楊景發(fā)，申文增，張 瑋

（河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002）

隨著發(fā)光二極管（LED）產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，基于LED 點(diǎn)陣形式的顯示屏幕已在銀行、車站、商場等得到了廣泛的應(yīng)用[1]。現(xiàn)有的LED 顯示試驗(yàn)儀功能單一，測試對(duì)象單一，知識(shí)點(diǎn)分散，不能形成積木式層次遞進(jìn)的能力訓(xùn)練，在實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的廣度和深度以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容編組靈活性方面有待提高。因此，本文遵循“實(shí)驗(yàn)?zāi)K化，內(nèi)容一體化，接口簡單化，過程趣味化”的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一種LED 顯示應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)測試臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—綜合實(shí)驗(yàn)—實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)類型、關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)和“基本實(shí)驗(yàn)技能—綜合專業(yè)技能—?jiǎng)?chuàng)新研發(fā)能力”的貫通，通過實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生快速掌握LED 顯示原理，形成LED 顯示應(yīng)用的關(guān)聯(lián)知識(shí)體系，培養(yǎng)LED 顯示應(yīng)用專業(yè)技術(shù)人員。

1 設(shè)計(jì)思路

基于LED 發(fā)光顯示、LED 恒流驅(qū)動(dòng)、PWM 調(diào)制、單片機(jī)控制、動(dòng)態(tài)掃描、視覺暫留等技術(shù)，選取LED器件、LED/LCD/TFT/POV-LED 顯示屏及不同系列單片機(jī)[2-3]，設(shè)計(jì)了LED 顯示應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)測試臺(tái)（原理結(jié)構(gòu)框圖見圖1），凸顯“實(shí)驗(yàn)?zāi)K化，內(nèi)容一體化”的設(shè)計(jì)思路，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作環(huán)節(jié)落地實(shí)施，既保證了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)又兼顧了學(xué)生能力訓(xùn)練質(zhì)量。

圖1 LED 顯示應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)測試臺(tái)原理結(jié)構(gòu)框圖

2 綜合實(shí)驗(yàn)測試臺(tái)設(shè)計(jì)

利用3Dmax 設(shè)計(jì)的樣機(jī)模型見圖2，由“電源供電”“LED 點(diǎn)陣顯示”“LED 非機(jī)動(dòng)交通信號(hào)燈”“TFT屏/PWM LED 燈具調(diào)光”“LCD 屏—LED 作物補(bǔ)光”“LED 曲面/立體顯示屏”等單元模塊組成。

2.1 電源供電單元

該單元包括AC-DC 轉(zhuǎn)換開關(guān)電源、DC-DC 轉(zhuǎn)換模塊、接線端子，輸入220 V 交流電，輸出+3.3、+5、+12、+24 V 直流電，提供各模塊中負(fù)載所需電源。

2.2 LED 點(diǎn)陣顯示單元

該單元包括三位LED 數(shù)碼管和8×8、16×16、16×64 LED 點(diǎn)陣模塊。選用8×8 LED 全彩點(diǎn)陣、16×16雙色點(diǎn)陣屏、帶邊16×64 點(diǎn)陣屏、對(duì)應(yīng)的顯示驅(qū)動(dòng)器模組[4-6]及STM32 單片機(jī)主控模塊1，硬件連接電路見圖3，點(diǎn)陣屏與共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器相連，共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器與STM32 單片機(jī)相連。學(xué)生通過USB 接口和復(fù)位開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)程序燒錄至單片機(jī)內(nèi)，完成數(shù)字、漢字靜態(tài)顯示，靜/動(dòng)態(tài)圖形顯示和漢字動(dòng)態(tài)顯示等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖3 LED 點(diǎn)陣顯示電路圖

2.3 LED 非機(jī)動(dòng)交通信號(hào)燈單元

該單元包括三基色貼片式自行車信號(hào)燈模組、2位LED 數(shù)碼管、紅外感應(yīng)傳感器、光耦繼電器模組、STM32 單片機(jī)主控模塊1、語音模塊和喇叭[7-8]。自行車信號(hào)燈模組、LED 數(shù)碼管與STM32 單片機(jī)相連，紅外感應(yīng)傳感器采集人員越線信息，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后，經(jīng)光耦繼電器發(fā)給語音模塊進(jìn)行語音提醒警示，連接電路見圖4。

2.4 TFT 屏/PWM LED 燈具調(diào)光單元

該單元包括一塊3.5 英寸TFT 屏、LED 驅(qū)動(dòng)器、3 W LED 燈具和STM32 單片機(jī)主控模塊1。LED 燈具與驅(qū)動(dòng)器相連，LED 驅(qū)動(dòng)器和TFT 屏與STM32 單片機(jī)相連，向單片機(jī)內(nèi)燒錄實(shí)驗(yàn)程序。LED 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路見圖5。

圖4 非機(jī)動(dòng)交通信號(hào)燈電路圖

圖5 燈具調(diào)光電路圖

2.5 LCD 屏—LED 作物補(bǔ)光單元

該單元包括單片機(jī)主控模塊2、LED 組合燈具、LED 驅(qū)動(dòng)器、LCD 顯示屏、5 鍵鍵盤、復(fù)位開關(guān)和USB 插座[9-10]。其中，主控模塊2 是一個(gè)STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)；LED 組合燈具包括鋁質(zhì)側(cè)齒燈槽、鋁基PCB 板、LED 燈組、散熱軸流風(fēng)扇、透光板和燈具盒。散熱軸流風(fēng)扇、鋁質(zhì)側(cè)齒燈槽套裝在燈具盒內(nèi)，鋁基PCB 板用導(dǎo)熱硅膠粘貼在鋁質(zhì)側(cè)齒燈槽內(nèi)，LED 燈組焊接在鋁基PCB 板上，透光板安裝在LED燈組的上方，結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 LED 組合燈具結(jié)構(gòu)示意圖

LED 燈組由3 紅、3 藍(lán)、3 白共9 只1 W LED 燈珠組成，紅色LED 燈珠的主波長為660 nm，藍(lán)色LED燈珠的主波長為420～460 nm，白色LED 燈珠的主波長主峰為420～490 和510～710 nm，半值角為60°。燈珠采用紅、藍(lán)、白色直線交替式排列，同色LED 燈珠串聯(lián)后，分別接到6 個(gè)接線端子引腳上，再通過導(dǎo)線連接到驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)接線端子上。

LED 驅(qū)動(dòng)器由三路LED 驅(qū)動(dòng)電路組成，采用SN3352 芯片設(shè)計(jì)恒流式LED 驅(qū)動(dòng)電路，電源輸入端、輸出燈具端分別接到8 個(gè)接線端子引腳上；依據(jù)調(diào)控方法，單片機(jī)輸出可調(diào)制的PWM 信號(hào)作用在SN3352芯片的ADJI 引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 光照參數(shù)（光質(zhì)、光強(qiáng)、工作頻率、工作時(shí)間等）的調(diào)控。顯示屏為帶字庫的12864 LCD 屏，鍵盤為5 位按鍵，USB 接口座和復(fù)位開關(guān)用于燒錄實(shí)驗(yàn)程序。

2.6 LED 曲面/立體顯示屏單元

該單元包括單片機(jī)主控模塊3、T 形LED 線陣燈排、LED 驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)模塊、USB 轉(zhuǎn)TTL 串口下載器、復(fù)位開關(guān)和USB 插座。其中，USB 轉(zhuǎn)TTL 串口下載器、復(fù)位開關(guān)和USB 插座用于燒錄實(shí)驗(yàn)程序。

單片機(jī)主控模塊3 是一個(gè)STC12c5A32S2 單片機(jī)最小系統(tǒng)。T 形LED 線陣燈排由一塊水平條狀主PCB和一塊垂直條狀轉(zhuǎn)接PCB 組成；水平條狀主PCB 長14 cm、寬3 cm、旋轉(zhuǎn)半徑8 cm，一邊是單片機(jī)最小系統(tǒng)，另一邊是焊接20 顆貼片式LED 燈珠的主燈條；垂直條狀轉(zhuǎn)接PCB 高5 cm、寬3 cm，焊接16 顆貼片式LED 燈珠構(gòu)成副燈條。36 顆燈珠均采用0805 封裝。利用74HC595 串轉(zhuǎn)并芯片組成LED 驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)調(diào)控參數(shù)驅(qū)動(dòng)LED 工作。旋轉(zhuǎn)模塊由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、導(dǎo)電環(huán)等組成，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)屏旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過導(dǎo)電環(huán)提供實(shí)現(xiàn)LED 組合燈具旋轉(zhuǎn)和單片機(jī)工作所需的+5 V 直流電壓,結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 LED 曲面/立體顯示屏原理結(jié)構(gòu)示意圖

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

按照可視區(qū)最大化、凸顯交互性、沉浸式思考等頂層設(shè)計(jì)理念，用Flash 工具開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[11-12]，結(jié)合3-D 建模、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)畫模擬、人機(jī)交互等手段，以二維和三維結(jié)合方式，逼真展示了LED 顯示應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)鏈“預(yù)習(xí)—實(shí)操—復(fù)習(xí)”環(huán)節(jié)自主學(xué)習(xí)。

3.1 軟件主界面

主界面（圖8）中間是實(shí)驗(yàn)儀器，鼠標(biāo)點(diǎn)擊“圖片”或“視頻”可瀏覽軟件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容概要；左下角是一個(gè)“Home”智靈按鈕，鼠標(biāo)單擊可顯示或隱藏“背景音樂”“語音導(dǎo)示”“主菜單控制”三個(gè)智靈按鈕；主菜單由“幫助”“背景”“原理”“儀器”“操作”“討論”六項(xiàng)組成，單擊可進(jìn)入對(duì)應(yīng)的內(nèi)容界面。

圖8 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

點(diǎn)擊“原理”按鈕，進(jìn)入原理部分（圖9）。右側(cè)為原理一級(jí)菜單欄，包括“相關(guān)知識(shí)點(diǎn)”“LED 發(fā)光原理”等七個(gè)按鈕選項(xiàng)，鼠標(biāo)單擊按鈕進(jìn)入相應(yīng)部分，單擊“齒輪”智靈按鈕，可隱藏或顯示原理一級(jí)菜單。

圖9 實(shí)驗(yàn)原理界面

3.3 實(shí)驗(yàn)儀器

點(diǎn)擊“儀器”按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)儀器展示部分（圖10），包括七個(gè)視頻按鈕，鼠標(biāo)移到按鈕上可查看展示內(nèi)容，單擊視頻按鈕即可播放相關(guān)視頻，進(jìn)行有關(guān)儀器的學(xué)習(xí)，用爆炸圖和動(dòng)畫呈現(xiàn)了儀器的內(nèi)部構(gòu)造。

3.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

點(diǎn)擊“操作”按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的主頁面（圖11），右側(cè)的“智靈按鈕”呈現(xiàn)了本實(shí)驗(yàn)的七項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自上而下依次為“8×8 LED 點(diǎn)陣屏顯示數(shù)字”“16×16 LED 點(diǎn)陣屏顯示漢字、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖片”，“16×64 LED點(diǎn)陣屏顯示滾動(dòng)漢字”“LED 非機(jī)動(dòng)交通信號(hào)燈”“LED燈具調(diào)光”“LED 燈具補(bǔ)光”和“LED 旋轉(zhuǎn)顯示屏”；鼠標(biāo)移到按鈕上，用黑框呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所用模塊，底部顯示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容名稱。

圖10 實(shí)驗(yàn)儀器界面

圖11 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容界面

圖12 LED 燈具調(diào)光界面

以“LED 燈具調(diào)光”仿真操作為例，用鼠標(biāo)單擊實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主頁面的第五個(gè)“智靈按鈕”，進(jìn)入“LED燈具手動(dòng)/觸摸調(diào)光實(shí)驗(yàn)”頁面（圖12），右側(cè)是實(shí)驗(yàn)步驟欄目。按“箭頭鼠標(biāo)+文字提示”導(dǎo)示，依次進(jìn)行“熟悉儀器”“看框圖識(shí)程序”“識(shí)讀SCH 圖”“重建程序”“燒錄程序”操作。

實(shí)驗(yàn)效果交互式呈現(xiàn)：不按下K1 時(shí)，點(diǎn)擊按鈕改變模式，用鼠標(biāo)滑輪模擬旋鈕，改變燈光亮暗，操作界面見圖13；按下K1 時(shí)，根據(jù)提示進(jìn)行觸摸屏實(shí)際體驗(yàn)操作，操作界面見圖14。

圖13 手動(dòng)調(diào)光操作界面

圖14 觸摸調(diào)光操作界面

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)秉承了“積木式、實(shí)驗(yàn)?zāi)K化、內(nèi)容一體化”設(shè)計(jì)思想，各模塊單元既可以獨(dú)立使用，也可以選擇性組合，便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開放式拓展，強(qiáng)化了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的自主參與和動(dòng)手能力的訓(xùn)練。

本平臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：8×8 LED 點(diǎn)陣顯示數(shù)字實(shí)驗(yàn)、LED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)、16×16 LED點(diǎn)陣顯示漢字及靜態(tài)/動(dòng)態(tài)圖形實(shí)驗(yàn)、LED 電壓驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、16×64 LED 點(diǎn)陣顯示動(dòng)態(tài)文字實(shí)驗(yàn)、LED 恒流源+PWM 驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、LED 光源無極調(diào)光實(shí)驗(yàn)、人行橫道LED 交通指示燈實(shí)驗(yàn)、流水燈LED 掃描驅(qū)動(dòng)（動(dòng)態(tài)）實(shí)驗(yàn)、三基色LED 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、LCD 屏——設(shè)施園藝LED 組合燈具調(diào)控實(shí)驗(yàn)、電容觸摸屏實(shí)驗(yàn)、LED曲面/立體顯示屏（旋轉(zhuǎn)顯示屏）實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)硬件獲國家實(shí)用新型專利證書（ZL201721319096.3），軟件獲計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)證書（2018SR620885），并榮獲第11 屆中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)大賽國家二等獎(jiǎng)。平臺(tái)具有可開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多，內(nèi)容關(guān)聯(lián)度高，針對(duì)不同專業(yè)、不同實(shí)踐課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、內(nèi)容可選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)。學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、仿真實(shí)操、重點(diǎn)重復(fù)演練、實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)，虛實(shí)結(jié)合，提高了實(shí)驗(yàn)綜合效率，已成功用于為2015 級(jí)應(yīng)用物理專業(yè)和新能源材料與器件專業(yè)的學(xué)生開設(shè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果良好。