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。

4.起始标志杆检测电路图
四．软件程序
#include<msp430g2553.h> //单片机头文件
#define CPU_F ((double)1000000)
#define delay_us(x) __delay_cycles((long)(CPU_F*(double)x/1000000.0)) // 调用delay_ms(2000);延时2000MS #define delay_ms(x) __delay_cycles((long)(CPU_F*(double)x/1000.0)) // 调用delay_us(x); 延时X us
#define L_WR P1OUT &= ~BIT5
#define H_WR P1OUT |= BIT5
#define L_CLK P2OUT &= ~BIT0
#define H_CLK P2OUT |= BIT0
#define L_DAT0 P2OUT &= ~BIT1
#define H_DA T0 P2OUT |= BIT1
#define L_DAT1 P2OUT &= ~BIT2
#define H_DA T1 P2OUT |= BIT2
#define L_EN P2OUT &= ~BIT3
#define H_EN P2OUT |= BIT3
//#define KEY P1; //霍尔传感器A04E 设置中断标志位
unsigned char const zimu[],aa[];
unsigned char t=0;
unsigned char m=0;
unsigned char x=0,y=0;
/******************************************************************************************* **
函数名：关闭所有LED灯（操作硬件）
结果：所有LED灯熄灭
******************************************************************************************** **/
void DISPLAY_OFF (void)
{
delay_us(50);//显示停留
L_WR;
H_WR;
}
/******************************************************************************************* ***/
/******************************************************************************************* **
参数：16位显示数据（下高位）（d：上面8位，e：下面8位）
******************************************************************************************** **/
void display(unsigned char const d,unsigned char const e) //第1列横向显示程序
{
unsigned char i,a,b;
L_EN;
a=d; b=e;
for(i=0;i<8;i++)
{
L_CLK;
if((a&0x80)==0x80)
H_DA T0;
else
L_DA T0;
if((b&0x80)==0x80)
H_DA T1;
else
L_DA T1;
H_CLK;
a<<=1; b<<=1;
}
H_EN;
DISPLAY_OFF();
}
void display1(unsigned char const d,unsigned char const e) //第1列横向显示程序
{
unsigned char i,a,b;
L_EN;
a=e; b=d;
for(i=0;i<8;i++)
{
L_CLK;
if((a&0x80)==0x80)
H_DA T0;
else
L_DA T0;
if((b&0x80)==0x80)
H_DA T1;
else
L_DA T1;
H_CLK;
a<<=1; b<<=1;
}
H_EN;
}
/**************************************************************************** 时钟初始化
***************************************************************************/
void OSCILLATOR_Init(void)
{
if (CALBC1_1MHZ == 0xFF || CALDCO_1MHZ == 0xFF)
{while(1);} // If calibration constants erased, trap CPU!!
BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; // Set range
DCOCTL = CALDCO_1MHZ; // Set DCO step + modulation
BCSCTL3 |= LFXT1S_2; // Set LFXT1
IFG1 &= ~OFIFG; // Clear OSCFault flag
BCSCTL2 |=SELM_1 + SELS + DIVM_0; // Set MCLK
}
/******************************************************************************************* **
函数名：IO初始化程序
******************************************************************************************** **/
void init (void) //初始IO接口状态
{
P1DIR = 0xff;
P2DIR = 0xff;
P1OUT = 0xff;
P2OUT = 0xff;
}
/***************************************************************************** 定时器初始化
*************************************************************************/
void TIMER()
{
TACTL = TASSEL_2 + MC_1 ; // SMCLK, Contmode 使计数模式为增计数
CCTL0 = CCIE; // CCR0 interrupt enabled
CCR0 = 14000; //初始值为14000相当于1s
}
/************************************************************************* 扫描中断初始化函数
******************************************************************************/ void Z_init()
{
P1DIR &= ~BIT4;
P1DIR &= ~BIT0;
P1SEL &= ~BIT4;
P1SEL &= ~BIT0;
P1IFG &= ~BIT4;
P1IFG &= ~BIT0;
P1IE |= BIT4;
P1IE |= BIT0;
P1IES &= ~BIT4;
P1IES |= BIT0;
}
/******************************************************************************/ void LDE_0() //16个LED逐个亮1S
{
unsigned char i=0;
for(i=0;i<32;i+=2)
{
display1(aa[i],aa[i+1]);
delay_ms(1000);
}
// P2OUT |= BIT2; //启动电机
delay_ms(10);
_EINT(); //开中断
}
/***************************************************************************/ void LED_1() //同心圆从大到小0.3S
{
unsigned char i=0;
for(i=0;i<32;i+=2)
{
display1(aa[i],aa[i+1]);
delay_ms(300);
}
}
/***************************************************************************/ void LED_2() //同心圆从小到大0.3S
{
unsigned char i;
for(i=32;i>0;i-=2)
{
display1(aa[i-2],aa[i-1]);
delay_ms(300);
}
}
/*****************************************************************************/ void LED_3() //TI杯显示
{
unsigned char a;
unsigned int c=0; //数据指针
for(a=0;a<55;a++)
{
display(zimu[c],zimu[c+1]);
c=c+2; //产生显示一列移位
}
delay_ms(25);
delay_us(700);
}
/****************************************************************************/ void LED_4() //指针式秒表
{
unsigned char i;
y++;
if(y==30)
{
y=0;
x++;
}
if(x==60)x=0,y=0;
for(i=61-x;i>1;i--)
{
delay_us(1000);
}
display(0xff,0xff);
//TIMER();
}
/***************************************************************************** 函数名：主函数
******************************************************************************/ void main (void)
{
// Stop watchdog timer to prevent time out reset
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
OSCILLATOR_Init(); //时钟初始化
init(); //IO初始程序
Z_init(); //中断初始化
LDE_0(); //启动自检开中断
while(1)
{}
}
/**************************************************************************/
#pragma vector=PORT1_VECTOR //霍尔中断
__interrupt void port_1(void)
{
if(P1IFG&BIT0)
{
delay_ms(1);
if(P1IFG&BIT0)
{
t++;
if(t==5)t=1;
P1IFG &=~(BIT0);
}
}
if(P1IFG&BIT4)
{
// delay_ms(1);
P1IFG &=~(BIT4);
if(t==1)LED_1();
if(t==2)LED_2();
if(t==3)LED_3();
if(t==4)LED_4();
}
}
//Timer A0 interrupt service routine
#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR
__interrupt void Timer_A0 (void)
{
m++;
if(m>60)m=0;
}
/****************************************************************************** 字幕数组
*******************************************************************************/ unsigned char const aa[] = { //从外到内，一次点亮
0x00,0x01,0x00,0x02,0x00,0x04,0x00,0x08,0x00,0x10,0x00,0x20,0x00,0x40,0x00,0x80,
0x01,0x00,0x02,0x00,0x04,0x00,0x08,0x00,0x10,0x00,0x20,0x00,0x40,0x00,0x80,0x00,
};
unsigned char const zimu[] = {// (取码：从上到下从左到右，纵向8位下高位）
//TI杯
0x04,0x02,0x04,0x01,0x84,0x00,0xE4,0x0F,//不
0x1C,0x00,0x84,0x00,0x04,0x01,0x04,0x06,
0x04,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x10,0x04,0x10,0x03,0xd0,0x00,0xFe,0x0F,//木
0x50,0x00,0x90,0x00,0x10,0x04,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
/*-- 文字: I --*/
/*-- 宋体12; 此字体下对应的点阵为：宽x高=8x16 --*/
0x00,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0xF8,0x0F,
0x08,0x08,0x08,0x08,0x00,0x08,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
/*-- 文字: T --*/
/*-- 宋体12; 此字体下对应的点阵为：宽x高=8x16 --*/
0x08,0x00,0x08,0x00,0x08,0x00,0xF8,0x0F,
0x08,0x00,0x08,0x00,0x08,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
};。