基于51單片機的旋轉led點陣顯示屏設計與實現畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 X232系列的芯片以集成度高，單＋5V電源工作，只需外接5個小電容即可完成RS232C與TTL電平之間的轉換而成為單片機系統中的常用芯片。芯片MAX232為下載模塊中最重要的組成部分。電路如圖210所示：圖210 串口下載線電路圖17洛陽理工學院畢業設計（論文）第3章 系統軟件實現 系統程序方案 程序整體規劃系統程序按照模塊化的設計思路采用C語言編寫。程序要實現串口通信，靜態顯示，畫面切換顯示三大功能。其功能結構如圖31所示。通信程序接收數據，交給主程序處理再通過控制程序選擇不同的顯示程序進行顯示。程序的總體流程如圖31所示：定時器T0中斷定時器T1中斷電源開始系統初始從顯示數組讀取顯示數據到寄存讀取控制命令，調用相應子程序選擇顯示內容外部中斷INT2圖31 主程序流程圖程序開始時首先必須對單片機進行初始化，其中初始化的內容包括：定時器中斷的開啟和偏差量初值的設定，I/O端口電平重新置高初始，顯示起始位置。初始化完成后，中斷源有外部中斷INT定時器T0、定時器T0組成。外部中斷由紅外接收管的電平變化引起INT2的觸發，外部中斷主要功能是不斷初始化程序設置。定時中斷程序設定了LED點陣顯示屏所要顯示的內容和顯示的方式，最后執行的是各種顯示程序。 定時中斷控制流程兩個定時中斷控制流程如圖32所示.定時T0中斷初值重賦變量過？接收顯示數據及控制命令，檢查接收是否完畢將顯示數據移入顯示數組并賦值給對應I\O口定時返回定時T1中斷初值重賦計時，計數判斷設置時間和累計數值是否到達，到達時，重置變量歸零定時返回圖32 定時中斷流程圖 顯示子程序介紹 在主函數中，根據定時器計數，來控制顯示狀態變量的值來判斷下一步顯示內容，即要調用那一個顯示子函數。子函數中，主要是有一個while循環構成的一個有限循環來實現字符數組中的元素值向緩沖數組的轉移。當轉移完全后，以后顯示，端口賦值直接從緩沖數組里取值。以后的顯示直接從緩沖數組中取值，顯示內容的更新與顯示時刻不沖突，避免了彼此的干擾沖突。 開發編譯環境Keil μVision4 介紹目前，單片機C語言的開發環境主要是Keil μVision，該軟件用于MCS51單片機開發工具，可以支持匯編和C語言；μVision這一開發環境集成了項目管理器、擁有完善功能的編輯器、仿真器、選項設置工具以及在線幫助，其是目前51系列單片機最佳的軟件開發工具[13]。其基本操作有：(1)打開Keil C窗口界面；(2)新建工程文件夾（ProjectNew Project），選擇路徑，輸入工程名稱，選擇對應單片機型號；(3)新建編輯區，輸入所需代碼，保存為擴展名為“.c”的文件格式；(4)再在Source Group 1中添加上步保存的“.c”文件；(5)選擇Target，勾選Create HEX File選項框，點擊“OK”；(6)然后依次點擊Translate current file、Build target、Rebuilt all target file圖標。 字符代碼生成器打開通用LED點陣代碼生成器，如圖33所示。該生成器，只需在文字預覽框里輸入要顯示的字符，點擊“旋轉點陣”并選擇“C51”或“匯編”來生成相應的顯示字符代碼。復制生成的代碼放入所編程序中，下載到硬件電路中運行顯示即可。此軟件無需安裝及驅動，直接運行即可使用，操作簡單，字符代碼生成質量高，速度快。圖33 字符代碼生成窗口21 Proteus仿真 軟件介紹Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。該軟件具有其它EDA工具軟件（如multisim）的功能。用戶可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分I2C（Inter Ic Bus）器件。可以仿真MCS51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發環境[14]。?它擁有超過27000個仿真器件：可以通過內部原型或使用廠家的SPICE文件自行設計仿真器件，Labcenter也在不斷地發布新的仿真器件，還可導入第三方發布的仿真器件；支持主流的CPU類型：如ARM8051/5AVR、808PIC10/1PIC1PIC1PIC2等；支持通用外設模型：如直流/步進/伺服電機、LCD點陣和圖形模塊、LED顯示模塊、電子溫度計、按鍵、RS232虛擬終端等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）還能夠實現通過PC機串口使仿真電路和外部電路實現雙向異步串行通信；可以與第三方集成編譯環境（如Keil C、IAR和Hitech）結合，進行高級語言的源碼級仿真與調試；從原理圖到PCB的快捷轉換：即原理圖設計完成后，可一鍵進入ARES的PCB設計環境，從而實現從原理概念圖到產品的完整設計；先進的自動布局/布線功能：支持器件的人工/自動布局；支持無網格自動布線或人工線；支持門交換與引腳交換功能，使PCB設計更具合理性[15]。 打開軟件窗口，點擊打開元器件庫（Pick parks from libraries）窗口界面，在元件查找欄輸入要查找的單片機和其他元器件,雙擊元器件名稱添加，如圖34所示。在操作編輯窗口，雙擊每個元件編輯相應參數，按照原理電路圖布線連接，仿真電路如圖35所示。圖34 元器件添加窗口圖35 仿真電路 電路仿真完成電路原理圖連線后，雙擊單片機，在彈出的界面中的Program File一欄中選擇Keil C編譯過生成的“.HEX文件”，點擊“OK”，并開始仿真。仿真結果如圖36所示。圖36 仿真結果顯示 借助仿真初步完善軟件程序由于編程時忽略發光二極管共陰、共陽問題。原理圖中二極管是共陽連接。焊接完成后，芯片引腳出來的是高電平控制，二極管又共陽連接，導致二極管與預期控制亮滅反向，所以把程序中的端口賦值按位取反。如下：P0=~V1[2*j]。//取出的數據到P0輸出口P2=~V1[2*j+1]。//取出的數據到P2輸出口24第4章 電路焊接及調試 焊接為了做到統一規劃，盡可能少出錯，避免將來后期硬件焊接完畢后或者出錯檢查相當困難，這里做了如下安排：(1)認真檢查電路原理圖，確保電路原理正確可行；(2)針對原理圖中所涉及到的所有元器件，一一確認型號、參數、數目；(3)借助萬用表一一檢測電阻，二極管，三極管，電容等元件，確保完好無損，參數正確；(4)電路焊接遵循“注意正負，認準型號，一個模塊一個模塊依次焊接，先小件后大件，焊一件測一件，測通路檢短路”的原則；(5)焊接完畢后，再次與原理圖一一對照，確認無誤，并檢測焊接在電路板上的元件好壞。 調試按照上述步驟，硬件焊接完畢，認真比對檢查，初步確認焊接與原理圖一致后。 加電初步檢測連接電源，打開開關，旋轉顯示屏不轉動，且沒有一盞LED燈點亮。發現電源指示燈不亮，用萬用表測電源接頭電壓值為0V，即電源損壞。換了一個5V直流電源后，LED屏旋轉；但LED燈不亮，使用萬用表檢查LED燈及相關電路沒有問題，但通過比較前后使用的兩個電源發現第二個電源輸出額定電流值只有800mA,又更換一個5V1A電源，上述問題解決。 載入程序驗證利用串口線，通過STC網站提供的ISP下載軟件向單片機內部程序存儲器中載入一個基本的驗證性程序。此次目的在于根據顯示效果和出現的問題，來確定硬件是否有未發現的錯誤或設計不合理的地方，進而修改完善硬件電路。若經過多次修改完善下載程序，并確定程序正確無誤，則要重新檢查審視電路原理和硬件電路焊接的正確性與合理性。這里，程序是一個最基本的引腳控制顯示程序，僅有頭文件,字符代碼數組，main()函數，總線賦值，定時器中斷，while循環。此程序旨在對硬件實物電路基本功能的測試（LED的焊接情況，電路電氣正確性，功能基本實現情況等）。ISP下載操作界面如圖41所示。圖41 ISP程序下載窗口這里，經反復核對修繕驗證程序，觀察硬件顯示效果。在借助萬用表確認焊接元器件無短路、斷路、遺漏情況，與原理圖相一致，元器件并無損壞，電路電氣特性良好，但顯示效果混亂。多次比對I/O口賦值與原理圖發現，電路設計初衷沒有考慮到的合理性。問題在于：原理圖上，發現其上P0、PP2 、P口從上到下順序為0～7，而由通用LED字符代碼生成器生成的字符代碼放在程序數組中賦給各個I\O口是上到下的順序為7～0。在設計時只是簡單亦步亦趨的按照原理圖上的芯片引腳連接的LED排列，沒有注意到在實際的軟件程序編寫過程中可能出現的不便操作，甚至是出現不可能實現的效果。找到問題所在處后，重新調整焊接了各I\O口LED燈位排列次序，使其從高到低排序是從Px^7到Px^0（x=0,1,2,3）。重新載入程序，加電實驗，可以顯示預期的簡單字符。 程序完善 顯示多樣化由于第4章的所載程序只是一個基本的驗證程序，他的功能只是檢驗硬件電路的正確性和合理完善性。要實現多樣化顯示，需要結合51單片機特點和硬件電路，在程序中要進行相應的中斷、子函數調用、數組等操作。這就增加了程序的復雜性，同時也增加了程序和硬件顯示的協調設計難度。STC89C51RC 單片機PQFP44封裝，它有足夠的I/O端口，并且擁有四個外部中斷（INT0、INTINTINT3）和三個定時器/計數器中斷（T0、TT2），這就方便了在不使用鎖存器呵占用I/O口的情況下，可以用多余的外部中斷和內部定時計數器來實現初始化、函數調用、顯示內容變換。 程序編寫設計依照軟件整體設計方案，進行程序多樣化的編寫。在此前驗證程序的基礎上，加入中斷、子函數、多個字符顯示代碼數組。難點在于如何是顯示同轉速更加順暢協調，實現程序和代碼高效率的顯示。 硬件優化影響硬件顯示效果和程序設計中的時間協調性的主要因素有：旋轉屏的旋轉速度，線圈耦合系數，次級線圈得到的電壓電流值。 轉速改善這里是增加轉速，措施是將電機原來的負極從PNP三極管B772的發射極直接接地，減少電機電路后續串聯電路阻抗的分壓。如圖51所示。圖42 電機負極接線前后對比 線圈耦合載流線圈與其他線圈之間通過磁場相互聯系的物理現象稱為磁耦合。一對有磁耦合的線圈，若流過其中一個線圈的電流隨時間變化，則在另一線圈兩端將出現感應電壓，反之亦然。這在電磁學中稱為互感效應。直流激勵下電路的穩態響應中沒有互感現象。變壓器是利用互感原理工作的最典型的電氣元件[16]。無線供電模塊中的線圈耦合原理，就等同于變壓器耦合原理，都是利用了麥克斯韋電磁場理論的基本觀點：變化的電場產生磁場；變化的磁場產生電場，也即磁耦合。 次級線圈電壓電流要想增加次級線圈的電壓與電流，就需要提高次級線圈的磁通量，可以增加次級線圈匝數，增加磁芯。這里采用了直徑小于初級線圈直徑的增加了匝數的漆包線線圈做次級線圈，并在次級線圈內部加裝一個磁導體曾加磁通量，來有效增加磁耦合。如圖52所示圖43 加裝磁導體的次級線圈51 結　論此次設計并不是一項創新性課題。旋轉的LED點陣顯示屏此前也早已有之。此次畢業設計在參考前期的參考類似設計后，了解其課題的基本原理后，擬定整體設計方案，并對各個模塊的多種實現方式對比選擇，通過軟硬件的實際效果驗證，證明此次設計和方案的可行性。最大的亮點是：以LED旋轉顯示顯示屏為中心將已有的不同技術，融合了起來：結合放大震蕩電路將低壓直流轉化成低壓交流電；引用磁耦合技術實現無線供電；才用紅外收發二極管實現程序的初始化；使用STC出品的PQFP44封裝的51單片機，充分利用了I/O口，簡單易設計；硬件電路的構建簡單，原理易懂。目前，此課題成果顯示和功能實現上，還存在諸如所編程序的不夠精簡高效，不能展現出豐富多樣的顯示效果，不能顯示完全過多內容，有噪聲的不足之處。該顯示技術已經在兒童玩具、科技趣味制作中有廣泛的應用。該設計中還可以借助鎖存器提高I/O口利用率，控制更多的LED燈數量，從而增加顯示效果豐富性；所用的LED燈還可以采用三色（RGB）LED燈，來增加顯示的炫麗多彩的效果；這種顯示形式可以嘗試著應用于戶外旋轉性設施上，作為一種城市夜晚景觀。謝 辭首先，我要感謝我的指導老師對我的悉心指導和硬件焊接條件提供。在百忙之中，她為我的畢業設計和論文的完成中費心費力，她干練敏捷的工作方式、嚴謹的治學態度以及平易近人的性格，使我很是受益和敬佩。此次畢業設計期間，秦老師給了我非常大的幫助和支持，從選題、開題報告、中期檢查、硬件設計、到最后電路焊接完成，再到論文定稿都離不開他的悉心指導。困難面前，秦老師給我了許多鼓勵，讓我信心十足的完成硬件焊接，并且順利的完成論文的撰寫。這里我還要感謝科協的同學張亞威和楊許豪。他們在我畢業設計中給了許多幫助和建議性指導，讓我能夠順利解決此次畢設中軟硬件調試過程的麻煩和問題。每次他們都并不厭其煩的認真幫著分析解