大學畢業(yè)設計 LED點陣書寫顯示屏

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1、 題 目: LED點陣書寫顯示屏 __________________________________________________________ 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 姓 名： 指導老師： 鄭 思 凡 答辯日期：二〇〇九年三月二日 題目： LED點陣書寫顯示屏

2、 ——硬件電路部分 同組人及分工： 摘要： 本設計主要是制作一個基于32×32點陣LED模塊的書寫顯示屏，其系統(tǒng)結構如圖1所示。在控制器的管理下，LED點陣模塊顯示屏工作在人眼不易覺察的掃描微亮和人眼可見的顯示點亮模式下；當光筆觸及LED點陣模塊表面時，先由光筆檢測觸及位置處LED點的掃描微亮以獲取其行列坐標，再依據(jù)功能需求決定該坐標處的LED是否點亮至人眼可見的顯示狀態(tài)（如圖1中光筆接觸處的深色LED點已被點亮），從而在屏上實現(xiàn)“點亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對象拖移”等書寫顯示功能。 圖1? LED點陣書寫顯示屏系統(tǒng)結構示意圖

3、 關鍵詞（主題詞）： LED點陣 書寫顯示屏 掃描 光筆 軟硬件設計方案 單片機 控制器 擦除 顯示功能 點陣模塊 一、設計目的 （1）在“點亮”功能下，當光筆接觸屏上某點LED時，能即時點亮該點LED，并在控制器上同步顯示該點LED的行列坐標值（左上角定為行列坐標原點）。 （2）在“劃亮”功能下，當光筆在屏上快速劃過時，能同步點亮劃過的各點LED，其速度要求2s內(nèi)能劃過并點亮40點LED。 （3）在“反顯”功能下，能對屏上顯示的信息實現(xiàn)反相顯示（即：字體筆畫處不亮，無筆畫處高亮）。 （4）在“整屏擦除”功能下，能實現(xiàn)對屏上所顯示信息的整屏擦除。 （5）在“筆畫擦除”功能下，

4、能用光筆擦除屏上所顯漢字的筆畫。 （6）在“連寫多字”功能下，能結合自選的擦除方式，在30s內(nèi)在屏上以“劃亮”方式逐個寫出四個漢字（總筆畫數(shù)不大于30）且存入機內(nèi)，寫完后再將所存四字在屏上逐個輪流顯示。 （7）在“對象拖移”功能下，能用光筆將選定顯示內(nèi)容在屏上進行拖移。先用光筆以“劃亮”方式在屏上圈定欲拖移顯示對象，再用光筆將該對象拖移到屏上另一位置。 （8）當環(huán)境光強改變時，能自動連續(xù)調(diào)節(jié)屏上顯示亮度。 （9）當光筆連續(xù)未接觸屏面的時間超過1～5min時(此時間可由控制器設定)，能自動關閉屏上顯示，并使整個系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，此時系統(tǒng)工作電流應不大于5mA。 二、 課題實現(xiàn)方案：

5、 2.1硬件實現(xiàn)總體框圖 主控制器 單片機 AT89S52 液晶顯示 電路模塊 光筆信號輸入電路 按鍵輸入 點陣顯示 電路 擴展芯片 驅動電路 系統(tǒng)框圖 2.1.1 主控制器 單片機AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存

6、儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結

7、， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52 。 2.1.2 顯示電路 點陣顯示電路基于16個共陽的點陣LED模塊構成的32*32的電子點陣顯示屏及其驅動電路組成的，用來顯示光筆的軌跡。液晶顯示電路是由12864的液晶模塊及其驅動電路組成的，用來顯示坐標和菜單的功能。 2.1.3溫度傳感器 DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9~12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性

8、能特點如下： 2 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； 2 多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； 2 無須外部器件； 2 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0~5.5V； 2 零待機功耗； 2 溫度以9或12位數(shù)字； 2 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； 2 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 一、 主要電路模塊的實現(xiàn)方案比較及選擇 3.1 單片機最小應用系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng) 3.1.1單片機本身就是一個最小應用系統(tǒng)，由于晶振，開關等器件無法集成到芯片內(nèi)部，這些器件又

9、是單片機工作所必須的器件，因此單片機與晶振電路及由開關，電阻，電容等構成復位電路就是單片機的最小應用系統(tǒng)。 3.1.2加熱控制 加熱控制部分采用開關控制有效功率，如圖所示： 加熱控制原理圖 該部分電路主要有兩個作用：弱電(HT46R24系統(tǒng))和強電 (Ac220v)的隔離；對強電的控制。圖中Moc3061是帶過零檢測的光電耦合器，Kl是功率雙向可控硅BTA12，RL是加熱絲，J1為單片機控制口，J2接AC220V。當J1為“1”時，Moc3061工作，其過零電路使內(nèi)部的雙向可控硅在過零后馬上導通，從而使功率雙向可控硅Kl導通，此時電熱絲對水

10、加熱；當J1為“0”時，MOC3061不工作， 從而使功率雙向可控硅KI截止，電熱絲停止對水加熱。 BTA12的主要參數(shù)如下： 通態(tài)電流IT(RMS)=12A 浪涌電流ITSM=120A 正向耐壓VDRM＞600V 反向耐壓VRRM＞600V 觸發(fā)電流IGT(Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ)＜25/25/25/50mA(C)，50/50/50/100mA(B) 通態(tài)壓降VTM＜1.55V(17A) PCB圖如圖所示： 圖6 加熱控制PCB圖 3.2 數(shù)字溫度傳感器DS18B20應用 3.2.1數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡介 數(shù)字溫度傳感器DS18B20 ?是支

11、持“一線總線”接口的數(shù)字溫度傳感器。一總線獨特且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。DS18B20??的測量溫度范圍為－55℃~＋125℃，現(xiàn)場溫度直接與“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，明顯提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如環(huán)境控制，設備或過程控制，測溫類消費電子產(chǎn)品等，與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3-5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更加靈活，方便，而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小，DS18b20可由程序設定9-12位的分辨率，精度為±0.5℃，可選更小的封裝方式，更寬的電壓適應范圍。分辨率設定及用戶設定的報警溫度存儲在內(nèi)部EEPROM中，掉電

12、后依然保存，ds18b20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的，性價比也非常出色。 DS18B20的引腳圖及測溫實驗原理圖（圖3） 3.2.2. DSl820工作過程及時序 初始化 RoM 操作命令存儲器操作命令處理數(shù)據(jù) 1初始化 單總線上的所有處理均從初始化開始 2 ROM 操作命令 總線主機檢測到 DSl820 的存在 便可以發(fā)出 ROM 操作命令之一 這些命令如 指令 代碼 Read ROM(讀 ROM) [33H] Match ROM(匹配

13、 ROM) [55H] Skip ROM(跳過 ROM] [CCH] Search ROM(搜索 ROM) [F0H] Alarm search(告警搜索) [ECH] 3 存儲器操作命令 指令 代碼 Write Scratchpad(寫暫存存儲器) [4EH] Read Scratchpad(讀暫存存儲器) [BEH] Copy Scratchpad(復制暫存存儲器) [48H]

14、 Convert Temperature(溫度變換) [44H] Recall EPROM(重新調(diào)出) [B8H] Read Power supply(讀電源) [B4H] 4 時序 （1）初始化時序 初始化時序（圖4） 主機總線 to 時刻發(fā)送一復位脈沖(最短為 480us 的低電平信號) 接著，在 tl 時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)DSl820 在檢測到總線的上升沿之后，等待 15-60us 接著DS1820在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù) 60-240 us)。 （2）寫時

15、間隙 主機使用時間隙(times lots)來讀寫 DSl8B20 的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位 寫“1”和寫“0”的波形 寫‘0’和寫‘1’時序（圖5） (3)讀時間隙 圖（6）主機總線to時刻從高拉至低電平時總線只須保持低電平l 7us 之后在 t1 時刻將總線拉高產(chǎn)生讀時間隙，在t1時刻后 t 2 時刻前有效ts距 to為15us 也就是說 ts時刻前，主機必須完成讀位并在 t o 后的60us ~120 us內(nèi)釋放總線 。 讀時序（圖6） 讀位子程序(讀得的位到 C 中)

16、（5）溫度的字節(jié)轉化 溫度的字節(jié)轉（圖7） DSl8B20 中還有用于貯存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM編號為0 號和1號。 1 號存貯器存放溫度值的符號 ，如果溫度為負( ℃)，則 1 號存貯器 8 位全為1 ，否則全為 0 。0 號存貯器用于存放溫度值的補碼， MSB(最低位)的 1 表示 0.5 將存貯器中的二進制數(shù)，求補再轉換成十進制數(shù)并除以 2 就得到被測溫度值(-550℃ ~ +125℃ )。 3.2.3四段共陽數(shù)碼管的內(nèi)部結構及工作原理 （1）4段共陽數(shù)碼管 4段共陽數(shù)碼管內(nèi)部結構圖（圖8） 四段

17、共陽數(shù)碼管6，8，9，12腳為公共端接高電平，3，5，10，1，2，4，7，11為段選碼引腳，低電平有效。 （2）DS18B20的使用流程圖 DS18B20的使用流程是上電后先初始化檢測DS18B20是否存在，如果否就返回繼續(xù)檢測。如果檢測到則運行內(nèi)部讀寫溫度命令，并將DQ線置位，送溫度數(shù)據(jù)到單片機。 DS18B20的使用流程圖（圖9） 二、 系統(tǒng)電路圖 系統(tǒng)仿真圖（圖10） 系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)碼管顯示電路，發(fā)光二極管模擬加熱電路，單片機主板電路等 三、 系統(tǒng)的軟件設計 5.1程序流程圖 開始 初始化 獲取鍵值？ 按鍵判

18、斷設定溫度模塊 輸入溫度處理模塊 LED亮表示模擬加熱 Y 開始控制？ 判斷高于實際溫度？ Y N 調(diào)用LED顯示模塊顯示設定值 終止 N 通過單片機最小系統(tǒng)AT89S51來整體控制，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20來采集數(shù)據(jù)送入單片機通過單片機的綜合處理，采用4段共陽數(shù)碼管來顯示。當實際水溫低于預設水溫是P3.6口置“1”使發(fā)光二極管點亮表示通電加熱。當實際水溫高于預設水溫是二極管滅表示斷電不加熱。調(diào)節(jié)預設水溫按鍵可以預設水溫，是水溫保持在人們預想的范圍內(nèi)。按健復位電路是手動復 位，使用比較方便，在程序運行時，可以手動復位，這樣

19、就不用在重起單片機電源，就可以實現(xiàn)復位。 5.1主程序 主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，并將實際溫度和預設溫度作比較，并控制是否通電加熱。 5.2溫度采集子程序 5.2.1 ds18b20初始化子程序 PUSH B ;保存 B 寄存器 PUSH A ；保存 A寄存器 MOV A,#4 ;設置循環(huán)次數(shù) CLR P1.0 ;發(fā)出復位脈沖 MOV B,#250 ;計數(shù) 250 次 DJNZ B,$ ;

20、保持低電平 500us SETB Pl.0 ;釋放總線 MOV B,#6 ;設置時間常數(shù) CLR C ;清存在信號標志 WAITL: JB Pl.0,WH ;若總線釋放，跳出循環(huán) DJNZ B,WAITL ;總線低 等待 DJNZ ACC,WAITL;釋放總線等待一段時間 SJMP SHORT WH: MOV B,#111 WH1: ORL C,P1.0 DJNZ B,WH1 ;存在時間等待 SHORT: POP A POP B RET 5.2.2寫溫度子程序 WRBIT: P

21、USH B ;保存 B MOV B,#28 ;設置時間常數(shù) CLR P1.0 ;寫開始 NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us N0P ;1us MOVPl.0,C ;C 內(nèi)容到總線 WDLT: DJNZ B,WDLT;等待 56Us POP B SETB Pl.0 ;釋放總線 RET ;返回 PUSH B :保存 B MOV B #8H ;設置寫位個數(shù) WLOP: RRC A ;把寫的位放到 C ACAL

22、L WRBIT ;調(diào)寫 1 位子程序 DJNZ B WLOP ;8 位全寫完? POP B RET 5.3.3讀溫度子程序 RDBIT: PUSH B ;保存 B PUSH A ;保存 A MOV B,#23 ;設置時間常數(shù) CLR P1.0 ;讀開始 圖5的 t0 時刻 NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us SETB Pl.0 ;釋放總線 MOV A,P1 ;P1 口讀到 A MOV C,EOH ;P1.0 內(nèi)容 C

23、 NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us RDDLT: DJNZ B,RDDLT ;等待 46us SETB P1.0 POP A POP B RET 讀字節(jié)子程序(讀到內(nèi)容放到 A中) RDBYTE: PUSH B ;保存 B RLOP MOV B,#8H ;設置讀位數(shù) ACALL RDBIT ;調(diào)讀 1 位子程序 RRC A ;把讀到位在 C 中并依次送給 A DJNZ B,RLOP ;8 位讀完? POP B ;恢復 B

24、RET 四、 數(shù)字PID控制的基本原理 （1）、PID溫度控制子程序 比例 積分 微分 被控對象 + + + + — r(t) e(t) u(t) c(t) PID算法原理框圖 PID算法的輸出形式為一PWM波形，使電爐在一周期內(nèi)開通的時間可調(diào)，使水溫穩(wěn)定在設定值。P1D算法的表達式為: 其中，k表示第k次采樣，r(k)為設定溫度，c(k)為實際水溫，M(k)為電爐功率控制量，誤差為e(k)＝r(k)一c(k)。然而普通PID算法中引入積分環(huán)節(jié)的目的是消除靜態(tài)誤差，提高控制精度，但在過程的啟動，結束和大幅度的增減時，短時間系統(tǒng)輸出會有很大的偏差，

25、會造成PID運算的積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)和震蕩，溫度對象變化比較緩慢且?guī)в屑儨蟓h(huán)節(jié)，如果采用單純PID控制，當由較大擾動或大幅改變定值時，會產(chǎn)生較大的偏差，因此，本系統(tǒng)在PID環(huán)節(jié)的設計上采用可根據(jù)測量值與設定值偏差的變化，設置不同的積分系數(shù)項。 實驗結果和隨機誤差分析 1、 測試范圍：40℃～90℃ 2、 測試方法：從40℃開始測，每隔10℃測一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計算機上（1s發(fā)送3.5個數(shù)據(jù)），用matlab進行數(shù)據(jù)處理。 3、 ，其中為起始溫度。 4、 ，其中N表示第N個數(shù)時，系統(tǒng)進穩(wěn)態(tài)。 5、 三個指標（超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差）的測量數(shù)據(jù)如表2：

26、 6、 隨機誤差分析： ① 誤差來源：傳感器的精度影響;環(huán)境溫度的影響;其它元器件的精度。 ② 誤差計算：系統(tǒng)的誤差主要取決于傳感器的精度，本系統(tǒng)所選的傳感器精度 為±0.09℃，所以不確定度為 起始溫度℃ 設定 溫度℃ 指標 第n次測量 平均值 1 2 3 4 5 40 50 （℅） 2.1 1.8 2.0 1.7 1.8 1.9 （min） 5.6 5.2 5.4 5.0 5.3 5.3 （℃） 0.08 0.07 0.08 0.06 0.07 0.07 50 60 （℅） 2.5 2.3 2.6

27、 2.6 2.5 2.5 （min） 6.1 6.0 6.3 6.2 6.1 6.1 （℃） 0.07 0.05 0.06 0.05 0.04 0.06 60 70 （℅） 3.4 3.2 3.5 3.4 3.3 3.4 （min） 6.2 6.3 6.2 6.1 6.2 6.2 （℃） 0.05 0.04 0.04 0.04 0.03 0.04 70 80 （℅） 3.8 3.5 3.7 3.9 3.6 3.7 （min） 6.5 6.5 6.6 6.8 6.5 6.6 （℃）

28、0.05 0.06 0.06 0.07 0.06 0.06 80 90 （℅） 3.5 3.5 3.6 3.5 3.4 3.5 （min） 6.4 6.3 6.4 6.5 6.5 6.4 （℃） 0.07 0.07 0.06 0.08 0.07 0.07 1、 當溫度設定值為50時，實際測試溫度變化曲線如下： 附圖1 40 ℃～50 ℃環(huán)境溫變化曲線 串口發(fā)送數(shù)據(jù)時序 五、 結論 1.測量水溫，精度為1℃，范圍為0-99℃。 2.二個三段數(shù)碼管實時分別顯示實際水溫和預設水溫。 3.

29、仿真運行后，上方的LED數(shù)碼管顯示可預設水溫的控制點，下方LED顯示實際水溫，當實際水溫低于預設水溫時發(fā)光二極管亮表示通電電加熱，當實際水溫高于預設水溫時發(fā)光二極管滅表示斷電停止加熱。 六、 總結與體會 本系統(tǒng)中，我主要負責硬件電路的設計與制作。在設計與制作的過程中難免遇到問題，出現(xiàn)問題后，我首先是找到問題的所在，用自己有限的知識去試著分析問題，盡可能地先通過自己來解決問題，實在解決不了的，再通過請教老師、同學或查閱資料等途徑來解決，在這分析問題、解決問題的過程中我不僅很大程度上彌補了遺忘的知識，而且還學到了很多新的知識，這讓我的專業(yè)知識水平有了很大的提高。 通過這次課程設計，我深刻地認

30、識到要設計完成一個完整的系統(tǒng)并不是一件容易的事情。 首先要對系統(tǒng)要求進行分析，制定可行性方案并確定最終方案，然后電路設計仿真分析，做出實際硬件，最后整機調(diào)試（包括硬件和軟件），其中的每個環(huán)節(jié)都是至關重要的。 在學習了《單片機原理及接口技術》專業(yè)課程之后，為了將所學專業(yè)理論知識更好地應用到實際生活中，培養(yǎng)動手能力是理論聯(lián)系實踐的最好方法。發(fā)現(xiàn)問題到解決問題。本設計應用了硬件AT89S52單片機芯片模塊及結合軟件編程的程序設計借助Keil軟件調(diào)試和模擬仿真實現(xiàn)顯示功能。在設計過程中由于知識的欠缺而導致設計無法快速的完成設計，但經(jīng)過老師的指導還有同學的共同協(xié)助下克服重重的困難最終完成了畢業(yè)設計要

31、求的效果。 在整個設計的過程中全部是由自己動手完成，雖然硬件PCB布板、焊接工藝比起工廠機器的成匹生產(chǎn)還有一定的差距，在生產(chǎn)數(shù)量與工作效率還有相當遠的差異，但最關鍵的還是要弄清楚產(chǎn)品設計的工作原理與生產(chǎn)的意義，正所謂：“換湯不換藥”只有真正的學好了電子應用基礎，才能為以后長遠的發(fā)展打下堅實的基礎。因此不論以后遇到多么復雜的電路、或新產(chǎn)品的開發(fā)也可以以一遍 應萬遍。 通過實驗提高對單片機的認識；同時在焊接、布局、電路檢查能力、軟件調(diào)試等進一步熟悉和掌握單片機的結構及工作原理。而且更進一步掌握以單片機為核心的電路設計的基本方法和技術，了解表關于電路參數(shù)的計算方法，逐步掌握模塊化程序設計方法和調(diào)

32、試技術。 七、致 謝 在整個畢業(yè)設計的過程中要感謝的人很多。在大三的下學期就已經(jīng)結束了大專三年的所有課程。在大三的下學期作為畢業(yè)班的學生雖然不用再與學弟學妹一樣得去教室上課，不用在放學鈴響后跟他們擠食堂。可是作為畢業(yè)生的我們?nèi)蝿崭臃敝?，我們要一邊找工作還要一邊做畢業(yè)設計。三年的學習成效就匯集在這個畢業(yè)設計之中，是最能體現(xiàn)專業(yè)知識結晶的體現(xiàn)。 在這個畢業(yè)前的日子是最特殊的時期這將是從校園過渡到社會工作關鍵時候。正因為這樣我們才感覺到不習慣。畢業(yè)設計又具有一定的設計難度，單靠自己一個人來完成確實有一定的難度！但正因為我們在大學里生活了三年這里有我們的同班同學、老師，還有認識的朋友……，

33、在做畢業(yè)設計時的材料收集和修改論文的完成期間，在指導老師及同學的幫助下最終完成畢業(yè)設計。在此我向他們致以深深的謝意。 參考文獻 1、 單片機初級教程，北京航空航天出版社，張迎新著，2006 2、 彭建英 謝國慶．水溫智能控制系統(tǒng)的設計，2005 3、 黃瑋 葉勁松． 單片機水溫控制系統(tǒng)，1999 4、 柯南． 非常電路板設計Protel 99之Schematic?．北京：中國鐵道出版社，?2000 5、 柯南． 非常電路板設計Protel 99之PCB?．北京：?中國鐵道出版社，?2000 6、 江世明, 劉先任. 基于DS18B20的智能溫度測量裝置[J]. 邵陽學院學報(自

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