LED線陣顯示裝置的設計與實現

肖 瀟，張 靜，趙自鵬

（湖南工業職業技術學院 電氣工程學院，湖南 長沙 410208）

0 引 言

LED線陣顯示裝置利用人眼視覺暫留現象，通過使LED線陣旋轉起來來顯示各種字符或圖案，其中圖案內容和顏色快速修改實現的設計還有很大的進步空間。為了進一步優化設計方案，本文通過自主開發圖文錄入APP，結合觸摸屏，對圖文卡進行圖像識別和錄入，界面簡潔，操作簡單，且可在LED線陣顯示裝置上實時精確顯示。

1 系統方案

本系統主要由圖文錄入模塊和LED線陣模塊組成，需選擇合適的LED線陣供電方式、無線通信方式以及點陣錄入方式[1]。

1.1 硬件選擇

在硬件選擇方面，LED線陣采用STC15單片機，觸摸屏采用STM32單片機。LED線陣采用線圈無線傳電的方式進行供電。線圈無線傳電時的兩個線圈分別作為電能發送端和接收端，可獲得交變電流，且噪聲和磨損較小[2]。

1.2 點陣錄入方式的選擇

1.2.1 觸摸屏

通過上位機對觸摸屏進行組態設計，而觸摸屏主要包括命令按鈕和圖文錄入窗口[3]。具體操作是先在16×16點陣錄入窗口上手動錄入圖文卡上圖文點陣信息，并將其傳送至該模塊的單片機，后單片機將圖文數據從無線通信模塊的無線串口輸出至LED線陣模塊主控單片機，運行程序，從而實現圖文在LED線陣顯示裝置上的顯示。

1.2.2 平板電腦

基于平板電腦開發一款APP，能夠拍攝圖文卡，自動復現16×16點陣的圖文信息，無需手動錄入。錄入圖文數據傳送至該模塊的單片機，單片機將圖文數據通過無線通信模塊進行串口輸出，輸出至LED線陣模塊的主控單片機，實現圖文在LED線陣顯示裝置上的顯示。

為最大程度地提高裝置的便利性并優化功能，可將以上兩種選擇方式相結合。

1.3 方案確定

最終確定的方案中采取線圈無線供電，由Zigbee無線串口模塊實現燈陣控制板與圖文錄入器通信[4]。平板電腦APP和觸摸屏圖文點陣錄入的系統方案如圖1所示。

圖1 系統方案圖

2 理論分析與計算

2.1 LED線陣顯示裝置驅動參數的分析與計算

該LED線陣顯示裝置采用普通的LED和限流電阻串聯的方式驅動點亮LED。限流電阻的計算公式如下[5]：

其中，RL為限流電阻，Vcc為電源電壓，VF為LED正向穩定電壓，IF為LED工作電流。經計算，紅燈LED限流電阻為1 kΩ，綠燈LED限流電阻為470 Ω。

2.2 線狀點陣LED運動參數分析與計算

在電機的帶動下，線陣LED依靠旋轉平臺進行旋轉。設電機周期為t，LED完成需要時間為t1，軟件延時為t2，它們之間的關系為[6]：

只要保證滿足式（2），線陣LED就能精確顯示圖文。

2.3 點陣圖識別原理與計算

2.3.1 點陣識別原理

點陣識別基于自主開發的圖文錄入APP，可以實現圖文卡特定圖文的拍攝識別，并在16×16矩形選擇框中實現復現。在識別原理的識別過程中進行圖文卡拍攝，拍攝圖片截圖排除干擾，分析圖片像素點得到圖文卡深色坐標，最后還原圖像。但是，因為無法保證100%復現，所以需要手動修改微調，確定保存生成數據。

2.3.2 圖像識別計算

（1）灰度處理。一副完整的圖像由紅綠藍3個通道組成，這3個通道的縮覽圖都以灰度顯示[7]?；诨叶茸畲笾捣椋?/p>

在16×16矩陣中，用灰度表示黑點與白點。設計一個閾值Fx，當F(i,j)＞Fx時，圖像顯示為1（白）；當F(i,j)＜Fx時，圖像顯示為0（黑）。

（2）二值化處理。將圖像數據轉化為二進制后再按尺寸等比縮小。圖像算法最終構建的16×16二維矩陣會發送給APP存儲單元，并轉換至16×16點陣窗口復現。

圖文卡識別的正確率可達90%以上，但由于光線和人為等因素的影響，可能會出現識別誤差，因此需要補充人工修改功能。此外，可基于閾值調試原理構建圖像二值化。

3 測試方案與測試結果

3.1 測試方案

本裝置采用直流電源供電，通信板采用鋰電池供電。LED線陣復現圖文在平板電腦和觸控屏等圖文錄入器中以靜態或動態的方式進行顯示。

3.2 測試結果分析

根據測試，本裝置符合基本要求。發揮部分、測試結果以及結果對比如表1所示，其中基本要求和發揮部分變色樣式測試結果分別如圖2（a）和圖2（b）所示。

表1 基本部分與發揮部分測試結果與設計指標的比較

圖2 測試結果圖

4 結 論

本文實現了一種LED線陣圖文顯示裝置的設計，其中圖文錄入器模塊采用STM32單片機作為控制核心，實現平板電腦或觸摸屏的圖文信息錄入和串口數據通信。錄入圖文信息后，通過Zigbee通信將數據發送至LED線陣模塊。LED線陣模塊采用STC15單片機作為主控，利用人眼視覺暫留現象，通過電機帶動由16只紅綠雙色LED組成的顯示板飛速旋轉，同時控制LED分時輸出，實現在120°弧面區域內顯示16×16點陣的靜態或動態圖案，此外還可實時變更顯示的圖文內容和顏色。平板APP和觸摸屏界面簡單，操作便捷，通過簡易的按鈕觸控即可實現多種功能，極具推廣價值。