基于AVR微處理器ATmega16L的LED旋轉(zhuǎn)屏顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

科技快速發(fā)展的今天，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(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的位置來模擬點(diǎn)陣的列掃描，即所說的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。

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)過程中的電源供電問題。

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。不過為了線路的規(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茧妷海热缈梢栽谕獠拷尤隩L431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、畫面進(jìn)行隨時(shí)更新。紅外發(fā)射模塊是一種類似遙控器，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)過程中，要使顯示的內(nèi)容流暢、不閃爍，所處理的關(guān)鍵問題就是讓旋轉(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。

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開關(guān)信號(hào)來判別列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)過程中解決的關(guān)鍵問題

3.1 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(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)對電池充電。

3.2 平衡問題

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)仍是不可小覷的問題，在設(shè)計(jì)中利用對稱性結(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)帶來的負(fù)面影響。

3.3 同步問題

要使得旋轉(zhuǎn)屏能顯示穩(wěn)定、清晰的畫面，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，相對更易于操作。

3.4 延遲問題

該系統(tǒng)在調(diào)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(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。對前種情況可借助延遲子函數(shù)給予合適的延遲時(shí)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(shí)隙。

4 結(jié)語

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)從體積上來說也使系統(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。