基于單片機(jī)的LED輪廓顯示控制器設(shè)計(jì)方案

摘要：根據(jù)LED輪廓顯示控制的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于STC單片機(jī)的顯示控制器。該系統(tǒng)控制采用STC11/12系列單片機(jī)為控制處理器，加以外圍電路，利用485接口實(shí)現(xiàn)主從遠(yuǎn)距離控制。設(shè)計(jì)了色帶數(shù)據(jù)與效果數(shù)據(jù)格式，充分利用單片有限的存儲(chǔ)空間完成更多顯示效果。利用分控制器完成對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)上的6803、2803和1809系列LED專用驅(qū)動(dòng)芯片的兼容。本案開發(fā)的LED護(hù)欄管顯示屏控制器已產(chǎn)品化，控制效果良好。

LED護(hù)欄管又名麗得管，是一種先進(jìn)的LED裝飾照明燈飾產(chǎn)品。以紅、綠、藍(lán)3種顏色的LED作為光源，使用了微電子和數(shù)碼技術(shù)，能進(jìn)行色彩追逐，色彩過渡漸變，灰度變化和七色變化，能產(chǎn)生十分豐富的色彩變幻效果。該產(chǎn)品外形采用一次成型，燈管和底座渾為一體，防水性更好，重量更輕。廣泛適用于酒吧、舞廳、大廈、廣場(chǎng)、橋梁、欄桿等各種大型建筑裝飾，全彩管更可以在一個(gè)大范圍的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燈光群控和顯示動(dòng)態(tài)節(jié)目，適合大型主題夜景。

文中提出了一種主從式單片機(jī)的LED輪廓顯示屏解決方案，該設(shè)計(jì)方案利用STC單片機(jī)自身的FLASH ROM和RAM,外部無需任何存儲(chǔ)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?？蓪?shí)現(xiàn)交流同步顯示，驅(qū)動(dòng)當(dāng)前LED亮化市場(chǎng)中的多款LED護(hù)欄管與點(diǎn)光源器件。

1 系統(tǒng)的工作原理及總體方案設(shè)計(jì)

1.1 STC單片機(jī)

STC系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單機(jī)器周期時(shí)鐘的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8~12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。其中STC11FXX、STC12CXX系列工作電壓4.1~5.5 V,工作頻率可達(dá)35 MHz,有內(nèi)部512字節(jié)RAM,性價(jià)比高。并可通過串口進(jìn)行ISP操作，無需專用仿真器與編程器，直接下載用戶程序，給用戶的開發(fā)生產(chǎn)和維護(hù)帶來方便。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

LED輪廓顯示是用首尾相連的LED護(hù)欄管或串聯(lián)的點(diǎn)光源連接的LED顯示特效，多用于樓宇輪廓的亮化工程。顯示屏驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是接收來自控制系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)，將發(fā)光二極管點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)在LED顯示屏上的信息的顯示。LED輪廓顯示廣泛使用的驅(qū)動(dòng)電路是基于通用型集成電路來設(shè)計(jì)的，如：74HC164、CD4015、74HC595、68595、ULN2803等，大多為移位寄存器和達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器。采用常規(guī)型驅(qū)動(dòng)IC進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，原理比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，產(chǎn)品的技術(shù)開放性比較強(qiáng)。LED顯示屏上數(shù)據(jù)的傳輸方式主要有串行和并行兩種，目前廣為采用的主要為串行控制技術(shù)。這種控制方式的顯示屏的每一個(gè)單元內(nèi)部的不同驅(qū)動(dòng)電路、各級(jí)聯(lián)單元之間每個(gè)時(shí)鐘僅傳送一個(gè)位(具體實(shí)現(xiàn)時(shí)每種顏色各一位)的數(shù)據(jù)。采用這種方式，可采用的驅(qū)動(dòng)IC種類較多，不同顯示單元之間的連線較少，可減少顯示單元上的數(shù)據(jù)傳輸驅(qū)動(dòng)元件，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和具體工程實(shí)現(xiàn)的容易程度。

1.3 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由主控制器與從控制器兩部分組成。主控制器帶LED顯示與功能按鍵，用戶根據(jù)實(shí)際情況選擇顯示效果與顯示速度。根據(jù)控制需要可組成如圖1的3種結(jié)構(gòu)。

圖1 LED輪廓顯示控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1(a)結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)主從結(jié)構(gòu)。其中主控制器通過485總線將控制數(shù)據(jù)傳送給各從控制器。從控制器接收主控制器數(shù)據(jù)，按要求驅(qū)動(dòng)LED燈板。圖1(b)結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)易主從結(jié)構(gòu)。即當(dāng)無主控制器或無需用戶交互時(shí)，用一臺(tái)從控制器充當(dāng)主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)給各從控制器。圖1(c)結(jié)構(gòu)為并行同步結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中無主控制器，各從控制器根據(jù)交流電信號(hào)50 Hz頻率自動(dòng)執(zhí)行，多臺(tái)從控制器可以同步顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器硬件設(shè)計(jì)

主控制器包括STC單片機(jī)最小系統(tǒng)，電源部分，LED動(dòng)態(tài)顯示電路，按鍵輸出部分，輸出電路等幾部分組成。主控制器電氣原理圖如圖2所示。

圖2 主控制器電氣原理圖

其中最小系統(tǒng)采用STC12C5608單片機(jī)。電源輸入部分允許交流或直流9~36 V輸入，通過DB107交流橋與LM2575高性能穩(wěn)壓芯片保證系統(tǒng)5 V供電。LED動(dòng)態(tài)顯示部分采用4個(gè)8位LED數(shù)碼管，顯示控制速度00-15,顯示輸出模式00-99.485輸出部分采用3個(gè)瞬態(tài)抑制二級(jí)提高485芯片實(shí)際使用壽命。

2.2 從控制器硬件設(shè)計(jì)

主控制器包括STC單片機(jī)最小系統(tǒng)，交流信號(hào)輸入部分，485收發(fā)模塊部分，輸出電路4部分集成。主控制器電器原理圖如圖3所示。

圖3 從控制器電氣原理圖

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1中可知，485總線網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)，一個(gè)主機(jī)和若干臺(tái)從機(jī)，主機(jī)只發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)只接收數(shù)據(jù)，屬于單功方式。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)主控制器距現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)時(shí)，為了省通信接線，并簡(jiǎn)化連接結(jié)構(gòu)。將星形連接結(jié)構(gòu)變成如圖4所示連接方式。

圖4 主從式實(shí)際通信連接方案示意圖

因此從控制器的485收發(fā)模塊包括一個(gè)接收模塊和一個(gè)發(fā)送模塊。從圖3中可以看出接收部分得到信號(hào)未進(jìn)入單片機(jī)就直接通過發(fā)送模塊送出。既完成了控制要求，又簡(jiǎn)化了連接方式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)、下位機(jī)程序設(shè)計(jì)兩部分。上位機(jī)軟件完成LED輪廓控制效果編輯與轉(zhuǎn)換，然后直接修改下位機(jī)程序的BIN文件。下位機(jī)程序程序效果數(shù)據(jù)解釋并執(zhí)行。

3.1 輪廓色帶數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)內(nèi)部程序空間有限，數(shù)據(jù)處理能力有限，所以需要用簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)模型表示LED變換效果。因此本文設(shè)計(jì)了一種色帶數(shù)據(jù)格式和特效數(shù)據(jù)格式。具體內(nèi)容如表1所示。