- 學習動態LED顯示系統
- 硬件系統的設計
- 利用人眼視覺暫留效應
- 通過單片機精確控制LED的亮滅時間
- 軟件采用實時的方式取模
研制一種利用人眼視覺暫留效應的線陣LED動態顯示系統.該系統由電機帶動一列LED高速旋轉，通過單片機精確控制LED的亮滅時間，從而實現字符、圖形及簡單動態畫面的顯示.采用Visual Basic 6.0編寫取模軟件，將要顯示的內容取模轉換為數字信號，并將該信號用無線或有線方式傳輸給顯示屏。系統由PC機端軟件、移動控制器、顯示屏3部分組成，能夠實時變更顯示內容及顯示方式，可在360。范圍內提供清晰的顯示畫面。
LED點陣作為一種新型的顯示材料，近年來發展很快，市場前景良好。其中LED大屏幕顯示屏被廣泛地應用于工業、交通、商業廣告、新聞發布、體育比賽、電子景物模擬等領域.但現有的LED大屏幕，要求數量眾多的LED和驅動芯片，并且控制復雜，使得顯示屏價格昂貴，不易操作。目前國內有一些研究成果存在顯示亮度不均勻、不能實時顯示等缺點。據了解，一般都是將要顯示的內容燒錄進芯片，內容固定循環顯示，無法實時變更顯示內容及顯示方式，不方便使用，而且價格昂貴.本文將應用視覺暫留的原理，研制出一種新型環形顯示系統。通過電機帶動一列64位LED高速旋轉，由單片機精確控制實現字符、圖形及簡單動態畫面的清晰顯示，可實時變更顯示內容及顯示方式.系統原理應用巧妙、技術含量高、成本低廉、市場前景廣闊，可成為新的經濟增長點。
1 原理
1.1 視覺暫留效應
視覺暫留效應是指景物發出或反射的光，在人的視網膜上所形成的光像會在人的視覺中保留一段時間，即使景物從視野中消失，所成的光像也不會馬上消逝.暫留時間約為0.05～0.2s。實驗表明，當外界光源突然消失時，人眼的亮度感覺是按指數規律逐漸減少的。這樣當一個光源反復通斷，在通斷頻率較低時，人眼可以發現亮度的變化；而通斷頻率增高時，眼睛就逐漸不能發現相應的亮度變化了。通過實驗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活動的圖像了。由于視覺具有暫留性，人們在高于臨界閃爍頻率的反復通斷的光線時，所得到的主觀亮度感受實際上是客觀亮度的平均值。視覺暫留效應可以說是靜態圖像和運動圖像顯示的視覺生理基礎.當光源是以脈沖式發光時(間隔很小時)，人看上去會感覺到它是一直發光的，是平均的亮度。
1.2 顯示基本原理
本系統是利用視覺暫留原理來實現字符或圖像的顯示。把64個超高亮度的LED并排成一列，然后將要顯示的漢字分解為32×32的點陣式、圖型分解為64×64的點陣式，通過單片機編程把每一列的數據按順序送給LED點陣，通過電機的高速轉動帶動LED旋轉，每一圈就重新刷新要顯示的內容，這樣由于人眼的視覺暫留效應，使人看到的顯示內容效果跟平面連續顯示效果一樣。
2 硬件系統
硬件系統主要有移動控制器和顯示屏兩部分組成，如圖1所示。移動控制器主要負責接收PC機端軟件取摸數據、加入控制字符并保存，還能向顯示屏發送特定控制命令、切換顯示內容、改變顯示效果。顯示屏主要有電機控制轉速和單片機控制E3jLED顯示內容等。
2.1 移動控制器
移動控制器是由5部分組成：單片機AT89C55、串行口收發器、無線發送模塊、鍵盤、液晶顯示屏。
單片機選用AT89C55，內存量較大；串行口收發器，利用成熟的串行收發芯片MAX232組成；無線發送模塊，采用RFW102芯片組，它是一種半雙工DSSS的無線收發兩用Ic，采用ASK調制方式，工作頻率是2.4GHz，功耗非常低.該芯片組是短程無線收發Ic，最高傳輸速率為1Mb/s；鍵盤控制鍵由4個鍵組成，分別為“確定”、“退出”、“左移”、“右移”，由于鍵數較少，所以分別直接接到4個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大的遙控控制菜單。通過“退出”、“確定”、“左移”、“右移”4個鍵實現從PC機接受數據、保存數據、無線發送數據等強大功能。
2.2 顯示屏
顯示屏主要由單片機控制電路、一列64位超高亮度LED組成的列點陣、電機3部分組成。
單片機控制電路主要由89S8252單片機、無線接收模塊和若干7415373鎖存器組成。利用高性價比的AT89S8252單片機作為主控制器，它自帶EEPROM，可作為顯示緩存，省去常規的擴展外部存儲器，簡化外圍電路，兼容MCS51指令，是功能強大的單片機。電路設計了有線和無線兩種接收數據方式，無線方式接收數據后，把數據存儲在EEPROM中，這樣斷電后也不會丟失數據。另外在單片機的總線上擴展了8個7415373，每個7415373控制8個LED，因此單片機能靈活控制64個LED的亮滅狀態。
電機部分由可調速直流電機、直流調速器、電刷組成。電機選用Panasonic公司所生產的一款速度可調的直流電機，它的額定工作電壓是220V，可調速度范圍是0～6000 r/min.調速系統采用端電壓調速法。
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3 軟件系統
3.1 PC機軟件
PC機軟件采用Visual Basic 6.0編程。能直接取字模、發送數據，界面友好，操作簡單。主要功能是實時將漢字、英文、數字以及圖型在PC機上轉換為一定規則的數據信息，并將此數據通過Pc機的串行口傳送到單片機處理。
3.1.1 設計思路
軟件采用實時的方式取模：數據圖形—數據。通過引入圖形這個中間量，使得提取字模變得靈活，無論任何字體、符號，都可以實現即時轉換。Pc機軟件主程序流程圖見圖2。
3.1.2 字符取模流程
當用戶點擊文本框時文本框的內容設置為空。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，將取出的單個字符映射至圖片框。判斷當前字符是漢字還是非漢字，是漢字則采用32x32點陣，是英文、數字、和符號則采用16x32點陣。取模部分采用交點取模.字符映射至圖片框后，進行交點顏色判斷，黑色判為0，白色判為1.并把取模數據輸出到輸出文本框。字符延拓功能是針對32×32點陣精度不夠，取宋體字時有些點顯示不出來而設計的，取色不僅是32×32個交點，而是每個交點以及以該交點為中心的一個小范圍內的點取色，一旦該范圍內的某個點顏色被判斷為黑色時，該交點處的布爾值被設置為0。黑體字是默認的字體。
3.1.3 圖形取模流程
當選擇為圖形模式時，字符取模功能設置為鎖定，只留下字符功能主按鈕為可激活狀態，界面上只出現圖形框，用戶可以進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。確定為圖形模式時自動跳入圖形字模段代碼。取模部分采用交點取模.圖形映射至圖片框后，進行交點顏色判斷，黑色判為0，白色判為1。并把取模數據輸出到輸出文本框。
3.2 移動控制器程序
程序上電初始化后，處于等待狀態。當串口中斷一來I臨，優先處理串口中斷.發送無線數據是通過鍵盤、菜單控制。移動控制器主程序流程圖見圖3；無線發送子程序見圖4。
3.3 顯示屏程序
由單片機控制LED的亮滅和無線數據的接收.數據通過無線模塊接收后，單片機的串行接口收到數據并傳到主控芯片AT89S8252中處理，當有無線數據傳到時，優先處理接收數據.顯示屏主程序流程圖見圖5。無線數據接收子程序流程圖見圖6。顯示屏能否清晰顯示內容主要從以下幾方面考慮：1)單片機控制LED的亮滅時間：T=S/V，S為LED面寬度，為電機轉動線速度；2)電機轉動時軸心保持平衡；3)環境光線對比度。
4 結束語
本系統顯示英文字符采用16×32點陣方式，漢字采用32×32點陣方式，圖形采用64×64點陣方式。人們可在360度范圍內看到清晰的動態顯示內容。采用Visual Basic 6.0編寫的取模軟件，能及時取模并通過COM口發送數據。能實時輸入內容，實現字符圖形的取摸；能手寫輸入圖形，可實現任意圖形的顯示，能顯示簡單動態畫面。系統采用類藍牙無線技術，數據傳輸穩定，準確安全可靠.無線和有線兩種數據傳輸方式都能保證數據的準確傳輸。選擇LED面寬度為3mm、軸心到列點陣LED距離為160mm、滿屏可顯示約22個漢字，顯示內容大小主要由以上條件和轉速決定。系統具有結構簡單、視角獨特、設計新穎、使用方便等特點，有較高的社會應用價值，可廣泛應用于商業廣告、會議通知、標語、環境裝飾以及高等物理教學中的視覺暫留現象演示實驗等方面。
