基于单片机控制LED旋转显示屏设计与研究

本设计采用TI公司的MSP430单片机作为控制芯片，通过直流电机作为LED旋转的底座，能保证电机按一定的速度运行，显示部分由16只LED灯及驱动电路组成，显示效果是利用人眼视觉暂留的生理特性，LED点阵在旋转到不同的位置时控制相应的灯亮和灭的状态，整个过程受微控制器控制，实现线状LED点阵在旋转平面上构成不同的效果图案。并且还可以通过功能红外控制器来切换实现显示模式，结合光敏感模块实现了对点阵显示亮度的自动化调节，增强了点阵的节能效应。电机运行由启动装置进行控制，当显示自检功能完成后主控器会发射红外启动信号通知电机控制电路，红外接收装置接收信号后控制电机驱动电路，并控制直流电机以恒定的速度转动，实现了开机自检后能自动启动运行并显示文字或图形等功能。

1 整体系统组成框图

其系统框图如图1所示。

图1系统模块方框图

2 功能模块设计

2．1主控芯片选取

本系统采用TI公司的MSP430G2553双列直插式单片机，在体积上它比传统的单片机小，质量轻，便于安装，将他安装在本系统的旋转面板时不会因为质量重或体积大而导致旋转面板的不平衡，从而影响点阵显示的效果，同时它的外围电路简单，不需要外加时钟电路，可以使用内部的时钟源，在程序设计时直接采用单片机的内部DCO时钟源，电路简洁，避免了复杂的硬件设计，同时也极大地减小了旋转面板的质量，增强了显示效果。

2．2 LED线状点阵模块

在显示电路中将16只LED点阵呈线性排列在旋转面板中，通过74HC595驱动，16只的阳极接在VCC上，阴极分别接到74HC595芯片的并行输出端口，单片机发送串行数据经过74HC595后转换为8位的并行数据，8位的并行数据进行LED点阵扫描，同时单片机还可以通过控制74HC595的高阻态禁止输出引脚(13脚)，可以方便地控制LED灯使其产生亮度调节。电路原理图如图2所示。

图2 LED线状点阵模块

2．3光敏调节模块

光敏调节模块以光敏电阻为主要器件，其电阻值随光照强度变化而变化，通过光敏电阻可以实时检测出周围环境的光照的明亮程度，单片机通过AD采样对光敏电阻的输出电压进行检测，根据一定的程序算法可以计算出光的强弱程度和所采电压值的关系。单片机通过分析所采得的电压值，根据设计要求可以通过PWM脉冲对LED阵列的亮度进行调节，根据试验测试，此系统检测灵敏，亮度调节模块设计方案如图3所示。

图3 光敏调节模块

2．4电机驱动模块

本系统运用L298N作为电机驱动，L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，即将逻辑控制电平进行功率放大，变为可以用于功率驱动的电压。具有工作电压高输出电流大;较低的饱和压降，具有过热保护;TTL输出电平驱动，可直接连接CPU;具有输出电流反馈，过载保护，同时它产生的输出电压稳定，抗干扰能力强，L298N的输入端用TL2521光偶进行输入、输出信号的隔离，电路原理图如图4所示。

图4 L298N电机驱动电路

2．5速度检测模块

速度检测模块以霍尔传感器为主要器件，霍尔传感器具有对磁场敏感、结构简单、体积小，输出电压变化大的优点。霍尔传感器检测转速如图5所示。本系统运用霍尔传感器一方面可以进行转速的检测，另一方面可以通过霍尔传感器实现文字图形的稳定显示，如当显示一个字母时可以设置面板转到磁钢的瞬间发送扫描信号，然后通过单片机PWM功能改变占空比，可以避免每圈旋转时图像显示的起始位置不一致而导致的漂移现象，使显示效果更加明显。

图5 霍尔传感器检测原理

2．6红外传输模块

红外传输模块起到纽带的作用，当系统开机完成开机自检功能后主控芯片控制红外发射管发送38KHZ的启动信号，当机电驱动控制板的红外接收管接收到红外信号后，由单片机控制L298N电机驱动模块驱动直流电机转动。

3 系统理论计算与分析

3．1线状点阵LED驱动参数分析与计算

点阵LED采用74HC595作为驱动采用低电平点亮方式，LED的阳极共同接到电源，阴极分别与74HC595的并口输出端相连，系统设计采用两片74HC595相级联，通过单片机控制LED灯的状态。

画出最大的圆形，把最外的LED点亮，即可实现一个同心圆，步骤方法如下:

(1)点亮最外层同心圆，只需点亮点阵面板最外层的LED;

(2)因为LED的阳极都接到了电源正极，阴极与74HC595相连采用低电平点亮方式;

(3)根据硬件电路及安装方法，计算出需要发送的串行数据:0111 1111 1111 1111;

(4)将串行数据转化为十六进制码为:0x7f，0xff，因此扫描码值为 0x7f，0xff。

3．2线阵LED运动参数分析

本设计项目能够显示静态字符和动态字符，利用列扫描方式，显示单个图形或词组的方式是首先计算出字符或单个图形的扫描代码，代码可以通过取模软件获取图形代码。图6为‘杯’字的字模是由16*16个像点组成，每一个像点代表阵列小灯在平面内的不同位置的显示状态，每一列最上面的一个像点代表旋转面板上最外侧的LED。

图6 “杯”字模

3．3显示亮度自动调节分析

显示亮度调节是通过光敏电阻对周围环境的实时检测，然后由单片机产生PWM脉冲控制LED阵列亮度，光敏电阻随光照强度的增强阻值减小，随光照强度的减弱阻值增大，光敏电阻将环境的光照强度实时地转换为电信号，因此可以通过单片机AD采样对光敏电阻的输出端进行实时的电压检测，通过合理的程序设计当电压增大时单片机调节PWM脉冲的占空比增大，从而增强LED的亮度。电路原理图如图7所示。

图7 光强度检测电路

4 程序设计流程图

图8 系统运行流程图

编写一套稳定运行的程序，确保系统能正常运行，应具有规范性，逻辑性，结合算法，编写出结构严谨的程序。以下是本系统设计的流程图，如图8所示。

5 总结

本设计的LED旋转显示图文系统完全实现了图文显示，显示亮度自动调整功能，及画面切换功能，在图文显示过程中，LED的扫描方式和其控制算法起到了决定性作用，另外光敏调节模块为系统的显示增强显示效果，使系统的显示不易受到周围光照强度的影响，整个系统功能完善，自适应能力较强，操作简单，显示效果良好，动静态文字显示能进行交互式显示。