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分类号:
TN92UDC:
D10621-408-(2012)2749-0
密级:
公开编号:
2014074024
成都信息工程学院
学位论文
无线电子广告牌硬件设计
论文作者姓名:
赵俊涵
申请学位专业:
机械电子工程
申请学位类别:
工学学士
指导教师姓名(职称):
詹艳军(工程师)
论文提交日期:
xxxx年xx月xx日
无线电子广告牌硬件设计
摘要
电子广告牌是一种面向公众的信息显示终端,有着巨大的民用价值和商用价值。
而目前,许多广告牌显示的信息是事先固定在系统中的,这失去了信息的实时性。
少数广告牌采用与微机直接相连,这种系统解决了信息更新问题,但是采用有线连接却制约了广告牌终端放置的随意性,给系统的实时更新带来了不便。
本文提出了利用无线模块通信实现无线电子广告牌的方案,采用无线通讯的方式可以实时更新广告内容。
本设计利用STC12C5A60S2单片机作为系统的核心控制器,通过无线收发模块通信,利用带字库的液晶显示屏12864实现无线电子广告牌的设计。
本设计包括硬件设计和软件设计两部分,硬件设计主要是完成原理图的绘制,PCB板的制作,电路的调试,其中电路调试包括有线调试和无线调试两部分。
调试工作中无线调试是硬件设计的重中之重。
软件部分是编写串口驱动以及液晶显示屏的驱动。
通过最后的实验表明,获得了与预期相符的实验结果,液晶显示屏可以同步更新内容,该实验结果表明利用无线通信技术实现的电子广告牌安全可靠,广告内容更新速度快,避免了广告牌放置的局限性。
本设计表明无线电子广告牌具有较高性价比。
关键词:
无线通讯,单片机,电子广告牌,CC1100,液晶显示屏
Hardwaredesignofthewirelesselectronicbillboards
Abstract
Insomepublicplaces,avarietyofelectronicbillboardseverywhere.Electronicbillboardsisapublic-orientedinformationdisplayterminal,andithasgreatcivilianvalueandcommercialvalue.Atpresent,manybillboardsdisplayedinadvanceinthesystem,whichlostinformationinrealtime,andithasbroughtinconveniencetotheusertochangethedisplaycontent.Afewbillboardsdirectlyconnectedwiththecomputer,usethecomputertotransmitinformation,suchasystemtosolvetheproblemofinformationupdating,usingawiredconnectionhasrestrictedtheterminalplacementofbillboardsarbitrary,especiallyformorecustomersadvertisingcompanyreal-timeupdatestothesystem,inconvenienced.Inthispaper,theuseofwirelessmodulecommunication,wirelesselectronicbillboards,flexibletochangethecontent,veryeasytousewirelesscommunicationinreal-timeupdateadvertisingcontent,withavividdisplayadvertisingcontentupdatesfast,low-costupdatesafe,reliable,easymaintenance,nowiring.ThedesignusingAT89S51asthecorecontrollerofthesystemcommunicationthroughthewirelesstransceivermodule,thedesignofthefontLCDdisplaywirelesselectronicbillboards12864.
Thedesignincludestwopartsofthehardwareandsoftwaredesign,hardwaredesignistocompletetheschematicdrawing,theproductionofthePCBboard,circuitdebugging,circuitdebugging,includingwireddebuggingandwirelessdebuggingintwoparts.Wirelessdebuggingdebuggingisthetoppriorityofthehardwaredesign.ThesoftwarepartistowritetheserialportdriverandtheLCDdriver.
Lastexperimentshowsthattheexperimentalresultsinlinewithexpectations,theLCDscreencanbesynchronismtoupdatethecontent,thecontentcanbeeitherChinesecharacterscanbenumbers,andletters,theexperimentalresultsshowthattheuseofwirelesscommunicationtechnologytoachievesafeandreliableelectronicbillboards,adcontent,updatespeed,easytouseandsimpletoavoidthelimitationsplacedbillboards.Thisdesignisthatwirelesselectronicbillboardswithhighcost.
Keywords:
Wirelesscommunication,SCM,Electronicbillboards,CC1100LCD
目录
论文总页数:
32页
1引言 1
1.2课题背景 2
1.2.1国内外研究现状 2
1.2.2本课题研究的意义 3
1.2.3LED显示屏的分类 4
1.2.4LED显示屏的应用示例 4
1.3任务要求 5
2系统功能模块方案论证选择 6
2.1通讯模块 6
2.2微控制器模块 6
2.3显示模块 7
2.4电源模块 7
3无线电子广告牌的硬件设计 7
3.1电路设计 7
3.1.1通讯电路设计 7
3.1.2电平转换电路设计 12
3.1.3主控单片机电路设计 14
3.1.4复位电路设计 15
3.1.5显示电路设计 16
3.1.6控制IC系统供电电路设计 18
3.1.7地址编码电路设计 19
3.2原理图的绘制与PCB的设计与制作 21
4工具与平台 21
4.1程序设计思想 21
4.2程序设计流程图 21
5系统调试与测试 24
5.1调试过程 24
5.2测试结果 26
结论 27
参考文献 28
致谢 29
声明 30
附录...........................................................................................................................................30
1
成都信息工程学院学位论文
第1页
成都信息工程学院学位论文
1引言
1.1无线电子广告牌介绍
广告牌用于传达信息。
1700年年底,广告牌在整个欧洲盛行,但只是作为一个非正式的信息来源。
直到18世纪末,广告牌作为一种媒介成为一种艺术形式的扩大。
广告的新颖性直接影响到广告效果,广告公司需要随时分析消费者需求,抓住消费者心理,制定相应的广告策略,这就需要广告内容的更新更方便,更新速度更快,传统的广告方式主要采用张贴海报、发放传单的方式。
这样的广告方式浪费了大量的纸张、污染环境。
而且广告更新需要完全重新张贴,一方面浪费大量的人力物力,另一方面更新速度相当慢无法满足广告内容更新的便利性和快速性要求。
如今随着电子技术的飞速发展,广告的表现形式更加丰富多彩,现在城市中用于装点各种建筑物的绚丽色彩依旧是霓虹灯.但是霓虹灯具有发热量大,亮度较小,色彩较暗,价格较贵且耗电量较大等缺点已经不作为现在装饰的主要选择对象。
LED广告牌是一种面向公众的信息显示终端,有着非常广泛的民用和商用价值。
而现在大多数LED广告牌显示的信息都是事先固化在系统中的,这失去了信息的实时性,特别不方便用户更换显示内容;少数LED广告牌采用与微机直接相连,用微机来传送信息,这种系统解决了信息刷新问题,但由于有线连接,制约了系统放置的随意性,特别是对于面向多地区多客户的广告公司来说,给系统的实时更新和维护带来了许多不便。
本文提出了通过无线通讯方式实现广告牌的新方案,实现了对广告牌内容及显示方式的灵活改变,使用非常方便。
该方案以PC机为上位机,接收机以单片机为核心,具有较高的性能价格比。
本设计使用STC12C系列高速单片机作为主控制模块,利用简单的外围电路来驱动128×64的点阵LCD显示屏。
利用STC12C系列高速单片机本身强大的功能和内部E2PROM,可以很方便的实现单片机与PC机间的数据传输及存储,并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化,另一方面点阵显示屏广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所,所以本设计具有很强的现实应用性。
本设计采用无线通讯的方式为电子广告牌更新显示内容达到节点组网控制的目的,很好地解决了广告牌内容更新困难,和布线成本高难题,具有一定的实用价值。
1.2课题背景
近年来,信息技术长足发展,信息时代信息的重要性不容质疑,信息的价值主要在于它的真实性和瞬时性,电子广告牌是面向公众的重要信息显示终端,而传统的有线连接的广告牌已经不能满足日益加快的现代社会生活节奏和日趋激烈的商业竞争需求。
目前大多数传统的广告牌由于技术或者生产工艺的限制,其显示的信息大部分是事先固化加工在系统中的,不具有可编程性,极大地影响了用户信息的及时更新,从而失去了信息的实时性。
而现代社会竞争中,信息就是金钱,信息就是生命。
倘若信息的更新受到了制约,企业商业的利益往往就面临亏损。
目前许多广告牌商家称广告牌能够和计算机相连来解决广告牌信息不能刷新的弊端,但由于传统加密技术的过于简单化制约,迫使通过计算机来刷新广告牌信息的手段不得不采用闭路线的方式来抵御外界信号的干扰。
这样虽然在某种程度上解决了信息刷新的问题,但由于有线连接,为系统安置的随意性带来了极大的不便。
特别是对于业务面广而且客户多的广告公司来说,给系统的实时更新与维护带来了诸多不便,以至于在广告商间日趋激烈的市场竞争中处于不利地位。
我国改革开放后,特别是进入90年代国民经济高速增长,对公众场合发布信息的需求日益强烈,电子显示屏的出现正好适应了这一市场形势,因而在电子显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速地提高。
而与此同时在信息通信领域中,发展最快、应用最广的就是无线通信技术。
近年来,无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术。
其中最具代表的有移动通信、宽带无线接入。
无线通信技术首先不受时空限制,因此能够采取的通信手段和方法灵活多样,使通信联络的音频视频以及图像等数据传输畅通无阻。
无线通信技术其功能多样化、具有设备小型化、智能化使得其具有很高的可用性。
此外,无线通信技术可靠性高。
无线通信与有线通信相比很大的优点就是具有非常大地可靠性,在抵抗自然灾害方面有很好的表现。
一般情况下,除非信号干扰都能保持通信的畅通。
因此无线通信技术的发展前景非常可观。
1.2.1国内外研究现状
现在的无线通信技术包括无线电通信技术,无线光通信技术等等。
比较常用的有蓝牙(Bluetooth),无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外数据传输。
他们各自有各自的特点,或者基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求,或者由于竞争机制等等,或者符合某些单一的应用。
随着信息科技的发展,现代通信已经进入了数字化时代。
二十世纪90年代,出现了信息革命,随后随着因特网的迅猛发展,使得传统的电信业受到了巨大的冲击。
越来越多的多媒体化、多样化、全球化和个性化的信息交流,需要用无线通信技术来满足。
无线通信技术的发展经历了以下几个阶段:
最初是在1897年,马可尼使用800KHZ中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的无线电报通信试验,这是世界上第一次横跨大西洋的无线通信试验,开创了人类历史新纪元。
短波通信开始于20年代初。
短波是利用波长为100-10M(频率为3—30MHZ)的电磁波进行的无线电通信。
二十世纪六十年代卫星通信开始兴起。
卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电信号,在两个或多个地面站之间进行通信。
其特点是:
通信距离远,通信容量大,不受大气层骚动的影响,通信可靠。
直到20世纪40年代至50年代产生了微波通信。
包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波频段的移动通信。
这种微波通信传输频带较宽、性能比较稳定,成为了距离较长容量较大的地面干线无线传输的重要手段。
[1]
鉴于对无线通信技术的科学研究,在丰富的理论基础再结合迄今市场需求,无线通信技术目前的发展趋势可以概括为以下几个方面的内容。
第一,无线通信市场规模逐渐扩展。
包括移动通信、无线寻呼、卫星通信等在内的无线通信已经广泛普及和越来越多的应用,成为信息化产业中的“亮点”,成为推动当前社会经济加速发展的动力。
第二,当前,全球化及无线业务数据化已经成为厂商和广大用户所共同追求的目标,无线网络开始向全球化进程迈进,无线通信业务向话音化大规模扩大,各种业务向因特网接轨,因此,这就要求无线网络之间能相互连通、彼此共享。
第三,蓝牙、无线接入等技术的逐渐成熟,得到了越来越多的应用,无线技术领域得到了快速发展,无线通信能够为科技进步、经济发展、人类文明发挥更大的作用。
在各种无线网络融合的进程中,不断出现许多新的业务应用。
从人与人的通信到人与机、机与机之间的通信。
无线业务应用趋于多样化。
第四,无线技术宽带化。
随着信息化的不断推进,期待无线通信实现结合语音、视频等多媒体的个人通信,推动无线通信向宽带化的方向发展。
第三代移动通信技术很快将投入商用,而该技术的进一步发展将使无线资源向更宽的范围拓展,使得无线通信带宽越来越宽。
总之,每一种无线通信技术都会有自身的特殊任务:
各种形式无线技术互补发展、发挥各自所长,无线通信技术在向接入多元化、网络一体化、应用综合化的方向发展,从长远看,各种无线通信技术发展潜力巨大。
1.2.2本课题研究的意义
无线通讯技术广泛应用于移动通信网络中,近年来随着无线通讯芯片技术的革新,市场上出现了许多低成本短距离低复杂度的无线收发模块,这种技术的广泛应用,大大地改变了我们的生活,其中一项应用就是无线电子广告牌。
无线电子广告牌可以显示变化的数字,文字和图像,不仅可以用于室内显示还可以用于室外环境,具有投影仪等显示设备无法比拟的优点,且电子广告牌具有亮度高,低功耗,长寿命,耐冲击,抗震动的优点,特别适合户外广告显示。
而且,无线数据传输使得系统的布线大大地简化,使系统的可靠性提高,降低了系统的维护从成本。
目前正朝着更高亮度,更高的耐气候性,更高的发光密度,更高发光的均匀性和更高的可靠性发展。
无线电子广告牌可以通过无线通讯的方式实时更新广告内容,具有显示生动,广告内容更新速度快,更新成本低,安全可靠,维护简单,无需布线等优点。
无线电子广告牌深受各大广告商的亲睐,目前正迅速在大街小巷普及。
本次设计希望从设计这一简单的无线电子广告牌系统的过程锻炼自己的实际动手能力,检验自己在大学里学习的单片机以及编程方面的能力,并为今后的实际工作做好准备!
1.2.3LED显示屏的分类
按颜色分类可分为:
单基色显示屏:
单一颜色(红色或绿色)。
双基色显示屏红和绿双基色,256级灰度、可以显示65536种颜色。
全彩色显示屏:
红、绿、蓝三基色,256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。
按显示器件分类可分为:
LED数码显示屏:
显示器件为7段码数码管,适于制作时钟屏、利率屏等,显示数字的电子显示屏。
LED点阵图文显示屏:
显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块,适于播放文字、图像信息。
按使用场合分类可分为:
室内显示屏:
发光点较小,一般Φ3mm--Φ8mm,显示面积一般零点几至十几平方米。
室外显示屏:
面积一般几十平方米至几百平方米,亮度高,可在阳光下工作,具有防风、防雨、防水功能。
按发光点直径分类可分为:
室内屏:
Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、室外屏:
Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm。
室外屏发光的基本单元为发光筒,发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。
1.2.4LED显示屏的应用示例
见图1.1左:
图文屏右:
条幅屏
图1LED电子显示屏应用示例
其中的LED点阵单色图文动态条幅屏(下文中简称条屏),因为成本低廉、可靠性高、显示效果优良,所以成为点阵式LED汉字广告屏中的主流产品。
1.3任务要求
设计无线通讯电路,定义简单的通讯协议完成多广告节点的无线通讯网络,采用液晶屏幕作为广告显示终端,模拟广告牌显示广告内容。
其中通讯协议可完成点对点的定点广告内容更新,也可以实现多节点同时更新的广播通讯。
可显示汉字、英语、和阿拉伯数字。
重点是实现广告内容的无线更新功能,因此考虑实际制作成本我们采用LCD12864液晶屏作为显示终端,完成无线通讯的演示效果。
系统框图如下图所示:
图2系统框图
上位机软件将广告内容按照协议规定的数据包格式,封装成数据包,然后通过串口将数据包发送至CC1100收发模块,由于上位机的串口接口在物理层是采用的RS—232电平逻辑,CC1100采用的是TTL逻辑电平,所以中间需要通过MAX232电平转换模块。
CC1100无线收发模块收到来自上位机发送的数据包后,将数据包通过CC1100以无线电波的方式发送出去。
系统中,广告终端节点,收到无线信号后,将根据协议解析该数据包,通过判断数据包的目标地址来确定是否需更新显示内容。
如果数据包目的地址为本节点地址或者广播地址,该节点就修改显示内容。
否者丢弃该数据包。
2系统功能模块方案论证选择
2.1通讯模块
电子广告牌内部采用了为控制器控制显示的广告内容,当广告内容需要更新的时候,需要与电子广告牌内置的微控制器通讯,通讯方式有很多种,可将通讯分为无线通讯和有线通讯。
有线通讯中需要将需要通信的两个或多个节点通过有线电缆连接在一起,有线通讯方式中通讯速率较快,通信误码率较小、通讯可靠性较高,但是通讯网络建立在相互连接的电缆上,这使得网络组件的成本较高,另一方,网络通信线缆铺设难度加大,特别是在户外,如公交站台等。
布线难度可想而知,综合考虑布线问题,有线网络在户外使用的电子广告牌中可靠性较低,成本较高。
无线通讯无需布线,安装方便,成本低廉,便于组网。
短距离通讯,可靠性高,特别是在户外广告牌应用环境中。
综上所述,无线通讯方式更适合于电子广告牌的通讯应用。
本次设计采用无线通讯方式作为广告内容更新的途径。
2.2微控制器模块
微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。
微控制器诞生于20世纪70年代中期,经过20多年的发展,其成本越来越低,而性能越来越强大,这使其应用已经无处不在,遍及各个领域。
Intel公司作为最早推出微处理器的公司,同样也是最早推出微控制器的公司。
继1976年推出MCS-48后,又于1980年推出了MCS-51,为发展具有良好兼容性的新一代微控制器奠定了良好的基础。
在8051技术实现开放后,Philips、Atmel、Dallas和Siemens等公司纷纷推出了基于80C5l内核(805l的CMC)S版本)的微控制器。
这些各具特色的产品能够满足大量嵌入式应用需求。
基于80C51内核的微控制器并没有停止发展的脚步,例如现在Maxim/Dallas公司提供的DS89C430系列微控制器,其单周期指令速度已经提高到了805l的12倍。
基于CISC架构的微控制器除了80C51外,还包括Motorola提供的68HC系列微控制器,这也是大量应用的微控制器系列。
考虑微控制器运行速度情况,可供选择的有ARM7和高速8位单片机。
ARM的处理速度极快,但对于电子广告牌应用,ARM内部的资源浪费严重,且成本较高。
因此选择高速8位单片机作为控制器,常见的高速8位单片机有AVR系列单片机,C8051F系列单片机,STC12C系列单片机。
这几种单片机的处理速度均能达到1MIPS/MHz(在时钟频率为1MHz时处理能力为每秒100万条指令),但AVR系列单片机的极限时钟频率只能到16MHz,而C8051F系列SOC类似于ARM7,时钟速度可到100MHz,但会浪费其内部丰富的资源,而且价格昂贵,用在电子广告牌的控制中颇感浪费。
于是最佳选择为STC12C系列单片机,其最高时钟能到48MHz,且有较丰富的接口及存储器资源,价格极其低廉。
大幅降低了产品成本。
2.3显示模块
液晶显示的原理是背光灯组件发出均匀的面光,光通过液晶屏传到我们的眼睛里。
屏的作用就是按像素对这些光进行处理,以显示图像。
液晶显示模块LCD12864是一款低功耗,该点阵的屏显成本相对较低,适用于各类仪器,小型设备的显示领域。
在本设计中考虑设计成本,暂时使用LCD12864作为显示终端。
2.4电源模块
系统中单片机选用STC12C5A60S2作为控制芯片,STC12C5A60S2是一款5V供电的MCU,为防止由于输入电源电压波动对系统造成的不良影响,单片机系统需要获得一路稳定的5V电源。
故系统中电源系统需要采用5V输出的稳压电路,稳压电路可选用DCDC开关电源也可以采用线性调整降压稳压电路,如LM7805,开关稳压电源电能转换效率高,输出功率密度大,但是系统复杂,调试困难,外围器件较多,需要使用昂贵的电感器件。
成本较高,在本系统中,由于采用的STC12
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