LED旋转灯

线阵LED图文显示装置

摘要：

本设计采用自顶向下的设计方法。首先明确这个题目要实现的功能，再将该系统分成LED 阵列控制、电机测速和标杆定位等3个模块。用手机电池给LED和单片机供电，单片机工作电压为3.3V，LED用NPN三极管8050驱动。采用霍尔传感器实现标杆定位功能，采用光敏二极管控制LED亮度。旋转平台的平衡调节、采用手机可充电电池供电。

一、本设计的亮点和创新点

1.采用手机充电电池作为LED阵列和处理器的电源。手机电池容量、体积轻、可充电循

环利用。充电时不需要拆下电池。

2.通过光敏二极管和一个2.7K的电阻一起控制NPN型三极管基极的电流，从而控制加在

LED上面的电流，这样不需要在每个LED前面加限流电阻。只需要用一个限流电阻，电路简单。光敏二极管暗电流较小，有光时光电流较大。

3.LED阵列采用共阳极的接法，防止因为单片机高电平电压不足导致LED不亮。

二、方案论证与设计

1、整体结构方案

方案一：LED阵列的供电电源安装在下面木板上，然后采用电刷与上面连接给上面的单片机和其他元器件供电。但是由于转速比较快电刷很可能因发热刷坏，工作寿命不长，故舍去该方案。

方案二：将LED阵列的供电电源安装在旋转平台上。旋转平台一端安装电池和单片机，另一端安装LED和单片机。再用螺钉、螺帽增减配重的方式调节平衡。

综合以2

2、处理器选取方案

方案一：采用ARM 处理器进行数据处理，ARM处理器处理数据比较高，而且端口比较多，可以处理多个任务。但是ARM价格高，且本任务数据处理比较简单。故舍去该方案。

方案二：采用比较普及的STC89C51处理器，价格低廉，易于控制。但我们在面包板上做实验时发现用51功耗太大，工作电压范围为3.4~~5.5V电源电压不足驱动不了。手机电池要给LED阵列、单片机、霍尔传感器、光敏二极管等器件供电，我们在面包板上实验发现他们工作时单片机分得的电压只有3.3V无法使单片机工作，故舍去该方案

方案三：使用MSP430单片机，该单片机功耗小，重量较轻，很适合做这个LED线阵的控制器。故选择该方案。

4．LED线阵供电方案

方案一：采用9V电池供电，9V电池电压比较足，储电量较大，能给LED和单片机提供很充足的电量。但是它体积比较大，当电机转速很快时离心力很大，若电池甩出很易伤人，故舍去该方案

方案二：采用两节3V纽扣电池供电，我们在面包板上实验发现用纽扣电池供电，电压足够，可以正常工作。但是纽扣电池储电量很小，工作一个小时左右电池就没电了。工作不持久，故舍去该方案。

方案三：采用废手机的电池供电。手机电池上面有三个端口，有两个两端电压为 3.7V，另两端电压为4.2V，我们使用4.2V的电压供电。手机电池重量轻，容量大，可充电长时间、多次使用。并且在面包板经过实验，可以稳定使用。比较这三种方案，我们采用了方案三。

5．电机选择方案

方案一：采用步进电机，步进电机具有精确定位，速度易控制，但速度较低，不能达到显示字符的速度要求。

方案二：采用直流电机，转速高，价格低廉，有些直流电机速度也较稳定。我们在实验室找到了一个旧直流电机，通过测试转速，发现还算稳定，所以我们就采用了直流电机作为动力装置

三、理论分析计算与硬件电路图

1．LED阵列模块

1.1 系统框图

·2 理论分析与参数计算

·2.1 线状点阵LED 驱动参数分析与计算

该线状点阵中LED 驱动方法为普通的LED 与电阻串联的方式来驱动点亮LED ，该限流电阻计算公式如下：

IF

VF Vcc LED LED -=-=工作电流正向稳定电压电源电压限流电阻 根据设计要求，V Vcc 3.3=，V VF 2.1=，mA IF 20=可求得限流电阻：

Ω=-=

105202.13.3mA

V V R 经计算采用Ω100电阻与LED 串联即可。

·2.2 线阵LED 运动参数分析与计算 在电机的带动下，线阵LED 依靠旋转平台进行旋转，设电机周期为t ，LED 完成需要时间为1t ，软件延时为2t ，它们之间存在下列关系：

21t t t +=

只要保证21t t t +=，经计算由ms t 40=，ms t 352=得ms t 51=，线阵LED 就能很好的地显示图文。

·2.3 指针式秒表分析与计算

指针秒表完全通过软件来控制显示，设电机周期为t ，LED 完成需要时间为1t ，软件延时为3t 、4t ，存在下列关系：

431t t t t ++=

保证431t t t t ++=成立，确定LED 完成需要时间为ms t 51=，线阵LED 就能很好的地显示秒表计时。

·2.4 显示亮度自动调节分析与计算

采用TI 的TLC555、电容1C ，2C 、电阻1R ,2R 和光敏电阻3R 等组成振荡电路产生稳定的PWM 波输出。则产生PWM 波的周期、高电平及其占空比的计算公式如下：

23

2321)2(7.0C R R R R R T ∙+∙+∙=周期： 2)(23

23211Ln C R R R R R T ∙∙++=高电平时间： 2

1:T T q =占空比 光敏电阻的变化引起输出PWM 波占空比的变化，从而改变显示亮度,即电流控制。控制电流大小计算如下：

mA V V V R U U Vcc I LED 151003.0*22.13.3*28050=Ω

--=--=

3硬件系统

·3.1 单片机G2553控制电路的设计

控制电路主要有单片机MSP430G2553、串并转换芯片74HC164、16个限流电阻和16个LED 组成的。单片机很好地利用软件程序发送串行数据，通过串并转换芯片把从单片机发出的数据通过限流电阻并行送到16个LED ，控制线阵LED 显示图文，单片机G2553控制电路图见附图。