LED 顯示應用綜合實驗測試臺

楊景發，申文增，張 瑋

（河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071002）

隨著發光二極管（LED）產業的快速發展，基于LED 點陣形式的顯示屏幕已在銀行、車站、商場等得到了廣泛的應用[1]。現有的LED 顯示試驗儀功能單一，測試對象單一，知識點分散，不能形成積木式層次遞進的能力訓練，在實訓內容的廣度和深度以及實驗教學內容編組靈活性方面有待提高。因此，本文遵循“實驗模塊化，內容一體化，接口簡單化，過程趣味化”的設計原則，設計了一種LED 顯示應用綜合實驗測試臺，實現“基礎實驗—綜合實驗—實訓設計”實驗類型、關聯知識點和“基本實驗技能—綜合專業技能—創新研發能力”的貫通，通過實驗幫助學生快速掌握LED 顯示原理，形成LED 顯示應用的關聯知識體系，培養LED 顯示應用專業技術人員。

1 設計思路

基于LED 發光顯示、LED 恒流驅動、PWM 調制、單片機控制、動態掃描、視覺暫留等技術，選取LED器件、LED/LCD/TFT/POV-LED 顯示屏及不同系列單片機[2-3]，設計了LED 顯示應用綜合實驗測試臺（原理結構框圖見圖1），凸顯“實驗模塊化，內容一體化”的設計思路，確保實驗教學操作環節落地實施，既保證了實驗學時又兼顧了學生能力訓練質量。

圖1 LED 顯示應用綜合實驗測試臺原理結構框圖

2 綜合實驗測試臺設計

利用3Dmax 設計的樣機模型見圖2，由“電源供電”“LED 點陣顯示”“LED 非機動交通信號燈”“TFT屏/PWM LED 燈具調光”“LCD 屏—LED 作物補光”“LED 曲面/立體顯示屏”等單元模塊組成。

2.1 電源供電單元

該單元包括AC-DC 轉換開關電源、DC-DC 轉換模塊、接線端子，輸入220 V 交流電，輸出+3.3、+5、+12、+24 V 直流電，提供各模塊中負載所需電源。

2.2 LED 點陣顯示單元

該單元包括三位LED 數碼管和8×8、16×16、16×64 LED 點陣模塊。選用8×8 LED 全彩點陣、16×16雙色點陣屏、帶邊16×64 點陣屏、對應的顯示驅動器模組[4-6]及STM32 單片機主控模塊1，硬件連接電路見圖3，點陣屏與共陰極顯示驅動器相連，共陰極顯示驅動器與STM32 單片機相連。學生通過USB 接口和復位開關，將實驗程序燒錄至單片機內，完成數字、漢字靜態顯示，靜/動態圖形顯示和漢字動態顯示等實驗內容。

圖3 LED 點陣顯示電路圖

2.3 LED 非機動交通信號燈單元

該單元包括三基色貼片式自行車信號燈模組、2位LED 數碼管、紅外感應傳感器、光耦繼電器模組、STM32 單片機主控模塊1、語音模塊和喇叭[7-8]。自行車信號燈模組、LED 數碼管與STM32 單片機相連，紅外感應傳感器采集人員越線信息，數據經單片機處理后，經光耦繼電器發給語音模塊進行語音提醒警示，連接電路見圖4。

2.4 TFT 屏/PWM LED 燈具調光單元

該單元包括一塊3.5 英寸TFT 屏、LED 驅動器、3 W LED 燈具和STM32 單片機主控模塊1。LED 燈具與驅動器相連，LED 驅動器和TFT 屏與STM32 單片機相連，向單片機內燒錄實驗程序。LED 驅動器內部電路見圖5。

圖4 非機動交通信號燈電路圖

圖5 燈具調光電路圖

2.5 LCD 屏—LED 作物補光單元

該單元包括單片機主控模塊2、LED 組合燈具、LED 驅動器、LCD 顯示屏、5 鍵鍵盤、復位開關和USB 插座[9-10]。其中，主控模塊2 是一個STC89C52單片機最小系統；LED 組合燈具包括鋁質側齒燈槽、鋁基PCB 板、LED 燈組、散熱軸流風扇、透光板和燈具盒。散熱軸流風扇、鋁質側齒燈槽套裝在燈具盒內，鋁基PCB 板用導熱硅膠粘貼在鋁質側齒燈槽內，LED 燈組焊接在鋁基PCB 板上，透光板安裝在LED燈組的上方，結構見圖6。

圖6 LED 組合燈具結構示意圖

LED 燈組由3 紅、3 藍、3 白共9 只1 W LED 燈珠組成，紅色LED 燈珠的主波長為660 nm，藍色LED燈珠的主波長為420～460 nm，白色LED 燈珠的主波長主峰為420～490 和510～710 nm，半值角為60°。燈珠采用紅、藍、白色直線交替式排列，同色LED 燈珠串聯后，分別接到6 個接線端子引腳上，再通過導線連接到驅動器對應接線端子上。

LED 驅動器由三路LED 驅動電路組成，采用SN3352 芯片設計恒流式LED 驅動電路，電源輸入端、輸出燈具端分別接到8 個接線端子引腳上；依據調控方法，單片機輸出可調制的PWM 信號作用在SN3352芯片的ADJI 引腳，實現對LED 光照參數（光質、光強、工作頻率、工作時間等）的調控。顯示屏為帶字庫的12864 LCD 屏，鍵盤為5 位按鍵，USB 接口座和復位開關用于燒錄實驗程序。

2.6 LED 曲面/立體顯示屏單元

該單元包括單片機主控模塊3、T 形LED 線陣燈排、LED 驅動器、旋轉模塊、USB 轉TTL 串口下載器、復位開關和USB 插座。其中，USB 轉TTL 串口下載器、復位開關和USB 插座用于燒錄實驗程序。

單片機主控模塊3 是一個STC12c5A32S2 單片機最小系統。T 形LED 線陣燈排由一塊水平條狀主PCB和一塊垂直條狀轉接PCB 組成；水平條狀主PCB 長14 cm、寬3 cm、旋轉半徑8 cm，一邊是單片機最小系統，另一邊是焊接20 顆貼片式LED 燈珠的主燈條；垂直條狀轉接PCB 高5 cm、寬3 cm，焊接16 顆貼片式LED 燈珠構成副燈條。36 顆燈珠均采用0805 封裝。利用74HC595 串轉并芯片組成LED 驅動器，根據調控參數驅動LED 工作。旋轉模塊由步進電機、步進電機驅動器、導電環等組成，步進電機驅動器驅動步進電機按設定轉速轉動，同步帶動旋轉屏旋轉，同時通過導電環提供實現LED 組合燈具旋轉和單片機工作所需的+5 V 直流電壓,結構見圖7。

圖7 LED 曲面/立體顯示屏原理結構示意圖

3 虛擬實驗平臺設計

按照可視區最大化、凸顯交互性、沉浸式思考等頂層設計理念，用Flash 工具開發了虛擬實驗平臺[11-12]，結合3-D 建模、計算機網絡、動畫模擬、人機交互等手段，以二維和三維結合方式，逼真展示了LED 顯示應用綜合實驗的設計內容，可用于實驗教學鏈“預習—實操—復習”環節自主學習。

3.1 軟件主界面

主界面（圖8）中間是實驗儀器，鼠標點擊“圖片”或“視頻”可瀏覽軟件實驗內容概要；左下角是一個“Home”智靈按鈕，鼠標單擊可顯示或隱藏“背景音樂”“語音導示”“主菜單控制”三個智靈按鈕；主菜單由“幫助”“背景”“原理”“儀器”“操作”“討論”六項組成，單擊可進入對應的內容界面。

圖8 虛擬實驗平臺主界面

3.2 實驗原理

點擊“原理”按鈕，進入原理部分（圖9）。右側為原理一級菜單欄，包括“相關知識點”“LED 發光原理”等七個按鈕選項，鼠標單擊按鈕進入相應部分，單擊“齒輪”智靈按鈕，可隱藏或顯示原理一級菜單。

圖9 實驗原理界面

3.3 實驗儀器

點擊“儀器”按鈕，進入實驗儀器展示部分（圖10），包括七個視頻按鈕，鼠標移到按鈕上可查看展示內容，單擊視頻按鈕即可播放相關視頻，進行有關儀器的學習，用爆炸圖和動畫呈現了儀器的內部構造。

3.4 實驗內容

點擊“操作”按鈕，進入實驗內容的主頁面（圖11），右側的“智靈按鈕”呈現了本實驗的七項實驗內容，自上而下依次為“8×8 LED 點陣屏顯示數字”“16×16 LED 點陣屏顯示漢字、靜態和動態圖片”，“16×64 LED點陣屏顯示滾動漢字”“LED 非機動交通信號燈”“LED燈具調光”“LED 燈具補光”和“LED 旋轉顯示屏”；鼠標移到按鈕上，用黑框呈現實驗所用模塊，底部顯示實驗內容名稱。

圖10 實驗儀器界面

圖11 實驗內容界面

圖12 LED 燈具調光界面

以“LED 燈具調光”仿真操作為例，用鼠標單擊實驗內容主頁面的第五個“智靈按鈕”，進入“LED燈具手動/觸摸調光實驗”頁面（圖12），右側是實驗步驟欄目。按“箭頭鼠標+文字提示”導示，依次進行“熟悉儀器”“看框圖識程序”“識讀SCH 圖”“重建程序”“燒錄程序”操作。

實驗效果交互式呈現：不按下K1 時，點擊按鈕改變模式，用鼠標滑輪模擬旋鈕，改變燈光亮暗，操作界面見圖13；按下K1 時，根據提示進行觸摸屏實際體驗操作，操作界面見圖14。

圖13 手動調光操作界面

圖14 觸摸調光操作界面

4 結語

本實驗臺秉承了“積木式、實驗模塊化、內容一體化”設計思想，各模塊單元既可以獨立使用，也可以選擇性組合，便于學生進行實驗內容開放式拓展，強化了學生在實驗中的自主參與和動手能力的訓練。

本平臺上可實現的實驗項目包括：8×8 LED 點陣顯示數字實驗、LED 數碼管驅動顯示實驗、16×16 LED點陣顯示漢字及靜態/動態圖形實驗、LED 電壓驅動實驗、16×64 LED 點陣顯示動態文字實驗、LED 恒流源+PWM 驅動控制實驗、LED 光源無極調光實驗、人行橫道LED 交通指示燈實驗、流水燈LED 掃描驅動（動態）實驗、三基色LED 驅動實驗、LCD 屏——設施園藝LED 組合燈具調控實驗、電容觸摸屏實驗、LED曲面/立體顯示屏（旋轉顯示屏）實驗。

本實驗測試平臺硬件獲國家實用新型專利證書（ZL201721319096.3），軟件獲計算機軟件著作權證書（2018SR620885），并榮獲第11 屆中國大學生計算機軟件設計大賽國家二等獎。平臺具有可開設實驗項目多，內容關聯度高，針對不同專業、不同實踐課程的實驗學時、內容可選擇性強等特點。學生可在虛擬實驗平臺上進行實驗預習、仿真實操、重點重復演練、實驗復習，虛實結合，提高了實驗綜合效率，已成功用于為2015 級應用物理專業和新能源材料與器件專業的學生開設專業實驗，教學效果良好。