基于单片机的LED线阵显示装置的研究

崔景萍

（山东职业学院，山东 济南 250104）

1 LED线阵显示装置的设计要求

设计并制作一个LED线阵显示装置[1]，该装置由图文录入部分、LED线阵显示部分和转动控制三部分组成。利用人的视觉暂留现象，观看到的转动时LED显示内容效果跟平面连续显示效果是一样的。应达到的要求如下：1）电机转动后，在LED任意指定行上稳定显示两条水平线；2）从LED最上和最下端一行开始，控制2条水平亮线向中间做上下往返运动；3）固定显示独立全亮的16×16的点阵(以2个点阵为例，图形点阵间隔为4各点对点距离)，可以在水平方向进行宽窄变化；4）可以显示和回放由图文录入装置录入的图文信息，录入方式自行选择。

图1 LED线阵显示装置示意图

2 LED线阵显示装置系统设计

2.1 方案比较论证

2.1.1 单片机方案选择

方案一：采用普通的51系列单片机作为系统控制的方案。AT89C51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。但是它有频率较低、运算速度慢，RAM、ROM空间小等缺点。

方案二：采用STM32F103系列单片机作为控制系统的方案，STM32F103ZET6单片机采用了高性能、低成本、低功耗的ARM 32 Cortex-M内核，高达64k字节的SRAM，1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，多达112个快速I/O端口等，功耗低，精度高。

比较上述2种方案，51单片机速度较慢，而且很多外设都要外接；而STM32主频高，外设丰富，本设计选用方案二的STM32F103系列单片机。

2.1.2 电机方案选择

方案一：采用步进电机带动旋转平台，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件，使得其在速度、位置等控制领域应用普遍。但步进电机转速不宜调整。

方案二：采用直流电机带动旋转平台，直流电机具有调速性能好、启动容易并可带负载启动等优点，其机械特性和调速特性的线性度好，调速范围广、维护方便。

综合比较，本系统采用方案二。

2.1.3 供电方案选择

方案一：使用电刷连接供电，需要在电路板上加焊一层耐磨导电层，制作简单，非常有效，但使用时间长了电刷触点就会不够光洁接触压力变大。

方案二：使用无线输电供电，此方法无任何触点，但存在无线电波在传输中的弥散和衰减问题。

方案三：使用电池供电，即在电路板上直接附带一组干电池，为系统供电。使用时将电池固定在电路板上适当的位置，既解决了旋转时因重力引起的重心不稳，也节省制作时间。

综合比较，本系统采用方案三。

2.2 系统方案设计

线阵LED其实就是一个循环的LED显示，利用人的视觉滞留产生静态显示的现象。根据系统设计的任务和要求，通过方案对比，本设计系统整体框图如图2所示。本作品本着方便、价格低廉的原则，采用单片机控制。整个系统由图文录入部分、电机旋转部分、LED线阵显示部分组成。由12V开关电源为直流电机供电，5V电源为单片机供电，单片机接收输入的图文信号后按照一定的算法控制LED灯的显示，通过电机转动完成相应的控制要求。

图2 系统整体框图

3 LED线阵显示装置硬件设计

3.1 电路连接及硬件资源分配

本系统电路连接及硬件资源分配见图3所示。采用STM32F103系列STM32F103RET6两片单片机作为核心器件，通过按键输入图文送一片单片机处理后，通过红外通信与另一片单片机连接，经过高精度算法后控制LED线阵显示。

图3 系统电路连接及硬件资源分配图

3.2 按键电路的设计

本设计中通过按键完成图文信息的录入，电路没有设计按键的上拉电路，而直接使用单片机内部上拉，电路简单。

图4 按键电路

3.3 液晶电路的设计

液晶电路完成图文录入器的显示与回放功能。液晶电路通过5RXD脚接收信息、6TXD脚发送信息，完成与单片机的通信，如图5（a）所示。具体内容显示如图5（b）所示，此时显示内容为一级菜单，箭头指向LED线阵显示装置，按下确认键显示上一次录入的内容，实现回放功能；通过图4（b）按键调节箭头所指的位置，按一次向下键进图图文录入器，确认后，可手动输入要显示的图文，实现图文录入与显示功能。

图5 液晶电路图

3.4 LED显示电路的设计

本研究选用成本低且又满足精度要求的16个共阴极红绿双色LED灯显示，因单片机的I/0口有限，且每个I/0驱动一个LED灯线路复杂，因此采用四片74HC595芯片作为驱动，每个芯片为8位并行输出，可同时驱动8个LED灯，因此两片74HC595芯片驱动绿色LED，两片74HC595芯片驱动红色LED。驱动电路接线图如图6所示，图中只画出了一片74HC595芯片。

图6 LED驱动电路接线图

4 理论分析与计算

4.1 LED线阵驱动参数分析与计算[2]

线阵显示装置中LED驱动方法为普通的LED与电阻串联的方式来驱动点亮LED，该限流电阻计算公式如下：

根据设计，红绿双色LED灯的亮度不同，绿色灯驱动参数为：Vcc=5V，VF=1.2V，IF=20mA；红色灯驱动参数为Vcc=5V，VF=1V，IF=10mA可求得限流电阻：

经计算，采用200Ω电阻与绿色LED串联，470Ω电阻与红色LED等串联即可。

4.2 LED线阵运动参数分析与计算

LED线阵在电机带动下进行高速旋转。由于人的视觉滞留时间长达0.04～0.1s，以0.04s为例，显示完一列LED后加入一段合适的（40ms以内）延时，看到的是静态稳定的字，LED线阵可以很好地显示图文。所以设定电机周期T=40ms，则电机转速为25r/s。

1）要求固定显示2个16×16的点阵图形，图形间隔为4个点阵点距离时，只需给出合适的脉冲刷新数据即可。电机旋转一周需40ms，需要经过（16×2+4）即36个点阵点，所以刷新送数周期t为:

脉冲图如图7所示：

图7 刷新送数脉冲图

2）当要求显示图形在水平方向上进行宽窄变化循环显示时，保证40ms内刷新32个送数脉冲前提下，只要改变刷新送数脉冲周期即可。周期变大，显示图形变宽；周期变小，显示图形变窄。

以此时间刷新送数LED线阵就能很好的地显示图文，（根据实际情况进行调整）。

5 LED线阵显示装置系统软件主程序设计

系统程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法[3]。程序开始运行，首先对单片机I/O口、寄存器进行初始化操作[4]；通过红外串口接收到图文录入器指令，根据其指令进行显示，并支持通过图文录入器传输图文信息到LED线阵显示装置显示。

LED线阵显示装置，根据检测到LED线阵旋转位置信号，进行刷新显示。当检测到位置信号时，数据计数器清零，再重新进行显示。对本设计的软件流程如图8所示：

图8 软件主程序流程图

6 测试方案与结果分析

本研究设计并制作完成了一个由16只红绿双色LED灯构成线阵显示装置。实物如图9所示。

图9 LED 线阵显示实物图

经过测试，可以确定系统构架设计比较合理，可正常用LED显示出各图文，电路功能基本符合设计要求，测试结果如表1所示。

表1 LED线阵显示测试结果

7 结语

本课题根据LED线阵显示装置设计要求，利用STM32F103RET6单片机作为核心器件，通过红外数据接收器接收录入的图文信息（图文信息采用稳定可靠的按键方式录入），利用高精度算法优化，实现了对LED线阵显示的各种控制，各项指标都可以达到设计要求。