基于STC15 單片機(jī)的LED 線(xiàn)陣顯示系統(tǒng)

谷櫟娜，張通，張萌

（石家莊工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊，050061）

0 引言

近年來(lái)，LED 顯示屏被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)廣告、娛樂(lè)等領(lǐng)域。各領(lǐng)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(jìn)行顯示，需要控制大量的LED 燈輪流點(diǎn)亮，控制系統(tǒng)和電路結(jié)構(gòu)都相對(duì)比較復(fù)雜。

LED 線(xiàn)陣作為一種新型的顯示材料，是構(gòu)成LED 旋轉(zhuǎn)顯示屏的核心部件。LED 旋轉(zhuǎn)顯示屏可實(shí)現(xiàn)LED 燈的位置和亮滅的同步控制，從而實(shí)現(xiàn)圖文顯示的一種新型顯示器，具有操作簡(jiǎn)單、功耗低、成本低、顯示效果好、顯示范圍可調(diào)、顯示范圍大等特點(diǎn)，能給觀(guān)者帶來(lái)更好的視覺(jué)體驗(yàn)，因此得到廣泛而迅速的發(fā)展。LED 旋轉(zhuǎn)顯示屏是采用機(jī)械動(dòng)態(tài)掃描方式，利用控制器控制1 列快速移動(dòng)的LED 燈來(lái)實(shí)現(xiàn)圖文顯示的。

本文設(shè)計(jì)的LED 線(xiàn)陣顯示系統(tǒng)包括理論設(shè)計(jì)和實(shí)際制作兩部分，涉及模-數(shù)混合電路、單片機(jī)、光學(xué)紅外器件等的應(yīng)用，具有實(shí)際意義和應(yīng)用背景。

1 系統(tǒng)總體方案

■1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的LED 線(xiàn)陣顯示系統(tǒng)，主要包括兩部分：LED 線(xiàn)陣顯示裝置和圖文錄入設(shè)備。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖文錄入設(shè)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(jī)，并通過(guò)顯示屏進(jìn)行顯示和回放。LED線(xiàn)陣顯示裝置將位置傳感器采集到的數(shù)字信號(hào)送給LED 顯示單片機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)而判斷LED 線(xiàn)陣顯示裝置轉(zhuǎn)過(guò)的位置。LED 顯示單片機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)的位置以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在LED 線(xiàn)陣顯示裝置顯示相應(yīng)的圖形或文字。該系統(tǒng)采用串行通信的方式將圖文錄入主機(jī)與LED 顯示從機(jī)進(jìn)行通信，提高讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)的速度。電機(jī)的作用就是帶動(dòng)LED 線(xiàn)陣顯示裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須要均勻，這樣才能保證圖像在水平方向不會(huì)被局部伸展或者壓縮。

■1.2 方案論證

1.2.1 電機(jī)選擇

綜合考慮系統(tǒng)要求，為節(jié)省成本，簡(jiǎn)單系統(tǒng)電路，LED 線(xiàn)陣顯示裝置采用普通直流電機(jī)作為動(dòng)力電機(jī)來(lái)帶動(dòng)整個(gè)裝置的旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)起動(dòng)和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)，易于控制，可靠性高，受電磁干擾影響小，調(diào)速時(shí)的能量損耗較小，通過(guò)簡(jiǎn)單的改裝，可以給系統(tǒng)供電。

1.2.2 控制芯片選擇

控制器主要用來(lái)接收傳感器信號(hào)，控制LED 顯示裝置的顯示，數(shù)據(jù)的運(yùn)算，以及控制器與控制器之間的串行通信。

根據(jù)系統(tǒng)性能要求，圖文錄入設(shè)備需選用運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)大的STM32 單片機(jī)作為主機(jī)。STM32F103C8T6，單片機(jī)外設(shè)豐富，多達(dá)7 個(gè)定時(shí)器，多達(dá)9 個(gè)通信接口，多達(dá)80 個(gè)快速I(mǎi)/O 口，2 個(gè)12 位A/D 轉(zhuǎn)換器等功能強(qiáng)大，低功耗。LED 線(xiàn)陣顯示裝置選用STC15 單片機(jī)作為從機(jī)。STC15F2K61S2，兩個(gè)獨(dú)立串口，高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換器，不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，高速，高可靠，超低功耗，超強(qiáng)抗干擾，超強(qiáng)抗靜，價(jià)格便宜。

1.2.3 位置傳感器選擇

綜合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及其他相關(guān)要求，LED 線(xiàn)陣顯示裝置采用紅外對(duì)管傳感器實(shí)現(xiàn)顯示范圍的控制。紅外收發(fā)對(duì)管是一種利用紅外線(xiàn)的開(kāi)關(guān)管，接受管在接受和不接受紅外線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生明顯的高低電平的變化，高低電平的變化輸入單片機(jī)就可使之識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)智能控制。同時(shí)紅外對(duì)管抗干擾能力強(qiáng)，不會(huì)影響電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

1.2.4 圖文采集方案選擇

綜合考慮設(shè)計(jì)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(gè)16×16 的點(diǎn)陣圖像，利用觸摸按鍵將圖文卡的數(shù)據(jù)采集并且直接在迪文串口屏上回顯。

2 理論分析與計(jì)算

■2.1 LED 線(xiàn)陣顯示運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析與計(jì)算

（1）LED 圖文顯示區(qū)域

本系統(tǒng)LED 線(xiàn)陣顯示屏在電機(jī)的帶動(dòng)下，依靠旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且要在120°弧面區(qū)域內(nèi)顯示點(diǎn)陣的圖形或文字，所以顯示區(qū)域需要確定。

顯示區(qū)域是利用紅外對(duì)管位置傳感器實(shí)現(xiàn)位置限制的，且在120°弧面區(qū)域顯示圖文的總延時(shí)時(shí)間也可以確定。

設(shè)電機(jī)周期為T(mén)（s），則延長(zhǎng)時(shí)間為：t（120°）=T/3。

（2）LED 圖文顯示位置

本系統(tǒng)不僅要求在120°弧面區(qū)域內(nèi)顯示，而且要求顯示不少于3 個(gè)16×16 點(diǎn)陣的圖形或文字，所以圖文在顯示區(qū)域內(nèi)的位置也需要確定。顯示位置則需要通過(guò)以下理論推導(dǎo)得出。

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

電機(jī)轉(zhuǎn)一周時(shí)，點(diǎn)陣為：

則每列像素點(diǎn)的延時(shí)時(shí)間為：

則120°弧面區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)陣為：

如果顯示1 個(gè)16×16 點(diǎn)陣的圖文，延時(shí)時(shí)間為：

如果固定顯示2 個(gè)16×16 點(diǎn)陣的圖文，且兩張圖文間隔4 個(gè)點(diǎn)陣，則延時(shí)時(shí)間為：

如果同時(shí)顯示3 個(gè)16×16 點(diǎn)陣的圖文，且各張圖文間隔4 個(gè)點(diǎn)陣，則延時(shí)時(shí)間為：

這樣就能確定圖文在120°弧面區(qū)域內(nèi)的顯示位置了。

■2.2 LED 線(xiàn)陣顯示裝置的重心位置計(jì)算

重心調(diào)節(jié)是最困難的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。旋轉(zhuǎn)的重心直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及安全性問(wèn)題。旋轉(zhuǎn)的重心如果不在轉(zhuǎn)軸上的話(huà)，在高速的旋轉(zhuǎn)中，會(huì)產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)，在巨大的離心力下，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)分解，并產(chǎn)生安全隱患。因此，重心調(diào)節(jié)是必須解決的問(wèn)題。

根據(jù)杠桿原理，當(dāng)支點(diǎn)兩端的物體的質(zhì)量與力矩乘積相等時(shí)，杠桿就處于平衡。因此采用了長(zhǎng)條方型的電路板結(jié)構(gòu)。設(shè)橫梁一端為L(zhǎng)ED 線(xiàn)陣顯示板，其重量為M1，到重心的距離為L(zhǎng)1；橫梁的總長(zhǎng)為L(zhǎng)；橫梁另一端質(zhì)量為M2，則：

這樣就能確定LED 線(xiàn)陣顯示裝置的重心位置。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■3.1 LED 線(xiàn)陣顯示裝置硬件電路

LED 線(xiàn)陣顯示裝置是由STC15 單片機(jī)作為從機(jī)的主控芯 片，通 過(guò)P0、P2 口 對(duì)4 個(gè)74HC573 鎖存器進(jìn)行控制，再由鎖存器將將數(shù)據(jù)給16 個(gè)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(shè)備是由STM32 單片機(jī)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■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(kāi)機(jī)進(jìn)行自檢，并檢測(cè)是否接收到串口通信數(shù)據(jù)。如有數(shù)據(jù)接收，并判斷哪個(gè)數(shù)據(jù)。若接收數(shù)據(jù)1，啟動(dòng)直流電機(jī)，同時(shí)輸入指定任意兩行，LED 在120 度弧面區(qū)域內(nèi)顯示該兩行的水平線(xiàn)；若接收數(shù)據(jù)2，啟動(dòng)直流電機(jī)，LED 在120度弧面區(qū)域內(nèi)顯示最上端和最下端水平線(xiàn)向中間做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。若接收數(shù)據(jù)3 按下，啟動(dòng)直流電機(jī)，LED 在120 度弧面區(qū)域內(nèi)固定顯示2 個(gè)獨(dú)立全亮的16×16 點(diǎn)陣圖形，間隔為4 個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)距離。若接收數(shù)據(jù)4，啟動(dòng)直流電機(jī)，LED在120 度弧面區(qū)域內(nèi)顯示圖形在水平方向上進(jìn)行寬窄變換。

■4.2 圖文錄入流程圖

根據(jù)任務(wù)要求，LED 線(xiàn)陣顯示裝置需要實(shí)現(xiàn)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(guò)串口把數(shù)據(jù)傳送出去并進(jìn)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(jī)串行通信流程圖

通過(guò)通信協(xié)議進(jìn)行發(fā)送接收，圖文錄入器主機(jī)先送AAH 給LED 線(xiàn)陣顯示從機(jī)，當(dāng)從機(jī)接收到AAH 后，向主機(jī)回答B(yǎng)BH。主機(jī)收到BBH 后就把數(shù)碼表中的數(shù)據(jù)送給從機(jī)，并發(fā)送檢驗(yàn)和。當(dāng)從機(jī)接收到數(shù)據(jù)并計(jì)算接收到數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和，與主機(jī)發(fā)送來(lái)的檢驗(yàn)和進(jìn)行比較，若檢驗(yàn)和相同則發(fā)送00H 給從機(jī)；否則發(fā)送FFH 給從機(jī)，重新接收。主機(jī)收到正確數(shù)據(jù)后送到LED 線(xiàn)陣顯示裝置進(jìn)行顯示。發(fā)送端和接收端程序流程圖分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 發(fā)送端程序流程圖

圖7 接收端程序流程圖

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

■5.1 測(cè)試方案

系統(tǒng)測(cè)試需要分別對(duì)硬件、軟件以及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。硬件測(cè)試包括對(duì)元件焊接測(cè)試、整體機(jī)構(gòu)測(cè)試及上電功能測(cè)試為主。軟件測(cè)試主要對(duì)寫(xiě)好的程序進(jìn)行仿真運(yùn)行。軟硬件的測(cè)試做好以后，進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。整機(jī)調(diào)試非常關(guān)鍵，要進(jìn)行不斷調(diào)試，讓軟件和硬件完美結(jié)合，這樣才能達(dá)到預(yù)期的效果。

■5.2 測(cè)試結(jié)果

LED 線(xiàn)陣顯示系統(tǒng)能夠較好的完成基本功能和發(fā)揮功能，且保持了比較好的穩(wěn)定性。

從測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)電路功能實(shí)現(xiàn)基本符合設(shè)計(jì)要求，能順利實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)部分的功能，并完成了發(fā)揮部分的功能。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還不是很理想，所以運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)致整個(gè)裝置略有晃動(dòng)，但還是完成了預(yù)期的效果。

6 總結(jié)

本系統(tǒng)以單排LED 顯示圖文信息為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)單片機(jī)、16×16 點(diǎn)陣字模及電機(jī)的結(jié)合運(yùn)用，在此基礎(chǔ)上提出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。

LED 線(xiàn)陣顯示系統(tǒng)已制作完成，是以STC15 單片機(jī)為主控器件，利用特定的算法程序完成對(duì)LED 線(xiàn)陣的各項(xiàng)控制任務(wù)，同時(shí)具有圖文顯示和回放功能。該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可能還會(huì)出現(xiàn)許多未曾考慮到的問(wèn)題，有待于進(jìn)一步完善。下一步的具體工作主要有：優(yōu)化軟件流程，加快執(zhí)行速度，使圖文信息更豐富、更流暢；優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)整個(gè)機(jī)械裝置更加穩(wěn)固，最大限度降低制作成本、運(yùn)行阻力。