基于單片機的LED輪廓顯示控制器設計方案

摘要：根據LED輪廓顯示控制的結構特點(diǎn)，設計了基于STC單片機的顯示控制器。該系統控制采用STC11/12系列單片機為控制處理器，加以外圍電路，利用485接口實(shí)現主從遠距離控制。設計了色帶數據與效果數據格式，充分利用單片有限的存儲空間完成更多顯示效果。利用分控制器完成對現有市場(chǎng)上的6803、2803和1809系列LED專(zhuān)用驅動(dòng)芯片的兼容。本案開(kāi)發(fā)的LED護欄管顯示屏控制器已產(chǎn)品化，控制效果良好。

LED護欄管又名麗得管，是一種先進(jìn)的LED裝飾照明燈飾產(chǎn)品。以紅、綠、藍3種顏色的LED作為光源，使用了微電子和數碼技術(shù)，能進(jìn)行色彩追逐，色彩過(guò)渡漸變，灰度變化和七色變化，能產(chǎn)生十分豐富的色彩變幻效果。該產(chǎn)品外形采用一次成型，燈管和底座渾為一體，防水性更好，重量更輕。廣泛適用于酒吧、舞廳、大廈、廣場(chǎng)、橋梁、欄桿等各種大型建筑裝飾，全彩管更可以在一個(gè)大范圍的區域實(shí)現燈光群控和顯示動(dòng)態(tài)節目，適合大型主題夜景。

文中提出了一種主從式單片機的LED輪廓顯示屏解決方案，該設計方案利用STC單片機自身的FLASH ROM和RAM,外部無(wú)需任何存儲電路，電路結構簡(jiǎn)單?？蓪?shí)現交流同步顯示，驅動(dòng)當前LED亮化市場(chǎng)中的多款LED護欄管與點(diǎn)光源器件。

1 系統的工作原理及總體方案設計

1.1 STC單片機

STC系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單機器周期時(shí)鐘的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8~12倍。內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路，針對電機控制，強干擾場(chǎng)合。其中STC11FXX、STC12CXX系列工作電壓4.1~5.5 V,工作頻率可達35 MHz,有內部512字節RAM,性?xún)r(jià)比高。并可通過(guò)串口進(jìn)行ISP操作，無(wú)需專(zhuān)用仿真器與編程器，直接下載用戶(hù)程序，給用戶(hù)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和維護帶來(lái)方便。

1.2 系統的工作原理

LED輪廓顯示是用首尾相連的LED護欄管或串聯(lián)的點(diǎn)光源連接的LED顯示特效，多用于樓宇輪廓的亮化工程。顯示屏驅動(dòng)電路的主要作用是接收來(lái)自控制系統的數字信號，將發(fā)光二極管點(diǎn)亮，實(shí)現在LED顯示屏上的信息的顯示。LED輪廓顯示廣泛使用的驅動(dòng)電路是基于通用型集成電路來(lái)設計的，如：74HC164、CD4015、74HC595、68595、ULN2803等，大多為移位寄存器和達林頓驅動(dòng)器。采用常規型驅動(dòng)IC進(jìn)行電路設計，原理比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，產(chǎn)品的技術(shù)開(kāi)放性比較強。LED顯示屏上數據的傳輸方式主要有串行和并行兩種，目前廣為采用的主要為串行控制技術(shù)。這種控制方式的顯示屏的每一個(gè)單元內部的不同驅動(dòng)電路、各級聯(lián)單元之間每個(gè)時(shí)鐘僅傳送一個(gè)位(具體實(shí)現時(shí)每種顏色各一位)的數據。采用這種方式，可采用的驅動(dòng)IC種類(lèi)較多，不同顯示單元之間的連線(xiàn)較少，可減少顯示單元上的數據傳輸驅動(dòng)元件，從而提高整個(gè)系統的可靠性和具體工程實(shí)現的容易程度。

1.3 系統總體方案的設計

系統由主控制器與從控制器兩部分組成。主控制器帶LED顯示與功能按鍵，用戶(hù)根據實(shí)際情況選擇顯示效果與顯示速度。根據控制需要可組成如圖1的3種結構。

圖1 LED輪廓顯示控制系統結構示意圖

圖1(a)結構為標準主從結構。其中主控制器通過(guò)485總線(xiàn)將控制數據傳送給各從控制器。從控制器接收主控制器數據，按要求驅動(dòng)LED燈板。圖1(b)結構為簡(jiǎn)易主從結構。即當無(wú)主控制器或無(wú)需用戶(hù)交互時(shí)，用一臺從控制器充當主控制器發(fā)送數據給各從控制器。圖1(c)結構為并行同步結構。系統中無(wú)主控制器，各從控制器根據交流電信號50 Hz頻率自動(dòng)執行，多臺從控制器可以同步顯示。

2 系統硬件設計

2.1 主控制器硬件設計

主控制器包括STC單片機最小系統，電源部分，LED動(dòng)態(tài)顯示電路，按鍵輸出部分，輸出電路等幾部分組成。主控制器電氣原理圖如圖2所示。

圖2 主控制器電氣原理圖

其中最小系統采用STC12C5608單片機。電源輸入部分允許交流或直流9~36 V輸入，通過(guò)DB107交流橋與LM2575高性能穩壓芯片保證系統5 V供電。LED動(dòng)態(tài)顯示部分采用4個(gè)8位LED數碼管，顯示控制速度00-15,顯示輸出模式00-99.485輸出部分采用3個(gè)瞬態(tài)抑制二級提高485芯片實(shí)際使用壽命。

2.2 從控制器硬件設計

主控制器包括STC單片機最小系統，交流信號輸入部分，485收發(fā)模塊部分，輸出電路4部分集成。主控制器電器原理圖如圖3所示。

圖3 從控制器電氣原理圖

從系統結構圖1中可知，485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )采用星形結構，一個(gè)主機和若干臺從機，主機只發(fā)送數據，從機只接收數據，屬于單功方式。實(shí)際應用時(shí)，當主控制器距現場(chǎng)較遠時(shí)，為了省通信接線(xiàn)，并簡(jiǎn)化連接結構。將星形連接結構變成如圖4所示連接方式。

圖4 主從式實(shí)際通信連接方案示意圖

因此從控制器的485收發(fā)模塊包括一個(gè)接收模塊和一個(gè)發(fā)送模塊。從圖3中可以看出接收部分得到信號未進(jìn)入單片機就直接通過(guò)發(fā)送模塊送出。既完成了控制要求，又簡(jiǎn)化了連接方式。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括上位機軟件的設計、下位機程序設計兩部分。上位機軟件完成LED輪廓控制效果編輯與轉換，然后直接修改下位機程序的BIN文件。下位機程序程序效果數據解釋并執行。

3.1 輪廓色帶數據設計

由于單片機內部程序空間有限，數據處理能力有限，所以需要用簡(jiǎn)潔的數據模型表示LED變換效果。因此本文設計了一種色帶數據格式和特效數據格式。具體內容如表1所示。