彩色LED旋轉顯示屏的設計

摘要 為解決普通LED旋轉屏顯示色彩單一的缺陷，根據時(shí)間混色法利用單片機和三色LED設計了一種4 096色LED旋轉屏。該旋轉屏上的像素顏色編碼為12 bit數據，通過(guò)4種亮度不同的幀的疊加，實(shí)現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(shí)隙的方法，降低了LED顯示屏橫向顯示拖影等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)測驗證表明，系統穩定、顯示效果良好。

近年來(lái)，旋轉柱式LED顯示屏以其新穎、視角范圍大、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)引起人們的關(guān)注。這種顯示屏的顯示原理較為簡(jiǎn)單：將若干個(gè)LED排成一列構成一個(gè)LED線(xiàn)陣，當這個(gè)LED線(xiàn)陣繞與其平行的軸旋轉時(shí)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(xiàn)陣旋轉到每個(gè)小曲面時(shí)的發(fā)光狀態(tài)及發(fā)光時(shí)間，由于人眼的視覺(jué)暫留特性，就可看到一幅完整的圖像?，F有的旋轉柱式LED屏大多是單色LED屏，少數能夠實(shí)現彩色顯示，但顯示的顏色較少。本文利用單片機STC12C5A60S2設計了一種4 096色旋轉柱式LED顯示屏控制系統。

1 系統總體設計

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

系統工作原理如下：電機每轉動(dòng)1周，霍爾開(kāi)關(guān)輸出1個(gè)脈沖信號，通過(guò)STC12C4052測量出該脈沖的周期，可計算出電機轉速，如果電機轉速不等于設定值，則改變STC12C40 52輸出的PWM信號的占空比，從而控制轉速穩定不變;需要顯示的內容通過(guò)編程接口下載到X28C512-90中，X28C512-90是容量為64 kB、讀取時(shí)間僅為90 ns的高速EEPROM。若顯示柱面為256×16點(diǎn)陣，每個(gè)點(diǎn)4 096色，一個(gè)完整的柱面數據為8 kB，一片X28C512可存儲8屏顯示內容。位置檢測電路用于確定柱面顯示的起始位置。

2 系統硬件設計

硬件電路由電機轉速測量與控制電路、數據存儲電路、LED陣列控制電路、無(wú)線(xiàn)供電電路組成，其中無(wú)線(xiàn)供電電路采用市售電壓5 V、電流600 mA的無(wú)線(xiàn)供電模塊。

2.1 電機轉速測量與控制電路

設計中選用R550型直流電機，其額定電壓為12 V，最高轉速為18 000轉/分，這里將電機轉速設定為100轉/s，轉速測量與控制電路如圖2所示?；魻栭_(kāi)關(guān)輸出的轉速信號送至STC12C4052的外部中斷引腳nINT0，根據兩次中斷時(shí)間間隔測量出電機的轉速;P3.7輸出PWM信號經(jīng)放大后控制NMOS管75N75的通斷，進(jìn)而控制直流電機的轉速。PWM信號占空比越小，一個(gè)PWM周期內NMOS管的導通時(shí)間越長(cháng)，轉速越高;反之，轉速越低。

2.2 數據存儲電路

利用EEPROM芯片X28C512擴展了64 x 8 kB的存儲器，用于存儲顯示數據，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所接的是顯示數據裝載開(kāi)關(guān)，當需要更新顯示數據時(shí)，將該開(kāi)關(guān)閉合后上電，可通過(guò)下載線(xiàn)將新的顯示數據通過(guò)單片機STC12C5A60S2的串行口寫(xiě)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(gè)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(gè)引腳分別和6片74HC595的48個(gè)輸出端相連。在SDATA和SCLK信號控制下，顯示數據從單片機串行輸出到6片74HC595內部的移位寄存器中，而后74HC595的RCLK端加上有效信號，將各芯片中數據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(shí)LED可發(fā)光。

3 軟件設計

3.1 電機轉速的測量與控制

霍爾開(kāi)關(guān)輸出的信號送至單片機的外部中斷引腳，電機每轉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，測量出電機轉動(dòng)一周的時(shí)間，與設定時(shí)間10 ms/圈比較，若轉速偏高，增大PWM信號的占空比，使轉速降低;反之，減小PWM信號占空比。單片機的時(shí)鐘為26 MHz，4分頻后作為PWM模塊的時(shí)鐘，PWM周期為39.4μs，完整顯示一幀圖像時(shí)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(shí)現

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

3.3 主程序設計

電機每轉1周，光電傳感器輸出一個(gè)脈沖信號，該信號既作為子幀的起始信號，又作為子幀計數信號。每個(gè)子幀分辨率為254×16，其中有效像素為248個(gè)，有6個(gè)像素時(shí)間用于幀調整。根據計數結果設置各子幀的PWM信號占空比，P13輸出對應于第一個(gè)子幀的PWM波，如圖6所示。

各子幀中對應每個(gè)像素的PWM波的高電平期間LED不發(fā)光，即旋轉屏上相鄰兩列像素之間有黑時(shí)隙，既降低了旋轉屏橫向顯示粘滯感，同時(shí)也利用這段時(shí)間從X28C512中取出下一列要顯示的數據并串行送入74HC595中。由于X28C512—90的讀取時(shí)間為90 ns，為保證數據正確讀取，在讀取數據前將系統時(shí)鐘分頻系數設置為4，即系統時(shí)鐘為6.5 MHz，讀取完成后，再將系統時(shí)鐘分頻系數設置為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(jìn)入顯示數據更新?tīng)顟B(tài)，通過(guò)利用STC單片機的下載線(xiàn)，通過(guò)圖4中的編程接口將PC機串行輸出的顯示數據接收并寫(xiě)入X28C512中;如果復位后P10為高電平，則進(jìn)行數據顯示，利用中斷服務(wù)程序對光電傳感器輸出的脈沖信號在0～3范圍內進(jìn)行計數，根據計數結果相應地設置PWM信號的占空比，占空比設置完成后，等待PWM信號為高電平，在PWM信號為高電平期間，讀取X28C512中的數據，通過(guò)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(shí)74HC595輸出待顯示的數據，然后等待PWM為高電平，在PWM為高電平期間取出下一列數據，并發(fā)送到74HC595中，依此類(lèi)推。PWM信號的周期和占空比在一個(gè)子幀中無(wú)需改變。

4 結束語(yǔ)

LED旋轉屏是一種新型的LED顯示屏，具有成本低、可視范圍大、節能等優(yōu)點(diǎn)，可用于醫院、信息中心等場(chǎng)所，實(shí)現信息的動(dòng)態(tài)顯示，具有良好的應用前景。本文利用單片機根據時(shí)間混色原理設計的LED旋轉屏，能夠顯示更為豐富的色彩，是LED旋轉屏的一個(gè)發(fā)展方向。