基于STC15 單片機的LED 線陣顯示系統

谷櫟娜，張通，張萌

（石家莊工程職業學院，河北石家莊，050061）

0 引言

近年來，LED 顯示屏被廣泛地應用于工業、交通、商業廣告、娛樂等領域。各領域的LED 顯示屏多是平板式，此種顯示屏是采用逐行掃描方式進行顯示，需要控制大量的LED 燈輪流點亮，控制系統和電路結構都相對比較復雜。

LED 線陣作為一種新型的顯示材料，是構成LED 旋轉顯示屏的核心部件。LED 旋轉顯示屏可實現LED 燈的位置和亮滅的同步控制，從而實現圖文顯示的一種新型顯示器，具有操作簡單、功耗低、成本低、顯示效果好、顯示范圍可調、顯示范圍大等特點，能給觀者帶來更好的視覺體驗，因此得到廣泛而迅速的發展。LED 旋轉顯示屏是采用機械動態掃描方式，利用控制器控制1 列快速移動的LED 燈來實現圖文顯示的。

本文設計的LED 線陣顯示系統包括理論設計和實際制作兩部分，涉及模-數混合電路、單片機、光學紅外器件等的應用，具有實際意義和應用背景。

1 系統總體方案

■1.1 系統設計原理

本文設計的LED 線陣顯示系統，主要包括兩部分：LED 線陣顯示裝置和圖文錄入設備。系統總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖

圖文錄入設備采用觸摸按鍵的方式將圖形或文字錄入到圖文錄入單片機，并通過顯示屏進行顯示和回放。LED線陣顯示裝置將位置傳感器采集到的數字信號送給LED 顯示單片機進行處理，進而判斷LED 線陣顯示裝置轉過的位置。LED 顯示單片機根據轉過的位置以及電機的轉速，在LED 線陣顯示裝置顯示相應的圖形或文字。該系統采用串行通信的方式將圖文錄入主機與LED 顯示從機進行通信，提高讀取和發送數據的速度。電機的作用就是帶動LED 線陣顯示裝置進行旋轉，電機的轉速必須要均勻，這樣才能保證圖像在水平方向不會被局部伸展或者壓縮。

■1.2 方案論證

1.2.1 電機選擇

綜合考慮系統要求，為節省成本，簡單系統電路，LED 線陣顯示裝置采用普通直流電機作為動力電機來帶動整個裝置的旋轉。直流電機起動和調速性能好，調速范圍廣，易于平滑調節，易于控制，可靠性高，受電磁干擾影響小，調速時的能量損耗較小，通過簡單的改裝，可以給系統供電。

1.2.2 控制芯片選擇

控制器主要用來接收傳感器信號，控制LED 顯示裝置的顯示，數據的運算，以及控制器與控制器之間的串行通信。

根據系統性能要求，圖文錄入設備需選用運行速度快、功能強大的STM32 單片機作為主機。STM32F103C8T6，單片機外設豐富，多達7 個定時器，多達9 個通信接口，多達80 個快速I/O 口，2 個12 位A/D 轉換器等功能強大，低功耗。LED 線陣顯示裝置選用STC15 單片機作為從機。STC15F2K61S2，兩個獨立串口，高速10 位A/D 轉換器，不需要外部晶振和外部復位電路，高速，高可靠，超低功耗，超強抗干擾，超強抗靜，價格便宜。

1.2.3 位置傳感器選擇

綜合系統結構以及其他相關要求，LED 線陣顯示裝置采用紅外對管傳感器實現顯示范圍的控制。紅外收發對管是一種利用紅外線的開關管，接受管在接受和不接受紅外線時產生明顯的高低電平的變化，高低電平的變化輸入單片機就可使之識別，從而實現智能控制。同時紅外對管抗干擾能力強，不會影響電機的旋轉。

1.2.4 圖文采集方案選擇

綜合考慮設計難度和操作難度，選用采用迪文串口屏，使用自帶軟件繪制一個16×16 的點陣圖像，利用觸摸按鍵將圖文卡的數據采集并且直接在迪文串口屏上回顯。

2 理論分析與計算

■2.1 LED 線陣顯示運動參數分析與計算

（1）LED 圖文顯示區域

本系統LED 線陣顯示屏在電機的帶動下，依靠旋轉平臺進行旋轉，且要在120°弧面區域內顯示點陣的圖形或文字，所以顯示區域需要確定。

顯示區域是利用紅外對管位置傳感器實現位置限制的，且在120°弧面區域顯示圖文的總延時時間也可以確定。

設電機周期為T（s），則延長時間為：t（120°）=T/3。

（2）LED 圖文顯示位置

本系統不僅要求在120°弧面區域內顯示，而且要求顯示不少于3 個16×16 點陣的圖形或文字，所以圖文在顯示區域內的位置也需要確定。顯示位置則需要通過以下理論推導得出。

設LED 顯示屏上各二極管之間的距離為l（mm），顯示屏距電機軸的距離為R（mm）。

電機轉一周時，點陣為：

則每列像素點的延時時間為：

則120°弧面區域內的點陣為：

如果顯示1 個16×16 點陣的圖文，延時時間為：

如果固定顯示2 個16×16 點陣的圖文，且兩張圖文間隔4 個點陣，則延時時間為：

如果同時顯示3 個16×16 點陣的圖文，且各張圖文間隔4 個點陣，則延時時間為：

這樣就能確定圖文在120°弧面區域內的顯示位置了。

■2.2 LED 線陣顯示裝置的重心位置計算

重心調節是最困難的一個技術環節。旋轉的重心直接關系到系統的穩定運行以及安全性問題。旋轉的重心如果不在轉軸上的話，在高速的旋轉中，會產生劇烈的抖動，在巨大的離心力下，會使整個系統分解，并產生安全隱患。因此，重心調節是必須解決的問題。

根據杠桿原理，當支點兩端的物體的質量與力矩乘積相等時，杠桿就處于平衡。因此采用了長條方型的電路板結構。設橫梁一端為LED 線陣顯示板，其重量為M1，到重心的距離為L1；橫梁的總長為L；橫梁另一端質量為M2，則：

這樣就能確定LED 線陣顯示裝置的重心位置。

3 系統硬件設計

■3.1 LED 線陣顯示裝置硬件電路

LED 線陣顯示裝置是由STC15 單片機作為從機的主控芯 片，通 過P0、P2 口 對4 個74HC573 鎖存器進行控制，再由鎖存器將將數據給16 個紅綠雙色LED，從而控制LED 的亮滅以及變色。紅綠雙色LED 顯示模塊原理圖，如圖2 所示。

圖2 紅綠雙色LED 顯示模塊原理圖

■3.2 圖文錄入模塊

圖文顯示設備是由STM32 單片機和串口屏組成，如圖3 所示。

圖3 圖文錄入模塊原理圖

4 系統軟件設計

■4.1 LED 顯示裝置流程圖

LED 顯示裝置流程圖，如圖4所示。

圖4 LED 顯示裝置流程圖

開機進行自檢，并檢測是否接收到串口通信數據。如有數據接收，并判斷哪個數據。若接收數據1，啟動直流電機，同時輸入指定任意兩行，LED 在120 度弧面區域內顯示該兩行的水平線；若接收數據2，啟動直流電機，LED 在120度弧面區域內顯示最上端和最下端水平線向中間做上下往復運動。若接收數據3 按下，啟動直流電機，LED 在120 度弧面區域內固定顯示2 個獨立全亮的16×16 點陣圖形，間隔為4 個點陣點距離。若接收數據4，啟動直流電機，LED在120 度弧面區域內顯示圖形在水平方向上進行寬窄變換。

■4.2 圖文錄入流程圖

根據任務要求，LED 線陣顯示裝置需要實現圖文錄入功能。圖文錄入流程圖如圖5 所示，依次完成三張圖文錄入，每次錄入完一張圖文，通過串口把數據傳送出去并進行保存。待三張圖文全部錄入完成，按下回放鍵，依次播放。

圖5 圖文錄入流程圖

■4.3 雙機串行通信流程圖

通過通信協議進行發送接收，圖文錄入器主機先送AAH 給LED 線陣顯示從機，當從機接收到AAH 后，向主機回答BBH。主機收到BBH 后就把數碼表中的數據送給從機，并發送檢驗和。當從機接收到數據并計算接收到數據的檢驗和，與主機發送來的檢驗和進行比較，若檢驗和相同則發送00H 給從機；否則發送FFH 給從機，重新接收。主機收到正確數據后送到LED 線陣顯示裝置進行顯示。發送端和接收端程序流程圖分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 發送端程序流程圖

圖7 接收端程序流程圖

5 測試方案與測試結果

■5.1 測試方案

系統測試需要分別對硬件、軟件以及整個系統進行測試。硬件測試包括對元件焊接測試、整體機構測試及上電功能測試為主。軟件測試主要對寫好的程序進行仿真運行。軟硬件的測試做好以后，進行整機調試。整機調試非常關鍵，要進行不斷調試，讓軟件和硬件完美結合，這樣才能達到預期的效果。

■5.2 測試結果

LED 線陣顯示系統能夠較好的完成基本功能和發揮功能，且保持了比較好的穩定性。

從測試結果可知，系統電路功能實現基本符合設計要求，能順利實現基礎部分的功能，并完成了發揮部分的功能。由于機械結構設計還不是很理想，所以運行時，導致整個裝置略有晃動，但還是完成了預期的效果。

6 總結

本系統以單排LED 顯示圖文信息為研究對象，通過對單片機、16×16 點陣字模及電機的結合運用，在此基礎上提出了硬件和軟件的設計方案。

LED 線陣顯示系統已制作完成，是以STC15 單片機為主控器件，利用特定的算法程序完成對LED 線陣的各項控制任務，同時具有圖文顯示和回放功能。該系統在實際運行中可能還會出現許多未曾考慮到的問題，有待于進一步完善。下一步的具體工作主要有：優化軟件流程，加快執行速度，使圖文信息更豐富、更流暢；優化硬件結構，使系統整個機械裝置更加穩固，最大限度降低制作成本、運行阻力。