線陣LED水平旋轉(zhuǎn)顯示屏的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李小琴，陳光絨（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，浙江 寧波 315800）

LED的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(zhǎng)、光效高、無輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發(fā)光效率可達(dá)80～90%。將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈及T5三基色熒光燈進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：普通白熾燈的光效為 12 lm／W，壽命小于 2 000小時(shí)，螺旋節(jié)能燈的光效為60 lm／W，壽命小于8 000小時(shí)，T5熒光燈則為96 lm／W，壽命大約為10 000小時(shí)，而直徑為5 mm的白光 LED為 20～28 lm／W，壽命可大于100 000小時(shí)。有人還預(yù)測(cè)，未來的LED壽命上限將無窮大[1-2]。

由于LED的種種優(yōu)勢(shì)，使得其在現(xiàn)在的各個(gè)領(lǐng)域里運(yùn)用越來越廣泛，本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)LED顯示屏幕，具有結(jié)構(gòu)新穎，節(jié)約材料的特點(diǎn)，一列16個(gè)LED燈經(jīng)水平旋轉(zhuǎn)顯示之后，利用人眼的視覺停留原理，顯示想要的圖形，此裝置可以代替顯示近似于16×180像素的顯示寬度和內(nèi)容，以后不斷完善和改進(jìn)之后應(yīng)該可以在燈箱廣告和兒童玩具方面有一定的發(fā)展空間。

1 總體方案確定

本系統(tǒng)由以下電路組成：CPU電路、環(huán)境亮度檢測(cè)電路、起點(diǎn)檢測(cè)電路、功能切換開關(guān)、線陣LED驅(qū)動(dòng) 、電 機(jī) 控 制 電 路[3]。 總 框圖如1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

（1）控制系統(tǒng)的選擇：本系統(tǒng)涉及光亮度檢測(cè)和LED亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此需要用到A/D和PWM，其他無特別要求，根據(jù)現(xiàn)有條件，選用內(nèi)置A/D和PWM的STC12C5A32AD 芯 片[4-5]。

（2）起點(diǎn)位置檢測(cè)：采用光電檢測(cè)的方法，在控制板上安裝紅外發(fā)射、接收組件，當(dāng)紅外收、發(fā)組件經(jīng)過標(biāo)志桿時(shí)，控制板上發(fā)射的紅外光會(huì)被標(biāo)志桿反射回來，從而能夠檢測(cè)到標(biāo)志桿。

（3）環(huán)境光亮度檢測(cè)：本次設(shè)計(jì)沒有定量的環(huán)境亮度檢測(cè)要求，因此采用常用的光敏電阻構(gòu)成亮度檢測(cè)電路，用單片機(jī)的A/D采樣進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（4）單片機(jī)對(duì)電機(jī)控制[6]：利用互感原理實(shí)現(xiàn)控制，控制板通過三極管驅(qū)動(dòng)一組線圈，另外一組直徑稍大的線圈套在此線圈外面，這樣兩者可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以傳輸信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)上面控制板對(duì)下面電機(jī)的控制。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 線狀點(diǎn)陣LED驅(qū)動(dòng)參數(shù)分析與計(jì)算

在硬件結(jié)構(gòu)上，采用每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED的方法，因此對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)實(shí)際就是I/O外接限流電阻和LED。由于LED的壓降為1.9 V左右，LED的電流取10 mA，根據(jù)計(jì)算，限流電阻為 300 Ω。

2.2 線陣LED運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

2.2.1 同心圓顯示參數(shù)分析與計(jì)算

同心圓的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，實(shí)質(zhì)上就是將線陣LED流水燈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此程序上只要實(shí)現(xiàn)16個(gè)LED的流水燈效果和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)即可，LED的流水的時(shí)間間隔為0.3 s左右，其他不做詳細(xì)闡述。

2.2.2 文字顯示參數(shù)分析與計(jì)算

這里涉及兩個(gè)問題，第一是顯示的內(nèi)容，第二是顯示的位置。

顯示的內(nèi)容可以參照點(diǎn)陣液晶的字符顯示原理，將要顯示的文字用字模軟件生成字模信息[7]，并存放在CPU中，需要顯示時(shí)直接從CPU中取出對(duì)應(yīng)的字段信息即可。

顯示的位置則是根據(jù)標(biāo)志桿提供的信號(hào)，將兩次經(jīng)過標(biāo)志桿的時(shí)間用定時(shí)器記錄，設(shè)為T，則可以得到每1°對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t：

這樣可以將字符顯示固定在需要顯示的位置 （度數(shù)）上了。比如我們每次從標(biāo)桿開始延時(shí)30×t開始送第一批數(shù)據(jù)，則顯示的第一個(gè)字符位置每次都是從30°開始，這樣保證顯示的字符不會(huì)發(fā)生漂移了。

2.2.3 指針式秒表分析與計(jì)算

秒針在走的過程中可以理解成每隔1 s指針旋轉(zhuǎn)6°，60 s后正好是360°。因此程序中只要每秒后，在對(duì)應(yīng)的位置（如表1所示）將線陣LED點(diǎn)亮，為了更好模擬秒表效果，將最外LED恒亮，轉(zhuǎn)動(dòng)后實(shí)現(xiàn)手表中的外圓框。同時(shí)在四個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn) 12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)上顯示標(biāo)志，以便于識(shí)別時(shí)間。

2.2.4 顯示亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)分析與計(jì)算

采用光敏電阻與固定電阻的分壓得到與環(huán)境亮度相關(guān)的電壓，此電壓經(jīng)A/D采集后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量X1，8位 A/D時(shí) N的值為 0～255。

表1 時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)一周所對(duì)應(yīng)的度數(shù)

調(diào)節(jié)LED燈的亮度可以采用調(diào)節(jié)LED的供電電壓，而調(diào)節(jié)電壓可以采用PWM控制，其原理如下公式所示：

因此需要用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，由于PWM的參數(shù)是 X2=0～255，對(duì)應(yīng)占空比為 100%～0%，根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況，經(jīng)過計(jì)算，X2=255-X1×80，得到比較好的效果。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1基準(zhǔn)位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)位置檢測(cè)電路圖[8]如圖2所示。檢測(cè)電路是由一對(duì)紅外對(duì)管和比較器為主要元件構(gòu)成的?；鶞?zhǔn)點(diǎn)確認(rèn)原理是：由紅外對(duì)管的發(fā)射管信號(hào)通過標(biāo)志桿反射后被接收管接收，此時(shí)接收管內(nèi)阻變小，比較器同相端（3腳）輸入電壓減小，比較器輸出低電平，為單片機(jī)提供中斷信號(hào)，從而檢測(cè)到標(biāo)志桿的位置。

圖2 基準(zhǔn)位置檢測(cè)電路圖

3.2環(huán)境光亮度檢測(cè)設(shè)計(jì)

環(huán)境光亮檢測(cè)電路圖如圖3所示。環(huán)境光亮檢測(cè)電路是由光敏電阻RG1和分壓電阻R24組成，C2濾出。無光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，當(dāng)受到光照時(shí)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。通過單片機(jī)的A/D對(duì)光敏電阻的分壓進(jìn)行采樣，從而確定周圍的光照強(qiáng)度，再根據(jù)軟件控制單片機(jī)I/O口的PWM波的占空比進(jìn)行對(duì)LED亮度調(diào)節(jié)。

3.3電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

電機(jī)控制電路圖由圖4和圖5構(gòu)成。圖4為控制電機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生電路，圖中J1 CON2接口接的是高頻線圈，在圖5中還有一個(gè)與之相耦合的高頻線圈J2。單片機(jī)P12口產(chǎn)生約10 kHz的信號(hào)，由Q4驅(qū)動(dòng)后輸出給線圈。

圖3 環(huán)境光亮度檢測(cè)電路圖

圖4 電機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生電路圖

電機(jī)電源電路圖[9]如圖 5所示，采用直流 12 V電源，經(jīng)過極性保護(hù)（橋堆）后輸入到三端可調(diào)穩(wěn)壓集成塊上，得到與電機(jī)運(yùn)行匹配的電壓。

圖5 電機(jī)電源和控制電路圖

底板上線圈的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過半波整流后轉(zhuǎn)換成直流電壓，當(dāng)超過1.5 V以上后即可使VMOS管 （Q1）導(dǎo)通，從而電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。

4 軟件部分

根據(jù)任務(wù)要求，得到總流程圖，如圖6所示，首先是進(jìn)行自檢，然后根據(jù)切換按鍵，選擇三種模式，分別運(yùn)行同心圓，“TI杯”顯示，秒針顯示。

圖6 總流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果

（1）開機(jī)時(shí)，裝置對(duì)點(diǎn)陣中 16只 LED燈逐個(gè)點(diǎn)亮，對(duì)16只逐個(gè)點(diǎn)亮用秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)。經(jīng)測(cè)試，16只LED燈逐個(gè)點(diǎn)亮所用的時(shí)間為16 s。

（2）通過按鍵切換，實(shí)現(xiàn)16個(gè)同心圓圖形分別順序（由大到?。┖湍嫘颍ㄓ尚〉酱螅╋@示，每個(gè)同心圓圖形顯示時(shí)間為0.3 s左右。因?qū)σ粋€(gè)同心圓測(cè)試的時(shí)間太小，故測(cè)試16個(gè)同心圓所用的時(shí)間如表2所示。

表2 16個(gè)同心圓所用的時(shí)間

（3）LED自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)功能

測(cè)試LED顯示亮度隨環(huán)境亮度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，用手遮住光敏電阻（環(huán)境變暗），線陣LED亮度變暗，當(dāng)無遮擋（環(huán)境變亮）時(shí)，線陣LED亮度變亮，說明具有比較明顯的自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)。

（4）文字顯示即“TI杯”顯示：切換按鍵，顯示字符“TI杯”，字符顯示穩(wěn)定，基本無漂移現(xiàn)象。

（5）秒針顯示：切換按鍵，顯示一個(gè)指針式秒表，該秒表以標(biāo)志桿為起始標(biāo)志，秒針隨時(shí)間動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，測(cè)試旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)長(zhǎng)如表3所示。

表3 旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)長(zhǎng)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LED水平旋轉(zhuǎn)顯示屏實(shí)用性好，制作相對(duì)簡(jiǎn)單，而且能節(jié)省LED燈的使用。系統(tǒng)原理應(yīng)用巧妙、技術(shù)含量高、成本低廉、市場(chǎng)前景廣闊，可成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)[9]。

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