基于AT89C51单片机的旋转LED汽车站台信息显示器设计

周凌翱+车金庆

摘要：本文主要以单片机为核心控制模块对旋转LED站台信息显示整体设计思路、硬件与软件设计及旋转外壳的装配调试过程作简要的说明。该LED显示能通过按键的输入对电机进行启动，停止以及对其速度的控制，来实现旋转LED的信息显示。

关键词：旋转；LED点阵；单片机

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0267-02

LED旋转屏利用人的视觉暂留效应，通过高速旋转的LED灯阵列，形成一个360?环形画面，创造立体效果，不管人站在那个角度都能看到显示的内容。因该制作使用无线供电，相对于直接供电，造价相对较高，推广有一定的难度，但现在无线供电的效率越来越高，相信在不久的将来它一定能够得到推广。

1 总体设计方案

1.1 设计要求

设计一个旋转LED汽车信息显示屏，具有车辆信息显示，日期时间显示，车辆到站提示，不同线路的显示颜色不同。

基本要求：1）显示车辆信息；2）车辆到站提示；3）能够长时间的运作（至少12小时以上）。

1.2设计原理

本设计的核心原理使用的是视觉暂留效应[1]，具体原理为：电动机带动一排由单片机控制的LED线阵高速旋转，在短时间内产生一个由运动而成的“LED点阵”，不停地刷新LED，上一时刻由LED发光所形成的影像在大脑暂存，下一时刻的影像又马上出现，便完成了图案、字符的显示。根据研究表明，当图像的刷新率达到当物体运动速度达到25转/秒以上时，大脑无法辨别物体的运动。这也是早期胶片式电影所采用的帧速率）时，人眼便不会感受到因图像变换而产生的“跳动感”。如图1所示为人眼暂留效应示意图。

一般的led显示是采用的是逐行换位下移点亮器件的扫描方式来显示所需要的信息，它需要点亮足够led才能正常显示。旋转led则通过旋转扫扫描的方式代替逐行扫描。如图 2所示为一般led显示示意图，图 3 为旋转扫描示意图。

1.3概念设计

旋转LED汽车信息显示屏主要由屏幕显示、外壳、供电系统、控制系统四大主要的功能组件构成，每个功能组件又细分为一些具体功能元件，概念框图如图4 所示。

1.4 实现方法

本系统以AT89C51单片机为核心控制模塊，充分利用了旋转模块、led驱动障模块、电源模块、串口通信模块、复位模块、电机驱动模块。通过实践操作与程序调试，实现旋转信息显示站台设计；综合运用单片机技术、自动控制理论、检测技术等使站台能够旋转，利用人的视觉暂缓原理，实现信息显示。设计整体模块框图如图5 所示。

2主要单元模块设计

2.1 LED旋转模块方案设计

本课题中的LED是在高速旋转的过程中显示的，这就必须保证旋转的稳定性和精确性，这样可以避免在高速旋转时系统出现故障导致崩溃以及存在的各种安全隐患。因此提出采用步进电机来控制显示屏旋转。因为步进电机能使步距角变更为其固有步距角的1/n，同时也完全消除电机在低频时的振荡，大大增强了驱动能力。由于它不受负载变化的影响，有这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，所以大大增强了步进电机在运行的过程中的旋转稳定性和精确性。另外步进电机的抗干扰能力比较强，控制起来简单，因此旋转LED显示屏显示效果的清晰程度得到了保证。

2.2 电机转速调节方案设计

电机转速调节方案设计要求电机可以通过调节改变转速，达到稳定显示的效果。因此采用基于单片机的PWM直流调速方案。此方案硬件上采用单片机，设计了一种直流电机高速系统。软件上通过用C51语言编程单片机产生PWM脉冲信号的输出，通过键盘调节速度档位给定值，实现按给定值跟踪，在LED显示器上显示，最后再由单片机输出PWM脉冲信号，从而实现控制和调整直流电机转速和转向的功能。

2.3 LED显示模块的设计

2.3.1 LED屏制作方案设计

由于本设计考虑到设计的大小以及重心的问题，所以采用贴片技术方案，贴片体积小，做出来的产品美观、大方，设计的主板也不会很大。

2.3.2 LED驱动电路设计

LED 供电的原始电源目前主要有三种：即低压电池、太阳能电池和交流市电电源。无论是采用哪一种原始电源，都必须经过电源变换来满足 LED 的工作条件。这种电源变换电路，一般来说就是指的 LED 驱动电路。

本设计要求能够显示图案和字符，因此选用32颗LED阵列进行显示。LED的驱动方案主要有I/O口直接驱动和锁存器驱动。两种驱动方式相比较，锁存器驱动虽然会导致增加几个原件，但是大大程度上释放了点单片机的I/O口，还大大减少了LED的损耗，起到保护与驱动的作用。故本设计使用三线SPI（Serial Peripheral Interface）接口的74HC573D串入并出锁存芯片级联，来完成对32颗LED的独立控制。

2.4供电模块设计

2.4.1底座供电电路设计

由于本设计使用的是12V的直流电机，供电系统采用的是220V市电作为电机的工作电源。但是220V的电压过大不能直接在12V的直流电机上使用，否则会损坏电机，所以需要将220V的市电转化为可以驱动电机的电源。因为系统还需要给单片机提供工作电压，单片机是整个设计的核心模块，所以必须要能正常工作，才能使设计达到要求，单片机的工作电压一般为5V，所以供电电路还要将供给电机的12V电压在降压到5V提供给单片机，使单片机正常工作。

2.4.2 旋转部分供电电路设计

本设计采用无线供电系统，通过将底座供电电路得到的5V电压输送给旋转体系统。无线供电制作起来简单方便，只需要计算好线圈的圈数，设置好输出电压即可。

无线供电系统类似于简易的变压器，所以根据理想变压器原副边匝数比公式 n1/n2 =V1/V2。其中V1是输入电压，V2是输出电压。n1与n2分别为主线全和次级线圈。

2.5 旋转支架设计

为了使设计能够平稳旋转显示，需要对底座进行设计，其中最需要考虑的就是重心问题。如图6所示，因为要是设计旋转，所以显示屏是十字型的，电机的调整还需要后期测试得到稳定的位置。

2.6 单片机核心控制模块

单片机是控制整个系统的核心，它连接着电机驱动电路、LED驱动电路，控制着整个旋转led站台信息显示。本设计以单片机为核心控制系统，实现通过电机旋转达到显示信息的目的。也就是说，当按下控制按钮，电机启动，带动LED旋转。当按下减速或者加速按钮，通过单片机PWM调制输送脉冲信号，达到电机的减速效果。电机的速度决定LED显示清晰与否。

据本课题的设计要求，所选芯片必须要具有的就是方便的编程下载能力，足够的I/O端口和中断引脚，足够高低运行速度。STC89系列单片机还具备除满足以上基本条件以外的超强抗干扰、高速、低功耗、指令代码与传统8051单片机完全兼容的增强型8051单片机等诸多优点。因此这里选择国产宏晶科技生产的STC89C51RC为控制单元的主控芯片，采用的是PQFP-44封装类型。

3 总结

本设计虽然实现了设计的基本要求，仍然存在一些不足的地方，比如重心偏移，电机旋转时产生抖动，应该在设计时对PCB布局进行科学的分析，调整重心；LED显示屏只能显示简单的文字，最好能做成三维立体的彩色屏。这些都有待改进。

参考文献：

[1] 李发海，王岩.电机与拖动基础[M].2版.北京：清华大学出版社，2001.

[2] 周继华，李宏.现代电力电子工程[M].陕西：西北工业大学出版社，1998.

[3] 陶永华.新型控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.