毛小芳，張 弛，方 強

（武漢紡織大學 機械與自動化學院，湖北 武漢 430074）

LED護欄管又名麗得管，是一種先進的LED裝飾照明燈飾產品[1]。以紅、綠、藍3種顏色的LED作為光源，使用了微電子和數(shù)碼技術，能進行色彩追逐，色彩過渡漸變，灰度變化和七色變化，能產生十分豐富的色彩變幻效果[2]。該產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、橋梁、欄桿等各種大型建筑裝飾，全彩管更可以在一個大范圍的區(qū)域實現(xiàn)燈光群控和顯示動態(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的LED輪廓顯示屏解決方案，該設計方案利用STC單片機自身的FLASH ROM和RAM，外部無需任何存儲電路，電路結構簡單?？蓪崿F(xiàn)交流同步顯示，驅動當前LED亮化市場中的多款LED護欄管與點光源器件。

1 系統(tǒng)的工作原理及總體方案設計

1.1 STC單片機

STC系列單片機[3]是宏晶科技生產的單機器周期時鐘的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，針對電機控制，強干擾場合。其中STC11FXX、STC12CXX系列工作電壓4.1～5.5 V，工作頻率可達35 MHz，有內部512字節(jié)RAM，性價比高。并可通過串口進行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)生產和維護帶來方便。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

LED輪廓顯示是用首尾相連的LED護欄管或串聯(lián)的點光源連接的LED顯示特效，多用于樓宇輪廓的亮化工程。顯示屏驅動電路的主要作用是接收來自控制系統(tǒng)的數(shù)字信號，將發(fā)光二極管點亮，實現(xiàn)在LED顯示屏上的信息的顯示[4]。LED輪廓顯示廣泛使用的驅動電路是基于通用型集成電路來設計的，如：74HCl64、CD4015、74HC595、6B595、ULN2803 等，大多為移位寄存器和達林頓驅動器。采用常規(guī)型驅動IC進行電路設計，原理比較簡單，價格便宜，產品的技術開放性比較強。LED顯示屏上數(shù)據(jù)的傳輸方式主要有串行和并行兩種[5]，目前廣為采用的主要為串行控制技術。這種控制方式的顯示屏的每一個單元內部的不同驅動電路、各級聯(lián)單元之間每個時鐘僅傳送一個位（具體實現(xiàn)時每種顏色各一位）的數(shù)據(jù)。采用這種方式，可采用的驅動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)傳輸驅動元件，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性和具體工程實現(xiàn)的容易程度。

1.3 系統(tǒng)總體方案的設計

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種結構。

圖1（a）結構為標準主從結構[6-7]。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)，按要求驅動LED燈板。圖1（b）結構為簡易主從結構。即當無主控制器或無需用戶交互時，用一臺從控制器充當主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)給各從控制器。圖1（c）結構為并行同步結構。系統(tǒng)中無主控制器，各從控制器根據(jù)交流電信號50 Hz頻率自動執(zhí)行，多臺從控制器可以同步顯示。

圖1 LED輪廓顯示控制系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 LED display control system structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器硬件設計

主控制器包括STC單片機最小系統(tǒng)，電源部分，LED動態(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。

其中最小系統(tǒng)采用STC12C5608單片機。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動態(tài)顯示部分采用4個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個瞬態(tài)抑制二級提高485芯片實際使用壽命。

2.2 從控制器硬件設計

主控制器包括STC單片機最小系統(tǒng)，交流信號輸入部分，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。

從系統(tǒng)結構圖1中可知，485總線網絡采用星形結構，一個主機和若干臺從機，主機只發(fā)送數(shù)據(jù)，從機只接收數(shù)據(jù)，屬于單功方式。實際應用時，當主控制器距現(xiàn)場較遠時，為了省通信接線，并簡化連接結構。將星形連接結構變成如圖4所示連接方式。

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

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括上位機軟件的設計、下位機程序設計兩部分。上位機軟件完成LED輪廓控制效果編輯與轉換，然后直接修改下位機程序的BIN文件。下位機程序程序效果數(shù)據(jù)解釋并執(zhí)行。

3.1 輪廓色帶數(shù)據(jù)設計

圖2 主控制器電氣原理圖Fig.2 Main controller schematic

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

圖3 從控制器電氣原理圖Fig.3 Sub-controller schematic

圖4 主從式實際通信連接方案示意圖Fig.4 Master-slave communication link structure schematic

表1 色帶數(shù)據(jù)格式說明Tab.1 The ribbon data format

從表1可知一個色帶由7字節(jié)數(shù)據(jù)組成，表示一個最小漸變過程，如表1示例數(shù)據(jù)即表示從紅色經過31級漸變變換成綠色。將所有上位機設計的變換效果需要的漸變過程按順序生成一個數(shù)據(jù)。每一個特效數(shù)據(jù)由N個最小漸變色帶數(shù)據(jù)組成，因此表示一個特效時只需指明包含的色帶數(shù)和各個色帶數(shù)據(jù)序號即可。這樣便于基本色帶的重復使用，節(jié)省了有限的程序存儲空間，實現(xiàn)了控制要求。

3.2 主控制器軟件設計

主控制器程序按循環(huán)掃描方式工作。在程序初始化后，進行按鍵掃描工作。按鍵事件有5個，分別是速度加、速度減、模式加、模式減和復位。LED顯示屏的刷新率一般為15幀/秒，根據(jù)不同速度設置不同的刷新率，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?shù)竭_設定時間后才發(fā)送相應的顯示數(shù)據(jù)。每個掃描周期最后更新4位LED中的一位，然后修改位地址為下一個掃描周期做準備。具體的程序流程圖如圖5所示。

3.3 從控制器軟件設計

從控制器可工作于外控方式和內控方式。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)。內控方式是根據(jù)交流信號50 Hz的頻率，根據(jù)固化的效果更新顯示數(shù)據(jù)。當從控制器接收到數(shù)據(jù)后，即工作于外控方式；如果一段時間沒有收到外部數(shù)據(jù)，則自動轉換成內控方式。具體的程序流程圖如圖6所示。

圖5 主控制器工作流程圖Fig.5 Flow chart of main controller

圖6 從控制器工作流程圖Fig.6 Sub-controller flow chart

4 結 論

本文給出了一種基于STC單片機的LED輪廓控制系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)性價比高，適應性強，可支持256灰度級的全彩樓宇亮化，也可以播放全彩動畫。通過485快速傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程控制和方便現(xiàn)場安裝。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現(xiàn)有市場上的6803、2803和1809系列LED專用驅動芯片的兼容。本案開發(fā)的LED護欄管顯示屏控制器已產品化，控制效果良好。

[1]謝宋和.單片機在LED顯示屏中的應用[J].電子與自動化，1998，19（4）：23-29.

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