基于视觉暂留的LED显示屏设计与实现

于立勇

【摘 要】利用视觉暂留效应原理制作LED显示屏，是国外发展而国内并未大规模商业化的新兴技术，此技术能以少量LED实现传统方式下大量LED才能实现的显示屏，具有节能、轻便、可重复利用等优点，可以让高速运动的物体（如地铁、火车、飞机等）上的人看清地面上静止的标志不会产生一丝的眩晕感。弥补了高速运动显示图像的不足。

【关键词】视觉暂留；LED

为了能更直观介绍这项技术。本人阐述了基于视觉暂留的LED显示屏原理，利用AT89C51单片机简单的制作了显示屏，展示了基于视觉暂留的LED显示屏的原理和效果。

一、背景及技术介绍

（一）我国的LED发展形势

近年来，我国LED产业发展迅速，从全球LED产业竞争格局看，当前国内LED封装企业自动化水平提升较快，以道路照明为主的照明应用产业取得了突破性发展，LED封装和应用方面在规模和产业化技术方面在全球具有重要影响力；另一方面，国内LED外延和芯片企业的产能和技术水平有了一定提升，上游产业保持了良好的发展势头，LED的发展已经成为不可挡的趋势。

但是，对于高速运动的物体传统的显示技术是不能满足广大用户的需求，例如北京的地铁在运行过程中两侧不能设置任何静态的LED显示灯，否则坐在车内的乘客会感到会头晕眼花。

现阶段，我国用于演唱会等场所的产品主要是LED显示屏和荧光棒，普通LED显示屏由于体积大、阻碍视线等原因限制了此产品的大量使用，而荧光棒虽然价格便宜、体积小却不能显示字体，所以，如果有一个产品能中和以上两种产品的优势，那么它会有很大的发展空间，基于视觉暂留效应的显示屏就具有这种发展潜力，它具有荧光棒的体积，摇动后就会有LED显示屏的平面显示效果，具有体积小、价格低、亮度高、寿命长、能耗少等诸多优势。

（二）基于视觉暂留效应的LED技术介绍

视觉暂留的英文是Persistence Of Vision，缩写为POV，是指当人们眼前的物体被移走之后，该物体反映在视网膜上的物象不会立即消失，会继续短暂滞留0.1—0.4秒。人眼视觉的生理功能可以将一系列独立的画面组合起来，成为连续运动的视象，这就是视觉暂留效应，也是电影、幻灯片等能放映的基本原理。比如电影，电影片放映机以24帧/s的速度过卷，由于视觉滞后效应，使映现在屏幕上的单个静态画面，变成了连续动作的图文画面，配上声音就成了电影。

POV LED技术就是利用眼睛的暂留作用，利用眼睛与LED灯的相对运动，用一排灯通过相对运动达到显示一个平面的目的。这种相对运动包括两种：一种是LED灯不动而观察者移动，如地铁隧道广告，另一种是LED灯运动观察者不动，如旋转显示屏。正是这种相对运动，弥补了高速运动状态下图像显示的空白。

二、硬件电路设计

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。具有体积小、高亮度、多颜色、坚固耐用、耗电量低、环保、使用寿命长等特点。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

电路图的硬件连接如下图，单片机的P0口和P1口接16个LED灯，16个LED共阳极连接，P3.2接红外遮挡器，通过软件调节各个LED灯亮灭顺序，在摇动的时达到显示平面的目的。

三、软件设計与实现

（一）程序原理说明

单片机P3.2接红外遮挡器，当向右摇时P3.2为高电平，向左摇时P3.2为低电平，通过检测P3.2的高低电平确定摇动方向，向右摇摆显示内容，向左摇摆不显示。

由于边缘处摆动速度不均匀，会出现显示不完全的情况，通过设置空位字符来调整，左侧两个空位，右侧一个空位，共七个字符。

通过检测七个汉字是否显示完全来确定摇摆幅度，显示完全有剩余时间则下次显示时间减5*10个时钟周期，显示不完全则下次显示时间增加5*10个时钟周期，通过不断地检测来跟踪、调节显示速度，达到稳定显示的目的。

（二）显示屏实现

设定程序，使每个显示屏的16个LED灯都点亮，待摇动后由于视觉暂留效应就会显示稳定的平面的显示效果，如果设定程序，控制这16个LED灯的亮灭顺序，就可以制成显示汉字或者图片的显示屏了。

通过一个单片机竖向连接一排16个LED灯，对单片机设定程序，控制16个LED灯的亮灭顺序，摇摆之后就可以显示提前设定的汉字或者图片，显示效果如下：

四、总结

基于视觉暂留的LED显示技术最大的成功之处在于两种不同领域的技术结合，达到了整体大于部分之和的功效，展示了这项技术在高速领域应用的广阔前景，加上LED节能、高亮度、价格低廉等特点，引导更多的人们关注基于视觉暂留显示屏领域的应用，相信在不远的将来就会应用于各种场所。

【参考文献】

【1】王祖一，陆小民.LED显示屏技术要点[J].科技创新与应用，2018（18）：135-136.

[2]冯玉森. 基于机器视觉的LED显示屏面缺陷检测技术[D].西安电子科技大学，2013.