POV旋转LED显示器的设计

天津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。可以毫不夸张的说，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。本设计采用的是POVLED（POV即persistenceofvision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、扫描显示目录第一章LED简介...................................................1第一节什么是POV..............................................1第二节发光二极管简介..........................................2第二章LED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DS1302........................................17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.............................................................361第一章LED简介第一节什么是POVPOV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Ⅲ-Ⅳ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的，所以光仅在靠近PN结面数μm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（HG400系列）、图1.1LED结构图3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1.2LED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,LEDScreen）：又叫电子显示屏。它是由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,存放在显示屏的一张内存卡里,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4发光体,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1~9颗用于显示时针，第1~12颗用于显示分针，第1~15颗用于显示秒针，第17~19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图2.1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、7~15及20颗LED就可以显示