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1、2014年电子设计选拔赛题目：旋转式电子桌牌参赛队员： 专业： 11级电气四班 参赛队员： 专业： 12级电气一班 参赛队员： 专业： 13级电气一班 2014-6-20摘 要为了满足旋转式电子桌椅的设计要求，基于视觉暂留特性设计并制作了一个13点线阵LED模块的显示屏。首先，在控制器的管理下，通过线状LED控制和电机驱动控制这两部分来完成基于STC89C52单片机的旋转式电子桌椅文字显示装置的设计；经过软硬件调试，该部分实现了中英文字符显示转速显示等功能。其次，用MSP430G2553测量直流电机的电压和电流，通过LCM12864显示。然后，通过NRF2401无线模块、串口模块与电脑进行无线
2、通信，能通过上位机界面修改LED显示屏的内容。实际测试表明，所采用的设计方案先进有效，完全达到了设计要求。该显示装置电路简单、显示内容稳定清晰，并扩展了无线通信和上位机功能，客服了点阵LED显示屏的不足，可以用于很多的场合，比如广告牌、家庭装饰、记分牌、娱乐显示等。关键词：视觉暂留；LED旋转屏；无线通信；上位机界面；单片机目录摘 要第二章系统方案的设计与论证21.1系统总体框架21.2方案论证与比较21.2.1系统供电方案21.2.2显示部分:31.2.3芯片的选择：31.2.4键盘选择：41.2.5电机选择41.2.6电机驱动模块的选择：41.2.7液晶的选择：51.2.8无线通信模块选择
3、5第二章 理论分析与计算62.1旋转LED显示屏简介62.2系统机械结构72.3重心调节8第三章 系统的硬件电路设计93.1系统硬件框架图93.2单片机最小系统93.3旋转式LED模块93.4 RF模块103.5串口通信模块103.6RF供电模块113.7LCD显示模块11第四章 系统的软件设计144.1系统程序流程图144.2上位机界面设计144.3主控机程序流程设计164.4从机程序流程设计164.5 MSP430测量程序流程设计18第五章 测试方法和结论195.1测试方案及测试仪器195.2数据测试195.2.1电压电流测量数据195.1.2RF实际通信过程示波器图195.3 测试结果分
4、析20第六章 小结21第七章 参考文献21附录一：主电路原理图22附录二：部分源程序23（一）主控机主程序23（二）从机主程序25（三）MSP430测量主程序27第一章 系统方案的设计与论证1.1系统总体框架根据题目分析，本设计由机械旋转部件、显示电路、无线通信电路等几部分构成。通信电路通信电路用于通过计算机向显示屏下载显示内容，由于显示屏在高速旋转的情况下不便于接线进行显示内容的更改，所以设计使用了RF通信电路，该模块选用2.4GHz高速2Mbps无线收发芯片NRF24L01作为RF的实现芯片，采用NRF24L01高速嵌入式无线数据传送模块来实现通信。总体框架如图1-1所示。图1-1 总体框
5、架1.2方案论证与比较1.2.1系统供电方案方案1：采用固定电池供电。即在电路板是直接附带一个蓄电池，为系统供电。这种供电方式比较简单。但是，有两个问题难以解决。首先，高亮度LED的功耗比较大，而电池的蓄电量有限，这就难以实现系统的长期运作；其二，由于电池的体积和重量比较大，若固定在板子上，电量用完后，难以替换。若不固定，在电机转动的时候可能会甩出去，引起安全隐患。同时，也增加了旋转重心的调节的难度。故不采用此方法。 方案2：采用电刷供电。即在电机的转轴上，手工增加一个电刷，通过电刷为系统供电。此方法能够让系统长期供电，但是由于增加了电刷，电机的摩擦增大，势必会使系统的功耗增加。故不采用此方法
6、。方案3：从电机转子中引出电源线，为系统供电。此方法直接在电机的转子中引出电源线，通过整流滤波后，可以作为系统供电，同时也可以作为系统控制时序的中断源。由于显示屏在高速旋转的情况下不便于接线，所以不采用该方案。综合上面几种，本系统采用复合供电方式，即：LED显示屏采用固定蓄电池供电，电机采用12V电源供电，上下采用独立供电方案。1.2.2显示部分:显示部分是本次设计最核心的部分，对于LED线阵有以下两种方案：方案一：静态显示，将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用0 和1 表示,若为1 ,则表示L ED 无电流,即暗状态;若为0则表示二极管被点亮。若给每一个发光二极管一个驱动电路,一幅画面输入
7、以后,所有L ED 的状态保持到下一幅画。对于静态显示方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠性也较低。方案二：动态显示，对一幅画面进行分割,对组成画面的各部分分别显示,是动态显示方式。动态显示方式,可以避免静态显示的问题。但设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证图像稳定,无闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式, 复用的程度不是无限增加的, 因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短, 发光的亮度等因素. 我们通过实验发现, 当扫描刷新频率(发光二极管的停闪频
8、率) 为50Hz, 发光二极管导通时间1m s 时, 显示亮度较好, 无闪烁感.。 经过上述两种方案比较, 我们采用方案二 。1.2.3芯片的选择：方案一：采取并口输入，能更准确的控制到每一个led。使led旋转屏能呈现更好的效果。方案二：选取串口输入，但驱动力弱，对于旋转LED显示屏来说不稳定。经过上述两种方案比较, 我们采用方案一。1.2.4键盘选择：方案一：采用独立式键盘。由于各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。方案二：采用行列式键盘。它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上，行线信号
9、和列线信号分别通过两个接口和CPU相连，通过行列扫描法判定按键的位置。方案三：采用并串转换。将口线数据输入到单片机的串行口，利用串行通信方式0扩展键盘接口，这样节省了IO口，但牺牲了速度。综合考虑，采用方案一与方案二的巧妙结合。1.2.5电机选择方案1：采用步进电机。步进电机能够准确的定向，但是图像或者文字的分辨率受到步进电机的步进角度的限制。并且步进电机以及控制电路成本较高，并且需要单片机控制，占用CPU的资源。方案2：采用普通的电机。此方案不占用单片机I/O口，节省单片机资源，使用方便，成本较低，通过简单的改装，可以给系统供电。综合各方面考虑，为了节省成本，简单系统电路，以及更方便的为系统
10、供电，使系统能够长期工作，故采用方案2。1.2.6电机驱动模块的选择：方案一：使用高耐压复合晶体管芯片ULN2003来驱动电机。方案二：使用L298N电机驱动模块。ULN2003最大工作电流为500mA，对于本系统中的直流减速电机驱动能力不足。相反，L298N电机驱动芯片工作电压高，最高工作电压可达46V，内含两个H桥的高电压电流全桥式驱动器可以很好的控制本系统中的直流减速电机。故采用方案二。1.2.7液晶的选择：方案一：带中文字库的128864 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；利用该模块灵活的接口方式和
11、简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块方案二：12232具有2560位显示RAM（DD RAM），即8084位 具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能，并有专用的指令集，可完成文本显示或 图形显示的功能设置 综合考虑，我们采用方案一的串口，既节省了IO口，和得到更多的显示信息。1.2.8无线通信模块选择方案1：使用采用红外通信，电路简单，但红外通讯需要大量的编码、译码，程序设计复杂，且由于AT89S5
12、2速度比较慢，在短时间难以做太多的运算，故不采用此方法。方案2：使用NRF2401无线模块通信。nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。且电路比较简单，使用方法也简单，只需把数据送到串口，就可以立即发送，只需进行初始化，不需要对数据进行曼切斯特编码，具有全双工的通信功能，受外界影响较小。在处理器运算速度相对比较慢的情况下，采用此方法。
13、第二章 理论分析与计算2.1旋转LED显示屏简介LED显示屏已广泛应用于广告、车站、银行、商场等公共场所。它具有功耗小、寿命长、色彩好等优点。现在的 LED 显示屏的发光器件主要采用 LED 平板模块，室内显示屏主要采用 16 行循环扫描的方法，即每16 行为一个单元，在每一帧中, 逐次每行亮十六分之一秒的时间，由于帧频一般大于 60Hz，我们并不觉察到扫描，而认为是一幅稳定的图像。这种类型的显示屏有两个问题有待改进：第一、显示屏整个面积全由LED 模块组成，器件数量多，成本高；第二、由于显示屏是一个平面，而且 LED 象素点有一定视角限制，使显示屏的可视范围被局限到正面某个范围之内，在应用中
14、使显示屏的信息发布受到了空间的限制。新型的旋转柱式显示屏，克服了以上两个不足，以机械转动扫描方式代替逐行扫描，成本大大降低，可视范围做到了360 度。本文介绍了它的显示原理，系统组成，指出了设计中要注意的几个核心问题，并提出了一些新的发展方向。旋转扫描的原理：由于人眼具有视觉暂留的特性，当画面以一定速率刷新时，我们看到的就是连续的图像，电视机显示采用逐点扫描方式，每秒钟要刷新画面 50 场(25 帧),而在人眼中则是一幅完整的画面，传统 LED 显示屏一般采用 1/16 扫描，16 行进行逐行循环点亮，由于刷新速率足够大，看到的也是一幅稳定的画面。它的原理示意如图2- 1 所示，其中(a) (
15、b) (c) (d) (e) 分别是不同时刻的显示状态，(f)为人眼看到的完整画面“3”。在这种LED显示屏中，采用的是逐行换位下移点亮器件的扫描方式，每一行都必须有LED显示器件，这就使显示屏的成本偏大。图2-1 传统LED显示屏的显示原理图旋转扫描方式显示器只有一列，由电机带动它进行旋转，运行到某一位置时就显示该位置的状态，到下一位置后又显示下一位置的状态，即一列显示器件要完成全部图像的显示，扫描过程由机械转动更换位置来实现.其显示原理如图2-2。所示。图中a)b)c)是 图2-2 旋转柱式显示屏的显示原理图不同时刻的显示状态，d)是人眼看到的完整画面“3”。由于旋转扫描成像不是平面，而是一个柱面，所以称之为旋转柱式显示屏，其观看视角是360。2.2系统机械结构旋转式LED文字显示装置示意图如图2-3所示。电机安装在底座上，电机旋转时带动着旋转式LED也旋转。旋转式LED和电机通过一个齿轮盘连接，大致结构如图2-3所示。图2-3 系统机械结构2.3
