基于AVR的LED旋轉(zhuǎn)屏設(shè)計(jì)

摘要：為了使顯示屏的體積更小，成本更低，同時(shí)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(jī)帶動(dòng)一列貼片LED旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)了圓柱形LED顯示屏，可以由無(wú)線(xiàn)紅外遙控裝置隨時(shí)切換顯示的內(nèi)容，可顯示不同的文字、圖案、系統(tǒng)時(shí)間等。利用少量發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)海量發(fā)光二極管才能實(shí)現(xiàn)的顯示屏，同時(shí)該屏在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中顯示，使得可視角更廣，可以達(dá)到360°全方位。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)屏；貼片LED；AVR；紅外遙控；霍爾傳感器

0 引言
    隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)微電子、光電子技術(shù)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(xiě)真的廣告畫(huà)面死板、不活潑的廣告牌、廣告燈箱等，LED顯示屏給人們帶來(lái)了清晰明了、新鮮活潑的廣告宣傳效果，同時(shí)LED顯示屏可以全程由電腦操控，屏幕資源也可以重復(fù)利用，提高了諸多企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
    目前市場(chǎng)上LED顯示屏較多的利用發(fā)光二極管所構(gòu)成的點(diǎn)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(shí)有一個(gè)突出特點(diǎn)就是任何時(shí)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(diǎn)，可以只采用一列LED，通過(guò)旋轉(zhuǎn)形成一個(gè)等效點(diǎn)陣，并借軟件程序改變LED的位置來(lái)模擬點(diǎn)陣的列掃描，即所說(shuō)的LED旋轉(zhuǎn)屏。尤其在當(dāng)前低碳節(jié)能環(huán)保的背景下，如何用較少的材料設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(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(shù)和貼片技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款圓柱形LED旋轉(zhuǎn)屏。從體積上來(lái)說(shuō)該顯示屏更加小巧玲瓏，尤其加入了無(wú)線(xiàn)紅外遙控裝置，使得顯示內(nèi)容可以實(shí)時(shí)更新。同時(shí)該顯示屏由一列16個(gè)貼片LED旋轉(zhuǎn)顯示，因此可以從360°全方位的范圍內(nèi)觀看顯示文字或圖片內(nèi)容，這也是傳統(tǒng)的平板顯示屏系統(tǒng)無(wú)法做到的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
     LED旋轉(zhuǎn)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(gè)顯示系統(tǒng)的核心，由于系統(tǒng)要借助紅外控制單元實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容的更新，加之系統(tǒng)后期的可擴(kuò)展性，在綜合考慮應(yīng)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(duì)AVR芯片和列LED顯示單元獨(dú)立地供電，這樣就解決了該旋轉(zhuǎn)屏設(shè)計(jì)過(guò)程中的電源供電問(wèn)題。

[!--empirenews.page--]
1．1 AVR基本外圍電路設(shè)計(jì)
    AVR單片機(jī)的基本硬件電路包括復(fù)位電路、晶振電路、A／D轉(zhuǎn)換濾波電路、ISP下載接口等幾部分。
1．1．1 復(fù)位電路
    復(fù)位電路的設(shè)計(jì)如圖2中區(qū)域①所示。ATmega16L已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)，并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故AVR外部的上電復(fù)位電路可以設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)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(gè)：一是將復(fù)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(shí)，將R17(10 kΩ)電阻短路，使C1快速放電，讓下一次來(lái)電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng)AVR處于工作狀態(tài)時(shí)，按下開(kāi)關(guān)S1，復(fù)位腳RESET變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位。
1．1．2 時(shí)鐘電路
    時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)如圖2中區(qū)域②所示。內(nèi)置了RC振蕩電路，并可產(chǎn)生1 MHz，2 MHz，4 MHz，8 MHz的振蕩頻率。但是當(dāng)要求比較精確的波特率時(shí)，建議通過(guò)外部的電路實(shí)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(shí)際使用時(shí)，這兩只小電容不接也能正常工作。不過(guò)為了線(xiàn)路的規(guī)范化仍然建議接上。
    圖1中的時(shí)鐘單元不但包括ATmega16L的時(shí)鐘電路，還涉及實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)屏實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的電路，即在ATmega16L主控芯片的D接口接入諸如DS1302時(shí)鐘芯片，使旋轉(zhuǎn)屏實(shí)時(shí)顯示2100年以前的年月日等時(shí)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(jí)AVR內(nèi)的軟件提供方便。由于沒(méi)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(zhuǎn)換濾波電路
    A／D轉(zhuǎn)換濾波電路如圖3所示。為減小A／D轉(zhuǎn)換的電源干擾，ATmega16L芯片有獨(dú)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(nèi)部自帶的2．56 V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓，也可以從外部電路輸入?yún)⒖茧妷?，比如可以在外部接入TL431基準(zhǔn)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(zhuǎn)屏旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)中，可以借助紅外感應(yīng)技術(shù)將顯示內(nèi)容、畫(huà)面進(jìn)行隨時(shí)更新。紅外發(fā)射模塊是一種類(lèi)似遙控器，獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)屏的電路器件，將紅外接收模塊(irDA)固定在柱形旋轉(zhuǎn)屏的頂部。
1．3 霍爾傳感器單元
    在LED旋轉(zhuǎn)屏旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，要使顯示的內(nèi)容流暢、不閃爍，所處理的關(guān)鍵問(wèn)題就是讓旋轉(zhuǎn)屏每轉(zhuǎn)一周所顯示內(nèi)容的起點(diǎn)是相同的，即所謂的同步。實(shí)際操作中需要借助感應(yīng)信號(hào)，來(lái)識(shí)別旋轉(zhuǎn)屏已轉(zhuǎn)到一周的起始位置，然后觸發(fā)相應(yīng)程序，使得顯示的內(nèi)容保持穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)借助霍爾傳感器得到感應(yīng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了同步處理。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    LED旋轉(zhuǎn)屏的軟件程序設(shè)計(jì)主要包括由兩個(gè)中斷所實(shí)現(xiàn)的多內(nèi)容、多形式的圖案顯示。系統(tǒng)上電后，首先檢測(cè)紅外信號(hào)，如果收到紅外信號(hào)，則首先確定所要顯示的內(nèi)容，然后由安裝在系統(tǒng)底部的霍爾元件檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)判別列LED旋轉(zhuǎn)時(shí)的起點(diǎn)位置，獲得相應(yīng)信號(hào)后，AVR芯片通過(guò)數(shù)據(jù)處理，將各列數(shù)據(jù)依次送給旋轉(zhuǎn)中的列LED，進(jìn)而以點(diǎn)陣屏的形式顯示相應(yīng)內(nèi)容。系統(tǒng)主體流程圖如圖4所示。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程中解決的關(guān)鍵問(wèn)題
    (1)電源問(wèn)題
    基于ATmega16L的工作電壓，采用了3．7 V鋰電池對(duì)主控系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立供電。將鋰電池固定在旋轉(zhuǎn)底座上，協(xié)同整個(gè)控制系統(tǒng)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并且預(yù)留接口可隨時(shí)對(duì)電池充電。
    (2)平衡問(wèn)題
    基于貼片器件的顯示系統(tǒng)相比直插器件構(gòu)成的系統(tǒng)在體積上更小了，但是整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)仍是不可小覷的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中利用對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)，將底座設(shè)計(jì)、器件放置力求平衡，盡量減少由機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的負(fù)面影響。圖5(a)為L(zhǎng)ED旋轉(zhuǎn)屏靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)圖；圖5(b)為旋轉(zhuǎn)屏工作狀態(tài)截圖。

    (3)同步問(wèn)題
    要使得旋轉(zhuǎn)屏能顯示穩(wěn)定、清晰的畫(huà)面，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是最大關(guān)鍵。當(dāng)采用固定電壓源給電機(jī)供電時(shí)，可通過(guò)分壓電阻控制電機(jī)達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)在調(diào)試階段，采用的是可調(diào)穩(wěn)壓電源供電，相對(duì)更易于操作。
    (4)延遲問(wèn)題
    該系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中主要體現(xiàn)出了兩種顯示問(wèn)題，其一在一輪顯示內(nèi)容后有一串亂碼，其二顯示內(nèi)容橫向有拖影，使得文字不清晰。對(duì)前種情況可借助延遲子函數(shù)給予合適的延遲時(shí)間，對(duì)于后種情況，可在列掃描過(guò)程中加入一列或多列反電平，從而加大文字之間的時(shí)隙。

4 結(jié)語(yǔ)
    基于AVR芯片技術(shù)和貼片技術(shù)設(shè)計(jì)的LED旋轉(zhuǎn)屏，是在支架上安裝一列貼片式LED，在直流電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，利用人們的視覺(jué)暫留效應(yīng)，顯示出完整的文字或圖案。該屏由于是旋轉(zhuǎn)顯示，因此可以從360°全方位的范圍內(nèi)觀看顯示內(nèi)容，同時(shí)，該旋轉(zhuǎn)屏實(shí)現(xiàn)了利用少量的發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式下需要海量的發(fā)光二極管才能實(shí)現(xiàn)的顯示屏，并且貼片式器件的設(shè)計(jì)從體積上來(lái)說(shuō)也使系統(tǒng)更加小巧玲瓏。在完成相應(yīng)軟件、硬件調(diào)試后，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)低成本高質(zhì)量的顯示宣傳效果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。