進(jìn)行翻看，也可以按組合鍵 ctrl+上下鍵進(jìn)行上下圖片、動(dòng)畫(huà)幀的互換；保存 amp。增加，將左側(cè)平面中的數(shù)據(jù)保存到“動(dòng)畫(huà)”或者“圖片”中去；刪除，選擇右側(cè)的幀，從指定的列表中刪除；保存修改，當(dāng)對(duì)右側(cè)的幀修改后，點(diǎn)擊此按鈕將保存數(shù)據(jù)