旋轉彩色LED顯示屏設計與實現

梁光勝，秦 菁，陳世宏，陳志勇

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206）

1 引 言

LED屏已得到廣泛應用。現在隨處可見的LED屏多是由大量LED組成的顯示點陣平板，通常采用循環掃描方法，逐行點亮LED；人眼對動態頻次分辨率為1／16～1／24s，由于視覺滯后效應，所以屏幕上單行LED會連成一幅靜態畫面。但是這種顯示有一些不足，首先整屏LED數量巨大，成本高，而且極易壞掉，一定面積LED的非正常工作使得整屏顯示都受到影響，更換或者維修工作量較大；其次由于正常LED屏為平板，可視角度非常有限，再加上通常采用單色LED屏，能吸引注意卻無美感可言。

本文設計的旋轉彩色LED顯示屏，則能完美解決傳統LED顯示屏的各種問題。它以機械轉動方式代替逐行掃描，利用視覺暫留（POV：Persistence of vision）原理［1］，通過電機帶動單列顯示器件旋轉，精確同步旋轉位置和LED亮滅，產生一系列運動軌跡的殘留影像。旋轉顯示屏是在支架上安裝了一列32個三色七彩LED，支架由電機帶動旋轉，單片機控制這一列LED在不同位置的亮或滅，在合適的旋轉頻率下，就可以看到完整顯示的彩色文字或圖形。此系統不僅成本低廉，而且可視范圍擴展到了360°，更重要的是，此系統根據色彩學原理，用RGB三色LED顯示七色彩圖，達到神奇夢幻般效果。

2 系統硬件總體設計

圖1為旋轉顯示的LED彩屏系統整體設計框圖。帶動LED屏轉動的為直流電機，并配置合適的電機驅動電路；核心控制模塊選用凌陽SPCE061A單片機，采用電刷供電方式；光電傳感器用來感知系統運行狀況；外部存儲器用于存儲圖片數據以方便后續擴展。

圖1 硬件系統總體設計框圖Fig.1 Design diagrams of hardware system

2.1 LED顯示組件設計

彩色LED顯示屏作為系統的關鍵部件，在設計時需要考慮諸多因素，如發光體的選擇、發光體運動方式、發光體引腳數量簡化方式等。為了達到彩色顯示的目的，發光體選擇共陰RGB三色七彩直插封裝LED，這種LED高亮度、壽命長、色彩豐富、耐沖擊、功耗小、驅動簡單、工作電壓低。這種封裝的LED包含了紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）3個發光二極管，每個LED都可以單獨驅動，因此RGB三色可搭配出的顏色如表1所示。

表1 R、G、B三色產生的七彩配表Tab.1 Rainbow of colors created by R、G、B

對于七彩LED，內部無控制電路，外部四引腳，配四線控制器，因此只能做出上表中的顏色變化。對于炫彩LED，外部十引腳，配專用十線控制器，內部控制電路可以控制256級灰度變化，理論上可以搭配出上萬種顏色。

在LED顯示組件中，將發光體排成一列做柱面式旋轉運動。如果保持恒定的旋轉速度，則可以產生穩定的圓柱面，使顯示效果更均勻，也使制作調試時振動現象易于控制。由“視覺暫留”原理可知，人眼的暫留時間在0.05～0.2s之間，因此彩色LED屏必須保證至少0.2s轉一周。在合適的轉速下，利用單片機精確控制LED在固定位置上的亮滅，就可以看到穩定顯示的整幅彩色圖片。旋轉顯示屏顯示原理示意圖如圖2所示，深色的一列代表LED屏在某個特定時刻的位置，而淺色表示在其他位置的影響殘留，轉速足夠快時，影像穩定顯示，無閃爍或漂移等。

圖2 旋轉顯示屏顯示原理示意圖Fig.2 Diagram of rotating display

旋轉彩色顯示屏是由1列32［2］只RGB三色LED組成的矩形框。32個LED共計需要32×3＝96個引腳來控制其亮滅或者顏色，此三引腳主要用以RGB色彩輸入，而三色LED的第4個引腳統一連接到地。為了緩解單片機引腳的壓力，選用八進制3態非反轉透明鎖存器74HC573來進行擴展，一個74HC573可控制8個單色LED，因此共需要12個74HC573芯片。考慮到單片機引腳資源緊缺，與單片機的接口引線要盡量少，故選用一片4－16譯碼器CD4514作為片選信號的轉換。

LED顯示屏驅動電路結構示意圖如圖3所示，其中前8個LED連接及其驅動電路原理圖如圖4所示。32個LED被分為8個一組，每8個LED需要3片74HC573分別控制R、G、B端口，其接法均與圖4類似。12個74HC573芯片的LE1～LE12引腳接CD4514的譯碼輸出；而每個74HC573的D1～D8接單片機I／O口，單片機所給數據經74HC573鎖存并輸出至彩色LED的RGB端口，從而控制RGB燈的亮滅。第1片74HC573的Q1～Q8引腳控制LED1～LED8的R端口，第2片74HC573的Q1～Q8引腳控制LED1～LED8的G端口，第3片74HC573的Q1～Q8引腳控制LED1～LED8的B端口，后面的情況以此類推。

圖3 LED顯示屏驅動電路結構示意圖Fig.3 Diagram of LED Display driving circuit

圖4 8個LED及其驅動電路原理圖Fig.4 Schematic of eight LED driving circuit

在設計時，為了使顯示屏在高速轉動過程中不發生震動，顯示屏PCB布局遵從嚴格對稱的原則［4］。

2.2 供電模塊和電機驅動模塊設計

在七彩旋轉LED顯示屏系統中，為了實現有效控制并簡化接線，一般都讓主控電路和發光體一起運動。如何給彩色LED顯示屏和主控電路供電，就成為系統設計時必須考慮的關鍵問題之一，有以下幾種供電方案可供參考。

1.電池供電。簡單易攜，但不適合長時間運動，常見的搖搖棒就采用此方案。

2.柔性導線。常用于需要過度彎曲的頻繁移動的場合，適用范圍單一，如搖擺式運動。由于LED顯示屏一直處于高速旋轉狀態，使用柔性導線會纏繞顯示屏。

3.電刷送電。在底座的電機轉軸上安裝電刷，并通過電動機軸上或主控顯示板上的金屬環傳輸電能，能夠提供較大電流強度的電能，保證系統長時間運行。這種方式結構簡單，成本低。

4.發電機供電。在中心軸上面放一個小型發電機，發電機的定子為磁鐵，固定在軸上，線圈為轉子，直接連接在電路上，高速旋轉時即可產生電流，對主電路進行供電。這種方法可克服由電刷產生的干擾［3］。

通過比較，本系統采用電刷供電方式。電機的作用是帶動電路部分進行旋轉，其關鍵在于電機的轉速要均勻，這樣才能保證圖像在水平方向不會被局部伸展或者壓縮，為此我們要使用勻速直流電機。因作品外形較大，故而選用較大的無刷直流電機進行驅動，電機驅動模塊電路原理圖如圖5所示。由于人眼的暫留時間在0.05～0.2s之間，所以旋轉的LED至少0.2s轉一周，即每分鐘至少300轉。設計時電機轉速為5r／s左右，可大大增強旋轉穩定性和精確性，可保證清晰的顯示效果。

圖5 電機驅動模塊電路原理圖Fig.5 Schematic of motor driving circuit

2.3 運行狀態感知模塊設計

在彩色LED顯示屏高速旋轉時，顯示內容的穩定與否取決于轉動的角度和LED亮滅及色彩的配合，要使運動的發光體形成正常和穩定的顯示效果，系統大多需要通過傳感器來感知發光體的運動位置或狀態，以確定顯示的起始位置，并對系統進行校正。本系統采用光電傳感器來確定第一列LED顯示位置，并與合適的計數器配合來控制列數據更新頻率，以合適的電機轉速來確保顯示內容的完整性。與傳統顯示器相比，此處傳感器的作用類似于場同步信號發生器，保證旋轉彩色LED屏在固定位置產生同一內容，確保圖像不會產生漂移。

2.4 數據存儲模塊設計

顯示一幅同樣大小的畫面，七彩圖案的數據量是普通單色圖案的3倍。另外考慮到單片機內存非常有限，為了顯示功能的實用和擴展，故圖案的數據采用外部存儲方式，存儲芯片選擇512k位紫外線擦除存儲器和OTP存儲器 M27C512［5］。以我們選取的圖片為例，其大致為32×150像素，一幅圖片大小為1.8KB，M27C512大致可存儲284張同大小的圖片數據，以傳統電影放映機每秒24幀的放映速度，視頻數據可持續11s。

3 軟件設計

3.1 圖像數據提取

圖6 原始圖片與R、G、B三通道圖Fig.6 Original picture and RGB channel graph

本文設計的彩色LED顯示屏，有一項最重要的任務是提取出彩色圖片的顯示數據。首先要選取大小合適的圖片。因為所設計的LED顯示屏只有32個LED，所以需要調整圖片的寬度為32像素。然后將彩色圖像分離出R、G、B三通道圖，存為.bmp格式，如圖6所示。

由于沒有現成的直接提取圖案數據的取模軟件，因此只能手工提取。利用凌陽“DM Tool字模提取工具”，分別對R、G、B三通道的圖像提取二進制數據。圖7為提取R通道二進制數據示例。

圖7 取模軟件對圖像的處理過程Fig.7 Processing of image by DM Tool

3.2 程序設計

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main program flow diagram

為了保證顯示畫面的穩定性，系統運用了光電傳感器，在特定位置設置反光點，記為初始位置；光電傳感器隨著顯示屏一起轉動。當每次轉動到初始位置時，傳感器將位置數據傳遞給單片機，單片機接收到外部中斷信號后，從內存中讀取第一列應該顯示的數據，并傳遞給LED控制電路；在轉動當圈的其他位置，采用定時器計時方式來決定在哪個位置顯示下一列數據。這樣的顯示方式能保證圖片無形變，但是定時器的計數初值需要與電機轉速嚴格匹配［6］。為了更精確地顯示或者滿足某些變速系統實時顯示的要求，可以引入速度傳感器來實時測定當前轉速，根據特定算法得到當前定時器的計數初值。

4 系統的實際測試

在硬件電路制作完成后，我們編寫C語言程序，經過測試、調試程序查看電路是否能正常工作；然后用專用的燒錄器，手工編程將數據寫入外部存儲器；最后將系統的主控程序下載至單片機，其實際運行效果如圖9所示。從圖中可以看出，旋轉掃描使圖像在橫向上發生了點陣粘連，這是由于掃描LED時點亮的時間稍長導致的，如果要達到傳統顯示屏類似效果，需要在顯示數據時序上增加LED滅的時間。所以顯示的圖像大小與顯示圖片質量與掃描速度有關，如果采用時鐘速度更高的控制芯片，如ARM、FPGA等快速單片機顯示的效果會更好，顯示的精度控制可以更加準確。今后我們會通過一定的改進，提高硬件時鐘或進一步進行程序調試，采用電影放映原理，在旋轉顯示屏上不但可以放映一張彩色的圖片，還可以放映一段彩色動漫。

圖9 彩色LED屏實際運行效果圖Fig.9 Practical tests of colorful LED display

5 結 論

本系統以凌陽單片機為核心，通過控制LED顯示組件的旋轉，顯示了一幅彩色圖案。設計的新型旋轉柱式顯示屏，以機械轉動掃描方式替代逐行掃描，同時采用32個RGB三色七彩LED，實現了32pixel×150pixel像素彩色圖像顯示，經過長時間測試運行該系統穩定可靠，實現360°全方位顯示、灰度實現256級調節。旋轉彩色LED顯示屏設計新穎，成本低廉，尤其是360°觀看角度使之非常適合展廳一類的場合。

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