LED线阵显示装置方案设计

张静

摘要：基于STC公司的STC8A8K64S4A12型芯片，该装置硬件模块主要包括控制模块、通信模块、显示模块、光电传感器模块、电源模块等，利用视觉暂留现象，采用独立的 LED，通过直流电机带动旋转，系统以STC8A8K64S4A12单片机作为核心 CPU，通过控制电路使其保持在一个适合并稳定的转速旋转，由此来带动一排发光二极管旋转，形成显示屏，单片机利用通信模块下载程序代码指令以及将要显示的内容，然后通过显示指令对代码进行处理，处理后的代码将通过显示模块进行显示。该装置稳定性好、功耗低，具有较高的性能指标。

关键词： LED 显示屏   旋转显示   STC8A8K64S4A12单片机  视觉暂留

1. 总体方案设计

1.1系统结构图

根据题目要求，系统可以划分为：控制模块、通信模块、显示模块、光电传感器模块、电源模块、电机控制模块等。

1.2方案选择

1.2.1控制单元选择

采用STC8A8K64S4A12作为系统控制器。运算速度快，抗干扰能力较强，功能齐全，内部集成了增强型的双数据指针，通过程序控制，可实现数据指针自动递增或递减功能以及两组数据指针的自动切换功能，可对外输出时钟及复位，可靠性高，低功耗、高性能。

1.2.2电机选择

采用普通的电机。此方案不占用单片机 I/O 口，节省单片机资源使用方便成本较低通过简单的改装可以给系统供电。

1.2.3电机驱动选择

采用三极管驱动，通过两对小功率PNP、NPN三极管的导通，控制流入直流电动机里的电流方向，以实现直流电动机的正反转，该驱动方式简单方便，成本低，易于控制。

1.2.4系统供电方案

从电机转子中引出电源线为系统供电。此方法直接在电机的转子中引出电源线，通过整流滤波后，可以作为系统供电，同时也可以作为系统控制时序的中断源。

1.2.5通讯模块选择

使用数字载波无线通讯。此通讯方式具有半双工的通讯功能，并且有两个通讯频道，受外界影响较小。

1.2.6 LED显示屏的选择

LED灯方案，色彩一致性比点阵模块方式的好，更加方便快捷，价格相对便宜，可满足需求。

2.理论分析与计算

2.1 LED线阵显示装置原理

旋转led是由直流电机的高速旋转，带动若干个LED，由STC8A8K64S4A12单片机芯片以纳秒级的速度控制LED的高速亮灭，利用人眼的视觉暂留原理，从此就可以在空中形成各种图案，内部装有1个旋转触发器，用于检测并且计算旋转一圈需要的时间，外部包含塑料或玻璃制成的透明保护罩，防止内部高速旋转的LED接触异物造成伤害，内部包含无线供电系统，无线供电用于给旋转部分的供电。

2.2汉字显示原理

以 UCDOS 中文宋体字库为例，每一个字由 16 行 16 列的点阵组成显示。我们可以把每一个点理为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形。

2.3计算及说明

假设电机转速为 n（rad/s），单字大小如图所示，所占角度为α（单位/度）;单字所占用的面积为 S（单位/㎡）;16个LED 所占高度为 h（单位/m） ，旋转半径为 R（单位/m）;y， t 为未知参数（单位为 ms） 。

故经整理为：

① T1= delay （t）=α/ （n×15×360）=α/ （ n×5400） （s）;（α大小决定字体显示大小， 可调）。

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，结合以上程，在程序中delay（t）为第n列显示到第 n+1 列显示时的时间间隔;t值与电机转速密切相关，取值非常重要;与图像的成型及清晰度，稳定度密切相关。在公式②中delay（y）为对一字模扫描完成后，P1，P2 端口全置高电平（LED 熄灭）所需时间。在公式③中，S 为单字显示时所占用的面积，由于h为一定值，此面积则可根据 α的大小调整，为一可调值，其值的改变直接影响到字体大小的显示，根据实际情况及美观程度来调整。以上所述则为电机运行一周时所需执行的程序，由于电机运行速度非常快，电机在每运行一周均执行以上程序，又由于人的眼睛存在视觉暂留现象，故一个完整的“大” 字将出现在绿色的屏幕上。

3电路设计

3.1 显示模块

显示部分主要由一排 16 个等间距排列的发光二极管组成，显示的过程就是每一个二极管通过内部控制系统的控制表现为亮或滅，由于视觉暂留效应，快速旋转的过程中就会形成一个立体的显示屏。当在LED 上显示汉字时，应先取得汉字的点阵构成数据，然后将其写入显示存储器中进行显示。

3.2 LED驱动电路

控制电路设计中采用的是单片机系统，由于旋转会降低 LED 显示的亮度，为此我们选择高亮度的发光二极管，并通过与单片机 I/O 口相连，对程序设定以达到控制 LED 闪烁的效果。

4.系统调试与测试结果分析

4.1使用的仪器仪表

1. CA17303D直流稳压电源：功能 为电路板提供电源以进行电路板的调试

2. MS8050数字万用表：功能 测量电压电流

3. 电烙铁：功能 焊接电路板

4.2系统实现的功能

项 目 题目要求 实际实现情况

基本

要求 当电动机转动后，在 LED 任意指定行上稳定显示两条水平线。 实现

从 LED 最上和最下端一行开始，控制两条水平亮线向中间做上下往复运动。 实现

固定显示 2 个独立全亮的 16×16 点阵图形，图形间隔为 4 个点阵点距离。 实现

对（3）要求的显示图形在水平方向上进行宽窄变换循环显示，宽窄变化不小于两个点阵点的距离，变化不少于 5 次。 实现

发挥

部分 设计制作具有显示与回放功能的图文录入器，5 分钟内录入 3 张如图 2 所示格式的图文卡信息，录入方式不限制，按录入顺序回放显示。 实现

将录入的图文信息传输到 LED 线阵显示装置上，按输入顺序在 120 度弧面区域内同时显示（每幅图形之间应留 3 个点阵点的间隔），传输形式不限。 实现

按发挥部分（2）要求显示内容，使图文在显示的同时实现红色、绿 色、橙黄色交替变色显示，变色显示样式不少于 5 种。 实现

5.总结

本次设计使用了STC8A8K64S4A12单片机，同时加入了串口通信功能，可以直接通过串口输入要显示的内容完成显示信息的更改，增加了装置的实用性。

6.参考文献

[1]《电子产品设计与制作》，陈强主编，电子工业出版社，2010.8

[2]《电子产品制作工艺与实训》，廖芳主编，电子工业出版社，2010.6

[3]《C程序设计（第四版）》， 谭浩强著，清华大学出版社，2010.6。

[4]《模拟电子电路技术及基础》，孙肖子著 ，西安电子科技大学出版社.2008