MSP430F149的线阵LED图文显示装置设计
MSP430F149的线阵LED图文显示装置设计[20200128191628]
摘 要
本设计主要用于广告宣传和电子领域展会，有较高的潜在美学和使用价值。利用MSP430F149为核心控制芯片，并且利用TPS5430DDA制作稳压电源电路，驱动电机稳定旋转。电机驱动则采用STC12C5204AD芯片和红外技术。根据霍尔原理，采用A04E霍尔元件检测磁场变化，实现信号的触发，抑制字符漂移。本设计还有一个特色就是采用光电传感器，实现自动调节LED显示的亮度 。最后利用人眼的视觉暂留，构成一个LED显示屏，能对16只LED逐个点亮，稳定的显示出同心圆、渐开线、TI杯、指针式秒表。
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关键字:】MSP430F149,线阵LED,直流电机,图文显示,TPS5430DDA,STC12C5204AD
一、引言 1
二、系统设计 1
（一）设计方案的选择与论证 1
（二）系统原理框图的设计 2
三、理论分析与计算 3
（一）线状点阵LED 驱动参数分析与计算 3
（二）线阵LED运动参数分析 4
（三）指针式秒表分析与计算 5
（四）显示亮度自动调节分析 5
四、硬件设计 5
（一）芯片介绍 5
（二）电路设计 10
（三）元器件清单 16
五、软件设计 16
（一）程序设计原理 16
（二）程序流程图 17
（三）程序 18
六、调试 18
（一）程序下载 19
（二）系统调试 21
（三）调试结果 21
（四）调试分析 24
结束语 24
致谢 25
参考文献 25
附录 26
（一）元件清单 26
（二）程序代码 28
一、引言
为了实现设计要求，本系统运用了低功耗、高速度、多端口的MSP430F149单片机芯片实现控制。使用霍尔传感器实现信号的触发，抑制漂移，同时选用高亮、发红光的LED。用STC12C5204AD芯片和红外技术控制电机启停。用光电传感器控制LED的亮度，选用高效 TPS5430DDA芯片制作开关稳压电源，驱动直流电机的稳步高速运转。整个系统硬件电路紧凑、对称、整齐，机械结构合理，重心稳定，达到了设计所有要求功能。
二、系统设计
（一）设计方案的选择与论证
1、单片机F149控制选择
采用TI公司的MSP430F149，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。
2、电机的选择
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。
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STC12C5204AD单片机和三级管的驱动电路控制电机启停。其控制相对容易，但比较稳定，性能较好。
在该系统中，带动旋转平台的直流电机使用STC12C5204AD单片机，很容易让电机稳定，故采用方案二。
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OP2430与光敏电阻搭建电路。组成负反馈放大电路输出。而光敏电阻的变化引起输出电压的变化，从而改变显示亮度，实现亮度随外界环境变化而自动调节。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。
5、电池选择
方案一：选用七号电池。成本低，电量充足，驱动能力强，LED发光强度大，但质量大，电机负载就大，且占用空间大，不易固定。
方案二：选用纽扣电池。成本高，电量小，但质量轻，体积小，易于固定，所以选择方案二。
（二）系统原理框图的设计
通过将MSP430F149芯片与SN74HC573AN制作的发光二极管驱动模块固定在电机的旋转轴上，利用单片机控制发光二极管的亮灭，同时利用光电传感器来自动调节LED显示的亮度。利用TPS5430DDA制作稳压电源电路，驱动电机高速、稳定旋转。根据霍尔原理，采用霍尔元件（A04E）检测磁场变化，实现信号的触发，抑制字符漂移，利用人眼的“视觉暂留效应”显示文字及图案，稳定的显示出同心圆、渐开线、TI杯、指针式秒表。其框图如图1所示：其中电源1为TPS5430DDA稳压电源电路，电源2为7805供电电路，电源3为正3.3V稳压电路。
图1 系统方框图
三、理论分析与计算
（一）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LED与电阻串联的方式来驱动点亮LED，16位LED为低电平有效，在电路中用锁存器输出端控制，LED的高电平由控制亮暗检测电路控制接在共阳端，可以通过外部环境的亮度进行控制给定的电压，该限流电阻计算公式如下：
（公式1）
根据设计要求， ， ， 可求得限流电阻：
经计算采用 电阻与LED串联即可。
（二）线阵LED运动参数分析
同心圆：每0.2秒一圈，由大到小再到大循环往复，如图2、3、4所示。当电机运转之后16位LED灯每一位灯亮0.2秒，形成一个圆周，之后LED灯做左右移动，就得到一组由大到小由小到大的同心圆。
图2同心圆、渐开线
图3圆周由小到大 图4圆周由大到小
渐开线：在线阵上也是向右移动，把它的每一个LED的延时时间缩小，不断缩小，当电机运行是就会出现弧线，每一个灯的弧线相连就会出现一个渐开线，如图5所示。
图5延时时间T↓后， 在同一个圆周上的起始点的分布图
（三）指针式秒表分析与计算
为了使秒表不偏移使用了霍尔，可以抑制漂移，通过霍尔检测出电机的周期T 之后只要通过分割周期就可以实现秒针的移动一格的位置是多少。
（公式2）
得到每一格秒针的位置，用延时不断的使秒针运动，60秒走完60*（T/60）就可以实现秒表了，指针式秒表线阵如图6所示。
图6 指针式秒表线阵
（四）显示亮度自动调节分析
由于受到外部环境的影响，所以对LED的亮度有要求，可以根据外部环境尽心调节，所以在LED的共阳端介入了一个光控电路控制亮度（调节电压）。主控芯片为OP2340,经过测量，需要用2个电位器串接在电路中，一个为0-50K,还有一个为0-5K。
四、硬件设计
（一）芯片介绍
1.MSP430F149芯片介绍
特点:
（1）超低功耗
MSP430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压，RAM 数据保持方式下耗电仅0.1uA，活动模式耗电250pA／MIPS(MIPS：每秒百万条指令数)，IO输入端口的漏电流最大仅50nA。
（2）强大的处理能力
MSP430 系列单片机是16 位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集(RISC)结构。
（3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块
MSP430 系列单片机结合TI 的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。
（4）系统工作稳定
上电复位后，首先由DCO_CLK 启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
摘 要
本设计主要用于广告宣传和电子领域展会，有较高的潜在美学和使用价值。利用MSP430F149为核心控制芯片，并且利用TPS5430DDA制作稳压电源电路，驱动电机稳定旋转。电机驱动则采用STC12C5204AD芯片和红外技术。根据霍尔原理，采用A04E霍尔元件检测磁场变化，实现信号的触发，抑制字符漂移。本设计还有一个特色就是采用光电传感器，实现自动调节LED显示的亮度 。最后利用人眼的视觉暂留，构成一个LED显示屏，能对16只LED逐个点亮，稳定的显示出同心圆、渐开线、TI杯、指针式秒表。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】MSP430F149,线阵LED,直流电机,图文显示,TPS5430DDA,STC12C5204AD
一、引言 1
二、系统设计 1
（一）设计方案的选择与论证 1
（二）系统原理框图的设计 2
三、理论分析与计算 3
（一）线状点阵LED 驱动参数分析与计算 3
（二）线阵LED运动参数分析 4
（三）指针式秒表分析与计算 5
（四）显示亮度自动调节分析 5
四、硬件设计 5
（一）芯片介绍 5
（二）电路设计 10
（三）元器件清单 16
五、软件设计 16
（一）程序设计原理 16
（二）程序流程图 17
（三）程序 18
六、调试 18
（一）程序下载 19
（二）系统调试 21
（三）调试结果 21
（四）调试分析 24
结束语 24
致谢 25
参考文献 25
附录 26
（一）元件清单 26
（二）程序代码 28
一、引言
为了实现设计要求，本系统运用了低功耗、高速度、多端口的MSP430F149单片机芯片实现控制。使用霍尔传感器实现信号的触发，抑制漂移，同时选用高亮、发红光的LED。用STC12C5204AD芯片和红外技术控制电机启停。用光电传感器控制LED的亮度，选用高效 TPS5430DDA芯片制作开关稳压电源，驱动直流电机的稳步高速运转。整个系统硬件电路紧凑、对称、整齐，机械结构合理，重心稳定，达到了设计所有要求功能。
二、系统设计
（一）设计方案的选择与论证
1、单片机F149控制选择
采用TI公司的MSP430F149，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。
2、电机的选择
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。
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STC12C5204AD单片机和三级管的驱动电路控制电机启停。其控制相对容易，但比较稳定，性能较好。
在该系统中，带动旋转平台的直流电机使用STC12C5204AD单片机，很容易让电机稳定，故采用方案二。
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OP2430与光敏电阻搭建电路。组成负反馈放大电路输出。而光敏电阻的变化引起输出电压的变化，从而改变显示亮度，实现亮度随外界环境变化而自动调节。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。
5、电池选择
方案一：选用七号电池。成本低，电量充足，驱动能力强，LED发光强度大，但质量大，电机负载就大，且占用空间大，不易固定。
方案二：选用纽扣电池。成本高，电量小，但质量轻，体积小，易于固定，所以选择方案二。
（二）系统原理框图的设计
通过将MSP430F149芯片与SN74HC573AN制作的发光二极管驱动模块固定在电机的旋转轴上，利用单片机控制发光二极管的亮灭，同时利用光电传感器来自动调节LED显示的亮度。利用TPS5430DDA制作稳压电源电路，驱动电机高速、稳定旋转。根据霍尔原理，采用霍尔元件（A04E）检测磁场变化，实现信号的触发，抑制字符漂移，利用人眼的“视觉暂留效应”显示文字及图案，稳定的显示出同心圆、渐开线、TI杯、指针式秒表。其框图如图1所示：其中电源1为TPS5430DDA稳压电源电路，电源2为7805供电电路，电源3为正3.3V稳压电路。
图1 系统方框图
三、理论分析与计算
（一）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LED与电阻串联的方式来驱动点亮LED，16位LED为低电平有效，在电路中用锁存器输出端控制，LED的高电平由控制亮暗检测电路控制接在共阳端，可以通过外部环境的亮度进行控制给定的电压，该限流电阻计算公式如下：
（公式1）
根据设计要求， ， ， 可求得限流电阻：
经计算采用 电阻与LED串联即可。
（二）线阵LED运动参数分析
同心圆：每0.2秒一圈，由大到小再到大循环往复，如图2、3、4所示。当电机运转之后16位LED灯每一位灯亮0.2秒，形成一个圆周，之后LED灯做左右移动，就得到一组由大到小由小到大的同心圆。
图2同心圆、渐开线
图3圆周由小到大 图4圆周由大到小
渐开线：在线阵上也是向右移动，把它的每一个LED的延时时间缩小，不断缩小，当电机运行是就会出现弧线，每一个灯的弧线相连就会出现一个渐开线，如图5所示。
图5延时时间T↓后， 在同一个圆周上的起始点的分布图
（三）指针式秒表分析与计算
为了使秒表不偏移使用了霍尔，可以抑制漂移，通过霍尔检测出电机的周期T 之后只要通过分割周期就可以实现秒针的移动一格的位置是多少。
（公式2）
得到每一格秒针的位置，用延时不断的使秒针运动，60秒走完60*（T/60）就可以实现秒表了，指针式秒表线阵如图6所示。
图6 指针式秒表线阵
（四）显示亮度自动调节分析
由于受到外部环境的影响，所以对LED的亮度有要求，可以根据外部环境尽心调节，所以在LED的共阳端介入了一个光控电路控制亮度（调节电压）。主控芯片为OP2340,经过测量，需要用2个电位器串接在电路中，一个为0-50K,还有一个为0-5K。
四、硬件设计
（一）芯片介绍
1.MSP430F149芯片介绍
特点:
（1）超低功耗
MSP430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压，RAM 数据保持方式下耗电仅0.1uA，活动模式耗电250pA／MIPS(MIPS：每秒百万条指令数)，IO输入端口的漏电流最大仅50nA。
（2）强大的处理能力
MSP430 系列单片机是16 位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集(RISC)结构。
（3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块
MSP430 系列单片机结合TI 的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。
（4）系统工作稳定
上电复位后，首先由DCO_CLK 启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
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