基于AT89C51單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)LED汽車站臺(tái)信息顯示器設(shè)計(jì)

周凌翱+車金慶

摘要：本文主要以單片機(jī)為核心控制模塊對(duì)旋轉(zhuǎn)LED站臺(tái)信息顯示整體設(shè)計(jì)思路、硬件與軟件設(shè)計(jì)及旋轉(zhuǎn)外殼的裝配調(diào)試過程作簡要的說明。該LED顯示能通過按鍵的輸入對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，停止以及對(duì)其速度的控制，來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)LED的信息顯示。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)；LED點(diǎn)陣；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）33-0267-02

LED旋轉(zhuǎn)屏利用人的視覺暫留效應(yīng)，通過高速旋轉(zhuǎn)的LED燈陣列，形成一個(gè)360?環(huán)形畫面，創(chuàng)造立體效果，不管人站在那個(gè)角度都能看到顯示的內(nèi)容。因該制作使用無線供電，相對(duì)于直接供電，造價(jià)相對(duì)較高，推廣有一定的難度，但現(xiàn)在無線供電的效率越來越高，相信在不久的將來它一定能夠得到推廣。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)LED汽車信息顯示屏，具有車輛信息顯示，日期時(shí)間顯示，車輛到站提示，不同線路的顯示顏色不同。

基本要求：1）顯示車輛信息；2）車輛到站提示；3）能夠長時(shí)間的運(yùn)作（至少12小時(shí)以上）。

1.2設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)的核心原理使用的是視覺暫留效應(yīng)[1]，具體原理為：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一排由單片機(jī)控制的LED線陣高速旋轉(zhuǎn)，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由運(yùn)動(dòng)而成的“LED點(diǎn)陣”，不停地刷新LED，上一時(shí)刻由LED發(fā)光所形成的影像在大腦暫存，下一時(shí)刻的影像又馬上出現(xiàn)，便完成了圖案、字符的顯示。根據(jù)研究表明，當(dāng)圖像的刷新率達(dá)到當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到25轉(zhuǎn)/秒以上時(shí)，大腦無法辨別物體的運(yùn)動(dòng)。這也是早期膠片式電影所采用的幀速率）時(shí)，人眼便不會(huì)感受到因圖像變換而產(chǎn)生的“跳動(dòng)感”。如圖1所示為人眼暫留效應(yīng)示意圖。

一般的led顯示是采用的是逐行換位下移點(diǎn)亮器件的掃描方式來顯示所需要的信息，它需要點(diǎn)亮足夠led才能正常顯示。旋轉(zhuǎn)led則通過旋轉(zhuǎn)掃掃描的方式代替逐行掃描。如圖 2所示為一般led顯示示意圖，圖 3 為旋轉(zhuǎn)掃描示意圖。

1.3概念設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)LED汽車信息顯示屏主要由屏幕顯示、外殼、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大主要的功能組件構(gòu)成，每個(gè)功能組件又細(xì)分為一些具體功能元件，概念框圖如圖4 所示。

1.4 實(shí)現(xiàn)方法

本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心控制模塊，充分利用了旋轉(zhuǎn)模塊、led驅(qū)動(dòng)障模塊、電源模塊、串口通信模塊、復(fù)位模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。通過實(shí)踐操作與程序調(diào)試，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)信息顯示站臺(tái)設(shè)計(jì)；綜合運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、檢測技術(shù)等使站臺(tái)能夠旋轉(zhuǎn)，利用人的視覺暫緩原理，實(shí)現(xiàn)信息顯示。設(shè)計(jì)整體模塊框圖如圖5 所示。

2主要單元模塊設(shè)計(jì)

2.1 LED旋轉(zhuǎn)模塊方案設(shè)計(jì)

本課題中的LED是在高速旋轉(zhuǎn)的過程中顯示的，這就必須保證旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和精確性，這樣可以避免在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致崩潰以及存在的各種安全隱患。因此提出采用步進(jìn)電機(jī)來控制顯示屏旋轉(zhuǎn)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)能使步距角變更為其固有步距角的1/n，同時(shí)也完全消除電機(jī)在低頻時(shí)的振蕩，大大增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力。由于它不受負(fù)載變化的影響，有這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，所以大大增強(qiáng)了步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行的過程中的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和精確性。另外步進(jìn)電機(jī)的抗干擾能力比較強(qiáng)，控制起來簡單，因此旋轉(zhuǎn)LED顯示屏顯示效果的清晰程度得到了保證。

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方案設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方案設(shè)計(jì)要求電機(jī)可以通過調(diào)節(jié)改變轉(zhuǎn)速，達(dá)到穩(wěn)定顯示的效果。因此采用基于單片機(jī)的PWM直流調(diào)速方案。此方案硬件上采用單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種直流電機(jī)高速系統(tǒng)。軟件上通過用C51語言編程單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)的輸出，通過鍵盤調(diào)節(jié)速度檔位給定值，實(shí)現(xiàn)按給定值跟蹤，在LED顯示器上顯示，最后再由單片機(jī)輸出PWM脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的功能。

2.3 LED顯示模塊的設(shè)計(jì)

2.3.1 LED屏制作方案設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)考慮到設(shè)計(jì)的大小以及重心的問題，所以采用貼片技術(shù)方案，貼片體積小，做出來的產(chǎn)品美觀、大方，設(shè)計(jì)的主板也不會(huì)很大。

2.3.2 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED 供電的原始電源目前主要有三種：即低壓電池、太陽能電池和交流市電電源。無論是采用哪一種原始電源，都必須經(jīng)過電源變換來滿足 LED 的工作條件。這種電源變換電路，一般來說就是指的 LED 驅(qū)動(dòng)電路。

本設(shè)計(jì)要求能夠顯示圖案和字符，因此選用32顆LED陣列進(jìn)行顯示。LED的驅(qū)動(dòng)方案主要有I/O口直接驅(qū)動(dòng)和鎖存器驅(qū)動(dòng)。兩種驅(qū)動(dòng)方式相比較，鎖存器驅(qū)動(dòng)雖然會(huì)導(dǎo)致增加幾個(gè)原件，但是大大程度上釋放了點(diǎn)單片機(jī)的I/O口，還大大減少了LED的損耗，起到保護(hù)與驅(qū)動(dòng)的作用。故本設(shè)計(jì)使用三線SPI（Serial Peripheral Interface）接口的74HC573D串入并出鎖存芯片級(jí)聯(lián)，來完成對(duì)32顆LED的獨(dú)立控制。

2.4供電模塊設(shè)計(jì)

2.4.1底座供電電路設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)使用的是12V的直流電機(jī)，供電系統(tǒng)采用的是220V市電作為電機(jī)的工作電源。但是220V的電壓過大不能直接在12V的直流電機(jī)上使用，否則會(huì)損壞電機(jī)，所以需要將220V的市電轉(zhuǎn)化為可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源。因?yàn)橄到y(tǒng)還需要給單片機(jī)提供工作電壓，單片機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心模塊，所以必須要能正常工作，才能使設(shè)計(jì)達(dá)到要求，單片機(jī)的工作電壓一般為5V，所以供電電路還要將供給電機(jī)的12V電壓在降壓到5V提供給單片機(jī)，使單片機(jī)正常工作。

2.4.2 旋轉(zhuǎn)部分供電電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用無線供電系統(tǒng)，通過將底座供電電路得到的5V電壓輸送給旋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。無線供電制作起來簡單方便，只需要計(jì)算好線圈的圈數(shù)，設(shè)置好輸出電壓即可。

無線供電系統(tǒng)類似于簡易的變壓器，所以根據(jù)理想變壓器原副邊匝數(shù)比公式 n1/n2 =V1/V2。其中V1是輸入電壓，V2是輸出電壓。n1與n2分別為主線全和次級(jí)線圈。

2.5 旋轉(zhuǎn)支架設(shè)計(jì)

為了使設(shè)計(jì)能夠平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)顯示，需要對(duì)底座進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中最需要考慮的就是重心問題。如圖6所示，因?yàn)橐窃O(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)，所以顯示屏是十字型的，電機(jī)的調(diào)整還需要后期測試得到穩(wěn)定的位置。

2.6 單片機(jī)核心控制模塊

單片機(jī)是控制整個(gè)系統(tǒng)的核心，它連接著電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、LED驅(qū)動(dòng)電路，控制著整個(gè)旋轉(zhuǎn)led站臺(tái)信息顯示。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)達(dá)到顯示信息的目的。也就是說，當(dāng)按下控制按鈕，電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)LED旋轉(zhuǎn)。當(dāng)按下減速或者加速按鈕，通過單片機(jī)PWM調(diào)制輸送脈沖信號(hào)，達(dá)到電機(jī)的減速效果。電機(jī)的速度決定LED顯示清晰與否。

據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求，所選芯片必須要具有的就是方便的編程下載能力，足夠的I/O端口和中斷引腳，足夠高低運(yùn)行速度。STC89系列單片機(jī)還具備除滿足以上基本條件以外的超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗、指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機(jī)完全兼容的增強(qiáng)型8051單片機(jī)等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此這里選擇國產(chǎn)宏晶科技生產(chǎn)的STC89C51RC為控制單元的主控芯片，采用的是PQFP-44封裝類型。

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的基本要求，仍然存在一些不足的地方，比如重心偏移，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)，應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)PCB布局進(jìn)行科學(xué)的分析，調(diào)整重心；LED顯示屏只能顯示簡單的文字，最好能做成三維立體的彩色屏。這些都有待改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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