LED動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

研制一種利用人眼視覺暫留效應(yīng)的線陣LED動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電機(jī)帶動(dòng)一列LED高速旋轉(zhuǎn)，通過單片機(jī)精確控制LED的亮滅時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)字符、圖形及簡單動(dòng)態(tài)畫面的顯示。采用Visual Basic 6.0編寫取模軟件，將要顯示的內(nèi)容取模轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將該信號(hào)用無線或有線方式傳輸給顯示屏。系統(tǒng)由PC機(jī)端軟件、移動(dòng)控制器、顯示屏3部分組成，能夠?qū)崟r(shí)變更顯示內(nèi)容及顯示方式，可在360。范圍內(nèi)提供清晰的顯示畫面。

LED點(diǎn)陣作為一種新型的顯示材料，近年來發(fā)展很快，市場(chǎng)前景良好。其中LED大屏幕顯示屏被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)廣告、新聞發(fā)布、體育比賽、電子景物模擬等領(lǐng)域。但現(xiàn)有的LED大屏幕，要求數(shù)量眾多的LED和驅(qū)動(dòng)芯片，并且控制復(fù)雜，使得顯示屏價(jià)格昂貴，不易操作。目前國內(nèi)有一些研究成果存在顯示亮度不均勻、不能實(shí)時(shí)顯示等缺點(diǎn)。據(jù)了解，一般都是將要顯示的內(nèi)容燒錄進(jìn)芯片，內(nèi)容固定循環(huán)顯示，無法實(shí)時(shí)變更顯示內(nèi)容及顯示方式，不方便使用，而且價(jià)格昂貴。本文將應(yīng)用視覺暫留的原理，研制出一種新型環(huán)形顯示系統(tǒng)。通過電機(jī)帶動(dòng)一列64位LED高速旋轉(zhuǎn)，由單片機(jī)精確控制實(shí)現(xiàn)字符、圖形及簡單動(dòng)態(tài)畫面的清晰顯示，可實(shí)時(shí)變更顯示內(nèi)容及顯示方式。系統(tǒng)原理應(yīng)用巧妙、技術(shù)含量高、成本低廉、市場(chǎng)前景廣闊，可成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

1 原理

1.1 視覺暫留效應(yīng)

視覺暫留效應(yīng)是指景物發(fā)出或反射的光，在人的視網(wǎng)膜上所形成的光像會(huì)在人的視覺中保留一段時(shí)間，即使景物從視野中消失，所成的光像也不會(huì)馬上消逝。暫留時(shí)間約為0.05～0.2s。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)外界光源突然消失時(shí)，人眼的亮度感覺是按指數(shù)規(guī)律逐漸減少的。這樣當(dāng)一個(gè)光源反復(fù)通斷，在通斷頻率較低時(shí)，人眼可以發(fā)現(xiàn)亮度的變化；而通斷頻率增高時(shí)，眼睛就逐漸不能發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的亮度變化了。通過實(shí)驗(yàn)證明臨界閃爍頻率大約為24Hz。因此采用每秒24幅畫面的電影，在人看起來就是連續(xù)活動(dòng)的圖像了。由于視覺具有暫留性，人們?cè)诟哂谂R界閃爍頻率的反復(fù)通斷的光線時(shí)，所得到的主觀亮度感受實(shí)際上是客觀亮度的平均值。視覺暫留效應(yīng)可以說是靜態(tài)圖像和運(yùn)動(dòng)圖像顯示的視覺生理基礎(chǔ)。當(dāng)光源是以脈沖式發(fā)光時(shí)（間隔很小時(shí)），人看上去會(huì)感覺到它是一直發(fā)光的，是平均的亮度。

1.2 顯示基本原理

本系統(tǒng)是利用視覺暫留原理來實(shí)現(xiàn)字符或圖像的顯示。把64個(gè)超高亮度的LED并排成一列，然后將要顯示的漢字分解為32×32的點(diǎn)陣式、圖型分解為64×64的點(diǎn)陣式，通過單片機(jī)編程把每一列的數(shù)據(jù)按順序送給LED點(diǎn)陣，通過電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)LED旋轉(zhuǎn)，每一圈就重新刷新要顯示的內(nèi)容，這樣由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，使人看到的顯示內(nèi)容效果跟平面連續(xù)顯示效果一樣。

2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要有移動(dòng)控制器和顯示屏兩部分組成，如圖1所示。移動(dòng)控制器主要負(fù)責(zé)接收PC機(jī)端軟件取摸數(shù)據(jù)、加入控制字符并保存，還能向顯示屏發(fā)送特定控制命令、切換顯示內(nèi)容、改變顯示效果。顯示屏主要有電機(jī)控制轉(zhuǎn)速和單片機(jī)控制E3jLED顯示內(nèi)容等。

2.1 移動(dòng)控制器

移動(dòng)控制器是由5部分組成：單片機(jī)AT89C55、串行口收發(fā)器、無線發(fā)送模塊、鍵盤、液晶顯示屏。

單片機(jī)選用AT89C55，內(nèi)存量較大；串行口收發(fā)器，利用成熟的串行收發(fā)芯片MAX232組成；無線發(fā)送模塊，采用RFW102芯片組，它是一種半雙工DSSS的無線收發(fā)兩用Ic，采用ASK調(diào)制方式，工作頻率是2.4GHz，功耗非常低。該芯片組是短程無線收發(fā)Ic，最高傳輸速率為1Mb/s；鍵盤控制鍵由4個(gè)鍵組成，分別為“確定”、“退出”、“左移”、“右移”，由于鍵數(shù)較少，所以分別直接接到4個(gè)I/O口；液晶顯示屏，選用128x64的液晶模塊，可與CPU直接通訊。鍵盤和液晶組成了強(qiáng)大的遙控控制菜單。通過“退出”、“確定”、“左移”、“右移”4個(gè)鍵實(shí)現(xiàn)從PC機(jī)接受數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、無線發(fā)送數(shù)據(jù)等強(qiáng)大功能。

2.2 顯示屏

顯示屏主要由單片機(jī)控制電路、一列64位超高亮度LED組成的列點(diǎn)陣、電機(jī)3部分組成。

單片機(jī)控制電路主要由89S8252單片機(jī)、無線接收模塊和若干7415373鎖存器組成。利用高性價(jià)比的AT89S8252單片機(jī)作為主控制器，它自帶EEPROM，可作為顯示緩存，省去常規(guī)的擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，簡化外圍電路，兼容MCS51指令，是功能強(qiáng)大的單片機(jī)。電路設(shè)計(jì)了有線和無線兩種接收數(shù)據(jù)方式，無線方式接收數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EEPROM中，這樣斷電后也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。另外在單片機(jī)的總線上擴(kuò)展了8個(gè)7415373，每個(gè)7415373控制8個(gè)LED，因此單片機(jī)能靈活控制64個(gè)LED的亮滅狀態(tài)。

電機(jī)部分由可調(diào)速直流電機(jī)、直流調(diào)速器、電刷組成。電機(jī)選用Panasonic公司所生產(chǎn)的一款速度可調(diào)的直流電機(jī)，它的額定工作電壓是220V，可調(diào)速度范圍是0～6000 r/min.調(diào)速系統(tǒng)采用端電壓調(diào)速法。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 PC機(jī)軟件

PC機(jī)軟件采用Visual Basic 6.0編程。能直接取字模、發(fā)送數(shù)據(jù)，界面友好，操作簡單。主要功能是實(shí)時(shí)將漢字、英文、數(shù)字以及圖型在PC機(jī)上轉(zhuǎn)換為一定規(guī)則的數(shù)據(jù)信息，并將此數(shù)據(jù)通過Pc機(jī)的串行口傳送到單片機(jī)處理。

3.1.1 設(shè)計(jì)思路

軟件采用實(shí)時(shí)的方式取模：數(shù)據(jù)圖形—數(shù)據(jù)。通過引入圖形這個(gè)中間量，使得提取字模變得靈活，無論任何字體、符號(hào)，都可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)轉(zhuǎn)換。Pc機(jī)軟件主程序流程圖見圖2。

3.1.2 字符取模流程

當(dāng)用戶點(diǎn)擊文本框時(shí)文本框的內(nèi)容設(shè)置為空。待輸入完畢，用戶按下取模按鈕，程序首先判斷人口為字符還是圖形。若確定為字符模式時(shí)，將取出的單個(gè)字符映射至圖片框。判斷當(dāng)前字符是漢字還是非漢字，是漢字則采用32x32點(diǎn)陣，是英文、數(shù)字、和符號(hào)則采用16x32點(diǎn)陣。取模部分采用交點(diǎn)取模。字符映射至圖片框后，進(jìn)行交點(diǎn)顏色判斷，黑色判為0，白色判為1.并把取模數(shù)據(jù)輸出到輸出文本框。字符延拓功能是針對(duì)32×32點(diǎn)陣精度不夠，取宋體字時(shí)有些點(diǎn)顯示不出來而設(shè)計(jì)的，取色不僅是32×32個(gè)交點(diǎn)，而是每個(gè)交點(diǎn)以及以該交點(diǎn)為中心的一個(gè)小范圍內(nèi)的點(diǎn)取色，一旦該范圍內(nèi)的某個(gè)點(diǎn)顏色被判斷為黑色時(shí)，該交點(diǎn)處的布爾值被設(shè)置為0。黑體字是默認(rèn)的字體。

3.1.3 圖形取模流程

當(dāng)選擇為圖形模式時(shí)，字符取模功能設(shè)置為鎖定，只留下字符功能主按鈕為可激活狀態(tài)，界面上只出現(xiàn)圖形框，用戶可以進(jìn)行畫圖或者載入圖像。待輸入完畢，用戶按下取模按鈕，程序首先判斷入口為字模還是圖形。確定為圖形模式時(shí)自動(dòng)跳入圖形字模段代碼。取模部分采用交點(diǎn)取模。圖形映射至圖片框后，進(jìn)行交點(diǎn)顏色判斷，黑色判為0，白色判為1。并把取模數(shù)據(jù)輸出到輸出文本框。

3.2 移動(dòng)控制器程序

程序上電初始化后，處于等待狀態(tài)。當(dāng)串口中斷一來I臨，優(yōu)先處理串口中斷。發(fā)送無線數(shù)據(jù)是通過鍵盤、菜單控制。移動(dòng)控制器主程序流程圖見圖3；無線發(fā)送子程序見圖4。

3.3 顯示屏程序

由單片機(jī)控制LED的亮滅和無線數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)通過無線模塊接收后，單片機(jī)的串行接口收到數(shù)據(jù)并傳到主控芯片AT89S8252中處理，當(dāng)有無線數(shù)據(jù)傳到時(shí)，優(yōu)先處理接收數(shù)據(jù)。顯示屏主程序流程圖見圖5。無線數(shù)據(jù)接收子程序流程圖見圖6。顯示屏能否清晰顯示內(nèi)容主要從以下幾方面考慮：1）單片機(jī)控制LED的亮滅時(shí)間：T=S/V，S為LED面寬度，為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)線速度；2）電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸心保持平衡；3）環(huán)境光線對(duì)比度。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)顯示英文字符采用16×32點(diǎn)陣方式，漢字采用32×32點(diǎn)陣方式，圖形采用64×64點(diǎn)陣方式。人們可在360度范圍內(nèi)看到清晰的動(dòng)態(tài)顯示內(nèi)容。采用Visual Basic 6.0編寫的取模軟件，能及時(shí)取模并通過COM口發(fā)送數(shù)據(jù)。能實(shí)時(shí)輸入內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)字符圖形的取摸；能手寫輸入圖形，可實(shí)現(xiàn)任意圖形的顯示，能顯示簡單動(dòng)態(tài)畫面。系統(tǒng)采用類藍(lán)牙無線技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，準(zhǔn)確安全可靠。無線和有線兩種數(shù)據(jù)傳輸方式都能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。選擇LED面寬度為3mm、軸心到列點(diǎn)陣LED距離為160mm、滿屏可顯示約22個(gè)漢字，顯示內(nèi)容大小主要由以上條件和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、視角獨(dú)特、設(shè)計(jì)新穎、使用方便等特點(diǎn)，有較高的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于商業(yè)廣告、會(huì)議通知、標(biāo)語、環(huán)境裝飾以及高等物理教學(xué)中的視覺暫留現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)等方面。
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