線陣LED水平旋轉顯示屏的設計與實現

李小琴，陳光絨（寧波職業技術學院 電子信息工程系，浙江 寧波 315800）

LED的特點非常明顯，壽命長、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，其發光效率可達80～90%。將LED與普通白熾燈、螺旋節能燈及T5三基色熒光燈進行對比，結果顯示：普通白熾燈的光效為 12 lm／W，壽命小于 2 000小時，螺旋節能燈的光效為60 lm／W，壽命小于8 000小時，T5熒光燈則為96 lm／W，壽命大約為10 000小時，而直徑為5 mm的白光 LED為 20～28 lm／W，壽命可大于100 000小時。有人還預測，未來的LED壽命上限將無窮大[1-2]。

由于LED的種種優勢，使得其在現在的各個領域里運用越來越廣泛，本文設計的旋轉LED顯示屏幕，具有結構新穎，節約材料的特點，一列16個LED燈經水平旋轉顯示之后，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容，以后不斷完善和改進之后應該可以在燈箱廣告和兒童玩具方面有一定的發展空間。

1 總體方案確定

本系統由以下電路組成：CPU電路、環境亮度檢測電路、起點檢測電路、功能切換開關、線陣LED驅動 、電 機 控 制 電 路[3]。 總 框圖如1所示。

圖1 系統總體框圖

（1）控制系統的選擇：本系統涉及光亮度檢測和LED亮度自動調節，因此需要用到A/D和PWM，其他無特別要求，根據現有條件，選用內置A/D和PWM的STC12C5A32AD 芯 片[4-5]。

（2）起點位置檢測：采用光電檢測的方法，在控制板上安裝紅外發射、接收組件，當紅外收、發組件經過標志桿時，控制板上發射的紅外光會被標志桿反射回來，從而能夠檢測到標志桿。

（3）環境光亮度檢測：本次設計沒有定量的環境亮度檢測要求，因此采用常用的光敏電阻構成亮度檢測電路，用單片機的A/D采樣進行相應的處理。

（4）單片機對電機控制[6]：利用互感原理實現控制，控制板通過三極管驅動一組線圈，另外一組直徑稍大的線圈套在此線圈外面，這樣兩者可以相對轉動，同時可以傳輸信號，從而實現上面控制板對下面電機的控制。

2 理論分析與計算

2.1 線狀點陣LED驅動參數分析與計算

在硬件結構上，采用每個I/O口驅動一個LED的方法，因此對于LED驅動實際就是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，根據計算，限流電阻為 300 Ω。

2.2 線陣LED運動參數計算

2.2.1 同心圓顯示參數分析與計算

同心圓的實現比較簡單，實質上就是將線陣LED流水燈進行旋轉，因此程序上只要實現16個LED的流水燈效果和電機的轉動即可，LED的流水的時間間隔為0.3 s左右，其他不做詳細闡述。

2.2.2 文字顯示參數分析與計算

這里涉及兩個問題，第一是顯示的內容，第二是顯示的位置。

顯示的內容可以參照點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，需要顯示時直接從CPU中取出對應的字段信息即可。

顯示的位置則是根據標志桿提供的信號，將兩次經過標志桿的時間用定時器記錄，設為T，則可以得到每1°對應的時間 t：

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

2.2.3 指針式秒表分析與計算

秒針在走的過程中可以理解成每隔1 s指針旋轉6°，60 s后正好是360°。因此程序中只要每秒后，在對應的位置（如表1所示）將線陣LED點亮，為了更好模擬秒表效果，將最外LED恒亮，轉動后實現手表中的外圓框。同時在四個關鍵時間點 12點、3點、6點、9點上顯示標志，以便于識別時間。

2.2.4 顯示亮度自動調節分析與計算

采用光敏電阻與固定電阻的分壓得到與環境亮度相關的電壓，此電壓經A/D采集后轉換成數字量X1，8位 A/D時 N的值為 0～255。

表1 時鐘旋轉一周所對應的度數

調節LED燈的亮度可以采用調節LED的供電電壓，而調節電壓可以采用PWM控制，其原理如下公式所示：

因此需要用單片機產生PWM波，由于PWM的參數是 X2=0～255，對應占空比為 100%～0%，根據實際調試情況，經過計算，X2=255-X1×80，得到比較好的效果。

3 硬件電路設計

3.1基準位置檢測電路設計

基準位置檢測電路圖[8]如圖2所示。檢測電路是由一對紅外對管和比較器為主要元件構成的。基準點確認原理是：由紅外對管的發射管信號通過標志桿反射后被接收管接收，此時接收管內阻變小，比較器同相端（3腳）輸入電壓減小，比較器輸出低電平，為單片機提供中斷信號，從而檢測到標志桿的位置。

圖2 基準位置檢測電路圖

3.2環境光亮度檢測設計

環境光亮檢測電路圖如圖3所示。環境光亮檢測電路是由光敏電阻RG1和分壓電阻R24組成，C2濾出。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，當受到光照時，其阻值隨光照增強而減小。通過單片機的A/D對光敏電阻的分壓進行采樣，從而確定周圍的光照強度，再根據軟件控制單片機I/O口的PWM波的占空比進行對LED亮度調節。

3.3電機控制電路設計

電機控制電路圖由圖4和圖5構成。圖4為控制電機信號的產生電路，圖中J1 CON2接口接的是高頻線圈，在圖5中還有一個與之相耦合的高頻線圈J2。單片機P12口產生約10 kHz的信號，由Q4驅動后輸出給線圈。

圖3 環境光亮度檢測電路圖

圖4 電機控制信號產生電路圖

電機電源電路圖[9]如圖 5所示，采用直流 12 V電源，經過極性保護（橋堆）后輸入到三端可調穩壓集成塊上，得到與電機運行匹配的電壓。

圖5 電機電源和控制電路圖

底板上線圈的感應信號經過半波整流后轉換成直流電壓，當超過1.5 V以上后即可使VMOS管 （Q1）導通，從而電機開始旋轉。

4 軟件部分

根據任務要求，得到總流程圖，如圖6所示，首先是進行自檢，然后根據切換按鍵，選擇三種模式，分別運行同心圓，“TI杯”顯示，秒針顯示。

圖6 總流程圖

5 系統調試與測試結果

（1）開機時，裝置對點陣中 16只 LED燈逐個點亮，對16只逐個點亮用秒表進行計時。經測試，16只LED燈逐個點亮所用的時間為16 s。

（2）通過按鍵切換，實現16個同心圓圖形分別順序（由大到小）和逆序（由小到大）顯示，每個同心圓圖形顯示時間為0.3 s左右。因對一個同心圓測試的時間太小，故測試16個同心圓所用的時間如表2所示。

表2 16個同心圓所用的時間

（3）LED自動亮度調節功能

測試LED顯示亮度隨環境亮度變化自動調節，用手遮住光敏電阻（環境變暗），線陣LED亮度變暗，當無遮擋（環境變亮）時，線陣LED亮度變亮，說明具有比較明顯的自動亮度調節。

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

（5）秒針顯示：切換按鍵，顯示一個指針式秒表，該秒表以標志桿為起始標志，秒針隨時間動態旋轉，測試旋轉一周所用的時長如表3所示。

表3 旋轉一周所用的時長

本系統設計的LED水平旋轉顯示屏實用性好，制作相對簡單，而且能節省LED燈的使用。系統原理應用巧妙、技術含量高、成本低廉、市場前景廣闊，可成為新的經濟增長點[9]。

[1]袁小燕.淺談LED大屏幕及其發展[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2009（6）：295.

[2]王守華.LED點陣電子顯示屏系統的設計[J].今日電子，2008（11）：78-82.

[3]黃智偉.全國大學生電子設計競賽電路設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]沈紅衛.基于單片機結構的智能系統設計與實現[M].北京：電子工業出版社，2008.

[5]趙巍，馮娜.單片機基礎及應用[M].北京：清華大學出版社，2009：2-5.

[6]董偉烽，李鐘慎.電子顯示屏單片機控制系統的設計[J].華僑大學學報（自然科學版），2008，29（3）：335-337.

[7]翟淑霞.基于單片機的LED顯示屏的漢字顯示[J].今日科苑，2006（9）：114.

[8]肖淑琴.LED點陣電子顯示屏制作 [J].科技經濟市場，2011（5）：16-18.

[9]楊婧.基于單片機的LED點陣滾動屏設計 [J].科技信息，2011（5）：3.