1、 - 1 - 第五届 “恒拓 三龙”杯电子电路设计大赛 题目： 旋转 LED 点阵广告牌 参赛学生：赵乐 范硕 蔺志华 学校 /学院：济南大学自动化与电气工程学院 联系电话： 18766107099 2012 年 5 月 4 日 - 2 - 目录 摘要 . 3 1 方案设计与论证 . 3 1.1 系统方案设计与结构框图 . 3 1.2 旋转支架的方案设计与论证 . 4 1.3 电机选择的方案设计与论证 . 5 2 理论分析与计算 . 6 2.1 FPGA 控制 LED 显示原理分析 . 6 2.2 红外对管原理分析 . 7 3 系统硬件设计 . 7 3.1 LED 显示电路设计 . 7 3.2
2、 红外对管设计 . 7 3.3 电源 . 8 4 系统软件设计 . 8 4.1 静态显示程序流程图 . 8 4.2 动态显示程序流程图 . 9 5 系统测试与数据分析 . 11 5.1 基本部分的测试与分析 .错误 !未定义书签。 6 结语 .错误 !未定义书签。 参考文献 .错误 !未定义书签。 致谢 .错误 !未定义书签。 附录 .错误 !未定义书签。 - 3 - 摘要 摘要 : 本设计是旋转 LED 点阵显示屏，采用 Altera 公司 Cyclone II 系列的 FPGA芯片 CycloneIIEP2C5T144C8N 作为核心器件实现对各功能模块电路的控制、同步检测、数据处理等功能
3、 。 基于 FPGA-CycloneII 的旋转 LED 点阵广告牌原理工作，在单列 LED 进行 360 度旋转时 ,由于视觉暂留感觉圆盘上方并没有图像，此时并在 CycloneIIEP2C5T144C8N 的控制下，在不同的位置在不同的时间区域让单列LED 以不同的形式发光或者熄灭，从而显示出字符或者图像，并且字符或者 图像给人一种悬浮在空中的感觉。此设计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。 1 方案设计与论证 1.1 系统方案设计与结构框图 1.1.1 系统方案设计 屏是通过一个旋转的支架，支架上单列的 LED 受 CycloneII 控制在特定的位置特定的时间
4、亮或灭，从而显示出特定的字符或图形。本作品主要是根据人的视觉暂留原理设计的。人眼的视觉暂留时间是 0.05S0.2S 的范围内，本设计采用 220V交流电机带动 LED高速旋转时，从视觉效果上就会产生一种柱状的 LED显示屏的状态。显示的字符或图形看起 来是漂浮在空中的，不仅美观，而且新颖。 2.1.2 结构框图 本显示屏应由机械旋转部分、显示电路等几部分构成。结构框图如图 1，如图所示所有负载的电源均来自同一个电源。 - 4 - 2 2 0 V 交 流 电 机2 2 0 V 交 流 电 源电 源L E DC y c l o n e I I E P 2 C 5T 1 4 4 C 8 N红 外
5、对 管转 动 支 架动 力图 1 结构框图 1.2 旋转支架的方案设计与论证 本显示屏的 2 个设计方案只在 机械旋转部分不同，软件部分相同。机械旋转部分由旋转支架和电机底座组成。 1.2.1 旋转支架 方案设计 方案一： 旋转支架是一块长方形木条，将单列 LED 固定一个空铝管上，再将 单列 LED固定在长木条的一端，长木条的另一端通过连轴器和交流电机的轴固定。木板上放置 LED 驱动和电源，旋转支架及单列 LED 如图 2。 交流电机底座部分，将交流电机固定于木板上（木板中心有半径与电机一致的圆孔）。为了保证其稳定性，将电机与木板放入凹性铁槽中，打好孔后，用螺丝螺母固定。保险起见先看电机启
6、动后，整个支架的稳定性，所以 实验期间并没有放置 FPGA。 - 5 - 图 2 转动支架（方案一） 方案二： 旋转支架是一块以轴为中心的园盘，将单列 LED（单列 LED 用 4 个发光二极管作为一个点，一个 64 个发光二极管形成 16 个 点）固定在某一条直径上的一端，在各种元器件的摆放位置上尽量做到平衡放置的要求，所以在圆盘的圆心处放置电源、 LED 驱动、 FPGA（依次由下层到上层）。所有的部分都分别用螺丝固定在圆心处如图 3 所示。底座部分如图 4 所示，在凹形铁槽下方固定一块长方形木板，此木板与铁槽垂直。 图 3 转动支架（方案二） 1.2.2 旋转支架 方案论证： 经过实验发
7、现 整机的机械结构是决定作品成败的关键。结构强度对稳定性影响很大。 方案一在电机启动转动稳定后，由于以轴为中心的左右两端重量不对称，在加上电机力矩不够，使得在转动期间底座不稳 定，来回晃动振动，而且由于发光二极管制作工艺上存在差别，在相同电流电压的情况下发光二极管的亮度不一样，所以 LED 亮度不够。方案二则针对方案一进行了改进，以四个发光二极管作为一个点，即增加了 LED 的亮度又提高了可靠性，由于四个二极管直接是并联的，如果有一个灯亮度不够或者坏了，其它的灯会弥补漏洞。底座的长方形木板与铁槽垂直固定就防止了底座的左右晃动，增强了底座的稳定性。（如图 4） 同时对- 6 - 转盘进行平衡调节
8、，基本解决了转动的稳定性问题。由于我们的框架是纯手工制作，所以它的精度并不是很高，在高速旋转的情况下难免会有一定 的声音。 图 4 底座 1.3 电机选择的方案设计与论证 1.3.1 电机选择的方案 方案一： 由于需要高速旋转所以首先想到采用 220V 交流电机，电源容易获得。由于速度不理想，增加启动电容可以提高电机的速度。此电机本身接有容量为 1.5F耐压值为 500V 的启动电容，所以该接为容量为 2F 耐压值为 500V 的启动电容，改接后的启动电容的容量与原启动电容的差值不可超过 0.5F，而耐压值必须高于 400V。 方案二： 采用三相电机，三相电机速度快，扭矩大。不过三相异步电机的
9、电源改为单相 ，方法为将其中两相 接 220V，第三相接电容，电容另一端接零线。电容的耐压值为 400V 以上的电容 ，由于三相异步电机的功率为 90W，额定电流为 39A，所以采用容量为 5F，耐压值为 500V 的电容。如果耐压值不够，则在启动电机后，不到半分钟电容将会发热，而且很烫手。 1.3.2 电机方案论证 采用方案一，让所有的发光二极管发光，在电机启动后，在没有显示字符的情况下，经其他同学的观察后感觉速度慢。就采用方案二，用单相接三相异步电机，启动电机后，明显感觉速度快很多，可是由于三相异步电机扭矩很大，整个底座来回晃动，而且噪声很大。所以只能采 用方案一，完成后显示字符后在看看效
10、果。经过实验后发现应用方案一可以显示字符，而且噪音很小，底座也很稳定。 2 理论分析与计算 2.1 FPGA 控制 LED 显示原理分析 这个设计对转速要求很高。由于人眼的视觉暂留时间在 0.05S0.2S 之间，此设计旋转半径为 16cm，所以每转动一圈所需的时间最多为 0.2S。由于条件有限，在硬件制作方面花费了大量时间，而且转盘并不均匀，不过经过测量，转盘- 7 - 转速基本在 478r/min，即每转动一圈所用的时间约为 0.13 秒，且小于 0.2 秒，以具有了视觉上的效果。由于半径为 16cm，所 以就形成了 16 乘 100 的点阵。由于CycloneIIEP2C5T144C8N
11、 系统时钟为 50MHZ，即周期为 20ns，如果只亮点阵的一列时，只需让单列 LED 发光时间大约持续计 65000 个系统时钟，这样在于红外对管配合即可完成显示。 2.2 红外对管原理分析 圆盘上有圆孔，发射部分固定在底座上，接收部分固定在圆盘上并且与圆孔重合，当圆盘转动到发射部分、圆孔、接收部分成一条直线时，开始计算，当圆盘第二次转动到发射部分、圆孔、接收部分成一条直线时，此时即为转动了一圈。这就是红外对管的作用，否则由于圆盘质量并不均匀 ，仅仅凭借软件是无法判断是否转动一圈的。 3 系统硬件设计 3.1 LED 显示电路设计 如图 5 所示，用 16 个 9012 三极管驱动 64 个
12、二极管，每个三极管驱动 4 个 发光二极管。当基极输入低电平时三极管导通，发光二极管发光。 图 5 发光二极管驱动电路图 3.2 红外对管设计 当 D1 发出的光照射到 D2 是， D2导通，则此时基极为高电平， 9013 三极管导通，向 FPGA 的 IO 口送入高电平，从而达到检测位置的目的。 Q1PNPQ2PNPQ3PNPQ4PNPLED1.2LED2.1LED4.1LED3.1GNDGNDGNDGNDVCCLED1.1LED1.3LED1.4LED2.2LED2.3LED2.4LED3.2LED3.3LED3.4LED4.2LED4.3LED4.4Q5PNPQ6PNPQ7PNPQ8PN
13、PLED5.2LED6.1LED8.1LED7.1GNDGNDGNDGNDLED5.1LED5.3LED5.4LED6.2LED6.3LED6.4LED7.2LED7.3LED7.4LED8.2LED8.3LED8.4Q9PNPQ10PNPQ11PNPQ12PNPLED9.2LED10.1LED12.1LED11.1GNDGNDGNDGNDLED9.1LED9.3LED9.4LED10.2LED10.3LED10.4LED11.2LED11.3LED11.4LED12.2LED12.3LED12.4Q13PNPQ14PNPQ15PNPQ16PNPLED15.1LED16.1GNDGNDGNDG
14、NDLED15.2LED15.3LED15.4LED16.2LED16.3LED16.4LED13.1LED13.2LED13.3LED13.4LED14.2LED14.1LED14.3LED14.4- 8 - D1sendQ1NPND2receive47KR120KR2GNDVCC500R3GNDVCCIO 口图 6 红外对管电路图 3.3 电源 电源采用 8V 电池供电，用 LM7805 转换成 5V。为 FPGA 与 LED 供电。 128V2200uFC1104pFVIN VOUTGNDLM7805C2100uFC3104pF5V -+图 7 电源 4 系统软件设计 4.1 动态显示程
15、序流程图 由于旋转支架质量并不均匀，所以每一圈转速并不一致。必须加一个标志位，确定起始位置，这样就能准确的知道是否转动了一圈。如果检测到起始位置，则开始控制 LED 亮灭的方式以及亮灭的位置即时间，当回来又检测到起始位置信号，说明已经旋转了一圈，这时需复位，即再按前一圈的模式控制 LED 显示状态。这样在支架所转动后形成的圆柱侧面就显示出一行字，这行字在各自的位置上固定不懂，这就是静态显示（字符并不移动）。静态显示受 显示屏本身大小的限制，显示的字数有限。相对的就有动态显示。 - 9 - 初 始 化红 外 对 管 是 否 达 到 起 始 位 置显 示 开 始结 束是 否 达 到 其 实 位 置
16、到 达 起 始 位 置显 示 模 块到 达 起 始 位 置没 有 到 达 起 始 位 置没 有 到 达 起 始 位 置图 8 静态显示程序流程图 4.2 动态显示程序流程图 检测过程与静态显示一样，动态显示只是显示部分由变化。如果检测到起始位置，则开始控制 LED 亮灭的方式以及亮灭的位置即时间，如图 9 动态显示程序流程图，第一次控制 LED 以显示模块 1 的形式显示，当回来又检测到起始位置信号，说明已经旋转了一圈，此时则控制 LED 以模块 2（模块 n）的形式显示，依次循环，直到所有显示 完毕。这样在支架所转动后形成的圆柱侧面就显示出一行动态变化的语句，语句中的每个字慢慢的向前移动，直到这句话结束。这就是动态显示。动态显示不仅仅局限于语句的移动，也可以是图画等更具观赏性的显示。 - 10 - 初 始 化红 外 对 管 是 否 达 到 起 始 位 置结 束是 否 达 到 其 实 位 置到 达 起 始 位 置显 示 模 块 1到 达 起 始 位 置没 有 到 达 起 始 位 置没 有 到 达 起 始 位 置显 示 模 块 2是 否 达 到 其 实 位 置到 达 起 始 位 置显 示 模 块 n没 有 到 达 起 始 位 置显 示 开 始图 9 动态显示程序流程图
