立体点阵式LED显示屏设计与实现*

黄健，杨亚东，范晖

（西京学院电子信息工程系，西安710123）

立体点阵式LED显示屏设计与实现*

黄健*，杨亚东，范晖

（西京学院电子信息工程系，西安710123）

为满足某些实际应用场合对立体显示的需求，降低设计成本，设计了彩色立体LED显示屏。采用8×8×8共512个高亮LED灯组成正方体，通过单片机控制LED灯的亮灭时间，按面扫描，显示预设的文字和图形。分析了扫描方法并给出了PWM调制灰度算法，给出了系统设计方案和硬件原理图，制作出了硬件作品，进行了软件编程调试。实测结果表明：采用512个像素点，可清晰显示不同的图形、文字，实现了8级灰度控制，制作出绚丽的立体效果。

视觉暂留；按面扫描；PWM调制；灰度算法

在当今社会中，LED显示装置扮演着重要的角色，随着各种信息的传播和人们视觉审美的提高，人们对LED显示屏提出了更高的要求［1］。目前二维LED点阵屏技术已相当成熟，但二维平面点阵屏显示效果单调、乏味。若采用旋转二维LED点阵屏技术，虽然能够产生立体效果，但电机转速难以稳定，画面会产生明显漂移。

本文提出的立体点阵式LED显示屏技术，能够解决上述问题。利用视觉暂留原理，精确控制LED灯的亮灭时间，可立体显示图形、文字等信息。以8×8×8共512个LED构成一个立方体，按面扫描，以8×8共64个LED点阵为一面，扫描8次，完成一次立体显示。为了增加显示效果，加入PWM脉冲宽度调制，调节灯的亮度，通过一定的灰度算法，能够实现8级灰度控制，增加了图形显示的层次感。实验结果表明，该装置显示色彩鲜艳、立体感强，不仅可用于室外信息传播，还可用于室内装饰，给人们带来全新的娱乐体验，具有投影仪、电视墙、液晶显示无法比拟的优点［2］。

1　立体点阵式LED显示屏工作原理及灰度算法

1.1视觉暂留基本原理

所谓视觉，实际上是在人眼晶状体成像后由感光细胞将光信号转换为神经电流，传回大脑形成的。感光所依赖的感光色素的形成需要一定时间，光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍会保留一段时间，这称为视觉暂留［3］。光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍保留一段时间的现象，其具体应用是电影的拍摄和放映。原因是由视神经的反应速度造成的.其时值是二十四分之一秒。是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。

1.2扫描算法

根据以上分析，人眼视觉暂留的时间是1/18 s～1/24 s.驱动8×8×8的光立方，我们要做一个空间上的转变。可以把它看做8×64的点阵屏，而驱动这个8×64的点阵屏时，其实就是一个平面，共有8行64列，一次驱动一列，按列扫描64列，即可完成整屏扫描。

在进行软件编程时，开辟一个8位64元素的数组作为显存，每一个元素的值对应扫描的一列，每次扫描64列，并将对应列的值赋给显存数组，这样要在某一列显示什么内容，直接给显存赋值即可，8行64列赋完就是整屏信息。由于可连续驱动，要实现更多效果，只需修改显存的内容即可。

1.3PWM调节灰度算法

传统PWM算法是通过调节脉冲宽度实现对电流大小的调节，根据电流大小实现对灯的亮度的调节。对256级灰度调节采用8位二进制数实现，每一位对应的每一次点亮时间与关断时间占空比不同。如果点亮时间从低位到高位依次递增，则合成的点亮时间将会有256种组合，定义点亮时间加上关断时间为一个时间单位，设为256T。则实现256级灰度控制时间与PWM值对应关系如表1所示。

表1　256级灰度对应PWM值

但这种算法有明显的缺点，首先对时钟频率要求很高，其次灰度层次不分明，还会带来视觉闪烁、色分离、动态图像不稳定等影响显示效果的缺陷［4-7］。基于此，提出8级灰度控制，对应关系如表2所示，每种灰度值按2的倍数递增，能够明显提高图像显示层次感［6］，易于用单片机实现，图像显示稳定，无闪烁。

表2　8级灰度对应PWM值

2　主要硬件电路设计

2.1系统框图

系统框图如图1所示，采用宏晶科技的高性能单片机STC12C5A60S2做为主控，通过光敏采集到的亮度自动调节立方体LED灯的亮度，LED驱动电路采用HC595芯片两级串联实现。因为STC12C5A60S2属于高性能单片机，所以内部存储器可用做显存［8］。灰度算法和扫描算法由主控单元产生。

图1　系统总体框图

2.2主要硬件电路设计

图2所示是主控芯片STC12C5A60S2硬件电路，该芯片属于增强型单片机，P1口可实现10 bit A/D采集，用P14和P15实现对光敏的采集。用其余I/O接口引脚驱动HC595点亮LED灯，其中HC595属于串-并转换芯片，两个HC595可驱动16 个LED灯，对灯的亮度调节通过I/O口输出PWM实现，灰度算法和扫描算法在软件中实现［9］。

图3是HC595驱动电路，采用级联和行列扫描方式，驱动512个LED灯需要16个HC595，每2个HC595需要3根I/O口线，所以16个HC595共需要24根I/O口线。图中只画出了部分电路，其余连线方式与此相同。

图4是光敏采集电路，通过R30和R32两个光敏采集环境亮度，电路中采用测电压方式确定当前亮度值。

图2　LED灯显示电路

图3　LED驱动电路

图4　光敏采集电路

3　软件流程图

软件流程图如图5所示。

图5　软件流程图

软件部分主要通过光敏检测外围光的亮度，将光亮度转换为电压值，送入单片机的A/D接口进行采集。根据采集的数据控制LED灯的亮度。读取显存中预存的数据，通过I/O口按列扫描的方式送出，控制对应LED灯的亮灭时间，达到立体显示的目的。

4　测试结果

根据以上所述，在KEIL下用C语言编写程序并调试硬件后，实测效果如图6所示，若要显示特定的信息，只需要修改显存的内容并进行灰度控制［10］，在软件中采用循环读取方式，就可实现更加绚丽多彩的效果。

图6　

5　总结与展望

本文设计和实现了立体点阵式LED显示屏，根据视觉暂留原理设计了扫描算法，并用PWM调节实现了灰度算法，以STC12C5A60S2做为主控设计了硬件电路图，在KEIL软件下用C语言进行了编程，有效的控制了512个LED的亮灭时间和亮度，制作出了对应的样品并进行了硬件调试，成功显示了字符和图形。实测结果表明，该系统显示稳定、立体感强，可传递不同信息，具有平面显示无法比拟的优点，有一定的实用价值和娱乐性。

［1］梁铭林.LED显示技术的应用［J］.智能建筑，2010（3）：42-45.

［2］梁光胜，秦菁，陈世宏，等.旋转彩色LED显示屏设计与实现［J］.液晶与显示，2014，29（5）：850-855.

［3］宏晶科技.STC89C52系列单片机器件手册［S］.2011：2-25.

［4］梁振楠，彭富林，汤勇明.基于FPGA的旋转LED显示设计［J］.电子器件，2014 37（2）：200-203.

［6］王浩然，秦会斌.LED点阵屏显示单元的设计与驱动控制［J］.电子器件，2010 33（5）：550-552.

［7］谈卫星，胡建人.基于STM32的全彩LED显示屏系统的设计［J］.电子器件，2011 34（3）：258-260.

［8］康志强，汪佳，汤勇明.基于FPGA的3D光立方设计［J］.电子器件，2012 35（6）：683-686.

［9］王宇，朱为，堵国良，等.LED显示屏实现高质量图像显示的扫描算法分析［J］.电子器件，2004，27（3）：482-485.

［10］王廷宇，郭维，朱大中.大功率白光LED驱动电路的双环检测方法［J］.传感技术学报，2010，23（4）：485-489.

黄健（1973-），男，汉族，陕西富平人，西京学院，讲师，硕士，主要研究方向为嵌入式开发，565200245@qq.com；

杨亚东（1963-）男，陕西省户县人，博士，副教授，主要从事电子信息、图像处理等方面的教学和研究工作；

范晖（1974-），男，汉族，陕西户县人，西京学院，讲师，硕士，主要研究方向为软件架构、计算机网络安全，1093051554@ qq.com。

Design and Implementation of Cube Light LED Display Device*

HUANG Jian*，YANG Yadong，FAN Hui
（Department of Electronics and Information Engineer，XiJing University，Xi'an 710123，China）

In order to meet the requirement of most applications and reduce design costs，a colorful cube LED dis⁃play device is designed.The light cube is consisted of 512 high-light led.The characters and graph is displayed by MCU control time of led light on and off which scan by surface.Scanning methods are analyzed and the gray-scale algorithm of PWM modulation is given，system design scheme and the hardware circuit are presented，software flow chart is given and the hardware product is debugged.The test results show that the device can clearly display letters and graph by 512 pixels，implementation 8 gray-scale control and making brilliant three-dimensional effect.

persistence of vision；scan by surface；PWM modulation；gray-scale algorithm

TN27

A

1005-9490（2016）02-0479-04

EEACC：4260D10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.046

项目来源：陕西省教育厅科研计划项目（14JK2165）

2015-05-13修改日期：2015-06-18