基于线阵LED的动态显示系统设计

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　LED点阵作为一种新型的显示材料，近年来发展很快，市场前景良好．其中LED大屏幕显示屏被广泛地应用于工业、交通、商业广告、新闻发布、体育比赛、电子景物模拟等领域．但现有的LED大屏幕，要求数量众多的LED和驱动芯片，并且控制复杂，使得显示屏价格昂贵，不易操作．目前国内有一些研究成果存在显示亮度不均匀、不能实时显示等缺点 ．据了解，一般都是将要显示的内容烧录进芯片，内容固定循环显示，无法实时变更显示内容及显示方式，不方便使用，而且价格昂贵．本文将应用视觉暂留的原理，研制出一种新型环形显示系统．通过电机带动一列64位LED高速旋转，由单片机精确控制实现字符、图形及简单动态画面的清晰显示，可实时变更显示内容及显示方式．系统原理应用巧妙、技术含量高、成本低廉、市场前景广阔，可成为新的经济增长点 ．
　　1 原理
　　1．1 视觉暂留效应
　　视觉暂留效应是指景物发出或反射的光，在人的视网膜上所形成的光像会在人的视觉中保留一段时间，即使景物从视野中消失，所成的光像也不会马上消逝．暂留时间约为0．05～0．2 s．实验表明，当外界光源突然消失时，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减少的．这样当一个光源反复通断，在通断频率较低时，人眼可以发现亮度的变化；而通断频率增高时，眼睛就逐渐不能发现相应的亮度变化了．通过实验证明临界闪烁频率大约为24 Hz．因此采用每秒24幅画面的电影，在人看起来就是连续活动的图像了．由于视觉具有暂留性，人们在高于临界闪烁频率的反复通断的光线时，所得到的主观亮度感受实际上是客观亮度的平均值．视觉暂留效应可以说是静态图像和运动图像显示的视觉生理基础．当光源是以脉冲式发光时（间隔很小时），人看上去会感觉到它是一直发光的，是平均的亮度．
　　1．2 显示基本原理
　　本系统是利用视觉暂留原理来实现字符或图像的显示．把64个超高亮度的LED并排成一列，然后将要显示的汉字分解为32×32的点阵式、图型分解为64×64 的点阵式，通过单片机编程把每一列的数据按顺序送给LED点阵，通过电机的高速转动带动LED旋转，每一圈就重新刷新要显示的内容，这样由于人眼的视觉暂留效应，使人看到的显示内容效果跟平面连续显示效果一样．
　　2 硬件系统
　　硬件系统主要有移动控制器和显示屏两部分组成，如图1所示．移动控制器主要负责接收PC机端软件取摸数据、加入控制字符并保存，还能向显示屏发送特定控制命令、切换显示内容、改变显示效果．显示屏主要有电机控制转速和单片机控制E 3j LED显示 内容等．
　　


　　2．1 移动控制器
　　移动控制器是由5部分组成：单片机AT89C55、串行口收发器、无线发送模块、键盘、液晶显示屏．
　　单片机选用AT89C55，内存量较大；串行口收发器，利用成熟的串行收发芯片MAX232组成；无线发送模块，采用RFW102芯片组，它是一种半双工DSSS的无线收发两用Ic，采用ASK调制方式，工作频率是2．4 GHz，功耗非常低．该芯片组是短程无线收发Ic，最高传输速率为1 Mb／s；键盘控制键由4个键组成，分别为“确定”、“退出”、“左移”、“右移”，由于键数较少，所以分别直接接到4个I／O口；液晶显示屏，选用128 x 64的液晶模块，可与CPU直接通讯．键盘和液晶组成了强大的遥控控制菜单．通过“退出”、“确定”、“左移”、“右移”4个键实现从PC机接受数据、保存数据、无线发送数据等强大功能．
　　2．2 显示屏
　　显示屏主要由单片机控制电路、一列64位超高亮度LED组成的列点阵、电机3部分组成．
　　单片机控制电路 主要由89S8252单片机、无线接收模块和若干7415373锁存器组成．利用高性价比的AT89S8252单片机作为主控制器，它自带EEPROM，可作为显示缓存，省去常规的扩展外部存储器，简化外围电路，兼容MCS51指令，是功能强大的单片机．电路设计了有线和无线两种接收数据方式，无线方式接收数据后，把数据存储在EEPROM中，这样断电后也不会丢失数据．另外在单片机的总线上扩展了8个7415373，每个7415373控制8个LED，因此单片机能灵活控制64个LED的亮灭状态．
　　电机部分由可调速直流电机、直流调速器、电刷组成．电机选用Panasonic公司所生产的一款速度可调的直流电机，它的额定工作电压是220V，可调速度范围是0～6 000 r／min．调速系统采用端电压调速法．
　　3 软件系统
　　3．1 PC机软件
　　PC机软件采用Visual basic 6．0编程．能直接取字模、发送数据，界面友好，操作简单．主要功能是实时将汉字、英文、数字以及图型在PC机上转换为一定规则的数据信息，并将此数据通过Pc机的串行口传送到单片机处理．
　　3．1．1 设计思路
　　软件采用实时的方式取模：数据 图形—数据．通过引入图形这个中间量，使得提取字模变得灵活，无论任何字体、符号，都可以实现即时转换．Pc机软件主程序流程图见图2．
　　



　　3．1．2 字符取模流程
　　当用户点击文本框时文本框的内容设置为空．待输入完毕，用户按下取模按钮，程序首先判断人口为字符还是图形．若确定为字符模式时，将取出的单个字符映射至图片框．判断当前字符是汉字还是非汉字，是汉字则采用32 x 32点阵，是英文、数字、和符号则采用16 x 32点阵．取模部分采用交点取模．字符映射至图片框后，进行交点颜色判断，黑色判为0，白色判为1．并把取模数据输出到输出文本框．字符延拓功能是针对32×32点阵精度不够，取宋体字时有些点显示不出来而设计的，取色不仅是32×32个交点，而是每个交点以及以该交点为中心的一个小范围内的点取色，一旦该范围内的某个点颜色被判断为黑色时，该交点处的布尔值被设置为0．黑体字是默认的字体．
                          
                       
                          
                               
　　3．1．3 图形取模流程
　　当选择为图形模式时，字符取模功能设置为锁定，只留下字符功能主按钮为可激活状态，界面上只出现图形框，用户可以进行画图或者载入图像．待输入完毕，用户按下取模按钮，程序首先判断入口为字模还是图形．确定为图形模式时自动跳入图形字模段代码．取模部分采用交点取模．图形映射至图片框后，进行交点颜色判断，黑色判为0，白色判为1．并把取模数据输出到输出文本框．
　　3．2 移动控制器程序
　　程序上电初始化后，处于等待状态．当串口中断一来I临，优先处理串口中断．发送无线数据是通过键盘、菜单控制．移动控制器主程序流程图见图3；无线发送子程序见图4.
　　


　　


图4 无线发送子程序流程图
　　3．3 显示屏程序
　　由单片机控制LED的亮灭和无线数据的接收．数据通过无线模块接收后，单片机的串行接口收到数据并传到主控芯片AT89S8252中处理，当有无线数据传到时，优先处理接收数据．显示屏主程序流程图见图5．无线数据接收子程序流程图见图6．显示屏能否清晰显示内容主要从以下几方面考虑：1）单片机控制LED的亮灭时间：T=S／V，S为LED面宽度， 为电机转动线速度；2）电机转动时轴心保持平衡；3）环境光线对比度．
　　


　　


　　4 结束语
　　本系统显示英文字符采用16×32点阵方式，汉字采用32×32点阵方式，图形采用64×64点阵方式．人们可在360度范围内看到清晰的动态显示内容．采用Visual basic 6．0编写的取模软件，能及时取模并通过COM口发送数据．能实时输入内容，实现字符图形的取摸；能手写输入图形，可实现任意图形的显示，能显示简单动态画面．系统采用类蓝牙无线技术，数据传输稳定，准确安全可靠．无线和有线两种数据传输方式都能保证数据的准确传输．选择LED面宽度为3 mm、轴心到列点阵LED距离为160 mm、满屏可显示约22个汉字，显示内容大小主要由以上条件和转速决定．系统具有结构简单、视角独特、设计新颖、使用方便等特点，有较高的社会应用价值，可广泛应用于商业广告、会议通知、标语、环境装饰以及高等物理教学中的视觉暂留现象演示实验等方面．