基于單片機的LED線陣顯示裝置的研究

崔景萍

（山東職業(yè)學院，山東 濟南 250104）

1 LED線陣顯示裝置的設(shè)計要求

設(shè)計并制作一個LED線陣顯示裝置[1]，該裝置由圖文錄入部分、LED線陣顯示部分和轉(zhuǎn)動控制三部分組成。利用人的視覺暫留現(xiàn)象，觀看到的轉(zhuǎn)動時LED顯示內(nèi)容效果跟平面連續(xù)顯示效果是一樣的。應(yīng)達到的要求如下：1）電機轉(zhuǎn)動后，在LED任意指定行上穩(wěn)定顯示兩條水平線；2）從LED最上和最下端一行開始，控制2條水平亮線向中間做上下往返運動；3）固定顯示獨立全亮的16×16的點陣(以2個點陣為例，圖形點陣間隔為4各點對點距離)，可以在水平方向進行寬窄變化；4）可以顯示和回放由圖文錄入裝置錄入的圖文信息，錄入方式自行選擇。

圖1 LED線陣顯示裝置示意圖

2 LED線陣顯示裝置系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案比較論證

2.1.1 單片機方案選擇

方案一：采用普通的51系列單片機作為系統(tǒng)控制的方案。AT89C51單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。但是它有頻率較低、運算速度慢，RAM、ROM空間小等缺點。

方案二：采用STM32F103系列單片機作為控制系統(tǒng)的方案，STM32F103ZET6單片機采用了高性能、低成本、低功耗的ARM 32 Cortex-M內(nèi)核，高達64k字節(jié)的SRAM，1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，多達112個快速I/O端口等，功耗低，精度高。

比較上述2種方案，51單片機速度較慢，而且很多外設(shè)都要外接；而STM32主頻高，外設(shè)豐富，本設(shè)計選用方案二的STM32F103系列單片機。

2.1.2 電機方案選擇

方案一：采用步進電機帶動旋轉(zhuǎn)平臺，步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件，使得其在速度、位置等控制領(lǐng)域應(yīng)用普遍。但步進電機轉(zhuǎn)速不宜調(diào)整。

方案二：采用直流電機帶動旋轉(zhuǎn)平臺，直流電機具有調(diào)速性能好、啟動容易并可帶負載啟動等優(yōu)點，其機械特性和調(diào)速特性的線性度好，調(diào)速范圍廣、維護方便。

綜合比較，本系統(tǒng)采用方案二。

2.1.3 供電方案選擇

方案一：使用電刷連接供電，需要在電路板上加焊一層耐磨導電層，制作簡單，非常有效，但使用時間長了電刷觸點就會不夠光潔接觸壓力變大。

方案二：使用無線輸電供電，此方法無任何觸點，但存在無線電波在傳輸中的彌散和衰減問題。

方案三：使用電池供電，即在電路板上直接附帶一組干電池，為系統(tǒng)供電。使用時將電池固定在電路板上適當?shù)奈恢?，既解決了旋轉(zhuǎn)時因重力引起的重心不穩(wěn)，也節(jié)省制作時間。

綜合比較，本系統(tǒng)采用方案三。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

線陣LED其實就是一個循環(huán)的LED顯示，利用人的視覺滯留產(chǎn)生靜態(tài)顯示的現(xiàn)象。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，通過方案對比，本設(shè)計系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。本作品本著方便、價格低廉的原則，采用單片機控制。整個系統(tǒng)由圖文錄入部分、電機旋轉(zhuǎn)部分、LED線陣顯示部分組成。由12V開關(guān)電源為直流電機供電，5V電源為單片機供電，單片機接收輸入的圖文信號后按照一定的算法控制LED燈的顯示，通過電機轉(zhuǎn)動完成相應(yīng)的控制要求。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

3 LED線陣顯示裝置硬件設(shè)計

3.1 電路連接及硬件資源分配

本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖3所示。采用STM32F103系列STM32F103RET6兩片單片機作為核心器件，通過按鍵輸入圖文送一片單片機處理后，通過紅外通信與另一片單片機連接，經(jīng)過高精度算法后控制LED線陣顯示。

圖3 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖

3.2 按鍵電路的設(shè)計

本設(shè)計中通過按鍵完成圖文信息的錄入，電路沒有設(shè)計按鍵的上拉電路，而直接使用單片機內(nèi)部上拉，電路簡單。

圖4 按鍵電路

3.3 液晶電路的設(shè)計

液晶電路完成圖文錄入器的顯示與回放功能。液晶電路通過5RXD腳接收信息、6TXD腳發(fā)送信息，完成與單片機的通信，如圖5（a）所示。具體內(nèi)容顯示如圖5（b）所示，此時顯示內(nèi)容為一級菜單，箭頭指向LED線陣顯示裝置，按下確認鍵顯示上一次錄入的內(nèi)容，實現(xiàn)回放功能；通過圖4（b）按鍵調(diào)節(jié)箭頭所指的位置，按一次向下鍵進圖圖文錄入器，確認后，可手動輸入要顯示的圖文，實現(xiàn)圖文錄入與顯示功能。

圖5 液晶電路圖

3.4 LED顯示電路的設(shè)計

本研究選用成本低且又滿足精度要求的16個共陰極紅綠雙色LED燈顯示，因單片機的I/0口有限，且每個I/0驅(qū)動一個LED燈線路復雜，因此采用四片74HC595芯片作為驅(qū)動，每個芯片為8位并行輸出，可同時驅(qū)動8個LED燈，因此兩片74HC595芯片驅(qū)動綠色LED，兩片74HC595芯片驅(qū)動紅色LED。驅(qū)動電路接線圖如圖6所示，圖中只畫出了一片74HC595芯片。

圖6 LED驅(qū)動電路接線圖

4 理論分析與計算

4.1 LED線陣驅(qū)動參數(shù)分析與計算[2]

線陣顯示裝置中LED驅(qū)動方法為普通的LED與電阻串聯(lián)的方式來驅(qū)動點亮LED，該限流電阻計算公式如下：

根據(jù)設(shè)計，紅綠雙色LED燈的亮度不同，綠色燈驅(qū)動參數(shù)為：Vcc=5V，VF=1.2V，IF=20mA；紅色燈驅(qū)動參數(shù)為Vcc=5V，VF=1V，IF=10mA可求得限流電阻：

經(jīng)計算，采用200Ω電阻與綠色LED串聯(lián)，470Ω電阻與紅色LED等串聯(lián)即可。

4.2 LED線陣運動參數(shù)分析與計算

LED線陣在電機帶動下進行高速旋轉(zhuǎn)。由于人的視覺滯留時間長達0.04～0.1s，以0.04s為例，顯示完一列LED后加入一段合適的（40ms以內(nèi)）延時，看到的是靜態(tài)穩(wěn)定的字，LED線陣可以很好地顯示圖文。所以設(shè)定電機周期T=40ms，則電機轉(zhuǎn)速為25r/s。

1）要求固定顯示2個16×16的點陣圖形，圖形間隔為4個點陣點距離時，只需給出合適的脈沖刷新數(shù)據(jù)即可。電機旋轉(zhuǎn)一周需40ms，需要經(jīng)過（16×2+4）即36個點陣點，所以刷新送數(shù)周期t為:

脈沖圖如圖7所示：

圖7 刷新送數(shù)脈沖圖

2）當要求顯示圖形在水平方向上進行寬窄變化循環(huán)顯示時，保證40ms內(nèi)刷新32個送數(shù)脈沖前提下，只要改變刷新送數(shù)脈沖周期即可。周期變大，顯示圖形變寬；周期變小，顯示圖形變窄。

以此時間刷新送數(shù)LED線陣就能很好的地顯示圖文，（根據(jù)實際情況進行調(diào)整）。

5 LED線陣顯示裝置系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法[3]。程序開始運行，首先對單片機I/O口、寄存器進行初始化操作[4]；通過紅外串口接收到圖文錄入器指令，根據(jù)其指令進行顯示，并支持通過圖文錄入器傳輸圖文信息到LED線陣顯示裝置顯示。

LED線陣顯示裝置，根據(jù)檢測到LED線陣旋轉(zhuǎn)位置信號，進行刷新顯示。當檢測到位置信號時，數(shù)據(jù)計數(shù)器清零，再重新進行顯示。對本設(shè)計的軟件流程如圖8所示：

圖8 軟件主程序流程圖

6 測試方案與結(jié)果分析

本研究設(shè)計并制作完成了一個由16只紅綠雙色LED燈構(gòu)成線陣顯示裝置。實物如圖9所示。

圖9 LED 線陣顯示實物圖

經(jīng)過測試，可以確定系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計比較合理，可正常用LED顯示出各圖文，電路功能基本符合設(shè)計要求，測試結(jié)果如表1所示。

表1 LED線陣顯示測試結(jié)果

7 結(jié)語

本課題根據(jù)LED線陣顯示裝置設(shè)計要求，利用STM32F103RET6單片機作為核心器件，通過紅外數(shù)據(jù)接收器接收錄入的圖文信息（圖文信息采用穩(wěn)定可靠的按鍵方式錄入），利用高精度算法優(yōu)化，實現(xiàn)了對LED線陣顯示的各種控制，各項指標都可以達到設(shè)計要求。