基于单片机控制的LED线阵显示装置的设计*

赵 新

(武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065)

1 引言

随着电子产品智能化程度越来越高,显示设备已成为不可或缺的一部分,然而显示屏外形总是那么单一。旋转LED显示屏是一种通过同步控制LED的位置和点亮状态来实现图文显示的新型显示器[1],以其新颖的外形、360°旋转视角吸引了电子消费者的目光,因此得到迅速发展。

常见的平板LED显示屏都是采用逐行扫描方式进行显示,即控制海量LED轮流点亮,根据人眼的视觉暂留特点,当扫描频率达到24 Hz以上时,呈现的是一幅稳定的图像[2],城市里大量LED显示屏就是利用此方法。旋转LED则是用机械动态扫描代替传统逐行扫描方式,在控制器的作用下控制1行或1列LED快速移动实现图形显示,旋转中的LED漂浮在半空中的景象能给视觉带来更好的享受[3],是一种新型的显示屏,且成本低廉、可视范围大,因此市场应用越来越广。基于此原理,本文提出了基于宏晶科技的IAP15W4K58S4单片机为主控芯片,控制电机带动1列(16个)LED 进行旋转,配合IAP15F2K61S2单片机采集到的图文信号控制LED显示,构成旋转LED显示屏。

2 系统方案

本设计由IAP15W4K58S4为主控芯片,采集红外对管的信号控制直流电机旋转,从而带动LED灯旋转构成旋转LED屏,将视频采集模块的信号通过蓝牙通信模块传送到IAP15F2K61S2单片机中,进而控制LED进行图形显示。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

3 理论分析与计算

3.1 转速时间

本设计控制显示 LED 在120度范围内,其显示的图文时间记为t。两次外部中断的间隔时间即为 LED 线阵电路转一圈的周期T,则每1°对应的时间t:t=T/360。这样可以将显示字符固定在需要显示的度数上。每次先延时 30×t后开始发送第一批数据,则显示的第一个字符位置每次都是从 30°开始,这样保证显示的字符不会发生漂移。

3.2 线阵LED运动参数分析与计算

在电动机的带动下,LED线阵依靠旋转平台进行旋转,设电动机周期时间为t,120°角的时间t0,LED完成需要时间t1,软件延时为t2,它们之间存在下列关系[4]:

周期时间t=t1+t2

120°角的时间t0=t/3

通过单片机记录的周期时间为t=70 ms,只要保证t=t1+t2,经由t=70 ms,t2=65 ms得出t1=5 ms,120°角的时间周期为33 ms,LED线阵就能在120°角的区域内显示。

3.3 无线电能传输方式的分析

无线供电技术可以减轻旋转电路重量,提高旋转速度,功耗低,利于长期供电,且无触点,无噪音,寿命长。利用磁感应谐振式无线电能传输方式,该无线传能系统的发射线圈和接收线圈有着相同的频率,当发射线圈和接收线圈中产生相同的驱动信号时,两线圈发生谐振,当产生谐振时磁耦合回路中的阻抗最小,一次侧的发射线圈能高效率地通过磁场耦合将电能传送到二次侧的接收线圈。无线传能电感线圈电感量为:

其中,D为线圈直径;N为线圈匝数;W为线圈宽度;H为线圈高度。

4 硬件电路设计

4.1 无线传能发射电路设计

无线传能发射电路原理图如图2所示。

图2 无线传能发射电路原理图

电容C1和C4主要滤除由电源Vcc引入的高、低频干扰信号。C1滤除低频干扰,故C1值一般取220～1000 uF为宜,本例取470 uF/25 V电解电容。通常电解电容的耐压要大于电源电压的2倍以上,故本设计中所有电解电容的耐压都取25 V。C4滤除高频干扰,一般取0.01～0.1 uF的瓷介电容为宜,本例取0.1 uF(即104),一般瓷介电容的耐压都在63 V以上,故在图2的原理图中只标其电容量,如104。

LED为发射电路的指示灯,选择普通的ULED≈2 V,最大正向平均电流IF=30 mA的红色发光二极管1只。根据电路原理[5],可知R4=为降低能耗,取ILED=3 mA代入上式,则R4=(5-2)/3=1 k,取标称系列值1 kΩ。R4实际工作消耗的功率为PR4=IR42·R4=32×10-6×1×103=0.009 W。 一般取PRN=(1.2～3)PR,式中,PRN为电阻允许最大消耗功率,PR为电阻实际消耗功率。为安全起见取最大值,PRN=3PR4=3×0.009=0.027 W,取标称值0.125 W。故R4选1 kΩ/0.125 W碳膜电阻1只。

L1初级感应线圈与电容C2并联组成LC振荡电路,为了使该振荡电路向外辐射足够强的电磁波,必须提高振荡频率。故取f=30 KHz,根据公式(1)计算得L1=0.7 mH,代入公式f=1/(2π得C2=39 nF。最后通过无线供电芯片将电能转化为磁场能,对外发射给次级线圈。

4.2 无线传能接收电路设计

无线传能接收电路原理图如图3所示。

图3 无线传能接收电路原理图

L2次级感应线圈和C5电容将感应的磁场能转换为交流电压信号,L2和C5取值参考L1和C2的计算过程。通过单相桥式整流电路利用二极管的单向导通性进行整流,取型号为RS307,用来将交流电转变成直流电,然后经过电容C6、C7和C8滤除交流成分,使输出的电流更加平滑,最后经5 V稳压管输出+5 V电压给单片机IAP15F2K61S2和LED线阵电路供电。

4.3 LED线阵电路设计

利用16个红绿双色LED制作线阵电路,依次竖直排列,将其16个红色管脚相连,16个绿色管脚相连,将16个LED阴极连接到单片机I/O口,将相互连接的所有红色绿色,连接到三极管8050的集电极,三极管的发射极接电源正极,由单片机的两个I/O口控制三极管Q1或Q2是否导通,从而控制LED灯的显示颜色。当同时点亮红灯和绿灯时,显示的是橙红色,LED线阵电路图如图4所示。

图4 LED线阵电路图

该线状点阵中LED驱动方案为普通的LED与电阻串联的方式来驱动点亮LED,限流电阻R5和R6的计算公式如下:

限流电阻=(电源电压-LED正向稳定电压)/LED工作电流=(Vcc-VF)/IF

根据设计要求,同时保证发光二极管的发光亮度,故取IF=20 mA,又Vcc=5 V,VF≈2 V,代入上式可得红色和绿色发光二极管的限流电阻:R5=R6=(5-2)/20=150 Ω,故取标称为150 Ω电阻与LED串联即可。

4.4 无线蓝牙发送模块设计

ATK-HCO5模块,是 ALIENTEK 生成的一款高性能主从一体蓝牙串口模块,该模块支持非常宽的波特率范围:4800～1382400,并且模块兼容5 V或3.3 V单片机系统。本设计通过ATKHCO5-V13模块,采用的波特率是115200。视频采集模块将接收到接收到信息,通过蓝牙发送模块传送到IAP15F2K61S2单片机中,从而控制LED灯的显示效果。ATK-HCO5-V13 模块的电路原理图如图5所示。

图5 蓝牙传感模块原理图

5 软件设计

程序流程图如图 6所示。

图6 程序流程图

6 测试方案与测试结果

6.1测试方案及仪器

分别对硬件、软件以及整个系统进行测试。硬件以对元件焊接测试、整板测试、上电功能测试为主;软件主要对写好的程序进行仿真运行。做好软硬件的测试后进行整机调试,即给单片机通电,电机转动,单片机通过无线传输模块控制电动机上的单片机串口输出给16位LED线阵显示,通过不断修改程序,达到最佳显示效果。测试所需仪器设备如表1所示。

6.2 测试结果

经过多次调试,可以得到以下结果:

(1)按键控制两条水平线的点在120°内显示两条水平线,从而能够实现在LED任意指定行上稳定显示两条水平线(单一颜色);

(2)按键控制使两条水平亮线在120°内显示,同时向中间做上下往返运动;

(3)按键控制16*16点阵的图形,图形间隔四个点阵点距离,并且可在120°内显示;

(4)显示图形可以在水平方向上进行宽窄变换循环显示,宽窄变化不小于两个点阵点的距离,变化不少于5次;

(5)利用视频采集模块设计制作具有显示与回放功能的图文录入器,5分钟内可录入3张图文卡片信息,并可按录入顺序回放显示;

(6)还可通过红外无线遥控器进行功能设置,简化操作。

表1 测试所需仪器设备

7 总结

本设计是将16个超高亮度的LED排成一列,通过两个单片机分别控制电机转速和图像采集信息处理,以提高系统运行速度,利用人眼的视觉暂留效应,使人看到的旋转LED显示内容效果跟平面连续显示效果一样。该旋转LED显示屏与平板LED显示屏和其他显示屏相比较,具有成本低、分辨率高、功耗小等明显优势,是一种新型的居家装饰品和字幕宣传工具,适合家庭、汽车、娱乐场所等的装饰,也同样适合作为超市、宾馆、商场、广场等的宣传展示,给人以立体的观赏效果,给观众带来美的享受。