單片機(jī)控制LED輪廓顯示原理及總體方案設(shè)計(jì)

　　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(guò)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(wú)需任何存儲(chǔ)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。可實(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(zhuān)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?xún)r(jià)比高。并可通過(guò)串口進(jìn)行ISP操作，無(wú)需專(zhuān)用仿真器與編程器，直接下載用戶(hù)程序，給用戶(hù)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和維護(hù)帶來(lái)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(lái)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(lái)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(kāi)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(lèi)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(hù)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(guò)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(wú)主控制器或無(wú)需用戶(hù)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(wú)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(guò)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(guò)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。

　　表1 色帶數(shù)據(jù)格式說(shuō)明

　　從表1可知一個(gè)色帶由7字節(jié)數(shù)據(jù)組成，表示一個(gè)最小漸變過(guò)程，如表1示例數(shù)據(jù)即表示從紅色經(jīng)過(guò)31級(jí)漸變變換成綠色。將所有上位機(jī)設(shè)計(jì)的變換效果需要的漸變過(guò)程按順序生成一個(gè)數(shù)據(jù)。每一個(gè)特效數(shù)據(jù)由N個(gè)最小漸變色帶數(shù)據(jù)組成，因此表示一個(gè)特效時(shí)只需指明包含的色帶數(shù)和各個(gè)色帶數(shù)據(jù)序號(hào)即可。這樣便于基本色帶的重復(fù)使用，節(jié)省了有限的程序存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)了控制要求。

　　3.2 主控制器軟件設(shè)計(jì)

　　主控制器程序按循環(huán)掃描方式工作。在程序初始化后，進(jìn)行按鍵掃描工作。按鍵事件有5個(gè)，分別是速度加、速度減、模式加、模式減和復(fù)位。LED顯示屏的刷新率一般為15幀/秒，根據(jù)不同速度設(shè)置不同的刷新率，輪廓控制中每幀只更新一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸量較小，所以當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間后才發(fā)送相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)。每個(gè)掃描周期最后更新4位LED中的一位，然后修改位地址為下一個(gè)掃描周期做準(zhǔn)備。具體的程序流程圖如圖5所示。

　　圖5 主控制器工作流程圖

　　3.3 從控制器軟件設(shè)計(jì)

　　從控制器可工作于外控方式和內(nèi)控方式。外控方式即按主控制器發(fā)送485數(shù)據(jù)和周期更新顯示數(shù)據(jù)。內(nèi)控方式是根據(jù)交流信號(hào)50 Hz的頻率，根據(jù)固化的效果更新顯示數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)從控制器接收到數(shù)據(jù)后，即工作于外控方式；如果一段時(shí)間沒(méi)有收到外部數(shù)據(jù)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)換成內(nèi)控方式。具體的程序流程圖如圖6所示。

　　圖6 從控制器工作流程圖

　　4 結(jié)論

　　本文給出了一種基于STC單片機(jī)的LED輪廓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)性?xún)r(jià)比高，適應(yīng)性強(qiáng)，可支持256灰度級(jí)的全彩樓宇亮化，也可以播放全彩動(dòng)畫(huà)。通過(guò)485快速傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和方便現(xiàn)場(chǎng)安裝。該系統(tǒng)為顯示區(qū)域較大、安裝條件多變的LED輪廓顯示控制系統(tǒng)提供了良好的解決方案。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(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片的兼容。本案開(kāi)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。