LED 显示应用综合实验测试台

杨景发，申文增，张 玮

（河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002）

随着发光二极管（LED）产业的快速发展，基于LED 点阵形式的显示屏幕已在银行、车站、商场等得到了广泛的应用[1]。现有的LED 显示试验仪功能单一，测试对象单一，知识点分散，不能形成积木式层次递进的能力训练，在实训内容的广度和深度以及实验教学内容编组灵活性方面有待提高。因此，本文遵循“实验模块化，内容一体化，接口简单化，过程趣味化”的设计原则，设计了一种LED 显示应用综合实验测试台，实现“基础实验—综合实验—实训设计”实验类型、关联知识点和“基本实验技能—综合专业技能—创新研发能力”的贯通，通过实验帮助学生快速掌握LED 显示原理，形成LED 显示应用的关联知识体系，培养LED 显示应用专业技术人员。

1 设计思路

基于LED 发光显示、LED 恒流驱动、PWM 调制、单片机控制、动态扫描、视觉暂留等技术，选取LED器件、LED/LCD/TFT/POV-LED 显示屏及不同系列单片机[2-3]，设计了LED 显示应用综合实验测试台（原理结构框图见图1），凸显“实验模块化，内容一体化”的设计思路，确保实验教学操作环节落地实施，既保证了实验学时又兼顾了学生能力训练质量。

图1 LED 显示应用综合实验测试台原理结构框图

2 综合实验测试台设计

利用3Dmax 设计的样机模型见图2，由“电源供电”“LED 点阵显示”“LED 非机动交通信号灯”“TFT屏/PWM LED 灯具调光”“LCD 屏—LED 作物补光”“LED 曲面/立体显示屏”等单元模块组成。

2.1 电源供电单元

该单元包括AC-DC 转换开关电源、DC-DC 转换模块、接线端子，输入220 V 交流电，输出+3.3、+5、+12、+24 V 直流电，提供各模块中负载所需电源。

2.2 LED 点阵显示单元

该单元包括三位LED 数码管和8×8、16×16、16×64 LED 点阵模块。选用8×8 LED 全彩点阵、16×16双色点阵屏、带边16×64 点阵屏、对应的显示驱动器模组[4-6]及STM32 单片机主控模块1，硬件连接电路见图3，点阵屏与共阴极显示驱动器相连，共阴极显示驱动器与STM32 单片机相连。学生通过USB 接口和复位开关，将实验程序烧录至单片机内，完成数字、汉字静态显示，静/动态图形显示和汉字动态显示等实验内容。

图3 LED 点阵显示电路图

2.3 LED 非机动交通信号灯单元

该单元包括三基色贴片式自行车信号灯模组、2位LED 数码管、红外感应传感器、光耦继电器模组、STM32 单片机主控模块1、语音模块和喇叭[7-8]。自行车信号灯模组、LED 数码管与STM32 单片机相连，红外感应传感器采集人员越线信息，数据经单片机处理后，经光耦继电器发给语音模块进行语音提醒警示，连接电路见图4。

2.4 TFT 屏/PWM LED 灯具调光单元

该单元包括一块3.5 英寸TFT 屏、LED 驱动器、3 W LED 灯具和STM32 单片机主控模块1。LED 灯具与驱动器相连，LED 驱动器和TFT 屏与STM32 单片机相连，向单片机内烧录实验程序。LED 驱动器内部电路见图5。

图4 非机动交通信号灯电路图

图5 灯具调光电路图

2.5 LCD 屏—LED 作物补光单元

该单元包括单片机主控模块2、LED 组合灯具、LED 驱动器、LCD 显示屏、5 键键盘、复位开关和USB 插座[9-10]。其中，主控模块2 是一个STC89C52单片机最小系统；LED 组合灯具包括铝质侧齿灯槽、铝基PCB 板、LED 灯组、散热轴流风扇、透光板和灯具盒。散热轴流风扇、铝质侧齿灯槽套装在灯具盒内，铝基PCB 板用导热硅胶粘贴在铝质侧齿灯槽内，LED 灯组焊接在铝基PCB 板上，透光板安装在LED灯组的上方，结构见图6。

图6 LED 组合灯具结构示意图

LED 灯组由3 红、3 蓝、3 白共9 只1 W LED 灯珠组成，红色LED 灯珠的主波长为660 nm，蓝色LED灯珠的主波长为420～460 nm，白色LED 灯珠的主波长主峰为420～490 和510～710 nm，半值角为60°。灯珠采用红、蓝、白色直线交替式排列，同色LED 灯珠串联后，分别接到6 个接线端子引脚上，再通过导线连接到驱动器对应接线端子上。

LED 驱动器由三路LED 驱动电路组成，采用SN3352 芯片设计恒流式LED 驱动电路，电源输入端、输出灯具端分别接到8 个接线端子引脚上；依据调控方法，单片机输出可调制的PWM 信号作用在SN3352芯片的ADJI 引脚，实现对LED 光照参数（光质、光强、工作频率、工作时间等）的调控。显示屏为带字库的12864 LCD 屏，键盘为5 位按键，USB 接口座和复位开关用于烧录实验程序。

2.6 LED 曲面/立体显示屏单元

该单元包括单片机主控模块3、T 形LED 线阵灯排、LED 驱动器、旋转模块、USB 转TTL 串口下载器、复位开关和USB 插座。其中，USB 转TTL 串口下载器、复位开关和USB 插座用于烧录实验程序。

单片机主控模块3 是一个STC12c5A32S2 单片机最小系统。T 形LED 线阵灯排由一块水平条状主PCB和一块垂直条状转接PCB 组成；水平条状主PCB 长14 cm、宽3 cm、旋转半径8 cm，一边是单片机最小系统，另一边是焊接20 颗贴片式LED 灯珠的主灯条；垂直条状转接PCB 高5 cm、宽3 cm，焊接16 颗贴片式LED 灯珠构成副灯条。36 颗灯珠均采用0805 封装。利用74HC595 串转并芯片组成LED 驱动器，根据调控参数驱动LED 工作。旋转模块由步进电机、步进电机驱动器、导电环等组成，步进电机驱动器驱动步进电机按设定转速转动，同步带动旋转屏旋转，同时通过导电环提供实现LED 组合灯具旋转和单片机工作所需的+5 V 直流电压,结构见图7。

图7 LED 曲面/立体显示屏原理结构示意图

3 虚拟实验平台设计

按照可视区最大化、凸显交互性、沉浸式思考等顶层设计理念，用Flash 工具开发了虚拟实验平台[11-12]，结合3-D 建模、计算机网络、动画模拟、人机交互等手段，以二维和三维结合方式，逼真展示了LED 显示应用综合实验的设计内容，可用于实验教学链“预习—实操—复习”环节自主学习。

3.1 软件主界面

主界面（图8）中间是实验仪器，鼠标点击“图片”或“视频”可浏览软件实验内容概要；左下角是一个“Home”智灵按钮，鼠标单击可显示或隐藏“背景音乐”“语音导示”“主菜单控制”三个智灵按钮；主菜单由“帮助”“背景”“原理”“仪器”“操作”“讨论”六项组成，单击可进入对应的内容界面。

图8 虚拟实验平台主界面

3.2 实验原理

点击“原理”按钮，进入原理部分（图9）。右侧为原理一级菜单栏，包括“相关知识点”“LED 发光原理”等七个按钮选项，鼠标单击按钮进入相应部分，单击“齿轮”智灵按钮，可隐藏或显示原理一级菜单。

图9 实验原理界面

3.3 实验仪器

点击“仪器”按钮，进入实验仪器展示部分（图10），包括七个视频按钮，鼠标移到按钮上可查看展示内容，单击视频按钮即可播放相关视频，进行有关仪器的学习，用爆炸图和动画呈现了仪器的内部构造。

3.4 实验内容

点击“操作”按钮，进入实验内容的主页面（图11），右侧的“智灵按钮”呈现了本实验的七项实验内容，自上而下依次为“8×8 LED 点阵屏显示数字”“16×16 LED 点阵屏显示汉字、静态和动态图片”，“16×64 LED点阵屏显示滚动汉字”“LED 非机动交通信号灯”“LED灯具调光”“LED 灯具补光”和“LED 旋转显示屏”；鼠标移到按钮上，用黑框呈现实验所用模块，底部显示实验内容名称。

图10 实验仪器界面

图11 实验内容界面

图12 LED 灯具调光界面

以“LED 灯具调光”仿真操作为例，用鼠标单击实验内容主页面的第五个“智灵按钮”，进入“LED灯具手动/触摸调光实验”页面（图12），右侧是实验步骤栏目。按“箭头鼠标+文字提示”导示，依次进行“熟悉仪器”“看框图识程序”“识读SCH 图”“重建程序”“烧录程序”操作。

实验效果交互式呈现：不按下K1 时，点击按钮改变模式，用鼠标滑轮模拟旋钮，改变灯光亮暗，操作界面见图13；按下K1 时，根据提示进行触摸屏实际体验操作，操作界面见图14。

图13 手动调光操作界面

图14 触摸调光操作界面

4 结语

本实验台秉承了“积木式、实验模块化、内容一体化”设计思想，各模块单元既可以独立使用，也可以选择性组合，便于学生进行实验内容开放式拓展，强化了学生在实验中的自主参与和动手能力的训练。

本平台上可实现的实验项目包括：8×8 LED 点阵显示数字实验、LED 数码管驱动显示实验、16×16 LED点阵显示汉字及静态/动态图形实验、LED 电压驱动实验、16×64 LED 点阵显示动态文字实验、LED 恒流源+PWM 驱动控制实验、LED 光源无极调光实验、人行横道LED 交通指示灯实验、流水灯LED 扫描驱动（动态）实验、三基色LED 驱动实验、LCD 屏——设施园艺LED 组合灯具调控实验、电容触摸屏实验、LED曲面/立体显示屏（旋转显示屏）实验。

本实验测试平台硬件获国家实用新型专利证书（ZL201721319096.3），软件获计算机软件著作权证书（2018SR620885），并荣获第11 届中国大学生计算机软件设计大赛国家二等奖。平台具有可开设实验项目多，内容关联度高，针对不同专业、不同实践课程的实验学时、内容可选择性强等特点。学生可在虚拟实验平台上进行实验预习、仿真实操、重点重复演练、实验复习，虚实结合，提高了实验综合效率，已成功用于为2015 级应用物理专业和新能源材料与器件专业的学生开设专业实验，教学效果良好。