LED線陣顯示裝置方案設(shè)計

張靜

摘要：基于STC公司的STC8A8K64S4A12型芯片，該裝置硬件模塊主要包括控制模塊、通信模塊、顯示模塊、光電傳感器模塊、電源模塊等，利用視覺暫留現(xiàn)象，采用獨立的 LED，通過直流電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)以STC8A8K64S4A12單片機(jī)作為核心 CPU，通過控制電路使其保持在一個適合并穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，由此來帶動一排發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)，形成顯示屏，單片機(jī)利用通信模塊下載程序代碼指令以及將要顯示的內(nèi)容，然后通過顯示指令對代碼進(jìn)行處理，處理后的代碼將通過顯示模塊進(jìn)行顯示。該裝置穩(wěn)定性好、功耗低，具有較高的性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞： LED 顯示屏 ? 旋轉(zhuǎn)顯示 ? STC8A8K64S4A12單片機(jī) ?視覺暫留

1. 總體方案設(shè)計

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為：控制模塊、通信模塊、顯示模塊、光電傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)控制模塊等。

1.2方案選擇

1.2.1控制單元選擇

采用STC8A8K64S4A12作為系統(tǒng)控制器。運算速度快，抗干擾能力較強(qiáng)，功能齊全，內(nèi)部集成了增強(qiáng)型的雙數(shù)據(jù)指針，通過程序控制，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)指針自動遞增或遞減功能以及兩組數(shù)據(jù)指針的自動切換功能，可對外輸出時鐘及復(fù)位，可靠性高，低功耗、高性能。

1.2.2電機(jī)選擇

采用普通的電機(jī)。此方案不占用單片機(jī) I/O 口，節(jié)省單片機(jī)資源使用方便成本較低通過簡單的改裝可以給系統(tǒng)供電。

1.2.3電機(jī)驅(qū)動選擇

采用三極管驅(qū)動，通過兩對小功率PNP、NPN三極管的導(dǎo)通，控制流入直流電動機(jī)里的電流方向，以實現(xiàn)直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，該驅(qū)動方式簡單方便，成本低，易于控制。

1.2.4系統(tǒng)供電方案

從電機(jī)轉(zhuǎn)子中引出電源線為系統(tǒng)供電。此方法直接在電機(jī)的轉(zhuǎn)子中引出電源線，通過整流濾波后，可以作為系統(tǒng)供電，同時也可以作為系統(tǒng)控制時序的中斷源。

1.2.5通訊模塊選擇

使用數(shù)字載波無線通訊。此通訊方式具有半雙工的通訊功能，并且有兩個通訊頻道，受外界影響較小。

1.2.6 LED顯示屏的選擇

LED燈方案，色彩一致性比點陣模塊方式的好，更加方便快捷，價格相對便宜，可滿足需求。

2.理論分析與計算

2.1 LED線陣顯示裝置原理

旋轉(zhuǎn)led是由直流電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，帶動若干個LED，由STC8A8K64S4A12單片機(jī)芯片以納秒級的速度控制LED的高速亮滅，利用人眼的視覺暫留原理，從此就可以在空中形成各種圖案，內(nèi)部裝有1個旋轉(zhuǎn)觸發(fā)器，用于檢測并且計算旋轉(zhuǎn)一圈需要的時間，外部包含塑料或玻璃制成的透明保護(hù)罩，防止內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的LED接觸異物造成傷害，內(nèi)部包含無線供電系統(tǒng)，無線供電用于給旋轉(zhuǎn)部分的供電。

2.2漢字顯示原理

以 UCDOS 中文宋體字庫為例，每一個字由 16 行 16 列的點陣組成顯示。我們可以把每一個點理為一個像素，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。事實上這個漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素范圍內(nèi)的任何圖形。

2.3計算及說明

假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n（rad/s），單字大小如圖所示，所占角度為α（單位/度）;單字所占用的面積為 S（單位/㎡）;16個LED 所占高度為 h（單位/m） ，旋轉(zhuǎn)半徑為 R（單位/m）;y， t 為未知參數(shù)（單位為 ms） 。

故經(jīng)整理為：

① T1= delay （t）=α/ （n×15×360）=α/ （ n×5400） （s）;（α大小決定字體顯示大小， 可調(diào)）。

t=T1×1000=（α×5）/（n×27）（s） 。

② T2=delay（y）=1/n-15×T1 （s） 。

y= T2×1000

③ S=（π×R×h）/180 （㎡）。

在公式①中，結(jié)合以上程，在程序中delay（t）為第n列顯示到第 n+1 列顯示時的時間間隔;t值與電機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，取值非常重要;與圖像的成型及清晰度，穩(wěn)定度密切相關(guān)。在公式②中delay（y）為對一字模掃描完成后，P1，P2 端口全置高電平（LED 熄滅）所需時間。在公式③中，S 為單字顯示時所占用的面積，由于h為一定值，此面積則可根據(jù) α的大小調(diào)整，為一可調(diào)值，其值的改變直接影響到字體大小的顯示，根據(jù)實際情況及美觀程度來調(diào)整。以上所述則為電機(jī)運行一周時所需執(zhí)行的程序，由于電機(jī)運行速度非常快，電機(jī)在每運行一周均執(zhí)行以上程序，又由于人的眼睛存在視覺暫留現(xiàn)象，故一個完整的“大” 字將出現(xiàn)在綠色的屏幕上。

3電路設(shè)計

3.1 顯示模塊

顯示部分主要由一排 16 個等間距排列的發(fā)光二極管組成，顯示的過程就是每一個二極管通過內(nèi)部控制系統(tǒng)的控制表現(xiàn)為亮或滅，由于視覺暫留效應(yīng)，快速旋轉(zhuǎn)的過程中就會形成一個立體的顯示屏。當(dāng)在LED 上顯示漢字時，應(yīng)先取得漢字的點陣構(gòu)成數(shù)據(jù)，然后將其寫入顯示存儲器中進(jìn)行顯示。

3.2 LED驅(qū)動電路

控制電路設(shè)計中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，由于旋轉(zhuǎn)會降低 LED 顯示的亮度，為此我們選擇高亮度的發(fā)光二極管，并通過與單片機(jī) I/O 口相連，對程序設(shè)定以達(dá)到控制 LED 閃爍的效果。

4.系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析

4.1使用的儀器儀表

1. CA17303D直流穩(wěn)壓電源：功能 為電路板提供電源以進(jìn)行電路板的調(diào)試

2. MS8050數(shù)字萬用表：功能 測量電壓電流

3. 電烙鐵：功能 焊接電路板

4.2系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

項 目 題目要求 實際實現(xiàn)情況

基本

要求 當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動后，在 LED 任意指定行上穩(wěn)定顯示兩條水平線。 實現(xiàn)

從 LED 最上和最下端一行開始，控制兩條水平亮線向中間做上下往復(fù)運動。 實現(xiàn)

固定顯示 2 個獨立全亮的 16×16 點陣圖形，圖形間隔為 4 個點陣點距離。 實現(xiàn)

對（3）要求的顯示圖形在水平方向上進(jìn)行寬窄變換循環(huán)顯示，寬窄變化不小于兩個點陣點的距離，變化不少于 5 次。 實現(xiàn)

發(fā)揮

部分 設(shè)計制作具有顯示與回放功能的圖文錄入器，5 分鐘內(nèi)錄入 3 張如圖 2 所示格式的圖文卡信息，錄入方式不限制，按錄入順序回放顯示。 實現(xiàn)

將錄入的圖文信息傳輸?shù)?LED 線陣顯示裝置上，按輸入順序在 120 度弧面區(qū)域內(nèi)同時顯示（每幅圖形之間應(yīng)留 3 個點陣點的間隔），傳輸形式不限。 實現(xiàn)

按發(fā)揮部分（2）要求顯示內(nèi)容，使圖文在顯示的同時實現(xiàn)紅色、綠 色、橙黃色交替變色顯示，變色顯示樣式不少于 5 種。 實現(xiàn)

5.總結(jié)

本次設(shè)計使用了STC8A8K64S4A12單片機(jī)，同時加入了串口通信功能，可以直接通過串口輸入要顯示的內(nèi)容完成顯示信息的更改，增加了裝置的實用性。

6.參考文獻(xiàn)

[1]《電子產(chǎn)品設(shè)計與制作》，陳強(qiáng)主編，電子工業(yè)出版社，2010.8

[2]《電子產(chǎn)品制作工藝與實訓(xùn)》，廖芳主編，電子工業(yè)出版社，2010.6

[3]《C程序設(shè)計（第四版）》， 譚浩強(qiáng)著，清華大學(xué)出版社，2010.6。

[4]《模擬電子電路技術(shù)及基礎(chǔ)》，孫肖子著 ，西安電子科技大學(xué)出版社.2008