黃健，楊亞東，范暉

（西京學(xué)院電子信息工程系，西安710123）

立體點(diǎn)陣式LED顯示屏設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

黃健*，楊亞東，范暉

（西京學(xué)院電子信息工程系，西安710123）

為滿足某些實(shí)際應(yīng)用場合對立體顯示的需求，降低設(shè)計(jì)成本，設(shè)計(jì)了彩色立體LED顯示屏。采用8×8×8共512個高亮LED燈組成正方體，通過單片機(jī)控制LED燈的亮滅時間，按面掃描，顯示預(yù)設(shè)的文字和圖形。分析了掃描方法并給出了PWM調(diào)制灰度算法，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和硬件原理圖，制作出了硬件作品，進(jìn)行了軟件編程調(diào)試。實(shí)測結(jié)果表明：采用512個像素點(diǎn)，可清晰顯示不同的圖形、文字，實(shí)現(xiàn)了8級灰度控制，制作出絢麗的立體效果。

視覺暫留；按面掃描；PWM調(diào)制；灰度算法

在當(dāng)今社會中，LED顯示裝置扮演著重要的角色，隨著各種信息的傳播和人們視覺審美的提高，人們對LED顯示屏提出了更高的要求［1］。目前二維LED點(diǎn)陣屏技術(shù)已相當(dāng)成熟，但二維平面點(diǎn)陣屏顯示效果單調(diào)、乏味。若采用旋轉(zhuǎn)二維LED點(diǎn)陣屏技術(shù)，雖然能夠產(chǎn)生立體效果，但電機(jī)轉(zhuǎn)速難以穩(wěn)定，畫面會產(chǎn)生明顯漂移。

本文提出的立體點(diǎn)陣式LED顯示屏技術(shù)，能夠解決上述問題。利用視覺暫留原理，精確控制LED燈的亮滅時間，可立體顯示圖形、文字等信息。以8×8×8共512個LED構(gòu)成一個立方體，按面掃描，以8×8共64個LED點(diǎn)陣為一面，掃描8次，完成一次立體顯示。為了增加顯示效果，加入PWM脈沖寬度調(diào)制，調(diào)節(jié)燈的亮度，通過一定的灰度算法，能夠?qū)崿F(xiàn)8級灰度控制，增加了圖形顯示的層次感。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置顯示色彩鮮艷、立體感強(qiáng)，不僅可用于室外信息傳播，還可用于室內(nèi)裝飾，給人們帶來全新的娛樂體驗(yàn)，具有投影儀、電視墻、液晶顯示無法比擬的優(yōu)點(diǎn)［2］。

1　立體點(diǎn)陣式LED顯示屏工作原理及灰度算法

1.1視覺暫留基本原理

所謂視覺，實(shí)際上是在人眼晶狀體成像后由感光細(xì)胞將光信號轉(zhuǎn)換為神經(jīng)電流，傳回大腦形成的。感光所依賴的感光色素的形成需要一定時間，光對視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍會保留一段時間，這稱為視覺暫留［3］。光對視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍保留一段時間的現(xiàn)象，其具體應(yīng)用是電影的拍攝和放映。原因是由視神經(jīng)的反應(yīng)速度造成的.其時值是二十四分之一秒。是動畫、電影等視覺媒體形成和傳播的根據(jù)。

1.2掃描算法

根據(jù)以上分析，人眼視覺暫留的時間是1/18 s～1/24 s.驅(qū)動8×8×8的光立方，我們要做一個空間上的轉(zhuǎn)變。可以把它看做8×64的點(diǎn)陣屏，而驅(qū)動這個8×64的點(diǎn)陣屏?xí)r，其實(shí)就是一個平面，共有8行64列，一次驅(qū)動一列，按列掃描64列，即可完成整屏掃描。

在進(jìn)行軟件編程時，開辟一個8位64元素的數(shù)組作為顯存，每一個元素的值對應(yīng)掃描的一列，每次掃描64列，并將對應(yīng)列的值賦給顯存數(shù)組，這樣要在某一列顯示什么內(nèi)容，直接給顯存賦值即可，8行64列賦完就是整屏信息。由于可連續(xù)驅(qū)動，要實(shí)現(xiàn)更多效果，只需修改顯存的內(nèi)容即可。

1.3PWM調(diào)節(jié)灰度算法

傳統(tǒng)PWM算法是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度實(shí)現(xiàn)對電流大小的調(diào)節(jié)，根據(jù)電流大小實(shí)現(xiàn)對燈的亮度的調(diào)節(jié)。對256級灰度調(diào)節(jié)采用8位二進(jìn)制數(shù)實(shí)現(xiàn)，每一位對應(yīng)的每一次點(diǎn)亮?xí)r間與關(guān)斷時間占空比不同。如果點(diǎn)亮?xí)r間從低位到高位依次遞增，則合成的點(diǎn)亮?xí)r間將會有256種組合，定義點(diǎn)亮?xí)r間加上關(guān)斷時間為一個時間單位，設(shè)為256T。則實(shí)現(xiàn)256級灰度控制時間與PWM值對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　256級灰度對應(yīng)PWM值

但這種算法有明顯的缺點(diǎn)，首先對時鐘頻率要求很高，其次灰度層次不分明，還會帶來視覺閃爍、色分離、動態(tài)圖像不穩(wěn)定等影響顯示效果的缺陷［4-7］?；诖耍岢?級灰度控制，對應(yīng)關(guān)系如表2所示，每種灰度值按2的倍數(shù)遞增，能夠明顯提高圖像顯示層次感［6］，易于用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，圖像顯示穩(wěn)定，無閃爍。

表2　8級灰度對應(yīng)PWM值

2　主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示，采用宏晶科技的高性能單片機(jī)STC12C5A60S2做為主控，通過光敏采集到的亮度自動調(diào)節(jié)立方體LED燈的亮度，LED驅(qū)動電路采用HC595芯片兩級串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镾TC12C5A60S2屬于高性能單片機(jī)，所以內(nèi)部存儲器可用做顯存［8］。灰度算法和掃描算法由主控單元產(chǎn)生。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2.2主要硬件電路設(shè)計(jì)

圖2所示是主控芯片STC12C5A60S2硬件電路，該芯片屬于增強(qiáng)型單片機(jī)，P1口可實(shí)現(xiàn)10 bit A/D采集，用P14和P15實(shí)現(xiàn)對光敏的采集。用其余I/O接口引腳驅(qū)動HC595點(diǎn)亮LED燈，其中HC595屬于串-并轉(zhuǎn)換芯片，兩個HC595可驅(qū)動16 個LED燈，對燈的亮度調(diào)節(jié)通過I/O口輸出PWM實(shí)現(xiàn)，灰度算法和掃描算法在軟件中實(shí)現(xiàn)［9］。

圖3是HC595驅(qū)動電路，采用級聯(lián)和行列掃描方式，驅(qū)動512個LED燈需要16個HC595，每2個HC595需要3根I/O口線，所以16個HC595共需要24根I/O口線。圖中只畫出了部分電路，其余連線方式與此相同。

圖4是光敏采集電路，通過R30和R32兩個光敏采集環(huán)境亮度，電路中采用測電壓方式確定當(dāng)前亮度值。

圖2　LED燈顯示電路

圖3　LED驅(qū)動電路

圖4　光敏采集電路

3　軟件流程圖

軟件流程圖如圖5所示。

圖5　軟件流程圖

軟件部分主要通過光敏檢測外圍光的亮度，將光亮度轉(zhuǎn)換為電壓值，送入單片機(jī)的A/D接口進(jìn)行采集。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)控制LED燈的亮度。讀取顯存中預(yù)存的數(shù)據(jù)，通過I/O口按列掃描的方式送出，控制對應(yīng)LED燈的亮滅時間，達(dá)到立體顯示的目的。

4　測試結(jié)果

根據(jù)以上所述，在KEIL下用C語言編寫程序并調(diào)試硬件后，實(shí)測效果如圖6所示，若要顯示特定的信息，只需要修改顯存的內(nèi)容并進(jìn)行灰度控制［10］，在軟件中采用循環(huán)讀取方式，就可實(shí)現(xiàn)更加絢麗多彩的效果。

圖6　

5　總結(jié)與展望

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了立體點(diǎn)陣式LED顯示屏，根據(jù)視覺暫留原理設(shè)計(jì)了掃描算法，并用PWM調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了灰度算法，以STC12C5A60S2做為主控設(shè)計(jì)了硬件電路圖，在KEIL軟件下用C語言進(jìn)行了編程，有效的控制了512個LED的亮滅時間和亮度，制作出了對應(yīng)的樣品并進(jìn)行了硬件調(diào)試，成功顯示了字符和圖形。實(shí)測結(jié)果表明，該系統(tǒng)顯示穩(wěn)定、立體感強(qiáng)，可傳遞不同信息，具有平面顯示無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，有一定的實(shí)用價值和娛樂性。

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［2］梁光勝，秦菁，陳世宏，等.旋轉(zhuǎn)彩色LED顯示屏設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.液晶與顯示，2014，29（5）：850-855.

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黃?。?973-），男，漢族，陜西富平人，西京學(xué)院，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧介_發(fā)，565200245@qq.com；

楊亞東（1963-）男，陜西省戶縣人，博士，副教授，主要從事電子信息、圖像處理等方面的教學(xué)和研究工作；

范暉（1974-），男，漢族，陜西戶縣人，西京學(xué)院，講師，碩士，主要研究方向?yàn)檐浖軜?gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全，1093051554@ qq.com。

Design and Implementation of Cube Light LED Display Device*

HUANG Jian*，YANG Yadong，F(xiàn)AN Hui
（Department of Electronics and Information Engineer，XiJing University，Xi'an 710123，China）

In order to meet the requirement of most applications and reduce design costs，a colorful cube LED dis?play device is designed.The light cube is consisted of 512 high-light led.The characters and graph is displayed by MCU control time of led light on and off which scan by surface.Scanning methods are analyzed and the gray-scale algorithm of PWM modulation is given，system design scheme and the hardware circuit are presented，software flow chart is given and the hardware product is debugged.The test results show that the device can clearly display letters and graph by 512 pixels，implementation 8 gray-scale control and making brilliant three-dimensional effect.

persistence of vision；scan by surface；PWM modulation；gray-scale algorithm

TN27

A

1005-9490（2016）02-0479-04

EEACC：4260D10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.046

項(xiàng)目來源：陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（14JK2165）

2015-05-13修改日期：2015-06-18