立體點陣式LED顯示屏設計與實現*

黃健，楊亞東，范暉

（西京學院電子信息工程系，西安710123）

立體點陣式LED顯示屏設計與實現*

黃健*，楊亞東，范暉

（西京學院電子信息工程系，西安710123）

為滿足某些實際應用場合對立體顯示的需求，降低設計成本，設計了彩色立體LED顯示屏。采用8×8×8共512個高亮LED燈組成正方體，通過單片機控制LED燈的亮滅時間，按面掃描，顯示預設的文字和圖形。分析了掃描方法并給出了PWM調制灰度算法，給出了系統設計方案和硬件原理圖，制作出了硬件作品，進行了軟件編程調試。實測結果表明：采用512個像素點，可清晰顯示不同的圖形、文字，實現了8級灰度控制，制作出絢麗的立體效果。

視覺暫留；按面掃描；PWM調制；灰度算法

在當今社會中，LED顯示裝置扮演著重要的角色，隨著各種信息的傳播和人們視覺審美的提高，人們對LED顯示屏提出了更高的要求［1］。目前二維LED點陣屏技術已相當成熟，但二維平面點陣屏顯示效果單調、乏味。若采用旋轉二維LED點陣屏技術，雖然能夠產生立體效果，但電機轉速難以穩定，畫面會產生明顯漂移。

本文提出的立體點陣式LED顯示屏技術，能夠解決上述問題。利用視覺暫留原理，精確控制LED燈的亮滅時間，可立體顯示圖形、文字等信息。以8×8×8共512個LED構成一個立方體，按面掃描，以8×8共64個LED點陣為一面，掃描8次，完成一次立體顯示。為了增加顯示效果，加入PWM脈沖寬度調制，調節燈的亮度，通過一定的灰度算法，能夠實現8級灰度控制，增加了圖形顯示的層次感。實驗結果表明，該裝置顯示色彩鮮艷、立體感強，不僅可用于室外信息傳播，還可用于室內裝飾，給人們帶來全新的娛樂體驗，具有投影儀、電視墻、液晶顯示無法比擬的優點［2］。

1　立體點陣式LED顯示屏工作原理及灰度算法

1.1視覺暫留基本原理

所謂視覺，實際上是在人眼晶狀體成像后由感光細胞將光信號轉換為神經電流，傳回大腦形成的。感光所依賴的感光色素的形成需要一定時間，光對視網膜所產生的視覺在光停止作用后，仍會保留一段時間，這稱為視覺暫留［3］。光對視網膜所產生的視覺在光停止作用后，仍保留一段時間的現象，其具體應用是電影的拍攝和放映。原因是由視神經的反應速度造成的.其時值是二十四分之一秒。是動畫、電影等視覺媒體形成和傳播的根據。

1.2掃描算法

根據以上分析，人眼視覺暫留的時間是1/18 s～1/24 s.驅動8×8×8的光立方，我們要做一個空間上的轉變。可以把它看做8×64的點陣屏，而驅動這個8×64的點陣屏時，其實就是一個平面，共有8行64列，一次驅動一列，按列掃描64列，即可完成整屏掃描。

在進行軟件編程時，開辟一個8位64元素的數組作為顯存，每一個元素的值對應掃描的一列，每次掃描64列，并將對應列的值賦給顯存數組，這樣要在某一列顯示什么內容，直接給顯存賦值即可，8行64列賦完就是整屏信息。由于可連續驅動，要實現更多效果，只需修改顯存的內容即可。

1.3PWM調節灰度算法

傳統PWM算法是通過調節脈沖寬度實現對電流大小的調節，根據電流大小實現對燈的亮度的調節。對256級灰度調節采用8位二進制數實現，每一位對應的每一次點亮時間與關斷時間占空比不同。如果點亮時間從低位到高位依次遞增，則合成的點亮時間將會有256種組合，定義點亮時間加上關斷時間為一個時間單位，設為256T。則實現256級灰度控制時間與PWM值對應關系如表1所示。

表1　256級灰度對應PWM值

但這種算法有明顯的缺點，首先對時鐘頻率要求很高，其次灰度層次不分明，還會帶來視覺閃爍、色分離、動態圖像不穩定等影響顯示效果的缺陷［4-7］。基于此，提出8級灰度控制，對應關系如表2所示，每種灰度值按2的倍數遞增，能夠明顯提高圖像顯示層次感［6］，易于用單片機實現，圖像顯示穩定，無閃爍。

表2　8級灰度對應PWM值

2　主要硬件電路設計

2.1系統框圖

系統框圖如圖1所示，采用宏晶科技的高性能單片機STC12C5A60S2做為主控，通過光敏采集到的亮度自動調節立方體LED燈的亮度，LED驅動電路采用HC595芯片兩級串聯實現。因為STC12C5A60S2屬于高性能單片機，所以內部存儲器可用做顯存［8］。灰度算法和掃描算法由主控單元產生。

圖1　系統總體框圖

2.2主要硬件電路設計

圖2所示是主控芯片STC12C5A60S2硬件電路，該芯片屬于增強型單片機，P1口可實現10 bit A/D采集，用P14和P15實現對光敏的采集。用其余I/O接口引腳驅動HC595點亮LED燈，其中HC595屬于串-并轉換芯片，兩個HC595可驅動16 個LED燈，對燈的亮度調節通過I/O口輸出PWM實現，灰度算法和掃描算法在軟件中實現［9］。

圖3是HC595驅動電路，采用級聯和行列掃描方式，驅動512個LED燈需要16個HC595，每2個HC595需要3根I/O口線，所以16個HC595共需要24根I/O口線。圖中只畫出了部分電路，其余連線方式與此相同。

圖4是光敏采集電路，通過R30和R32兩個光敏采集環境亮度，電路中采用測電壓方式確定當前亮度值。

圖2　LED燈顯示電路

圖3　LED驅動電路

圖4　光敏采集電路

3　軟件流程圖

軟件流程圖如圖5所示。

圖5　軟件流程圖

軟件部分主要通過光敏檢測外圍光的亮度，將光亮度轉換為電壓值，送入單片機的A/D接口進行采集。根據采集的數據控制LED燈的亮度。讀取顯存中預存的數據，通過I/O口按列掃描的方式送出，控制對應LED燈的亮滅時間，達到立體顯示的目的。

4　測試結果

根據以上所述，在KEIL下用C語言編寫程序并調試硬件后，實測效果如圖6所示，若要顯示特定的信息，只需要修改顯存的內容并進行灰度控制［10］，在軟件中采用循環讀取方式，就可實現更加絢麗多彩的效果。

圖6　

5　總結與展望

本文設計和實現了立體點陣式LED顯示屏，根據視覺暫留原理設計了掃描算法，并用PWM調節實現了灰度算法，以STC12C5A60S2做為主控設計了硬件電路圖，在KEIL軟件下用C語言進行了編程，有效的控制了512個LED的亮滅時間和亮度，制作出了對應的樣品并進行了硬件調試，成功顯示了字符和圖形。實測結果表明，該系統顯示穩定、立體感強，可傳遞不同信息，具有平面顯示無法比擬的優點，有一定的實用價值和娛樂性。

［1］梁銘林.LED顯示技術的應用［J］.智能建筑，2010（3）：42-45.

［2］梁光勝，秦菁，陳世宏，等.旋轉彩色LED顯示屏設計與實現［J］.液晶與顯示，2014，29（5）：850-855.

［3］宏晶科技.STC89C52系列單片機器件手冊［S］.2011：2-25.

［4］梁振楠，彭富林，湯勇明.基于FPGA的旋轉LED顯示設計［J］.電子器件，2014 37（2）：200-203.

［6］王浩然，秦會斌.LED點陣屏顯示單元的設計與驅動控制［J］.電子器件，2010 33（5）：550-552.

［7］談衛星，胡建人.基于STM32的全彩LED顯示屏系統的設計［J］.電子器件，2011 34（3）：258-260.

［8］康志強，汪佳，湯勇明.基于FPGA的3D光立方設計［J］.電子器件，2012 35（6）：683-686.

［9］王宇，朱為，堵國良，等.LED顯示屏實現高質量圖像顯示的掃描算法分析［J］.電子器件，2004，27（3）：482-485.

［10］王廷宇，郭維，朱大中.大功率白光LED驅動電路的雙環檢測方法［J］.傳感技術學報，2010，23（4）：485-489.

黃健（1973-），男，漢族，陜西富平人，西京學院，講師，碩士，主要研究方向為嵌入式開發，565200245@qq.com；

楊亞東（1963-）男，陜西省戶縣人，博士，副教授，主要從事電子信息、圖像處理等方面的教學和研究工作；

范暉（1974-），男，漢族，陜西戶縣人，西京學院，講師，碩士，主要研究方向為軟件架構、計算機網絡安全，1093051554@ qq.com。

Design and Implementation of Cube Light LED Display Device*

HUANG Jian*，YANG Yadong，FAN Hui
（Department of Electronics and Information Engineer，XiJing University，Xi'an 710123，China）

In order to meet the requirement of most applications and reduce design costs，a colorful cube LED dis?play device is designed.The light cube is consisted of 512 high-light led.The characters and graph is displayed by MCU control time of led light on and off which scan by surface.Scanning methods are analyzed and the gray-scale algorithm of PWM modulation is given，system design scheme and the hardware circuit are presented，software flow chart is given and the hardware product is debugged.The test results show that the device can clearly display letters and graph by 512 pixels，implementation 8 gray-scale control and making brilliant three-dimensional effect.

persistence of vision；scan by surface；PWM modulation；gray-scale algorithm

TN27

A

1005-9490（2016）02-0479-04

EEACC：4260D10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.046

項目來源：陜西省教育廳科研計劃項目（14JK2165）

2015-05-13修改日期：2015-06-18