1、苏州大学本科生毕业设计（论文）1本科毕业论文（20 届）基于单片机的 LED 动态显示所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期苏州大学本科生毕业设计（论文）2基于单片机的 LED 动态显示目 录基于单片机的 LED动态显示 .1摘 要 .1Abstract .1第一章 绪论 .21.1 课题研究的意义 .21.2 LED显示的现状与发展 .21.3 本课题的主要工作内容及论文结构安排 .3第二章 方案论证与选择 .42.1 LED动态显示的原理 .42.2 硬件设计方案 .42.3 软件设计方案 .5第三章 系统的硬件设计 .63.1 单片机最小系统 .63.2 芯片介绍 .63
2、.3 单片机时钟电路设计 .83.4 单片机复位电路设计 .93.5 DS1302时钟电路概述与工作原理 .103.6 无线供电电路和主板供电电路 .113.7 驱动直流电机部分 .123.8 总体电路 .13第四章 系统的软件设计 .144.1 主程序的设计 .144.2 程序设计 .154.3 时钟流程图 .164.4 Keil调试 .17第五章 实物调试 .185.1 PCB板的制作 .185.2 元件的装配 .185.3 调试与性能检测 .20工作总结 .22参考文献 .23致 谢 .24附 录 .25苏州大学本科生毕业设计（论文）1摘 要随着半导体材料及工艺技术的进步，生产量的增加，
3、笔者认为可能还需要 35年的时间，LED 照明灯的性能能进一步地提高。价格也会不断下降，它将逐步进入千家万户，给您带来节电，明亮的新的光源。LED 日光灯节电高达 80%以上，寿命为普通灯管的 10倍以上，几乎是免维护，不存在要经常更换灯管，镇流器，启辉器的问题，约半年下来节省未用就可以换回成本。绿色环保型的半导体光源。光线柔和。光谱纯，有利于工人的视力保护及身体健康。6000k 的冷光源给人视觉上清凉的感觉，有助于集中精神，提高效率。将单片机控制的 LED流水灯设备稍作改进让它动起来,就能神奇地显示各种字符或图案,其效果如漂浮在空中一般。之所以能如此,这得益于人眼的“视觉暂留”现象,称为PO
4、V(PersistenceofVision)。由于与 POV相关的制作,实质是利用机械运动来简化电子电路,大多只需要十来个元件加上几十行甚至十几行程序就能达到神奇的视觉效果,因而受到单片机初学者及爱好者的青睐。关键词 ：视觉残留；节能；视觉暂留AbstractWith the summary of semiconductor materials and process technology, production increases, I believe that may be 3 to 5 years, LED lighting performance will further improv
5、e, prices will continue to decline, it will gradually enter 1000 10,000, to bring your energy, a bright new light source.LED Energy-saving fluorescent lamps as high as 80% more than the ordinary life of the lamp more than 10 times, almost maintenance-free, non-existent to the regular replacement of
6、lamp, ballast, the starting-hui, about six months down the cost savings will be able to In exchange for the cost. green-power semiconductor light source, soft light, pure spectrum, in favor of the workers and to protect the health of vision, 6000K gives the cold light of the cool visual experience w
7、ill help focus and improve efficiency.Key words : pov；energy；persistence of vision苏州大学本科生毕业设计（论文）2第一章 绪论1.1 课题研究的意义由于物理学的重大突破，电子技术在 20世纪取得了惊人的进步，特别是近 40年来，电子技术的发展突飞猛进，无论是工业、农业，还是国防领域都随之发生了重大变革，也为技术创新打下了坚实的理论基础。我们则应当具备开发和创新的能力，本文所介绍的基于单片机的平面旋转 LED控制系统就是一个例子，通过单片机的应用和普通的直流电机的改装实现这一功能，通过良好的视觉效果激发我们对电子科
8、学的兴趣。它是一种新颖的显示屏，总的来看，成本低是一大优点，另外 360度的可视角度使之非常适合于像大厅和候车室之类的场合，是 LED显示屏的一个新品种、发展的新方向。此类显示屏如果更进一步，解决视频数据传输，则可任意做出旋转柱式视频显示屏，视频显示的控制电路较为成熟，显示器件只需要转换 RGB阵列即可，这样应用范围可大大增加。采用MCU 进行控制，给出了硬件电路和程序思路。其中运用比较多的主要在大众生活方面,以单片机为控制中心的智能小系统，在本设计中，我们采用了单片机控制多模块设计。便于检查和维修。该设计的基本原理为以单片机作为控制元，由软件系统和硬件系统两部分组成。可靠性：系统应保证长期安
9、全地运行，系统中的硬软件及信息资源应满足可靠性设计要求；安全性：系统应具有必要的安全保护；实用性：注重采用经济而实用的技术，使系统建设的投入产出比最高，能产生良好的社会效益和经济效益;易操作性：贯彻面向最终用户的原则，使用户操作简单直观，易于掌握；广泛性：它的优越性被越来越多的人们所接受、使用。1.2 LED 显示的现状与发展我国的 LED显示屏产业经过几年的发展，已经初步形成了不少具有一定规模的骨干企业。据统计，至 1998年年底，年度销售总额在 1000万以上的企业有 20多家，销售总额达 6亿元左右，占行业市场总额的 85%以上。全国从事 LED显示屏的各类企业有 100余家，从业人员近
10、 6000人，行业年度销售总额近 8亿元人民币，1996 年、1997 年的增长速度均保持 40%左右，1998 年略有回落。在国内市场上，国产 LED显示屏的市场占有率近 100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。技术水平相对领先,我国 LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。90 年代初即具备了成熟的 16级灰度 256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在苏州大学本科生毕业设计（论文）3全彩色 LED显示屏、256 级灰度视频控制技术、集群无经线控
11、制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED 显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED 显示屏产业培养形成了一批 LED显示屏科技队伍，在全国 LED显示屏行业的从业人数 6000人中，科技人员有 2800多人，将近 50%。LED 显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。在现代信息社会中，作为人-机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED 显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代
12、表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色 LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化。使 LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。LED 产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色 LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色 LED屏更会成为主流产品。全彩色 LED显示屏的广泛应用会是 LED显示屏产业发展的一个新的增长点。未来 LED显示屏会向着标准化、规范化
13、，产品结构多样化的方向发展。1.3 本课题的主要工作内容及论文结构安排本文本文介绍了一款以宏晶公司的 8位 STC12C5A60S2低功耗单片机作为核心部件，并配以时钟电路、复位电路、电源电路、显示电路、通过扩展外围设备及接口电路完成整个控制系统对电机的控制的旋转 LED控制系统的设计。该系统可实现中英文字符的显示和动态特效显示。成功实现平面立体显示功能，自动控制电机进行旋转功能，从而达到设计要求。本文的结构安排如下：第一章介绍 LED显示屏发展的现状以及课题的主要研究内容。第二章介绍 LED显示屏的性能指标和设计方案。第三章介绍 LED显示屏的硬件电路的设计。第四章介绍 LED显示屏的软件电
14、路的设计。第五章介绍系统的调试及结果分析。第六章为工作总结。苏州大学本科生毕业设计（论文）4第二章 方案论证与选择2.1 LED 动态显示的原理旋转扫描的原理：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如图所示，其中(a) (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” 。这种平面扫描的方式叫做平面旋转式LED。(a) (b) (c) (d) (e) (f)2.2 硬件设计方案一供电方案1采用固定电池电源实现的电路方案即
15、是在电路板上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，有两个问题需要解决。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 PCB板上，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，引出安全隐患。同时，也增加了旋转重心的调节的难度。故不采用此法。2采用无线供电电路实现的电路方案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，同时也可以为系统控制时序的中断源。此方法容易实现，且一举两得，因此选用。并且基于单片机实现的电路各模块的功能
16、如下：时钟电路：单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。复位电路：用于系统的正常初始化，当单片机系统在运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位以使其恢复正常工作状态。电机驱动电路：驱动着整个系统的运行。苏州大学本科生毕业设计（论文）5二电机选择方案 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
17、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供电，使系统能够长期工作，故采用方案 22.3软件设计方案软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写，方便下载和编译。软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。编写软件之前得首先选择一种合适的语言以及配套的编辑器和编译软件。最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和 C语言。两种语言相比较各有优点。汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言，是一种功能很强的程序设计语
18、言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。其具有执行速度快，占内存空间少等优点，而且编写长度比较小，较为直观。C语言是一种源于编写 UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。C 语言结构是以括号 而不是子和特殊符号的语言。C 可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对 51的存储器结构有初步了解；寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理；程序有规范的结构，可分为不同的函数。这种方式可使程序结构化；将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性；编程及程序调试时间显著缩短，从
19、而提高效率；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。C 语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C 语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。但本系统较为简单，使用汇编语言较短，所以决定采用汇编语言为该显示系统的编程语言。在系统软件设计中，编译器必不可少。目前在单片机开发中普遍都是使用 KEIL C51来进行编译。因此软件设计最终方案为采用汇编语言为程序语言，KELC 为编译工具按不苏州大学本科生毕业设计（论文）6同功能模块来编写程序。 苏州大学本科生毕业设计（论文）7第三
20、章 系统的硬件设计3.1 单片机最小系统电路最小系统由单片机、时钟电路、复位电路、电源电路组成，它是电路工作的最基本的单元电路，任何基于单片机的设计系统都离不开它。3.2 芯片介绍STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12倍。内部集成 MAX810专用复位电路,2 路 PWM,8路高速 10位 A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。引脚图如图 3-1所示。图 3-1 STC12C5A60S2 引脚图1增强型 8051 CPU，1T，单时钟/
21、机器周期，指令代码完全兼容传统 80512工作电压：STC12C5A60S2 系列工作电压：5.5V- 3.3V（5V 单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V- 2.2V（3V 单片机）3工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通 8051的 0420MHz苏州大学本科生毕业设计（论文）84用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节5片上集成 1280字节 RAM6通用 I/O口（36/40/44 个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通 8051传统 I/O口） 可设置成四种模式：准双向口/弱上拉
22、，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏 每个 I/O口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过 55mA7ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8有 EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM 无内部 EEPROM)9看门狗10内部集成 MAX810专用复位电路（外部晶体 12M以下时，复位脚可直接 1K电阻到地）11外部掉电检测电路:在 P4.6口有一个低压门槛比较器 ，5V 单片机为 1.32V，误差为+/-5%,3.3V 单片机为 1.30V，误差为+/-3%
23、12时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部 R/C振荡器频率为：5.0V 单片机为：11MHz15.5MHz 3.3V单片机为： 8MHz12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准13共 4个 16位定时器，两个与传统 8051兼容的定时器/计数器,16 位定时器 T0和T1，没有定时器 2，但有独立波特率发生器，做串行通讯的波特率发生器，再加上 2路PCA模块可再实现 2个 16位定时器142 个时钟输出口，可由 T
24、0的溢出在 P3.4/T0输出时钟，可由 T1的溢出在P3.5/T1输出时钟15外部中断 I/O口 7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的 PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到 P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到 P4.3)16PWM(2 路）/PCA（可编程计数器阵列,2 路）-也可用来当 2路 D/A使用 -也可用来再实现 2个定时器 -也可用来再实现 2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)17A/D 转换, 10 位精度 ADC，共 8路，转换速度可达 250K/S(每秒钟 25万次)18通用全双工异步串行口(UART)，由于 STC12系列是高速的 8051，可再用定时器或 PCA软件实现多串口
