張靜

摘要：基于STC公司的STC8A8K64S4A12型芯片，該裝置硬件模塊主要包括控制模塊、通信模塊、顯示模塊、光電傳感器模塊、電源模塊等，利用視覺(jué)暫留現(xiàn)象，采用獨(dú)立的 LED，通過(guò)直流電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)以STC8A8K64S4A12單片機(jī)作為核心 CPU，通過(guò)控制電路使其保持在一個(gè)適合并穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，由此來(lái)帶動(dòng)一排發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)，形成顯示屏，單片機(jī)利用通信模塊下載程序代碼指令以及將要顯示的內(nèi)容，然后通過(guò)顯示指令對(duì)代碼進(jìn)行處理，處理后的代碼將通過(guò)顯示模塊進(jìn)行顯示。該裝置穩(wěn)定性好、功耗低，具有較高的性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞： LED 顯示屏 ? 旋轉(zhuǎn)顯示 ? STC8A8K64S4A12單片機(jī) ?視覺(jué)暫留

1. 總體方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為：控制模塊、通信模塊、顯示模塊、光電傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)控制模塊等。

1.2方案選擇

1.2.1控制單元選擇

采用STC8A8K64S4A12作為系統(tǒng)控制器。運(yùn)算速度快，抗干擾能力較強(qiáng)，功能齊全，內(nèi)部集成了增強(qiáng)型的雙數(shù)據(jù)指針，通過(guò)程序控制，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)指針自動(dòng)遞增或遞減功能以及兩組數(shù)據(jù)指針的自動(dòng)切換功能，可對(duì)外輸出時(shí)鐘及復(fù)位，可靠性高，低功耗、高性能。

1.2.2電機(jī)選擇

采用普通的電機(jī)。此方案不占用單片機(jī) I/O 口，節(jié)省單片機(jī)資源使用方便成本較低通過(guò)簡(jiǎn)單的改裝可以給系統(tǒng)供電。

1.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇

采用三極管驅(qū)動(dòng)，通過(guò)兩對(duì)小功率PNP、NPN三極管的導(dǎo)通，控制流入直流電動(dòng)機(jī)里的電流方向，以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，該驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單方便，成本低，易于控制。

1.2.4系統(tǒng)供電方案

從電機(jī)轉(zhuǎn)子中引出電源線(xiàn)為系統(tǒng)供電。此方法直接在電機(jī)的轉(zhuǎn)子中引出電源線(xiàn)，通過(guò)整流濾波后，可以作為系統(tǒng)供電，同時(shí)也可以作為系統(tǒng)控制時(shí)序的中斷源。

1.2.5通訊模塊選擇

使用數(shù)字載波無(wú)線(xiàn)通訊。此通訊方式具有半雙工的通訊功能，并且有兩個(gè)通訊頻道，受外界影響較小。

1.2.6 LED顯示屏的選擇

LED燈方案，色彩一致性比點(diǎn)陣模塊方式的好，更加方便快捷，價(jià)格相對(duì)便宜，可滿(mǎn)足需求。

2.理論分析與計(jì)算

2.1 LED線(xiàn)陣顯示裝置原理

旋轉(zhuǎn)led是由直流電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)若干個(gè)LED，由STC8A8K64S4A12單片機(jī)芯片以納秒級(jí)的速度控制LED的高速亮滅，利用人眼的視覺(jué)暫留原理，從此就可以在空中形成各種圖案，內(nèi)部裝有1個(gè)旋轉(zhuǎn)觸發(fā)器，用于檢測(cè)并且計(jì)算旋轉(zhuǎn)一圈需要的時(shí)間，外部包含塑料或玻璃制成的透明保護(hù)罩，防止內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的LED接觸異物造成傷害，內(nèi)部包含無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)，無(wú)線(xiàn)供電用于給旋轉(zhuǎn)部分的供電。

2.2漢字顯示原理

以 UCDOS 中文宋體字庫(kù)為例，每一個(gè)字由 16 行 16 列的點(diǎn)陣組成顯示。我們可以把每一個(gè)點(diǎn)理為一個(gè)像素，而把每一個(gè)字的字形理解為一幅圖像。事實(shí)上這個(gè)漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素范圍內(nèi)的任何圖形。

2.3計(jì)算及說(shuō)明

假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n（rad/s），單字大小如圖所示，所占角度為α（單位/度）;單字所占用的面積為 S（單位/㎡）;16個(gè)LED 所占高度為 h（單位/m） ，旋轉(zhuǎn)半徑為 R（單位/m）;y， t 為未知參數(shù)（單位為 ms） 。

故經(jīng)整理為：

① T1= delay （t）=α/ （n×15×360）=α/ （ n×5400） （s）;（α大小決定字體顯示大小， 可調(diào)）。

t=T1×1000=（α×5）/（n×27）（s） 。

② T2=delay（y）=1/n-15×T1 （s） 。

y= T2×1000

③ S=（π×R×h）/180 （㎡）。

在公式①中，結(jié)合以上程，在程序中delay（t）為第n列顯示到第 n+1 列顯示時(shí)的時(shí)間間隔;t值與電機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，取值非常重要;與圖像的成型及清晰度，穩(wěn)定度密切相關(guān)。在公式②中delay（y）為對(duì)一字模掃描完成后，P1，P2 端口全置高電平（LED 熄滅）所需時(shí)間。在公式③中，S 為單字顯示時(shí)所占用的面積，由于h為一定值，此面積則可根據(jù) α的大小調(diào)整，為一可調(diào)值，其值的改變直接影響到字體大小的顯示，根據(jù)實(shí)際情況及美觀程度來(lái)調(diào)整。以上所述則為電機(jī)運(yùn)行一周時(shí)所需執(zhí)行的程序，由于電機(jī)運(yùn)行速度非常快，電機(jī)在每運(yùn)行一周均執(zhí)行以上程序，又由于人的眼睛存在視覺(jué)暫留現(xiàn)象，故一個(gè)完整的“大” 字將出現(xiàn)在綠色的屏幕上。

3電路設(shè)計(jì)

3.1 顯示模塊

顯示部分主要由一排 16 個(gè)等間距排列的發(fā)光二極管組成，顯示的過(guò)程就是每一個(gè)二極管通過(guò)內(nèi)部控制系統(tǒng)的控制表現(xiàn)為亮或滅，由于視覺(jué)暫留效應(yīng)，快速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中就會(huì)形成一個(gè)立體的顯示屏。當(dāng)在LED 上顯示漢字時(shí)，應(yīng)先取得漢字的點(diǎn)陣構(gòu)成數(shù)據(jù)，然后將其寫(xiě)入顯示存儲(chǔ)器中進(jìn)行顯示。

3.2 LED驅(qū)動(dòng)電路

控制電路設(shè)計(jì)中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，由于旋轉(zhuǎn)會(huì)降低 LED 顯示的亮度，為此我們選擇高亮度的發(fā)光二極管，并通過(guò)與單片機(jī) I/O 口相連，對(duì)程序設(shè)定以達(dá)到控制 LED 閃爍的效果。

4.系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果分析

4.1使用的儀器儀表

1. CA17303D直流穩(wěn)壓電源：功能 為電路板提供電源以進(jìn)行電路板的調(diào)試

2. MS8050數(shù)字萬(wàn)用表：功能 測(cè)量電壓電流

3. 電烙鐵：功能 焊接電路板

4.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

項(xiàng) 目 題目要求 實(shí)際實(shí)現(xiàn)情況

基本

要求 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，在 LED 任意指定行上穩(wěn)定顯示兩條水平線(xiàn)。 實(shí)現(xiàn)

從 LED 最上和最下端一行開(kāi)始，控制兩條水平亮線(xiàn)向中間做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 實(shí)現(xiàn)

固定顯示 2 個(gè)獨(dú)立全亮的 16×16 點(diǎn)陣圖形，圖形間隔為 4 個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)距離。 實(shí)現(xiàn)

對(duì)（3）要求的顯示圖形在水平方向上進(jìn)行寬窄變換循環(huán)顯示，寬窄變化不小于兩個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)的距離，變化不少于 5 次。 實(shí)現(xiàn)

發(fā)揮

部分 設(shè)計(jì)制作具有顯示與回放功能的圖文錄入器，5 分鐘內(nèi)錄入 3 張如圖 2 所示格式的圖文卡信息，錄入方式不限制，按錄入順序回放顯示。 實(shí)現(xiàn)

將錄入的圖文信息傳輸?shù)?LED 線(xiàn)陣顯示裝置上，按輸入順序在 120 度弧面區(qū)域內(nèi)同時(shí)顯示（每幅圖形之間應(yīng)留 3 個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)的間隔），傳輸形式不限。 實(shí)現(xiàn)

按發(fā)揮部分（2）要求顯示內(nèi)容，使圖文在顯示的同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅色、綠 色、橙黃色交替變色顯示，變色顯示樣式不少于 5 種。 實(shí)現(xiàn)

5.總結(jié)

本次設(shè)計(jì)使用了STC8A8K64S4A12單片機(jī)，同時(shí)加入了串口通信功能，可以直接通過(guò)串口輸入要顯示的內(nèi)容完成顯示信息的更改，增加了裝置的實(shí)用性。

6.參考文獻(xiàn)

[1]《電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作》，陳強(qiáng)主編，電子工業(yè)出版社，2010.8

[2]《電子產(chǎn)品制作工藝與實(shí)訓(xùn)》，廖芳主編，電子工業(yè)出版社，2010.6

[3]《C程序設(shè)計(jì)（第四版）》， 譚浩強(qiáng)著，清華大學(xué)出版社，2010.6。

[4]《模擬電子電路技術(shù)及基礎(chǔ)》，孫肖子著 ，西安電子科技大學(xué)出版社.2008