自动控制原理实物设计制作报告(共9页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上自动控制原理实物制作报告题目：LED显示棒摘 要本系统是用单片机(AT89C2051/4051)、三个驱动芯片74HC595、超高亮白色LED灯24个、电源、水银开关等器件制作LED显示棒。该系统是利用手挥动LED显示棒，由位于显示棒上端的水银开关产生中断，并将中断信号送单片机处理，控制三个驱动芯片74HC595，利用该芯片的移位与锁存功能控制LED灯点亮或熄灭，由于人眼的视觉暂留效应，当位于一条直线上的LED灯进行逐列扫描时，通过软件的设置，扫描过的区域便会显示出所要求的字符或图形。用按键切换要显示的内容、控制字符或图形的缩放。根据实测结果，表明所设计的系统性能指标完全达到题目基本要求，发挥部分也已经完全满足题目要求。 参与同学姓名： 班级： 学号： 分工：参与同学姓名： 班级： 学号： 分工：一引言为了满足题目的要求，即能显示图形、字符，设计中采用AT89C2051/4051单片机控制24个高亮白色LED灯，形成24×24点阵显示扫描区，用其中一个按键来切换要显示的图形、字符，同时为了满足发挥部分的要求，再设计另一个按键来实现显示图形、字符的缩放。二系统整体结构及方案论证21设计思路根据题目要求，要设计制作一个LED显示棒，依靠摇动显示设定的字符、图形。例如要显示设定的字符“A”，摇动LED显示棒形成的点阵显示区如图2-1所示(以24×16为例讲述原理)： 图2-1 字符A示意扫描区其中字符“A”的字模如下，/*- 宽度x高度=16x24 -*/0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x07,0x0E,0x1C,0x1C,0x0E,0x07,0x01,0x00,0x00,0x00,0x000x01,0x07,0x1F,0x7E,0xE6,0x86,0x06,0x06,0x06,0x06,0x86,0xE6,0x7E,0x1F,0x07,0x010xF0,0xC0,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xC0,0xF0注：图2-1中黑色为亮的LED灯，白色为熄灭的LED灯，实际显示的是字模中数据的取反。该装置由AT89C2051/4051单片机控制，利用24个超高亮白色LED灯，纵向排列为一条直线。图像形成的原理是：当开始摇动LED显示棒时，即进行第一列像素的扫描，由单片机控制将图形列像素数据0x00,0x01,0xF0传输到三个驱动芯片74HC595中，因为实际电路中的LED灯是共阳极连接的，所以24个LED灯中对应为0的被点亮，对应为1的被熄灭。反应到图2-1中的第一列，图中黑色点对应的是被点亮的LED灯。在第一列像素数据开始显示的同时进行第二列像素数据的串行传输。由于74HC595芯片内置数据锁存器和移位寄存器，所以在移动的过程中，能够进行下一列数据的传输又不会影响本列数据的显示，在第一列数据显示结束时，第二列数据已经传输完毕，在给出锁存器选通信号后，开始新一列像素数据的显示，同时开始下一列像素数据的传输，依次类推形成逐列扫描，直到16列数据全部扫描结束。只要顺序传送的速率足够快，由人眼的视觉暂留效应，这个点阵扫描区就会形成一个完整的字符“A”了。因为在软件中设定了每列数据的显示时间，所以扫描图形的宽度就由手移动的速度决定了，总体视觉效果如图2-1示.行数24是由硬件电路决定，但具体多少列由软件决定，可通过软件设置改变列数。其它图形的显示原理和字符“A”的显示原理相同。 2.2 系统结构与方案论证系统的结构框图如图2-2：图2-2系统结构框图整个系统由单片机控制、运动（扫描位置）检测、按键、驱动显示、供电电源等几部分组成。各部分作用如下：1） 单片机控制部分：接受来自运动检测部分和按键部分送来的信息，进行处理并提供列像素数据，驱动显示部分控制LED灯的点亮与熄灭，配合LED显示棒的移动显示要求的字符、图形。2） 运动检测部分：采用水银开关，用来检测显示棒移动的位置，产生中断。3） 按键部分：切换要显示的图形形状、控制缩放等。4） 驱动显示部分：接收并保存单片机送来的像素数据，由74HC595驱动控制LED灯的点亮与熄灭。5） 供电电源：向整个系统供电，AT89C2051/4051单片机采用5V电源供电。2.3各部分设计方案选择 2.3.1 单片机控制部分方案一：采用AT89C2051/4051单片机,串行输出方式，满足设计的要求。AT89C2051/4051是一种低电压（12时的电压范围在3V-5V）、高性能CMOS8位单片机，片内含2K/4K字节的可反复擦写的Flash程序存储器ROM和128字节的随机存取数据存储器RAM，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置8位中央处理器和Flash存储单元，其时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，性价比较高。使用AT89C2051/4051单片机，连接三个74HC595驱动芯片，采用串行输出方式时，利用74HC595的移位锁存功能，能够驱动超高亮白色LED灯的显示，具有足够高的亮度；当采用并行输出方式时，由于每次只能传输8位数据，必然会造成同一列数据显示的滞后，另一方面又因视觉暂留效应，使显示的图案看起来形成错位。所以当采用AT89C2051/4051单片机时，使用串行输出方式，满足设计的要求。 方案二：采用89C51单片机，满足设计的要求。89C51单片机拥有40个管脚，集成度高，功能强大。当采用89C51单片机直接驱动时，单片机单个管脚的输出电流可以达到20，能够驱动LED灯的显示，但是设计采用了24个LED灯，这样就会造成总的对地电流很大，单片机很难负荷如此大的电流，同时又因被分配到每一个LED灯上的电流变小，所以亮度变小；当采用驱动芯片作为中间传输媒介时，一方面会使许多管脚处于闲置状态，造成资源的浪费，另一方面，会造成硬件电路面积较大，不利于显示棒的移动，影响实验效果。方案选择：从这二个方案可知，选择任一种单片机，当采用不同的连接方式时基本能满足设计的需要，在满足设计需要的前提下，从设计显示的效果、资源的节约及硬件电路连接上考虑，选择方案一并采用串行输出的方式是最好的设计方案。2.3.2运动检测部分水银开关是用来检测显示棒的移动位置，目的是通过水银球的摆动控制开关的通断，产生中断信号，并将信号送到单片机处理，控制显示棒的扫描周期。此处也可以采用光限位开关，它是机械开关，但机械开关存在抖动，会造成触发的不稳定。水银开关相对于机械开关来讲，具有许多优点：结构简单，体积小，最主要的是它电极间的接触电阻一般低于100m，其导电性较好，性能可靠。所以该部分设计方案采用的是用水银开关。2.3.3扫描方式及显示驱动电路扫描方式：方案一：采用双向扫描方式。开始摆动时，水银球触发电路扫描计时开始，在显示棒运动到最右端时，再次产生中断，下一个扫描周期开始。这样存在的问题是当第一个周期的显示尚未结束，下一个周期的扫描便开始，在棒进行回摆时，由于视觉暂留效应，使图像看起来比较混乱。方案二：采用单向扫描方式。第一个扫描周期与双向扫描的情况相同，不同的是在进行下一个周期的扫描时，由于显示棒运动到最右端时，然后再回摆的过程中，单片机不再响应中断，从而使上一次的最后一列的扫描数据有足够的时间显示完毕，所以扫描图像看起来比较清晰，不会有图像重叠的现象。根据上述实际情况，设计采用方案二。显示驱动：驱动芯片74LS164 可以通过同步串口驱动LED的显示，但是不具有数据锁存器，传输数据没法锁存，造成显示看起来不清晰，对本系统不太合适。驱动芯片74HC595主要优点时具有数据锁存器，在移位的过程中，输出端的数据保持不变，这样就能保证LED灯的同时点亮。所以决定采用驱动芯片74HC595。与普通的LED灯相比，超高亮白色LED灯的优点是发光强度高，性能更加的可靠。2.3.4按键按键可采用功能复用方式，采用这种按键数量少，节省硬件，但增加了软件的复杂性，；另一种方案是采用单功能键，按键有两个，但操作简单、直观。由于该设计硬件相对简单，所以采用单功能键。2.3.5 供电电源部分可供选择的方案有两种:方案一：采用镍镉/镍氢蓄电池方案，满足设计的要求。方案二：采用一次性干电池方案，同样可以满足设计的要求。方案选择：镍镉/镍氢蓄电池供电时内阻小,负载特性硬,虽一次性投资较多，但多次使用可彰显其经济性。一次性干电池由于其内阻相对较大，会使负载电压特性较软，其输出大电流的能力不及镍镉/镍氢蓄电池，虽单只价格比较便宜，但寿命短，经济性差。由于本设计采用AT89C2051/4051单片机，在频率为12时其要求输出在3V到5V之间，由镍镉/镍氢蓄电池的单体标称电压为1.2V，采用4个时电压为4.8V，正好满足要求，且无需稳压电路；一次性干电池的单体标称电压为1.5V，采用3个时只是在最初满足要求，很快电压就下降无法驱动单片机，采用4个时，在最初会超过单片机极限电压，这是不允许的。综合考虑决定采用镍镉/镍氢蓄电池作为供电电源。根据上述各部分分析，最终设计的原理图如图2-3所示：图2-3 系统完整电路图三设计实现要想完成LED显示棒的设计，软件占据很大一部分作用，其中最主要的问题是如何定时一周期？启动开关，当LED显示棒静止时，LED灯不会发亮，当摆动显示棒时，水银开关接通触发外部中断零（INT0），单片机AT89C2051/4051启动T0计时，当显示棒再次摆回到原位置时INT0再次产生中断，T0停止计时，即可得出摆动一次时间T，既是摆动周期。由于系统设计的是24×24扫描区域，所以将T平分24等份，每份时间由定时器T1计时，每列显示的时间就是T1的定时时间。具体的软件系统包括主程序、外部中断子程序、定时器中断子程序，具体设计思想见附件1程序流程图。四测试结果4.1测试方法及过程本系统测试方法及过程非常简单：将实物组装好，闭合开关，按照一定的规律来回摆动LED显示棒，观察是否能清晰的显示题目要求显示的字符、图形。要显示其它的图案，可通过按键切换实现。4.2 测试结果 利用手来回摆动LED显示棒，题目基本要求部分全部完成，即通过按键的切换，可以清晰的观察到字符“A”、“电”、国际奥委会五环图形；发挥部分的字符、图形“Welcome”、“美亚”、北京奥委会会徽也已能清晰的看到。我们设计的特色是显示一个能缩放的字符和自动播放字符或图形。部分显示扫描结果已拍成照片，详见附件2. 五结论通过测试结果知道，本设计不仅完成了基本要求部分，而且发挥部分我们都成功完成。在这次设计的过程中遇到了一些问题，最主要的是不能够稳定的显示、显示混乱等问题，但最后通过我们的努力，仔细的分析，问题都被成功的解决了。 此次电子设计大赛使我们受益非浅，收获颇丰，不仅知识体系有了很大的扩展，自己解决问题的能力有很大的提高，更为重要的是在这个过程中我们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性。以后我们会更加的努力学习、实践，用知识武装自己。 附件1 程序流程图 附件2 实物扫描图像照片 专心-专注-专业