摘要：為了使顯示屏的體積更小，成本更低，同時又能有較豐富的顯示效果，采用AVR微處理器ATmega16L作為核心控制芯片，由直流電機帶動一列貼片LED旋轉設計了圓柱形LED顯示屏，可以由無線紅外遙控裝置隨時切換顯示的內容，可顯示不同的文字、圖案、系統(tǒng)時間等。利用少量發(fā)光二極管實現(xiàn)海量發(fā)光二極管才能實現(xiàn)的顯示屏，同時該屏在旋轉過程中顯示，使得可視角更廣，可以達到360°全方位。
關鍵詞：旋轉屏；貼片LED；AVR；紅外遙控；霍爾傳感器
0 引言
隨著計算機及相關微電子、光電子技術的迅速發(fā)展，LED顯示屏已成為一種新型的電子屏幕廣告媒體，相比傳統(tǒng)的噴繪、寫真的廣告畫面死板、不活潑的廣告牌、廣告燈箱等，LED顯示屏給人們帶來了清晰明了、新鮮活潑的廣告宣傳效果，同時LED顯示屏可以全程由電腦操控，屏幕資源也可以重復利用，提高了諸多企業(yè)的經濟效益。
目前市場上LED顯示屏較多的利用發(fā)光二極管所構成的點陣模塊或像素單元而組成的大面積平板顯示屏幕，該屏幕利用快速行掃描或列掃描而形成文字或圖案，掃描顯示時有一個突出特點就是任何時刻只有一列LED發(fā)光，從左起，控制每一列的位選端，依次從首列逐列顯示到末列基于這一點，可以只采用一列LED，通過旋轉形成一個等效點陣，并借軟件程序改變LED的位置來模擬點陣的列掃描，即所說的LED旋轉屏。尤其在當前低碳節(jié)能環(huán)保的背景下，如何用較少的材料設計出能夠實現(xiàn)同等效果顯示屏具有一定的探索意義。
本文基于AVR芯片技術和貼片技術，設計了一款圓柱形LED旋轉屏。從體積上來說該顯示屏更加小巧玲瓏，尤其加入了無線紅外遙控裝置，使得顯示內容可以實時更新。同時該顯示屏由一列16個貼片LED旋轉顯示，因此可以從360°全方位的范圍內觀看顯示文字或圖片內容，這也是傳統(tǒng)的平板顯示屏系統(tǒng)無法做到的。
1 系統(tǒng)硬件設計
LED旋轉屏顯示系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。AVR主控芯片是整個顯示系統(tǒng)的核心，由于系統(tǒng)要借助紅外控制單元實現(xiàn)顯示內容的更新，加之系統(tǒng)后期的可擴展性，在綜合考慮應用需求和成本后，選用了高性能、低功耗的AVR微處理器ATmega16L作為主控單元的核心芯片。ATme-gal6L工作電壓為2．7～5．5 V，所以采用3．7 V鋰電池對AVR芯片和列LED顯示單元獨立地供電，這樣就解決了該旋轉屏設計過程中的電源供電問題。
1．1 AVR基本外圍電路設計
AVR單片機的基本硬件電路包括復位電路、晶振電路、A／D轉換濾波電路、ISP下載接口等幾部分。
1．1．1 復位電路
復位電路的設計如圖2中區(qū)域①所示。ATmega16L已經內置了上電復位設計，并且在熔絲位里，可以控制復位時的額外時間，故AVR外部的上電復位電路可以設計得很簡單：直接接一只10 kΩ電阻(R17)到Vcc即可。為了可靠，再加上一只0．1μF的電容(C1)以消除干擾和雜波。圖中D17(IN4148)的作用有兩個：一是將復位輸入的最高電壓鉗在Vcc+0．5 V左右；二是在系統(tǒng)斷電時，將R17(10 kΩ)電阻短路，使C1快速放電，讓下一次來電時，能產生有效的復位。當AVR處于工作狀態(tài)時，按下開關S1，復位腳RESET變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復位。
1．1．2 時鐘電路
時鐘電路的設計如圖2中區(qū)域②所示。內置了RC振蕩電路，并可產生1 MHz，2 MHz，4 MHz，8 MHz的振蕩頻率。但是當要求比較精確的波特率時，建議通過外部的電路實現(xiàn)，如圖2中區(qū)域②所示的電路。圖中晶振兩端均接入了22 pF的電容。ATmega16L實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)范化仍然建議接上。
圖1中的時鐘單元不但包括ATmega16L的時鐘電路，還涉及實現(xiàn)旋轉屏實時時間顯示的電路，即在ATmega16L主控芯片的D接口接入諸如DS1302時鐘芯片，使旋轉屏實時顯示2100年以前的年月日等時間值。
1．1．3 ISP下載接口
ISP下載接口如圖2中區(qū)域③所示。該接口不需要其他器件，這里使用雙排2×5插座接入接口，使用插座形式也為日后升級AVR內的軟件提供方便。由于沒有外圍器件，故PB5(MOSI)，PB6(MISO)，PB7(SCK)，RESET腳仍可以正常使用，不受ISP的干擾。
1．1．4 A／D轉換濾波電路
A／D轉換濾波電路如圖3所示。為減小A／D轉換的電源干擾，ATmega16L芯片有獨立的A／D電源供電。在Vcc串上一只10μH的電感L1，然后接一只0．1μF的電容C5到GND。使用了ATmega16L內部自帶的2．56 V標準參考電壓，也可以從外部電路輸入參考電壓，比如可以在外部接入TL431基準電壓源，并且在AREF引腳接一只0．1μF的電容C3到GND。
1．2 紅外接收／發(fā)射控制單元
在LED旋轉屏旋轉工作狀態(tài)中，可以借助紅外感應技術將顯示內容、畫面進行隨時更新。紅外發(fā)射模塊是一種類似遙控器，獨立于旋轉屏的電路器件，將紅外接收模塊(irDA)固定在柱形旋轉屏的頂部。
1．3 霍爾傳感器單元
在LED旋轉屏旋轉過程中，要使顯示的內容流暢、不閃爍，所處理的關鍵問題就是讓旋轉屏每轉一周所顯示內容的起點是相同的，即所謂的同步。實際操作中需要借助感應信號，來識別旋轉屏已轉到一周的起始位置，然后觸發(fā)相應程序，使得顯示的內容保持穩(wěn)定。該設計借助霍爾傳感器得到感應信號，從而實現(xiàn)了同步處理。
2 系統(tǒng)軟件設計
LED旋轉屏的軟件程序設計主要包括由兩個中斷所實現(xiàn)的多內容、多形式的圖案顯示。系統(tǒng)上電后，首先檢測紅外信號，如果收到紅外信號，則首先確定所要顯示的內容，然后由安裝在系統(tǒng)底部的霍爾元件檢測開關信號來判別列LED旋轉時的起點位置，獲得相應信號后，AVR芯片通過數據處理，將各列數據依次送給旋轉中的列LED，進而以點陣屏的形式顯示相應內容。系統(tǒng)主體流程圖如圖4所示。
3 設計過程中解決的關鍵問題
(1)電源問題
基于ATmega16L的工作電壓，采用了3．7 V鋰電池對主控系統(tǒng)進行獨立供電。將鋰電池固定在旋轉底座上，協(xié)同整個控制系統(tǒng)，隨著電機轉子一起轉動，并且預留接口可隨時對電池充電。
(2)平衡問題
基于貼片器件的顯示系統(tǒng)相比直插器件構成的系統(tǒng)在體積上更小了，但是整機機械結構仍是不可小覷的問題，在設計中利用對稱性結構，將底座設計、器件放置力求平衡，盡量減少由機械振動帶來的負面影響。圖5(a)為LED旋轉屏靜止狀態(tài)的結構圖；圖5(b)為旋轉屏工作狀態(tài)截圖。
(3)同步問題
要使得旋轉屏能顯示穩(wěn)定、清晰的畫面，直流電機的轉速是最大關鍵。當采用固定電壓源給電機供電時，可通過分壓電阻控制電機達到最優(yōu)轉速。本設計在調試階段，采用的是可調穩(wěn)壓電源供電，相對更易于操作。
(4)延遲問題
該系統(tǒng)在調試過程中主要體現(xiàn)出了兩種顯示問題，其一在一輪顯示內容后有一串亂碼，其二顯示內容橫向有拖影，使得文字不清晰。對前種情況可借助延遲子函數給予合適的延遲時間，對于后種情況，可在列掃描過程中加入一列或多列反電平，從而加大文字之間的時隙。
4 結語
基于AVR芯片技術和貼片技術設計的LED旋轉屏，是在支架上安裝一列貼片式LED，在直流電機的帶動下旋轉，利用人們的視覺暫留效應，顯示出完整的文字或圖案。該屏由于是旋轉顯示，因此可以從360°全方位的范圍內觀看顯示內容，同時，該旋轉屏實現(xiàn)了利用少量的發(fā)光二極管實現(xiàn)傳統(tǒng)方式下需要海量的發(fā)光二極管才能實現(xiàn)的顯示屏，并且貼片式器件的設計從體積上來說也使系統(tǒng)更加小巧玲瓏。在完成相應軟件、硬件調試后，結果表明該設計能夠實現(xiàn)低成本高質量的顯示宣傳效果，具有一定的實用價值。
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