1、12012 年陕西省第三届大学生德州仪器（TI）杯模拟及模数混合电路应用设计竞赛设计报告封面学校编号 组（队）编号 选题编号参赛队编号（参赛学校填写）说 明1. 本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；2. “参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制的学校编码填写；“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，本科组数字编排范围（01-50） ，高职高专组数字编排范围（从 60 开始顺延） ；“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写。例如：“0206B”或“2862F” 。3. 本页允许各参赛学校复印。2线阵 LED 图文显示装置（H 题）摘要：
2、本系统是利用人眼视觉暂留效应的线阵 LED 图文显示系统. 该系统由电机带动一列 16 个 LED 高速旋转, 以 TI 公司的超低功耗 MCU MSP430G2553 处理器为核心，精确控制 LED 的亮灭时间, 从而实现字符及简单动态画面的显示.。采用通用 LED 取模软件, 将要显示的内容取模转换为数字信号, 并将该信号传输给线阵 LED。系统由 MSP430G2553 控制电路、直流电机及其驱动、线阵LED、标志杆等部分组成, 能够开机自动检测，通过按键切换来控制显示不同的内容, 根据环境亮度变化采用 TI 芯片 TLC555 输出 PWM 波自动调整 LED 亮暗。实验表明该系统达到
3、了设计的各项要求。关键词：MSP430G2553 线阵 LED 直流电机 图文显示31 系统方案论证与比较1.1 单片机 G2553 控制选择采用 TI 公司的 MSP430G2553，该单片机具有超低功耗及强大的处理能力，并有高性能模拟技术及丰富的片上外围模块，其构成系统工作稳定，具有方便高效的开发环境，因此在性价比、功耗、速度都优越于其他控制器。1.2 电机的比较与选择方案一：采用步进电机来带动旋转平台，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件，使得在速度、位置等控制领域用步进电机变的非常简单。故不选择。方案二：运用直流电机带动旋转平台，直流动机具有调速性能好、起动容易、能够载
4、重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛。 由于步进电机转速不易调整，而直流电机机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广、维护方便，满足题目要求，所以我们选择直流电机带动旋转平台。1.3 电机驱动电路比较与选择方案一：中功率三级管直接搭建。在电机驱动要求不高的地方可以由三极管直接搭建一个驱动电路，使用三级关搭建的电机驱动电路电路简单，但功率和性能一般。对输入信号要求较高，输出性能只能满足一般要求。方案二：使用单片机 MSP430G2553 控制电机驱动芯片 L298N。L298N 的驱动能力强，输入电压可变化范围大，是一块专用直流电机驱动芯片。其各项性能都较好，但价格较高，在电机要求驱
5、动器较高的地方使用较佳。在该系统中，带动旋转平台的直流电机使用 L298N 驱动模块，很容易实现对电机较稳的控制，故采用方案二。1.4 亮度自动调节电路比较与选择方案一：采用线性较好的光敏电阻，将光敏电阻串入控制电路的输出端再接入线阵 LED 灯，当光亮度变化时即可改变电流大小，从而达到亮暗调节。但是电路不稳定，故不采取此方案。方案二:采用光敏电阻与 TLC555 搭建电路。用 TLC555、电容、电位器组成振荡电路产生稳定的 PWM 波输出。而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。电路简单，且易于控制，因此选定此方案作为环境亮度变化调节电路。2 理论分析与参数计算
6、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：4IFVcLED工 作 电 流正 向 稳 定 电 压电 源 电 压限 流 电 阻根据设计要求， ， ， 可求得限流电阻：Vc3.F2.1mAI050R经计算采用 电阻与 LED 串联即可。102.2 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 ，LEDt完成需要时间为 ，软件延时为 ，它们之间存在下列关系：1t2t21t只要保证 ，经计算由 ， 得 ，线阵 LED 就21tmst40s35ms
7、t1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 ，LED 完成需要时间为t，软件延时为 、 ，存在下列关系：1t3t4 431tt保证 成立，确定 LED 完成需要时间为 ，线阵 LED 就能431tt ms51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 ， 、电阻 , 和光敏电阻 等组成振荡电1C21R23R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： 2321)(7.0CT周 期 ： )(2321LnR高 电 平 时 间 ： 21:Tq占 空 比光敏
8、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： mAVVRUVcILED 15103.*.3.*2805 3 电路与程序设计53.1 电路设计3.1.1 系统总体方案设计本系统将外接的 12V 电源给电机供电，4.2V 电源为控制器供电，通过电源调压芯片 LP2950-33LPR 为系统提供 3.3V 电压。单片机按照一定的算法控制电机的转动，使电机转动稳定以完成各种控制动作，总体设计框图如图 1。图 13.1.2 系统电源设计系统需要 12V、3.3V 电源，采用 12V 开关电源给直流电机供电，需要的3.3V 电压则从 4.2V 锂电池通过
9、 TI 公司的电源调压芯片 LP2950-33LPR 位系统提供 3.3V 电压，系统电源电路图见附图一。3.1.3 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 控制电路图见附图二。3.1.4 亮度自动调节电路设计通过采用 TI 公司的芯片 TLC555 与光敏电阻搭建电路。用 TLC555、电容、电位器组成振荡电路产生稳定的
10、 PWM 波输出。而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，实现亮度随外界环境变化而自动调节，亮度自动调节电路图见附图三。3.1.5 起始标志杆检测电路设计本电路采用霍尔传感器采集数据并检测标志杆，把霍尔传感器固定到旋转平台，一块小磁铁固定到标志杆上，并与霍尔传感器水平一条线放置。当旋转平台边缘上网霍尔传感器经过标志位的小磁铁时，传感器感应到磁场发生变化，同时产生输出电压脉冲，并将此脉冲送入单片机。起始标志杆检测电路图见附图四。3.2 程序设计63.2.1 主程序设计当系统上电后单片机初始化后，先进行 LED 检测，按键触发计数选择显示不同的图文，程序则按照相应部分的程
11、序算法执行，主程序流程图如图 2。图 24 测试结果4.1 测试仪器 示波器 DS1302CA、万用表 DT-92054.2 测试结果完整性1.完成制作一个由 16 只 LED 构成的线状点阵及其控制电路，安装于可旋转的平台上，在平台的中心设置一个按键，用于功能的切换，电机带动平台以合适速度旋转。2.开机时装置完成显示自检，能对点阵中 16 只 LED 逐个点亮，每只 LED 显示时间约为 1 秒，此时平台不旋转。3.通过按键切换，实现 16 个同心圆图形分别顺序（由大到小）和逆序（由小到大）显示，每个同心圆图形显示时间为 0.3 秒左右。4.LED 显示亮度能依据环境亮度变化自动调节。5.通
12、过按键切换，显示字符“TI 杯”，要求字符显示较稳定，无明显漂移。6.通过按键切换，显示一个指针式秒表，该秒表以标志杆为起始标志，秒针随时间动态旋转，旋转一周的时长为 601 秒。4.3 测试结果分析经过测试，可以确定系统构架设计比较合理，可以很好确定旋转平台的中心，电路功能实现基本符合设计要求。5 结束语7经过多日的辛勤努力，系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标，在硬件调试的过程中，我们遇到很多问题。由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方。本次竞赛锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与
13、希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。参考文献：1 秦龙编著.MSP430 单片机常用模块与综合系统实例精讲.北京：电子工业出版社，2007.72 沈建华等 .MSP430 系列 16 位超低功耗单片机实践与系统设计.北京：清华大学出版社，2005.43 郁有文等.传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社.2008.64 张剑平编著 .模拟电子技术教程.北京：清华大学出版社.2011.35 龙治红、谭本军编著。 数字电子技术.北京：北京理工大学出版社.2010.78附录一：1.系统电源电路图（见附图一）附图一2.单片机 G2553 控制电路图见附图二9附图二3.亮度自动调节电路图（
14、见附图三）附录三4.起始标志杆检测电路图（见附图四）10附图四5.电机驱动电路图（见附图五）附图五附录二：#include /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 P
15、1OUT /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)
16、 /第 1 列横向显示程序 unsigned char i,a,b;L_EN; a=d; b=e;for(i=0;i0;i-=2)display1(aai-2,aai-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;a1;i-)delay_us(1000);display(0xff,0xff);/TIMER();/*函数名：主函数*/void main (void)/ Stop watchdog timer to prevent time out resetWDTC
17、TL = 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(P1IFGif(P1IFGif(t=5)t=1; P1IFG 16if(P1IFGP1IFG if(t=1)LED_1();if(t=2)LED_2();if(t=3)LED_3();if(t=4)LED_4(); /Timer A0 interrup
18、t service routine#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR_interrupt void Timer_A0 (void)m+;if(m60)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,;uns
19、igned 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
20、 -*/*- 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,0x08,0x08,0x08,0x08,0x00,0x08,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,17/*- 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,;
