彩色LED旋轉(zhuǎn)顯示屏的設(shè)計

 摘要 為解決普通LED旋轉(zhuǎn)屏顯示色彩單一的缺陷，根據(jù)時間混色法利用單片機和三色LED設(shè)計了一種4 096色LED旋轉(zhuǎn)屏。該旋轉(zhuǎn)屏上的像素顏色編碼為12 bit數(shù)據(jù)，通過4種亮度不同的幀的疊加，實現(xiàn)RGB每種顏色的16級灰度;利用在相鄰兩列LED顯示間隙插入黑時隙的方法，降低了LED顯示屏橫向顯示拖影等問題。經(jīng)過實測驗證表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、顯示效果良好。

近年來，旋轉(zhuǎn)柱式LED顯示屏以其新穎、視角范圍大、成本低、功耗小等優(yōu)點引起人們的關(guān)注。這種顯示屏的顯示原理較為簡單：將若干個LED排成一列構(gòu)成一個LED線陣，當這個LED線陣繞與其平行的軸旋轉(zhuǎn)時可形成柱面，按正截面圓周將柱面均分為諸多細小的曲面，精確地控制LED線陣旋轉(zhuǎn)到每個小曲面時的發(fā)光狀態(tài)及發(fā)光時間，由于人眼的視覺暫留特性，就可看到一幅完整的圖像。現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)柱式LED屏大多是單色LED屏，少數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)彩色顯示，但顯示的顏色較少。本文利用單片機STC12C5A60S2設(shè)計了一種4 096色旋轉(zhuǎn)柱式LED顯示屏控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要由電機轉(zhuǎn)速與控制及LED陣列控制兩部分組成。電機轉(zhuǎn)速測量與控制部分用于實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)屏轉(zhuǎn)速恒定;LED陣列控制部分用于實現(xiàn)LED線陣旋轉(zhuǎn)位置和發(fā)光狀態(tài)的精確控制。旋轉(zhuǎn)柱式LED屏顯示圖像能否穩(wěn)定，主要取決于這兩部分電路的控制精度。

系統(tǒng)工作原理如下：電機每轉(zhuǎn)動1周，霍爾開關(guān)輸出1個脈沖信號，通過STC12C4052測量出該脈沖的周期，可計算出電機轉(zhuǎn)速，如果電機轉(zhuǎn)速不等于設(shè)定值，則改變STC12C40 52輸出的PWM信號的占空比，從而控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變;需要顯示的內(nèi)容通過編程接口下載到X28C512-90中，X28C512-90是容量為64 kB、讀取時間僅為90 ns的高速EEPROM。若顯示柱面為256×16點陣，每個點4 096色，一個完整的柱面數(shù)據(jù)為8 kB，一片X28C512可存儲8屏顯示內(nèi)容。位置檢測電路用于確定柱面顯示的起始位置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路由電機轉(zhuǎn)速測量與控制電路、數(shù)據(jù)存儲電路、LED陣列控制電路、無線供電電路組成，其中無線供電電路采用市售電壓5 V、電流600 mA的無線供電模塊。

2.1 電機轉(zhuǎn)速測量與控制電路

設(shè)計中選用R550型直流電機，其額定電壓為12 V，最高轉(zhuǎn)速為18 000轉(zhuǎn)/分，這里將電機轉(zhuǎn)速設(shè)定為100轉(zhuǎn)/s，轉(zhuǎn)速測量與控制電路如圖2所示?；魻栭_關(guān)輸出的轉(zhuǎn)速信號送至STC12C4052的外部中斷引腳nINT0，根據(jù)兩次中斷時間間隔測量出電機的轉(zhuǎn)速;P3.7輸出PWM信號經(jīng)放大后控制NMOS管75N75的通斷，進而控制直流電機的轉(zhuǎn)速。PWM信號占空比越小，一個PWM周期內(nèi)NMOS管的導通時間越長，轉(zhuǎn)速越高;反之，轉(zhuǎn)速越低。

2.2 數(shù)據(jù)存儲電路

利用EEPROM芯片X28C512擴展了64 x 8 kB的存儲器，用于存儲顯示數(shù)據(jù)，如圖3所示。該電路是51系列單片機典型的存儲器擴展電路。P10所接的是顯示數(shù)據(jù)裝載開關(guān)，當需要更新顯示數(shù)據(jù)時，將該開關(guān)閉合后上電，可通過下載線將新的顯示數(shù)據(jù)通過單片機STC12C5A60S2的串行口寫入X28C512中。

2.3 LED陣列控制

LED陣列控制電路由6片74HC595級聯(lián)而成，如圖4所示。16個三色LED的公共端并聯(lián)，接至單片機STC12C5Q60S2的PWM信號輸出腳P13，其余48個引腳分別和6片74HC595的48個輸出端相連。在SDATA和SCLK信號控制下，顯示數(shù)據(jù)從單片機串行輸出到6片74HC595內(nèi)部的移位寄存器中，而后74HC595的RCLK端加上有效信號，將各芯片中數(shù)據(jù)由移位寄存器鎖存到寄存器中，74HC595的輸出使能端受單片機輸出的PWM信號控制，當PWM信號為低電平時LED可發(fā)光。

3 軟件設(shè)計

3.1 電機轉(zhuǎn)速的測量與控制

霍爾開關(guān)輸出的信號送至單片機的外部中斷引腳，電機每轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生一次外部中斷，在中斷服務(wù)程序中輪流使用T0和T1，測量出電機轉(zhuǎn)動一周的時間，與設(shè)定時間10 ms/圈比較，若轉(zhuǎn)速偏高，增大PWM信號的占空比，使轉(zhuǎn)速降低;反之，減小PWM信號占空比。單片機的時鐘為26 MHz，4分頻后作為PWM模塊的時鐘，PWM周期為39.4μs，完整顯示一幀圖像時間為39.4μs×254×4≈40 ms，圖像刷新速度為25幀/s。

3.2 4 096色的實現(xiàn)

根據(jù)時間混色法，順序地讓3種基色光出現(xiàn)在同一表面的同一處，當相隔的時間間隔足夠小時，人眼會感到這3種基色光是同時出現(xiàn)的，具有3種基色相加后所得顏色的效果。利用時間混色法實現(xiàn)4 096色顯示，對應于一個12 bit數(shù)據(jù)，RGB每種顏色均有16級灰度，每幀圖像細分為4個子幀，每個子幀就是電機旋轉(zhuǎn)1圈顯示的圖像，每種顏色的16級灰度由4個子幀疊加實現(xiàn)。例如某個像素的顏色為1001(R)0111(G)1010(B)，將各顏色數(shù)據(jù)的對應位取出組合得到4組數(shù)據(jù)：101、010、011、110這4組數(shù)據(jù)分別用于控制第1～4個子幀中該像素點的控制如圖5所示。1～4子幀的每個PWM周期中，低電平時間依次遞減為上一子幀的1/2，注意每個PWM周期中，只有低電平期間74HC595才輸出顯示數(shù)據(jù)，因此4個子幀疊加的結(jié)果，每種顏色都有16級灰度。

3.3 主程序設(shè)計

電機每轉(zhuǎn)1周，光電傳感器輸出一個脈沖信號，該信號既作為子幀的起始信號，又作為子幀計數(shù)信號。每個子幀分辨率為254×16，其中有效像素為248個，有6個像素時間用于幀調(diào)整。根據(jù)計數(shù)結(jié)果設(shè)置各子幀的PWM信號占空比，P13輸出對應于第一個子幀的PWM波，如圖6所示。

各子幀中對應每個像素的PWM波的高電平期間LED不發(fā)光，即旋轉(zhuǎn)屏上相鄰兩列像素之間有黑時隙，既降低了旋轉(zhuǎn)屏橫向顯示粘滯感，同時也利用這段時間從X28C512中取出下一列要顯示的數(shù)據(jù)并串行送入74HC595中。由于X28C512—90的讀取時間為90 ns，為保證數(shù)據(jù)正確讀取，在讀取數(shù)據(jù)前將系統(tǒng)時鐘分頻系數(shù)設(shè)置為4，即系統(tǒng)時鐘為6.5 MHz，讀取完成后，再將系統(tǒng)時鐘分頻系數(shù)設(shè)置為1，以提高運行速度。主程序流程圖如圖7所示。單片機復位后，若P10為低電平，則進入顯示數(shù)據(jù)更新狀態(tài)，通過利用STC單片機的下載線，通過圖4中的編程接口將PC機串行輸出的顯示數(shù)據(jù)接收并寫入X28C512中;如果復位后P10為高電平，則進行數(shù)據(jù)顯示，利用中斷服務(wù)程序?qū)怆妭鞲衅鬏敵龅拿}沖信號在0～3范圍內(nèi)進行計數(shù)，根據(jù)計數(shù)結(jié)果相應地設(shè)置PWM信號的占空比，占空比設(shè)置完成后，等待PWM信號為高電平，在PWM信號為高電平期間，讀取X28C512中的數(shù)據(jù)，通過串行口發(fā)送到6片74HC595中，由于PWM為高電平故LED均滅，當PWM信號為低時74HC595輸出待顯示的數(shù)據(jù)，然后等待PWM為高電平，在PWM為高電平期間取出下一列數(shù)據(jù)，并發(fā)送到74HC595中，依此類推。PWM信號的周期和占空比在一個子幀中無需改變。

4 結(jié)束語

LED旋轉(zhuǎn)屏是一種新型的LED顯示屏，具有成本低、可視范圍大、節(jié)能等優(yōu)點，可用于醫(yī)院、信息中心等場所，實現(xiàn)信息的動態(tài)顯示，具有良好的應用前景。本文利用單片機根據(jù)時間混色原理設(shè)計的LED旋轉(zhuǎn)屏，能夠顯示更為豐富的色彩，是LED旋轉(zhuǎn)屏的一個發(fā)展方向。