旋转彩色LED显示屏设计与实现

梁光胜，秦 菁，陈世宏，陈志勇

（华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206）

1 引 言

LED屏已得到广泛应用。现在随处可见的LED屏多是由大量LED组成的显示点阵平板，通常采用循环扫描方法，逐行点亮LED；人眼对动态频次分辨率为1／16～1／24s，由于视觉滞后效应，所以屏幕上单行LED会连成一幅静态画面。但是这种显示有一些不足，首先整屏LED数量巨大，成本高，而且极易坏掉，一定面积LED的非正常工作使得整屏显示都受到影响，更换或者维修工作量较大；其次由于正常LED屏为平板，可视角度非常有限，再加上通常采用单色LED屏，能吸引注意却无美感可言。

本文设计的旋转彩色LED显示屏，则能完美解决传统LED显示屏的各种问题。它以机械转动方式代替逐行扫描，利用视觉暂留（POV：Persistence of vision）原理［1］，通过电机带动单列显示器件旋转，精确同步旋转位置和LED亮灭，产生一系列运动轨迹的残留影像。旋转显示屏是在支架上安装了一列32个三色七彩LED，支架由电机带动旋转，单片机控制这一列LED在不同位置的亮或灭，在合适的旋转频率下，就可以看到完整显示的彩色文字或图形。此系统不仅成本低廉，而且可视范围扩展到了360°，更重要的是，此系统根据色彩学原理，用RGB三色LED显示七色彩图，达到神奇梦幻般效果。

2 系统硬件总体设计

图1为旋转显示的LED彩屏系统整体设计框图。带动LED屏转动的为直流电机，并配置合适的电机驱动电路；核心控制模块选用凌阳SPCE061A单片机，采用电刷供电方式；光电传感器用来感知系统运行状况；外部存储器用于存储图片数据以方便后续扩展。

图1 硬件系统总体设计框图Fig.1 Design diagrams of hardware system

2.1 LED显示组件设计

彩色LED显示屏作为系统的关键部件，在设计时需要考虑诸多因素，如发光体的选择、发光体运动方式、发光体引脚数量简化方式等。为了达到彩色显示的目的，发光体选择共阴RGB三色七彩直插封装LED，这种LED高亮度、寿命长、色彩丰富、耐冲击、功耗小、驱动简单、工作电压低。这种封装的LED包含了红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）3个发光二极管，每个LED都可以单独驱动，因此RGB三色可搭配出的颜色如表1所示。

表1 R、G、B三色产生的七彩配表Tab.1 Rainbow of colors created by R、G、B

对于七彩LED，内部无控制电路，外部四引脚，配四线控制器，因此只能做出上表中的颜色变化。对于炫彩LED，外部十引脚，配专用十线控制器，内部控制电路可以控制256级灰度变化，理论上可以搭配出上万种颜色。

在LED显示组件中，将发光体排成一列做柱面式旋转运动。如果保持恒定的旋转速度，则可以产生稳定的圆柱面，使显示效果更均匀，也使制作调试时振动现象易于控制。由“视觉暂留”原理可知，人眼的暂留时间在0.05～0.2s之间，因此彩色LED屏必须保证至少0.2s转一周。在合适的转速下，利用单片机精确控制LED在固定位置上的亮灭，就可以看到稳定显示的整幅彩色图片。旋转显示屏显示原理示意图如图2所示，深色的一列代表LED屏在某个特定时刻的位置，而浅色表示在其他位置的影响残留，转速足够快时，影像稳定显示，无闪烁或漂移等。

图2 旋转显示屏显示原理示意图Fig.2 Diagram of rotating display

旋转彩色显示屏是由1列32［2］只RGB三色LED组成的矩形框。32个LED共计需要32×3＝96个引脚来控制其亮灭或者颜色，此三引脚主要用以RGB色彩输入，而三色LED的第4个引脚统一连接到地。为了缓解单片机引脚的压力，选用八进制3态非反转透明锁存器74HC573来进行扩展，一个74HC573可控制8个单色LED，因此共需要12个74HC573芯片。考虑到单片机引脚资源紧缺，与单片机的接口引线要尽量少，故选用一片4－16译码器CD4514作为片选信号的转换。

LED显示屏驱动电路结构示意图如图3所示，其中前8个LED连接及其驱动电路原理图如图4所示。32个LED被分为8个一组，每8个LED需要3片74HC573分别控制R、G、B端口，其接法均与图4类似。12个74HC573芯片的LE1～LE12引脚接CD4514的译码输出；而每个74HC573的D1～D8接单片机I／O口，单片机所给数据经74HC573锁存并输出至彩色LED的RGB端口，从而控制RGB灯的亮灭。第1片74HC573的Q1～Q8引脚控制LED1～LED8的R端口，第2片74HC573的Q1～Q8引脚控制LED1～LED8的G端口，第3片74HC573的Q1～Q8引脚控制LED1～LED8的B端口，后面的情况以此类推。

图3 LED显示屏驱动电路结构示意图Fig.3 Diagram of LED Display driving circuit

图4 8个LED及其驱动电路原理图Fig.4 Schematic of eight LED driving circuit

在设计时，为了使显示屏在高速转动过程中不发生震动，显示屏PCB布局遵从严格对称的原则［4］。

2.2 供电模块和电机驱动模块设计

在七彩旋转LED显示屏系统中，为了实现有效控制并简化接线，一般都让主控电路和发光体一起运动。如何给彩色LED显示屏和主控电路供电，就成为系统设计时必须考虑的关键问题之一，有以下几种供电方案可供参考。

1.电池供电。简单易携，但不适合长时间运动，常见的摇摇棒就采用此方案。

2.柔性导线。常用于需要过度弯曲的频繁移动的场合，适用范围单一，如摇摆式运动。由于LED显示屏一直处于高速旋转状态，使用柔性导线会缠绕显示屏。

3.电刷送电。在底座的电机转轴上安装电刷，并通过电动机轴上或主控显示板上的金属环传输电能，能够提供较大电流强度的电能，保证系统长时间运行。这种方式结构简单，成本低。

4.发电机供电。在中心轴上面放一个小型发电机，发电机的定子为磁铁，固定在轴上，线圈为转子，直接连接在电路上，高速旋转时即可产生电流，对主电路进行供电。这种方法可克服由电刷产生的干扰［3］。

通过比较，本系统采用电刷供电方式。电机的作用是带动电路部分进行旋转，其关键在于电机的转速要均匀，这样才能保证图像在水平方向不会被局部伸展或者压缩，为此我们要使用匀速直流电机。因作品外形较大，故而选用较大的无刷直流电机进行驱动，电机驱动模块电路原理图如图5所示。由于人眼的暂留时间在0.05～0.2s之间，所以旋转的LED至少0.2s转一周，即每分钟至少300转。设计时电机转速为5r／s左右，可大大增强旋转稳定性和精确性，可保证清晰的显示效果。

图5 电机驱动模块电路原理图Fig.5 Schematic of motor driving circuit

2.3 运行状态感知模块设计

在彩色LED显示屏高速旋转时，显示内容的稳定与否取决于转动的角度和LED亮灭及色彩的配合，要使运动的发光体形成正常和稳定的显示效果，系统大多需要通过传感器来感知发光体的运动位置或状态，以确定显示的起始位置，并对系统进行校正。本系统采用光电传感器来确定第一列LED显示位置，并与合适的计数器配合来控制列数据更新频率，以合适的电机转速来确保显示内容的完整性。与传统显示器相比，此处传感器的作用类似于场同步信号发生器，保证旋转彩色LED屏在固定位置产生同一内容，确保图像不会产生漂移。

2.4 数据存储模块设计

显示一幅同样大小的画面，七彩图案的数据量是普通单色图案的3倍。另外考虑到单片机内存非常有限，为了显示功能的实用和扩展，故图案的数据采用外部存储方式，存储芯片选择512k位紫外线擦除存储器和OTP存储器 M27C512［5］。以我们选取的图片为例，其大致为32×150像素，一幅图片大小为1.8KB，M27C512大致可存储284张同大小的图片数据，以传统电影放映机每秒24帧的放映速度，视频数据可持续11s。

3 软件设计

3.1 图像数据提取

图6 原始图片与R、G、B三通道图Fig.6 Original picture and RGB channel graph

本文设计的彩色LED显示屏，有一项最重要的任务是提取出彩色图片的显示数据。首先要选取大小合适的图片。因为所设计的LED显示屏只有32个LED，所以需要调整图片的宽度为32像素。然后将彩色图像分离出R、G、B三通道图，存为.bmp格式，如图6所示。

由于没有现成的直接提取图案数据的取模软件，因此只能手工提取。利用凌阳“DM Tool字模提取工具”，分别对R、G、B三通道的图像提取二进制数据。图7为提取R通道二进制数据示例。

图7 取模软件对图像的处理过程Fig.7 Processing of image by DM Tool

3.2 程序设计

图8 主程序流程图Fig.8 Main program flow diagram

为了保证显示画面的稳定性，系统运用了光电传感器，在特定位置设置反光点，记为初始位置；光电传感器随着显示屏一起转动。当每次转动到初始位置时，传感器将位置数据传递给单片机，单片机接收到外部中断信号后，从内存中读取第一列应该显示的数据，并传递给LED控制电路；在转动当圈的其他位置，采用定时器计时方式来决定在哪个位置显示下一列数据。这样的显示方式能保证图片无形变，但是定时器的计数初值需要与电机转速严格匹配［6］。为了更精确地显示或者满足某些变速系统实时显示的要求，可以引入速度传感器来实时测定当前转速，根据特定算法得到当前定时器的计数初值。

4 系统的实际测试

在硬件电路制作完成后，我们编写C语言程序，经过测试、调试程序查看电路是否能正常工作；然后用专用的烧录器，手工编程将数据写入外部存储器；最后将系统的主控程序下载至单片机，其实际运行效果如图9所示。从图中可以看出，旋转扫描使图像在横向上发生了点阵粘连，这是由于扫描LED时点亮的时间稍长导致的，如果要达到传统显示屏类似效果，需要在显示数据时序上增加LED灭的时间。所以显示的图像大小与显示图片质量与扫描速度有关，如果采用时钟速度更高的控制芯片，如ARM、FPGA等快速单片机显示的效果会更好，显示的精度控制可以更加准确。今后我们会通过一定的改进，提高硬件时钟或进一步进行程序调试，采用电影放映原理，在旋转显示屏上不但可以放映一张彩色的图片，还可以放映一段彩色动漫。

图9 彩色LED屏实际运行效果图Fig.9 Practical tests of colorful LED display

5 结 论

本系统以凌阳单片机为核心，通过控制LED显示组件的旋转，显示了一幅彩色图案。设计的新型旋转柱式显示屏，以机械转动扫描方式替代逐行扫描，同时采用32个RGB三色七彩LED，实现了32pixel×150pixel像素彩色图像显示，经过长时间测试运行该系统稳定可靠，实现360°全方位显示、灰度实现256级调节。旋转彩色LED显示屏设计新颖，成本低廉，尤其是360°观看角度使之非常适合展厅一类的场合。

［1］张勇，金保华.一种无线旋转柱式图文显示屏的设计［J］.郑州轻工业学院学报：自然科学版，2005，20（4）：82－84.Zhang Y，Jin B H.Design of wireless rotate pole scanning display screen［J］.Journal of Zhengzhou University of Light Industry：Natural Science，2005，20（4）：82－84.（in Chinese）

［2］赵梓权，王瑞光，郑喜凤，等.基于视觉感受的LED显示屏系统精度分析［J］.液晶与显示，2012，27（3）：324－231.Zhao Z Q，Wang R G，Zheng X F，et al.Systemic accuracy analysis of LED displays based on visual perception［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（3）：324－231.（in Chinese）

［3］周正华.51单片机POV趣味制作详解［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011：21－97.

［4］雷鑑铭，范文，邹雪城，等.图像硬件旋转显示功能的研究与实现［J］.微电子学与计算机，2007，24（5）：4－6.Lei J M，Fan W，Zou X C，et al.The Study and Implement of hardware rotation of an image［J］.Microelectronics＆ Computer，2007，24（5）：4－6.（in Chinese）

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