【正文】 9 S52 nRF401無線收發(fā)器 nRF401無線收發(fā)器 微控制器 AT89 S52 LED驅(qū)動模塊MAX6969 LED陣列 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖 31 系統(tǒng)總框圖 4 LED 顯示技術(shù)及系統(tǒng)中的主要芯片 LED 以及旋轉(zhuǎn) LED 顯示屏簡介 應(yīng)用簡介 LED(light emitting diode)是發(fā)光二極管的英文縮寫，它是一種電致發(fā)光器件。另外 ， 中小功率超高亮 LDE 亦已誕生，并正在以極快的速度走向應(yīng)用。 LED 的應(yīng)用雖然已經(jīng)具有了很廣的范圍、很大的規(guī)模，但是 ,由于 LED 擁有很多社會應(yīng)用所需的優(yōu)點、相關(guān)技術(shù)也有很大的發(fā)展空間，因此 ， LED 有著更為美好的前景。 當然 ， LED產(chǎn)業(yè)內(nèi)還有不少問題需要從根本加以解決。 縱觀 LED 的發(fā)展 ， 我們不難發(fā)現(xiàn) ， LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極大地緣于技術(shù)的進步 ，而技術(shù)進步的動力則是來自于應(yīng)用的需求 ， 亮度的提高、基色的豐富、功率的增加等等無不如此。當然 ,從技術(shù)關(guān)聯(lián)角度看 ， 未來的 LED 產(chǎn)業(yè)會像一棵樹 ， 細分出來的專門領(lǐng)域 ， 其源頭仍會統(tǒng)一在芯片材料的生產(chǎn)上 ， 不同領(lǐng)域的 LED 應(yīng)用會得到不同技術(shù)支持 。它具有功耗小、壽命長、色彩好等優(yōu)點。這種類型的顯示屏有 兩 個問題有待改進：第一、顯示屏整個面積全由 LED 模塊組成，器件數(shù)量多，成本高；第二、由于顯示屏是一個平面，而且 LED 象素點有一定視角限制，使顯示屏的可視范圍被局限到正面某個范圍之內(nèi)，在應(yīng)用中使顯示屏的信息發(fā)布受到了空間的限制。 本文介紹了它的顯示原理 ，系統(tǒng)組成 ， 指出了設(shè)計中要注意的幾個核心問題 ， 并提出了一些新的發(fā)展方向。它的原理示意如圖 3. 1 所示 ， 其中 (a) (b) (c) (d) (e) 分別是不同時刻的顯示狀態(tài) ，(f)為人眼看到的完整畫面 “ 3”。 圖 31 傳統(tǒng) LED 顯示屏的顯示原理圖 旋轉(zhuǎn)掃描方式顯示 器只有一列 ， 由電機帶動它進行旋轉(zhuǎn) ， 運行到某一位置時就顯示該位置的狀態(tài) ， 到下一位置后又顯示下一位置的狀態(tài) ， 即一列顯示器件要完成全部圖像的顯示 ， 掃描過程由機械轉(zhuǎn)動更換位置來實現(xiàn) .其顯示原理如圖 所示 。 由于旋轉(zhuǎn)掃描成像不是平面 ， 而是一個柱面 ， 所以稱之為旋轉(zhuǎn)柱式顯示屏 ，其觀看視角是 360176。通過對電機進行改裝，引出電源線，并通過整流、濾波、穩(wěn)壓得到系統(tǒng)供電電源。 電機的改裝： 電路的供電和 LED 的定位是本制作的一個難點。但可以通過對電機的改造來解決。 它 是通過電刷來實現(xiàn)給線圈供電的，而且直流電機的旋轉(zhuǎn)需要交變的電流，這是由 固定在轉(zhuǎn)子軸上的換向器來巧妙的實現(xiàn)直流變?yōu)榻涣鞯?。因此，可以從電機的轉(zhuǎn)子中取得電源。換向器上的每個電極什么時候變化，是和電機轉(zhuǎn)子的位子有關(guān)的，可以使用其中的一路信號來給 LED 顯示的起始位置定位。從而可以 用來保護漆包線在轉(zhuǎn)子和定子結(jié)合出的安全。 5) 組裝回整個電機，電機改裝至此結(jié)束 。旋轉(zhuǎn)的重心直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定的運行，以及安全性問題。所以，重心調(diào)節(jié)是必須解決的問題。 首先是電路板的外觀設(shè)置。但是，由于電子器件的封裝，重量都是不同的，圓盤電路板的重心是不均勻分布的，比較難調(diào)節(jié)，故不采用這種方法。因此我采用了長條方型的電路板結(jié)構(gòu)。 具體硬件電路實現(xiàn) 電源設(shè)計 由于電源是從電機中引出來的，所以需要通過整流、濾波才能為系統(tǒng)供電。 電機輸出 L1 L2 M1 M2 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖 52 整流電路圖 圖 53 穩(wěn)壓電路 LED 旋轉(zhuǎn)同步設(shè)計 該電路分為兩個部分： 1) 中斷系統(tǒng) 采用中斷是為了更有效的利用單片機內(nèi)部資源。為了得到可 靠的外部中斷源，有兩種方法。 為了減少制作成本，通過比較，有個更好的方法。因此可以從中引出一條線來作為外部中斷源，這個方法簡單容易實現(xiàn)，其具體的電漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路如圖 ： 圖 55 簡單的外部中斷電路圖 該方法利用電刷在轉(zhuǎn)動過程中的電平變化 ， 通過一個三極管 S8050 轉(zhuǎn)換成單片機可以識別 的數(shù)字邏輯電平，解決了外部 中斷 的問題，電路簡單，可靠性高。 本文采用了 MAXIN 公司的 MAX6969 大電流 LED 驅(qū)動芯片，其外部接口電路非常簡單。 圖 56 MAX6969 驅(qū)動電路 下面簡單的計算一下這個電路的功耗。在本電路中，這個電阻 RSET 取 360Ω。 方案 2：采用單片機 AT89S52 與 LED 驅(qū)動芯片 MAX6969 接口， AT89S52 邏輯能力較強但速度比較慢，價格相對比較便宜，但工作量要比方案 1 大的多。 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)編程語言和編程工具 在單片機的開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)中，匯編語言作為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的編程語言，己經(jīng)不能滿足實際需要，高級語言被逐漸引入， C 語言就是其中之一。對于大多數(shù) S 系列單片機，使用 C 語言與使用匯編語言相比具有如下優(yōu)點： (1) 不需要了解處理器的指令集，也不必了解存儲器結(jié)構(gòu)。 (3) 指定操作的變量選擇組合提高了程序的可讀性。 (5) 程序的開發(fā)和調(diào)試時間大大縮短。 (7) 可實現(xiàn)模塊化編程技術(shù)，從而可將己編制好的程序加入到新程序中。 8051 系列單片機作為工業(yè)標準地位，從 80 年代開始就有了 51 單片機的 C語言編譯器。因本系統(tǒng)界面比較龐大，控制較多且單片機的工作時序沒有嚴格要求，故在本系統(tǒng)中，單片機程序采用 C 語言編寫。在本系統(tǒng)中，單片機的主要任務(wù)是用來顯示和操作者按下不同的按鍵后，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，各個任務(wù)執(zhí)行的先后順序取決于鍵碼。 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計的方法，它是把一個功能完整的較大的程序分解為若 干個功能相對獨立的較小的程序模塊，對各個程序模塊分別進行設(shè)計、編程和調(diào)試，最后把各個調(diào)試好的程序模塊聯(lián)成一個大的程序。一個模塊可以為多個程序所共享。當系統(tǒng)上電自檢、初始 化后，進入信號輸出的循環(huán)，并自動查詢面板按鍵的狀態(tài)，以檢測用戶可能輸入的指令，確定程序?qū)⒁獔?zhí)行的功能。其中主監(jiān)控程序是系統(tǒng)軟件的主程序，是整個系統(tǒng)軟件的核心，上電復(fù)位后系統(tǒng)首先進入監(jiān)控主程序。 系統(tǒng)各模塊程序的設(shè)計 主控機程序模塊 首先，對單片機串口初始化，設(shè)置波特率為 2400bit/s，以及 nRF401 初始化設(shè)置 ，因為 nRF401 是半雙工的無線通訊，所以初始設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，選擇通信頻道 1。 判斷按鍵狀態(tài) 通過串口把數(shù)據(jù) 命令發(fā)送出去 CRC 檢驗碼的轉(zhuǎn)換 開始 NRF401 初始化 串口初始化 判 斷 是 否有按鍵 按下 NO YES 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖 61 主機控制程序流程圖 從機程序模塊 從機的程序開始，對 NRF40串口、 MAX6969 以及中斷進行初始化，然后進入默認的中文顯示模式，等待中斷。所以，一開始顯示的不怎么正確。進入中斷后，通過對接收的數(shù)據(jù)進行判斷，實現(xiàn)文字和數(shù)字顯示的切換。首先，把假設(shè)旋轉(zhuǎn)一周顯示的點陣數(shù)為 16*128。由于電機旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的中斷次數(shù)為 3次。在這里我設(shè)計為 45 個。當進入外部中斷時，通過判斷計時的中斷次數(shù)來重新調(diào)整計時器的值，如果定時器中斷次數(shù)大于 45，表明 LED 顯示一個點的時間太短 (圖象或者文字寬度減少 )，應(yīng)該適當?shù)? ` 計算 T0 中斷的變量 COUNT 加 1 外部中斷 45 =45 增加定時器定時時間 45 接收并判斷更新命令緩沖區(qū) 定時器中斷次數(shù)COUNT=45？ 延長定時器定時時間 中斷返回 開始 NRF401 初始化，串口 初始化， MAX6969 初 始化，中斷初始化 等待中斷 T0 中斷 根據(jù)主控命令執(zhí)行操作 顯示文字 顯示數(shù)字 中斷返回 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖 62 從機控制程序流程圖 延 長定時器定時時間；若定時器中斷次數(shù)小于 45，表明 LED 顯示一個點的時間過長，應(yīng)該適當減少定時器定時時間。這種方法只需在軟件上進行修改、調(diào)試，即使電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生了改變，也能夠正確的顯示文字或圖象。 元件的焊接和整板測試 (1) 元件焊接 焊接前對電阻、電容的量值要進行測量、篩選，選擇與電路中參數(shù)值最接近的元件。本系統(tǒng)中元件全部都是直插式的。該過程是系統(tǒng)上電前的檢查工作，需要對每個器件逐個引腳進行檢查，一方面是檢查有沒有引腳虛焊或與其他信號線短路，另一方面是對器件引腳功能的再檢查，查看設(shè)計是否正確。 (3) 上電功能測試 上電測試是調(diào)試的關(guān)鍵部分，按照系統(tǒng)方案設(shè)計的模塊化思想，應(yīng)該分模塊測試系統(tǒng)。如果沒有問題，則可以進行功能的檢測。為了方便調(diào)試，采用分塊調(diào)試的方法。 單片機處理器是系統(tǒng)的靈魂，所以先對單片機進行檢測調(diào)試。分別對這三個端口進行檢測，基本都可以解決問題。檢測芯片的電源連接情況，使能 控制端的情況。 軟件測試 硬件測試完成以后，軟件測試就非常重要了。 首先，調(diào)試 MAX6969LED 驅(qū)動芯片。上電后，發(fā)現(xiàn) LED 并沒有顯示。通過查閱資料， MAX6969 的使能控制端 OE，當 OE = 1 時， MAX6969 輸出為高阻態(tài)。焊接好跳線后，上電后， MAX6969可以正常工作了。為了方便測試，在布 PCB 的時候，把主機模塊的單片機的端口引出來。但是，系統(tǒng)上電以后，液晶一直沒有顯示出接收的結(jié)果。通過線路的檢測，發(fā)現(xiàn)端口的電源線沒焊接好。通過對軟件的程序的仔細分析， 以及翻閱相關(guān)的書籍，在 無線通訊中，往往存在干擾，所以必須要對通訊的數(shù)據(jù)進行檢驗。奇偶校驗方法比較簡單，但是當錯誤的數(shù)據(jù)位為偶數(shù)個時，檢測不出數(shù)據(jù)有錯。不過，利用 CRC 檢驗表可以實現(xiàn)簡單的 8bit 的 CRC 檢驗 (如表 )。這種方法簡單、快捷，大幅度的減少了單片機的工作量。系統(tǒng)上電后，并沒有看到正確的文字顯示。分析可能是定時器的初始值可能太大或太小所至 。液晶顯示的數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)想的數(shù)據(jù)相差甚遠。 顯示效果如圖 和圖 所示。為了解決問題，通過一個測試程序，用液晶把接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)分別顯示出來，錯誤的數(shù)據(jù)占了約 20%。最后，系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定的工作。 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 8 結(jié)論 通過幾個月的努力 ，掌握了旋轉(zhuǎn) LED 顯示屏的工作原理，并且成功的實現(xiàn)了設(shè)計的基本要求。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有： (1)通過單片機控制 LED 掃描 顯示的時間，能夠穩(wěn)定的顯示數(shù)字或文字，軸向分辨率 為 16 位。 (3)通過對電機的改造，解決了系統(tǒng)供電問題，使系統(tǒng)能夠長期工作。比如重心偏移，電機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生抖動，應(yīng)該在設(shè)計時對 PCB 布局進行科學(xué)的分析，調(diào) 整重心；軸向分辨率只有 16 位，只能顯示簡單的圖像或文字；數(shù)據(jù)的傳送速度比較慢，沒有實現(xiàn)主機到從機的大量的數(shù)據(jù)的交換，主要使用了半雙工通訊芯片 nRF401，其收發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要 1~3ms，影響了數(shù)據(jù)通訊的效率。 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 謝 辭 首先，我要感謝我的導(dǎo)師高倩老師對我的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷。在整個畢業(yè)設(shè)計期間，高倩老師給了我非常大的幫助和支持，從給我定題目，到工作開展，實驗進行，直到最后論文的撰寫都離不開他的悉心指導(dǎo)。 同時，還要感謝實驗室的汪濤老師。正是由于他們給我的幫助，讓我很快的進入了實際的工作。在那里我學(xué)到了知識，結(jié)識了一幫有著共同愛好的朋 友，我們大家共同學(xué)習(xí)，為完成畢業(yè)設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)，在此我向他們表示誠摯的祝福。 謝謝大家！ 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 參考文獻 [1] 陳尚松 ,雷加 ,郭慶 .電子測量與儀器 [M].北京：電子工業(yè)出版社， 2021： 108～ 126 [2] 徐科軍 .傳感器與檢測技術(shù) [M].北京：電子工業(yè)出版社， 2021： 12～ 33 [3] 馬忠梅 .單片機的 C 語言應(yīng)用程序設(shè)計 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1999：20～ 83 [4] 王幸之 .AT89 系列單片機原理與接口技術(shù) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2021：33～ 52 [5] 何立民 .MCS51 系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 [M].北京： 北京航空航天