智能“南昌之星”LED可控模型的设计

相阳，高鸿波，洪昶，陈忠林，张士晶，张春兴

（1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063；2.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

0 引言

据统计，6700根LED发光二极管共同组成了“南昌之星”摩天轮的外在轮面彩灯。而在系统启动后能够显示出一座半径为76m的大型彩色时钟，同时可以根据工作人员的需要，设计和显示出不同的图案。另外，还可以通过用户的客户机以短信的方式将指令发送到控制系统中，从而使文字可以呈现于摩天轮的彩灯上，色彩缤纷令人向往。

南昌之星摩天轮在设计人员的结果精密计算后将造价和使用资金控制在了“伦敦眼”的1/6，并可以显示出相同的视觉和使用效果。经过上千次设计修改和实验，工程师在机械材料和实用设计中找到了完美平衡：在半径1m的粗壮摩天轮主轴到20mm的细小管件的共同作用下，让摩天轮上的数千根材料都发挥其本身最大的物理功效，同时也保障了最大使用寿命和使用极限。

1 系统总体设计

结合所学的单片机点阵技术，将动态显示与静态显示有机融合，通过视觉暂留效果将各种炫彩画面尽显呈现。本设计将STC12C5A60S2单片机作为主控制单位，通过使用彩色LED灯制作出一座具有动态LED灯和静态LED灯混合的电子模型。

项目中主要采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，在显示部分使用了16*16的点阵显示原理[1]，能够实现南昌之星效果显示、播放、转动等功能。

本设计通过按键转换可分成两种模式：一种是动画显示，能够进行真实摩天轮的各种模拟闪烁，另一种是根据客户机输入的音频自动控制南昌之星模型的LED灯的照明。除了人工按键切换以外，我们还拟采用蓝牙模块，通过scatternet从而可以使用客户机自动控制本南昌之星模型。

本系统主要采用以STC12C5A60S2单片机为核心的主要控制区块，同时采用电源区块、驱动电路区块，控制电路区块以及显示电路区块4个模块来组成系统结构[2]。图1为系统结构示意图。

图1 系统结构示意图

2 系统主要功能区块设计

2.1 主控区块

主控区块为整个电路系统的核心组成部分，STC12C5A60S2单片机以及其他附属设备共同构成了电路系统。为了内部设计的简便和节省资源，我们采用了满足使用条件的最少元件，包括单片机、时钟电路、复位电路、输入输出设备等必要元件[3]。而系统的平稳运行依靠将PC端的上端口与主控区块的下端口的通信相连接，通过对下端口的控制即可得到播放动画、LED闪烁、画面递进等不同呈现效果。

2.2 驱动电路区块

由于STC12C5A60S2单片机的IO管脚数不能满足16*16的LED驱动的需求条件，所以本设计通过使用锁存器74HC595的级联来处理IO管脚数不足的困难。

2.3 控制电路区块

该部分主要是将3个独立按键X，Y，Z分别与单片机控制板块的3个不同接口进行有线相连，通过技术员手动操作一个独立控制器来进行操控，其控制器共包括3个部分：向上、向下和确定功能的红色按键，其上、下按键可以用于选择显示模式，红色控制按键可以进行模式确定；其中一种模式为自动显示模式，即南昌之星模型可以根据需要通过控制程序的选择自动在3种不同的显示模式中相互切换；另一种是人工控制模式，可以通过手动按键选择不同模式的显示效果，同样可以通过红色按键进行确认和运行。在按下确认按键选择人工显示模式后，再次按下确认按键则可自动转变为自动显示模式，十分容易掌握和操作。

2.4 显示电路区块

显示电路部分共包含2个部分区域电路，一部分是南昌之星摩天轮顶部的静态化显示电路，不随控制电路显示动画；另一部分是摩天轮轮身的动态化显示电路，可以根据需要展现不同的动态画面。部分电路图如图2所示。

图2 摩天轮轮身的动态化显示电路

南昌之星摩天轮的顶端焊接了6个发光二极管作为光源用于日常照明，这6个发光二极管通过外接电源进行电力输送，所以摩天轮顶部一直处于稳态的明亮状态，同时为了保护顶部光源，我们在6个发光二极管所在的电路里各自串联了一个小电阻用于电路保护。

摩天轮本身电路由16*16的LED组成，显示方式为动态扫描。通过阳极和阴极的连线可以得到16条行线，16条列线。将16条行线与第一、二个74HC595的16个输出端依次相连，将16条列线同第三、四条74HC595的16个输出端连接。此时STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，在控制端给出控制信号后从第一列开始便依次对各列进行扫描选通，再将锁存器事前储存好的信号释放进行同时输出，进而改变发光二极管的阳极和阴极的所处状态[4]。最终控制发光二极管的明亮和熄灭，以期出现不同的显示结果[5]。

3 南昌之星模型的工作原理

51单片机的P0端将P0.0，P0.1，P0.2作为数据的输入端口，然后使用P3端口的独立按键对弹出的显示模式进行选择，从而传输出不同模式的代码[6]。最终通过动态扫描的方法使对应的锁存器开始锁存不同的输出数据，并行输出用以选通相应行列的LED灯并改变其阳极和阴极的电位符号来控制LED的闪烁和熄灭。图3为南昌之星显示框图。

图3 南昌之星显示框图

将PCB板、电源、电机及七彩LED发光二极管模块按电路图正确连接后，先将整个模型进行上电（9V1A）后与蓝牙模块直接接通，喇叭播放采用“蓝牙模式”，然后通过红外遥控器对摩天轮模型进行控制，摩天轮主灯部分包含了21种动画模式、8种频谱模式，开启后可以很清楚地看到摩天轮背景灯光点亮，主屏灯光逐层点亮，进入动画轮播模式[7]。打开转动模式，电机驱动摩天轮开始转动，使用红外遥控器对LED灯光控制以实现持续发光和变化，进入动画模式。

4 实验结果分析

智能“南昌之星”LED可控模型的设计以scatter-net收发器直接传输信号到模型基带信号处理器，从而通过scatter-net在客户机与连接设备之间实现快捷而方便的通信[8]。在实验室环境测试中，网络通信正常，在调控范围内系统整体运行正常，超出调控范围时，数据无法正常传输，存在丢包现象，可通过添加功率放大器提高通信稳定性。在系统出现误差较大情况下，会出现轻微延迟现象。以上系统实验在自动控制模式和手动模式下均已进行。

5 结语

本设计将动态显示与静态显示有机融合，通过视觉暂留效果将各种炫彩画面尽现和升华，将“南昌之星”的控制分为两种方法。采用STC12C5A60S2单片机作为控制系统，结合了自动与手动两种控制模式，对“南昌之星”模型实现了智能调控。它的制作简单、成本低，安装比较方便，同时它的变化闪烁比较稳定、灵敏度高、安全可靠。这种LED模型灯可作为南昌观光旅游纪念品。该模型的功能还可以进一步开发研究，例如增加照明功能、提供背景音乐功能等，具有极大的市场开发价值与广阔的商业前景。