LED線陣顯示裝置方案設計

張靜

摘要：基于STC公司的STC8A8K64S4A12型芯片，該裝置硬件模塊主要包括控制模塊、通信模塊、顯示模塊、光電傳感器模塊、電源模塊等，利用視覺暫留現象，采用獨立的 LED，通過直流電機帶動旋轉，系統以STC8A8K64S4A12單片機作為核心 CPU，通過控制電路使其保持在一個適合并穩定的轉速旋轉，由此來帶動一排發光二極管旋轉，形成顯示屏，單片機利用通信模塊下載程序代碼指令以及將要顯示的內容，然后通過顯示指令對代碼進行處理，處理后的代碼將通過顯示模塊進行顯示。該裝置穩定性好、功耗低，具有較高的性能指標。

關鍵詞： LED 顯示屏 ? 旋轉顯示 ? STC8A8K64S4A12單片機 ?視覺暫留

1. 總體方案設計

1.1系統結構圖

根據題目要求，系統可以劃分為：控制模塊、通信模塊、顯示模塊、光電傳感器模塊、電源模塊、電機控制模塊等。

1.2方案選擇

1.2.1控制單元選擇

采用STC8A8K64S4A12作為系統控制器。運算速度快，抗干擾能力較強，功能齊全，內部集成了增強型的雙數據指針，通過程序控制，可實現數據指針自動遞增或遞減功能以及兩組數據指針的自動切換功能，可對外輸出時鐘及復位，可靠性高，低功耗、高性能。

1.2.2電機選擇

采用普通的電機。此方案不占用單片機 I/O 口，節省單片機資源使用方便成本較低通過簡單的改裝可以給系統供電。

1.2.3電機驅動選擇

采用三極管驅動，通過兩對小功率PNP、NPN三極管的導通，控制流入直流電動機里的電流方向，以實現直流電動機的正反轉，該驅動方式簡單方便，成本低，易于控制。

1.2.4系統供電方案

從電機轉子中引出電源線為系統供電。此方法直接在電機的轉子中引出電源線，通過整流濾波后，可以作為系統供電，同時也可以作為系統控制時序的中斷源。

1.2.5通訊模塊選擇

使用數字載波無線通訊。此通訊方式具有半雙工的通訊功能，并且有兩個通訊頻道，受外界影響較小。

1.2.6 LED顯示屏的選擇

LED燈方案，色彩一致性比點陣模塊方式的好，更加方便快捷，價格相對便宜，可滿足需求。

2.理論分析與計算

2.1 LED線陣顯示裝置原理

旋轉led是由直流電機的高速旋轉，帶動若干個LED，由STC8A8K64S4A12單片機芯片以納秒級的速度控制LED的高速亮滅，利用人眼的視覺暫留原理，從此就可以在空中形成各種圖案，內部裝有1個旋轉觸發器，用于檢測并且計算旋轉一圈需要的時間，外部包含塑料或玻璃制成的透明保護罩，防止內部高速旋轉的LED接觸異物造成傷害，內部包含無線供電系統，無線供電用于給旋轉部分的供電。

2.2漢字顯示原理

以 UCDOS 中文宋體字庫為例，每一個字由 16 行 16 列的點陣組成顯示。我們可以把每一個點理為一個像素，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。事實上這個漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素范圍內的任何圖形。

2.3計算及說明

假設電機轉速為 n（rad/s），單字大小如圖所示，所占角度為α（單位/度）;單字所占用的面積為 S（單位/㎡）;16個LED 所占高度為 h（單位/m） ，旋轉半徑為 R（單位/m）;y， t 為未知參數（單位為 ms） 。

故經整理為：

① T1= delay （t）=α/ （n×15×360）=α/ （ n×5400） （s）;（α大小決定字體顯示大小， 可調）。

t=T1×1000=（α×5）/（n×27）（s） 。

② T2=delay（y）=1/n-15×T1 （s） 。

y= T2×1000

③ S=（π×R×h）/180 （㎡）。

在公式①中，結合以上程，在程序中delay（t）為第n列顯示到第 n+1 列顯示時的時間間隔;t值與電機轉速密切相關，取值非常重要;與圖像的成型及清晰度，穩定度密切相關。在公式②中delay（y）為對一字模掃描完成后，P1，P2 端口全置高電平（LED 熄滅）所需時間。在公式③中，S 為單字顯示時所占用的面積，由于h為一定值，此面積則可根據 α的大小調整，為一可調值，其值的改變直接影響到字體大小的顯示，根據實際情況及美觀程度來調整。以上所述則為電機運行一周時所需執行的程序，由于電機運行速度非常快，電機在每運行一周均執行以上程序，又由于人的眼睛存在視覺暫留現象，故一個完整的“大” 字將出現在綠色的屏幕上。

3電路設計

3.1 顯示模塊

顯示部分主要由一排 16 個等間距排列的發光二極管組成，顯示的過程就是每一個二極管通過內部控制系統的控制表現為亮或滅，由于視覺暫留效應，快速旋轉的過程中就會形成一個立體的顯示屏。當在LED 上顯示漢字時，應先取得漢字的點陣構成數據，然后將其寫入顯示存儲器中進行顯示。

3.2 LED驅動電路

控制電路設計中采用的是單片機系統，由于旋轉會降低 LED 顯示的亮度，為此我們選擇高亮度的發光二極管，并通過與單片機 I/O 口相連，對程序設定以達到控制 LED 閃爍的效果。

4.系統調試與測試結果分析

4.1使用的儀器儀表

1. CA17303D直流穩壓電源：功能 為電路板提供電源以進行電路板的調試

2. MS8050數字萬用表：功能 測量電壓電流

3. 電烙鐵：功能 焊接電路板

4.2系統實現的功能

項 目 題目要求 實際實現情況

基本

要求 當電動機轉動后，在 LED 任意指定行上穩定顯示兩條水平線。 實現

從 LED 最上和最下端一行開始，控制兩條水平亮線向中間做上下往復運動。 實現

固定顯示 2 個獨立全亮的 16×16 點陣圖形，圖形間隔為 4 個點陣點距離。 實現

對（3）要求的顯示圖形在水平方向上進行寬窄變換循環顯示，寬窄變化不小于兩個點陣點的距離，變化不少于 5 次。 實現

發揮

部分 設計制作具有顯示與回放功能的圖文錄入器，5 分鐘內錄入 3 張如圖 2 所示格式的圖文卡信息，錄入方式不限制，按錄入順序回放顯示。 實現

將錄入的圖文信息傳輸到 LED 線陣顯示裝置上，按輸入順序在 120 度弧面區域內同時顯示（每幅圖形之間應留 3 個點陣點的間隔），傳輸形式不限。 實現

按發揮部分（2）要求顯示內容，使圖文在顯示的同時實現紅色、綠 色、橙黃色交替變色顯示，變色顯示樣式不少于 5 種。 實現

5.總結

本次設計使用了STC8A8K64S4A12單片機，同時加入了串口通信功能，可以直接通過串口輸入要顯示的內容完成顯示信息的更改，增加了裝置的實用性。

6.參考文獻

[1]《電子產品設計與制作》，陳強主編，電子工業出版社，2010.8

[2]《電子產品制作工藝與實訓》，廖芳主編，電子工業出版社，2010.6

[3]《C程序設計（第四版）》， 譚浩強著，清華大學出版社，2010.6。

[4]《模擬電子電路技術及基礎》，孫肖子著 ，西安電子科技大學出版社.2008