POV旋转LED显示器的设计.pdf

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1、I/39 XX 滨海职业学院全日制高等职业教育 毕业实践环节毕业设计（典型性项目）说明书 POV 旋转 LED 显示器的设计 作者：主要内容简介 现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸 X 的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。近年来，随着电子产品的发展，人们对时钟的要求越来越高，而在对要求高之余，又要讲究有创意，新奇，所以在这个基础上设计一款既能满足人们的要求，又要有创意的时钟装置是很有必要II/39 的，贴片 LED 旋转屏时钟在可以计时的基础上，又能够满足人们对事物要有创意的需求。本设计采用的

2、是 POV LED（POV 即 persistence of vision 视觉暂留）技术，它指的是，借助人的视觉暂留效果，通过少量 LED 灯的机械扫描方式来显示各种字符或者图像。其原理很简单，就是靠电动机带动一排 LED 灯绕电机轴高速旋转，与此同时单片机控制各个 LED 灯在旋转平面相应的位置上点亮，构成一幅点阵画，虽然它们不是同时点亮的，但由于人的视觉暂留效果，会误以为每个点都是同时点亮的。其具体应用还可见于电影的拍摄和放映。关键字：单片机、LED、时钟、视觉暂留、红外接收、扫描显示 I/39 目录 第一章 LED 简介 1 第一节什么是 POV1 第二节发光二极管简介2 第二章 LE

3、D 显示屏的显示原理3 第三章旋转 LED 屏设计 7 第一节设计任务7 第二节系统硬件框图8 第三节机械结构8 第四节旋转 LED 动态显示 9 第四章系统硬件电路的设计11 第一节涉及的主要技术11 第二节电机方案选择12 第三节供电方案选择13 第四节主控元件15 第五节时钟芯片DS130217 第六节硬件原理图20 第五章系统软件的设计26 第一节软件设计流程图26 第二节各个功能模块流程图27 第六章系统的安装与调试28 第一节硬件调试28 第二节软件调试30 第三节效果图 32 第四节元件列表33 第七章总结 34 参考文献 35 谢辞 36 1/39 第一章 LED 简介 第一节

4、什么是 POV POV 即英文PersistenceofVision一词的缩写,中文是“视觉暂留”的意思。每当人的眼睛在观察物体之后,物体的映像会在视网膜上保留一段很短暂的时间。在这短暂的时间段里,当前面的视觉形象还没有完全消退,新的视觉形象又 继续产生时,就会在人的大脑里形成连贯的视觉错觉。其实,对于这种独特有趣生物现象,我们随时都能感受到。下雨时,纷纷快速下落的雨滴,在我们的眼里却成了一条条富有诗意的“雨丝”;用一支激光笔射在墙上,并快速晃动,我们会感受到一幅由线条组成的画面。进一步的研究发现,人的视觉暂留时间约为1/24s,这个时间值并非是个标准值,它因观察者的个体差异和观察的物体的亮度

5、及大小约有不同。现代电影根据这一事实,以每秒24个画格的速度进行拍摄和放映,使得一系列原本不动的连续变化画面,在人眼里产生连贯的活动错觉影像。对“POV”现象的认识和利用,可追溯到两百多年前。在这一个世纪，光电子产业在社会上得到了广泛的重视，信息显示技术发展非常迅速，随着 LED 器件材料性能的不断提高，现在已经广泛应用在室内外需要进行服务内容和宣传服务宗旨的公众场所，在路边很多地方我们都能见到 LED显示屏的踪影。传统的 LED 屏使用的是LED 点阵屏，屏幕需要做到越大，LED 的数量就需要越大，因为需要使用 LED 等铺满整个显示屏。相比起来，一旦大型化价格相当高昂、安装及操作起来都极其

6、麻烦，同时因为使用器件数目多，也不易维护。而 POV 旋转 LED 显示器由于 LED 灯使用数量少，只需要使用单排 LED 灯（即能填满圆形屏幕的半径长度的单排 LED 灯），从根本上避免了传统 LED 显示屏的种种不足。因此，设计一个可以平面旋转 LED 显示屏，具有十分重大的意义。2/39 第二节发光二极管简介 光二极管(LED)是一种电致发光的光电器件。早在 1907 年开始,人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象,但生产出有一定发光效率的红光 LED 已是 1969 年了。到今天,LED 已生产了 30 多年,回顾过去,它已茁壮成长。各种类型的 LED、利用

7、 LED 作二次开发的产品及与 LED 配套的产品(如白光 LED驱动器)发展迅速,新产品不断上市,已发展成不少新型产业LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。随着 LED 技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED 的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED 在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来 10 年成为最被看好的市场以及最大的市场，将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。展望将来,还期望更进一步地提高。发光二极管是由-族化合物，如 GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是 PN

8、结。因此它具有一般 P-N 结的 I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图所示。假设发光是在 P 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光

9、的，所以光仅在靠近 PN 结面数 m 以内产生。发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG 400 系列）、图 1.1 LED 结构图 3/39 中功率（HG50 系列）和大功率（HG52 系列）发光二极管：另外还有多色、变色发光二极管等等。图 1.2 LED 符号及 LED 发光原理图。第二章 LED 显示屏的显示原理 LED 显示屏（LEDdisplay,LED Screen）：又叫电子显示屏。它

10、是由 LED 点阵平板模块组成的。LED 显示屏能够显示出文字和图片等内容，均是由各种色彩 LED灯亮灭组合来实现的。LED 显示屏可以更改显示内容，只需要通过用 flash 将显示的内容制作成一个动画,存放在显示屏的一 X 内存卡里,通过技术手法显示出来的。因此可以根据现场的需要在不同的场合进行相应的调整，所以同一块 LED显示屏可以灵活地运用于各种各样的场合。内容可以根据不同的求进行随时更换，显示灵活多变，便于经常需要更改内容的人群使用。传统 LED 显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。LED 之所以受到重视并且能够迅速地广泛地发展，跟它本身所具有的种种优点有关。LED 灯的显示

11、亮度较高、需要的工作电压比较低、消耗的功耗较小、可以做成大型显示屏、而且 LED 灯寿命一般都很长、耐冲击能力强，同时性能相比其他照明灯具稳定。LED 的发展前景极为广阔，在未来的研究发展中主要朝着做到更高的照明亮度、更耐气候变化、发光密度更强、发光更加均匀、更加安全可靠、色彩显示更全面的方向发展。利用POV 即“视觉暂留”这一原理,我们可以通过发光体的运动,产生一系列运动轨迹的残留影像,达到漂浮在空中似的神奇梦幻般的显示效果。纵观各种与此相关制作,无论是商业化产品还是DIY 作品,归纳起来无非就是看：运动的是发4/39 光体,发光体如何运动,如何给运动的系统供电,采用什么样的传感器感知运行状

12、态,如何控制运转着的系统。下面将对这几个方面进行归纳和探讨。发光体的不同的运动方式,成就了各种显示形态的POV。归纳起来看,形形色色的POV 制作,其运动状态大多超不出以下的这几种方式:1、圆形显示原理 在基于 POV 的圆形旋转线阵 LED 显示屏中，一个条状 PCB 板上集成了 20个贴片型发光 LED，下文简称线阵 LED1。集成有 LED 的 PCB 板绕其一端随电动机转动，当转动到合适的角度时点亮合适的 LED 就可以显示需要显示的内容，其示意图如图 1 所示，而在何处点亮哪些 LED 就应该符合圆形 LED 屏的显示原理，图 2 和图 3 分别描述了圆形指针式时钟和数字式时钟的显示

13、原理。图2.0 圆形旋转LED显示屏工作过程示意图 在图2中，图2(1)指定了20颗LED用于显示表盘、时间刻度、时针、分针和秒针的颗数及分布。明显可以看出最内和最外一颗用于显示表盘的内圈和外圈。自内向外，第19颗用于显示时针，第112颗用于显示分针，第115颗用于显示秒针，第1719颗用于显示时间刻度。具体来讲，3颗亮表示12点刻度，2颗亮表示3、6、9点刻度，1颗亮表示其余时间刻度。为了将时针与刻度隔开而提高时钟的易读性，第16颗LED一直不亮。在线阵LED的每一圈旋转过程中，在图示的位置点亮对应的LED并延时就可以显示出当前时刻。图2(2)中显示的时刻为03：40：00。5/39 图2.

14、1 圆形旋转LED显示屏时钟原理图 图 3 描述了圆形 LED 显示屏显示数字的原理，即是在每一圈旋转内的 时时间内，点亮第 1、7、11、15 及 20 颗 LED，在 的下一个时刻点亮第1、715及 20 颗 LED 就可以显示数字3。特别地，图 2.2 圆形旋转 LED 显示屏数字时钟原理图 6/39 图2.3 圆形旋转LED显示屏显示英文原理图 2、圆柱面型显示原理 基于 POV 的圆柱面型旋转线阵 LED 显示屏的结构如图 4 所示。本设计在圆形 LED 显示屏的基础上增加了一个竖直的集成有17 颗贴片 LED 的 PCB 板，下文称线阵 LED2.当然，为了维持系统旋转的平稳性，在

15、另一端我们增加了螺柱等使两端重量平衡。当线阵 LED2 随着电动机旋转时，在的合适的位置点亮特定的 LED，在视觉暂留的影响下我们就能看到各种文字和图形。图2.4 圆柱面型旋转LED显示字幕D的原理图 在图5中，图5(0)指定了17颗LED的相应功能，即自上而下第116颗LED是显示LED，第17颗为底边线LED；图5(18)描述了圆柱面型LED显示屏显示字母D的详细过程，即根据字母D的字模数据在每一圈旋转内的起始时刻 点亮第3、13及17颗LED，在接下来的时刻分别点亮第313和17颗，第3、13及17颗，第3、13及17颗，第3、13及17颗，第4、12及17颗，第511和17颗最后再全部

16、不亮就可以显示7/39 出字母D。图 2.5 圆柱型旋转 LED 显示屏显示加油的原理图 第三章旋转 LED 屏设计 第一节 设计任务 本课题运用单片机、LED 发光二极管和电机等器件设计一个 POV 显示器。显示内容及要求：1、平面与立体一起移动显示字幕+暂停控制 2、平面显示数字时钟与立体移动显示字 3、平面显示指针时钟 4、立体滚动显示字+暂停控制 5、立体下移显示字+暂停控制 6、立体显示动画效果 7、显示打印字的效果 8、立体显示时间+滚动字效果 9、上位机软件校时 8/39 第二节 系统硬件框图 系统硬件框图如图 3.1 所示。图 3.1 系统硬件框图 第三节机械结构 旋转线阵 L

17、ED 显示屏的机械结构如图 6 所示，结构要求重量均匀分布在电机转动轴两旁。本文将单片机、时钟芯片、线阵 LED、一体化红外接收头等器件焊接在一块指针型的电路板上，这样可以使旋转的电路成为一个独立的部分。电路板一端钻一个电机轴插孔，插孔为半圆且半径与电机轴相等。电机轴插入其中带动指针板旋转。图 3.2 系统机械结构图 9/39 第四节旋转 LED 动态显示 旋转 LED 旋转起来是一个圆，那么就需要有一个传感器来判断起点位置，有人用霍尔传感器，有人用红外对管，本人觉得用红外对管便宜些，而且实现起来也容易。这个起点检测非常重要，单片机就是根据这个起点来判断是否要开始显示 数据的。如果起点检测不到

18、 单片机就不开始显示。如何让一列灯不断的送数据实现一个文字的显示呢？这个我们就要了解文字取模的原理了，这里以 PC2002 字幕软件为例，取一个 16*16 的中文字，见字幕选项设置：从第一列开始向下每取 8 个点作为一个字节，如果最后不足 8 个点就补满 8位。取模顺序是从低到高，即第一个点作为最低位。如*-取为 00000001 取模后如下表：0 xFF,0 x7F,0 xFF,0 xBF,0 x3F,0 xC8,0 xBF,0 xFB,0 xBF,0 xFB,0 xBF,0 xEB,0 x80,0 x9B,0 xB7,0 xFB,0 xB7,0 xEB,0 xB7,0 x9B,0 xB7

19、,0 xFB,0 x37,0 xF8,0 xF7,0 xEF,0 xF7,0 x1F,0 xFF,0 xFF,0 xFF,0 xFF,/*点,0*/现在我们知道 16*16 取模是一列一列取的了，一列有 2 个字节，一共 16 列，所以一个 16*16 的汉字就有 32 个字节，需要占用单片机的 Code 空间 32 个字节。然后再结合硬件来分析，如下图：10/39 图 3.3 旋转 LED 显示屏侧板原理图 一列灯 16 个刚好对应 16*16 一个汉字的一列：2 个字节，所以把取模到的数据依次送到 P2 口 和 P4 P5 口，这里硬件中 P4 P5 组成一个字节，所以显示程序如下：for

20、(i=0;i4;/这里行和列 都是IO口独立驱动的LED DelayUs(200);/延时让 LED 亮起来 每列延时的时间 P2=0XFF;P4=P5=0XFF;在什么时候送显示呢？单片机 IO 一判断到 红外接收管接收到起点信号，就开始显示，显示完 16 列后等待下一次的起点信号。这样只要电机的速度够快就会稳定的把字显示字空中了。平面的文字显示同理。如何让一组文字不断的移动？这就需要一个字幕计数器，旋转 LED 每旋转一圈，这个字幕计数器就加一，指向下一列，这样不断的刷新，感觉文字就在移动了，程序如下：j 就是字幕计数器，每转一圈 j 就会加 1；11/39 if(KEY=0)/红外接收管

21、 判断起始位 j+;if(j672)/根据显示的字数定义改数值 672/16=42 个字 显示完42 个字后 重新开始 j=0;for(i=j;i4;/这里行和列 都是 IO 口独立驱动的 LED DelayUs(200);/延时让 LED 亮起来 每列延时的时间 P2=0XFF;P4=P5=0XFF;第四章 系统硬件电路的设计 第一节 涉及的主要技术 1、单片机技术：旋转 LED 显示屏在高速旋转时，使用通过定时器中断让其以某个频率在空间的某一点所对应的时刻点亮或是熄灭，人的肉眼存在视觉暂留现象，所以无法判断出是否在闪烁而形成完整连续的图像；所以对于控制显示内容可以采用单片机定时器的功能来实

22、现。在设计过程中还应该注意一下问题：系统通信设置。在设计中，显示屏显示的内容、显示模式切换以及当前时刻的设定都是通过红外无线通信实现的。在图 6 中，红外一体化接收头(HS0038)接收由手持遥控器发出的频率为 38KHz 的间断脉冲，HS0038 对接收信号进行放大、检波整形后得到 TTL12/39 编码信号直接给单片机解码出调时、数字显示或指针显示三种不同的控制信号。起始位置校准。电机转速的稳定性直接决定了显示是否有重影和浮影。然而，要其完全不变是不可能的。在这种情况下，误差会积累而形成浮影。所以，对起始位置的不断矫正是理由非步进电机制作旋转 LED 显示屏必不可少的技术。通过磁电传感器检

23、测置于固定位置的小钢粒来不断定位起始位置消除积累误差。本文在指针板上加装一个红外接收管。当接收到与之配对的红外发光二极管(红外发光二极管安装在电机外壳上，并与接收管对齐)发出的红外线后，就会反向导通，产生低电平而触发外部中断。指针板每旋转一周，就会产生这样一个中断信号，这个信号被称为“过零信号”。外部中断的任务是将旋转角度清零，以此消除积累误差。2、LED 驱动电路：由于整个 LED 显示屏在工作中一直处于高速旋转状态，所以显示的亮度会明显降低，因此需要使用亮度较高的发光二极管，并且通过与单片机I/O 口相连，对程序进行相应的设定才能实现正常控制 LED 的闪烁效果。3、电源的供电方式：在运转

24、过程中旋转 LED 显示屏的显示屏一直处于高速旋转的状态。所以如何给旋转 LED 显示屏供电成为硬件方面最大的难题。在下文，将会提出了三个供电方案，以及最终采用的供电方案。第二节电机方案选择 方案一：步进电机 运行时在整个在高速旋转的过程显示屏是必须保证稳定运行的。这样可以避免在高速旋转时系统奔溃，以及存在的种种安全隐患。所以想到了提出采用步进电机来控制显示屏旋转。因为步进电机能使步距角变更为其固有步距角的 1/n，同时也完全消除电机在低频时的振荡，大大增强了驱动能力。另外步进电机的抗13/39 干扰能力比较强，控制起来简单，而且步矩误差不会被长期积累，所以大大增强了旋转稳定性和精确性，因此旋

25、转 LED 显示屏显示效果的清晰程度得到了保证。方案二：普通电机 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，通过可调电阻可以实现电机转速调节。方案比较及确定：以上两个方案各有及优缺点，总结起来，个人认为还是应该从以结构简单，方便操作，便于理解，成本低廉为主要方面来对本设计考虑。从方案一来看，主要难点就在于步进电机的调速问题上。必须要对步进电机的工作原理，如何调速，进行充分的理解。不同的电机由于速度不相同，所产生的频率也不一样，这样旋转 LED 显示屏在实际显示的图像与设计有所偏差。而且电机速度会影响到单片机对定时器工作和定时的设定，这些也就影响到整个程序的编写。而且本

26、人觉得，对于成本上的考虑，这次设计的要求需要较高的转速，而较高转速的步进电机在价格上是相当昂贵的，如果仅仅只是作为实验观赏来制作使用的话，制作出来的成本是相当高的。考虑到这个方案的可行性，所以决定不采用这个方案。从方案二来讲，主要区别就是用普通电机来取代方案一中的步进电机。在实现设计时通过拆分一个普通功率的风扇的电机来使用。成本比较低，方便易实现，降低了设计成本。而且采用电风扇的电机改造比起方案一来说更切合本设计的题目，所以在这次设计时决定采用这个方案，而且这个方案的最大的优势还在于制作成本很低。第三节 供电方案选择 1.高速供转动的主板供电有 3 种方案:方案一：直接把电池装在主板上随主板转

27、动，用电池直接给主板供电，这样成本低，但是寿命短，而且严重影响电机的转速和稳定。方案二：使用电刷连接供电，制作简单，非常有效，但是这样的供电寿命很短，主要是需要在电路板上加焊一层耐磨导电层，一旦使用时间长了电刷触点就14/39 会不够光洁而且接触压力变大大，几小时就可以将线路板上的铜皮磨穿，更换的成本太高，而且不稳定。方案三：用无线输电的方法，无任何触点，所以避免了使用电刷的更换问题，而且这样的制作寿命很长。利用电磁耦合原理，用磁线圈对主板进行供电。利用互补正反馈振荡电路将直流电转化成高频交流信号，通过线圈（线圈内有铁氧体磁芯，提高效率），将交流信号输送到旋转的主电路板上，主电路板上利用 5.

28、1v 的稳压二极管，将接收到的交流信号变成 5.1v 直流电，通过 220uF 的电解电容滤波，供给单片机，使单片机能正常工作。但是用电磁耦合的方式有很大的缺点，没有高磁导率的磁芯作为介质，磁力线会严重发散到空气中，传递效率下降非常厉害。所以不适合大功率，远距离的无线供电。本设计所需的功率很小，供电距离很小，所以是较理想的方案。其结构如图所示，其中 L1 为给主板部分供电的磁线圈。图 4.0 无线供电原理图 2.方案比较与确定：15/39 对于方案一中采用直接用电池给主板供电，这样电池必须固定安装在主板上面，由于电池自身存在重量问题，在高速旋转的时候一旦重心不在旋转轴心，会导致旋转屏剧烈震动。

29、这样会不但影响到显示屏的显示，而且会是整个旋转显示器硬件损坏，甚至误伤人员。所以这个方案不采用。对于方案二是采用电刷的方法，这个其实在很多供电场合有用到，但是电刷在旋转过程中与导电层有高速剧烈的摩擦，时间久了会摩擦受损，这样会照成接触不良现象，从而影响了供电的稳定，而且一旦受损就需要更换新的导电层，这对于一个设计来说成本过于高昂。故此方案也不采用。方案三中采用的是无线供电。因为是无线所以供电体与受供体分离，因此方便了对电源的安装，而且采用的材料成本较为低廉，且无触点，没有摩擦照成的短寿命现象。所以最终决定采用无线供电的方法给旋转显示屏供电。第四节 主控元件 在我们生活中几乎所有电子产品都离不开

30、单片机，因为单片机集成度非常高，功能又强，可靠程度很高，所以它的体很小，而且单片机的功耗并不高，价钱还比较低廉，因此被众多领域运用在各种各样的器件上。如今单片机已经存在于我们生活中的每一个角落。此次设计主要采用宏晶科技的 STC15F2K60S2 单片机为主控单元。STC15F2K60S2芯片是宏晶科技生产的高速/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的 8051，用它作为本设计控制核心。STC15F2K60S2主要性能及引脚排列如下图所示：16/39 图 4.1 STC12C5A60S2 单片机结构图 STC12C5A60S2 单片机主要集成了以下资源：增强型 805

31、1 内核，单时钟机器周期，速度比传统 8051 内核单片机快 812 倍 60KB Flash 程序存储器;1KB 数据 Flash;2048 字节的 SRAM 3 个 16 位可自动重装载的定时/计数器（T0、T1、T2）可编程时钟输出功能 至多 42 根 I/O 口线 2 个全双工异步串行口（UART）1 个高速同步通信端口（SPI）8 通道 10 位 ADC,3 通道 PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元 内部高可靠上电复位电路和硬件看门狗 内部集成高精度 R/C 时钟，常温工作时，可以省去外部晶振电路。17/39 第五节 时钟芯片 DS1302 大多数的单片机没有实时时钟部件,一旦

32、系统掉电时钟就不能运行,下次再运行，时间就不准确了。即便使用备用电池,但要维持单片机系统的较大功耗也是坚持不了多久的。而我所做的旋转时钟用到的单片机主要是来准确显示时间的，因此实时时钟部件必不可少，这里我用了MAXIM 公司的 DS1302 时钟芯片作为实时时钟部件，保证时间的长久准确性。DS1302 有着很强的功能。包括时钟/日历寄存器和 31 字节（8 位）的数据暂存寄存器，数据通信仅通过一条串行输入输出口。实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年份信息。闰年可自行调整，可选择 AM/PM 的 12 小时制或 24 小时制。只通过三根线进行数据的控制和传递：CE(输入信号，在读、写

33、数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE 开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。)；I/O(三线接口时的双向数据线)；SCLK(串行时钟输入)。通过备用电源可以让芯片在小于 1MW的功率下运作。对时钟寄存器初始化可以设定当前时间,控制芯片的运行,时间是用 BCD 码保存的,RAM 可以用来存取用户数据,在用了备用电池后 RAM 内的数据在系统掉电时能够保持不丢失。芯片采用了简单的 I2C 三线通信方式,便于节省芯片资源和与之接口的 MCU 的引脚。芯片有着 2.05.5V 的宽供电电压 X 围,在 5V供电时其接口与 TTL 电平兼容。并且

34、有着很低的功耗,在 2.0V 供电时仅耗 300nA 的电流。引脚 X1 和 X2 连接 32.768kHz 晶体,与内部振荡器组成时钟。晶体的精度直接影响着芯片时间的准确与否。DS1302 有两个电源引脚 VCC1 和 VCC2,分别连接备用电池和电源 VCC。VCC2 与主电源连接，VCC1 接备用电池。当 VCC2 低于 VCC1 时,芯片由 VCC1 供电；当 VCC2-VCC10.2V 时,备用电池为芯片供电。在18/39 VCC2 供电时芯片能够对接在 VCC1 的备用电池充电,并且是否充电和充电电流都可以由芯片内地址为 08H 的时钟寄存 器进行控制。DS1302 与单片机的硬件

35、接线图如图三所示。在进行任何数据传输时，CE 必须被制高电平（虽然 CE 被置为高电平，但内部时钟还是在晶振作用下不停地计时的），在每个 SCLK 上升沿时读入数据，下降沿时写出数据。每个字节的传输都是由控制字节(如表 1 所示)指定的，控制字节的最高位 Bit7 必须是“1”，否则读写将会被禁止。bit6 为“0”则指定对时钟/日历寄存器进行读写操作，为“1”则对 RAM 区的数据进行读写操作，bit1-bit5 指定相关寄存器进行输入输出操作，最低位 bit0 指定是输入还是输出，为“0”则为写，相反则为读，输入输出根据脉冲的上升沿和下降沿串行进行。7 6 5 4 3 2 1 0 1 RA

36、M/CK 用来表示相关寄存器的地址 RD/WR 图 4.2 DS1302 控制字节 控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个 SCLK 时钟的上升沿时，数据被写入 DS1302，数据输入从最低位（0 位）开始。同样，在紧跟8 位的控制字指令后的下一个 SCLK 脉冲的下降沿，读出 DS1302 的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。数据读写时序如图四所示。图 4.3 DS1302 数据读写时序 通过 8 个脉冲便可读取一个字节，从而实现串行输入与输出。最初通过 8个时钟周期载入控制字节到移位寄存器。如果控制指令选择的是单字节模式，连续的 8 个时钟脉冲可以进行 8 位数据的读写

37、操作。8 个脉冲便可读写一个字节。19/39 载入控制字节后就可以对时钟/日历寄存器进行相应操作，时钟/日历寄存器如下表所示。读寄存器 写寄存器 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2-BIT0 X 围 81h 80h CH 16-59 秒 0-15 秒 00-59 83h 82h 16-59 分 0-15 分 00-59 85h 84h 12 0 20-23 15-19时 0-15 时 1-12/0-23 24 AM/PM 87h 86h 0 0 0 16-31日 0-15 日 1-31 89h 88h 0 0 0 10 月 月 1-12 8Bh 8Ah 0 0 0 0

38、0 1-7 周 1-7 8Dh 8Ch 0 15-99 年 0-15 年 00-99 8Fh 8Eh WP 0 图 4.4 时钟/日历寄存器 秒寄存器（81h、80h）的位 7 定义为时钟暂停标志（CH）。当该位置 1 时，时钟振荡器停止，DS1302 处于低功耗状态；当该位置为 0 时，时钟开始运行。小时寄存器（85h、84h）的位 7 用于定义 DS1302 是运行于 12 小时模式还是 24小时模式。当为高时，选择 12 小时模式。在 12 小时模式下，位 5 为 1 时，表示PM。在 24 小时模式时，位 5 是第二个 10 小时位(20-23 时)。控制寄存器（8Fh、8Eh）的位

39、7 是写保护位（WP），其它 7 位均置为 0。在任何的对时钟和 RAM 的写操作之前，WP 位必须为 0。当 WP 位为 1 时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。20/39 第六节 硬件原理图 1、旋转 LED 基板原理图:21/39 图 4.5 旋转 LED 基板原理图 22/39 2、旋转 LED 平面原理图：23/39 图 4.6 旋转 LED 平面原理图 24/39 3、旋转 LED 侧板原理图：图 4.7 旋转 LED 侧板原理图 25/39 图 4.8 硬件 PCB 图 4、遥控器说明:图 4.9 遥控器示意图 26/39 第五章 系统软件的设计 第一节 软件设计流程图 1、该

40、程序的软件设计流程图如图所示:图 5.0 程序整体框架 27/39 图 5.1 软件设计流程图(时钟)第二节 各个功能模块流程图 1、单片机读写 DS1302 程序设计:图 5.2 读写单字节程序流程图 28/39 2、单片机对红外遥控代码的译码程序设计:图 5.3 红外遥控代码的译码程序 第六章 系统的安装与调试 第一节 硬件调试 发光二极管的调试。焊接好 LED 灯及电阻后，给板上电，分别使每个 LED的阴极接地。发现 25 支 LED 灯都能正常点亮和熄灭。红外对管的调试。给发射管接限流电阻并上电后，去对准焊在板子上的红外接收管，用电压表测试其阴极，为低电平；移开发射管后为高电平。红外对

41、管工作正常。红外遥控器的调试。调试时使用 USB-ISP 线一步步监控单片机接收到的红外信号是否符合设计要求。电源驱动调试。电刷制作完成后，将 LED 灯都接地，并给电机和单片机都上29/39 电。指针板开始旋转，并且 LED 灯都能点亮，供电成功。电机转速调试。调试时可试着从低到高给电机供电，使其速度慢慢提高，同时观察整个系统是不是稳定地旋转，如果速度很低就晃动得厉害就需要考虑平衡问题，哪边轻可以在哪边加配重。图 6.0 硬件实物图 30/39 第二节 软件调试 基本上排除了应用系统的硬件故障后，就可以进入软件的综合调试阶段，这个阶段的主要任务是排除软件错误，也解决硬件遗留的问题。本系统程序

42、是用汇编语言编写的，主要分为三大块：LED 扫描显示程序、单片机读写 DS1302 程序、单片机对红外遥控代码的译码程序。软件调试可以一个模块一个模块地进行。在进行软件调试时要充分利用调试软件中单步、断点、设置观察项等调试手段，主要针对程序跳转错误、程序错误、动态错误、输入输出错误和加电复位电路错误等方面着重调试。平面（图片/动画）取模时应注意：图片仅支持 24 位真彩图片，不支持其他格式图片，图片取模时，不论图片大小，先将图片按照比例缩小，并在图片中心取模，图片至少应该为 67*67，在平面上显示的字符，不能超过 4 个。图 6.1 上位机软件调试图 31/39 图 6.2 下位机软件调试

43、32/39 第三节 效果图 图 6.3 整体效果图 33/39 第四节 元件列表 图 6.4 原件列表 34/39 第七章 总结 通过这段时间的设计，终于完成了基于单片机的贴片LED 旋转屏指针时钟的设计，虽然在做的时候遇到一些困难，无线供电的问题查了很久，但经过一翻很大的努力也完全达到设计要求的，从心底里说，还是挺高兴的，毕竟这次设计所要求的东西都做了出来.在本次设计的过程中，发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计，但这次设计真的让我长进了很多，单片机的设计重点就在于软件程序的设计，需要有很巧妙的编程方法，在编程时，由于粗心大意马虎，有些语句看似没问题，可就是不出效果，经仔细揣摩修改后，程

44、序才正常运行。学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高。从这次的设计中，真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，理论指导实践，在实践中对理论知识加以理解。还要有独立思考能力和不耻下问的精神，个人能力固然重要，集体的力量更是伟大的。设计的这个基于单片机的贴片 LED 旋转屏动画功能还不是很全，以后可以考虑改进一下，使它的功能更加完善，强大。35/39 参考文献 1.陆荣庆.LED 显示屏行业发展 20 年J.电气照明，2006,25（4）：72-73.2.万文略等.单片机原理及应用M.XX：XX 大学，2004.3.唐介.电机与拖动

45、M.：高等教育，2003.4.詹新生，X 江伟.基于单片机的 16X64LED 点阵显示屏的设计J.2009.08.电子元器件应用，2009，11（8）：8-10.5.袁强，陆启生，李文煜.基于单片机 89C51 和 89C2051 点阵 LED 图文显示J.XX 单片机开发网,2006,4(1):1-4.6.邓宏贵等.基于步进电机细分驱动技术的旋转 LED 显示屏设计J.液晶与显示，2008，23（5）：596-598.7.夏萌，X文波.基于嵌入式系统的LED显示屏设计与实现J.XX大学学报（自然科学版），2009，27（2）：198-200.8.杜小华，X 伟刚，马宏亮.基于嵌入式的 LED 点阵显示系统J.XX 学院学报，2009，27（3）：18-20.9.童星.基于嵌入式的 LED 点阵显示屏的研究与实现D.XX：XX 理工大学，2005.03.10.高吉祥主编.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 .：电子工业 2007.5 36/39 谢辞