基于STC單片機的LED輪廓顯示控制器設計

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域實現燈光群控和顯示動態節目，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，給用戶的開發生產和維護帶來方便。

1.2 系統的工作原理

LED輪廓顯示是用首尾相連的LED護欄管或串聯的點光源連接的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的數字信號，將發光二極管點亮，實現在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顯示屏上數據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、各級聯單元之間每個時鐘僅傳送一個位（具體實現時每種顏色各一位）的數據。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據傳輸驅動元件，從而提高整個系統的可靠性和具體工程實現的容易程度。

1.3 系統總體方案的設計

系統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，用戶根據實際情況選擇顯示效果與顯示速度。根據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總線將控制數據傳送給各從控制器。從控制器接收主控制器數據，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送數據給各從控制器。圖1（c）結構為并行同步結構。系統中無主控制器，各從控制器根據交流電信號50 Hz頻率自動執行，多臺從控制器可以同步顯示。

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

2 系統硬件設計

2.1 主控制器硬件設計

主控制器包括STC單片機最小系統，電源部分，LED動態顯示電路，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高性能穩壓芯片保證系統5 V供電。LED動態顯示部分采用4個8位LED數碼管，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，交流信號輸入部分，485收發模塊部分，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，主機只發送數據，從機只接收數據，屬于單功方式。實際應用時，當主控制器距現場較遠時，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收發模塊包括一個接收模塊和一個發送模塊。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送模塊送出。既完成了控制要求，又簡化了連接方式。

3 系統軟件設計

系統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據解釋并執行。

3.1 輪廓色帶數據設計

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，數據處理能力有限，所以需要用簡潔的數據模型表示LED變換效果。因此本文設計了一種色帶數據格式和特效數據格式。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 色帶數據格式說明Tab.1 The ribbon data format

從表1可知一個色帶由7字節數據組成，表示一個最小漸變過程，如表1示例數據即表示從紅色經過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據。每一個特效數據由N個最小漸變色帶數據組成，因此表示一個特效時只需指明包含的色帶數和各個色帶數據序號即可。這樣便于基本色帶的重復使用，節省了有限的程序存儲空間，實現了控制要求。

3.2 主控制器軟件設計

主控制器程序按循環掃描方式工作。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據，數據傳輸量較小，所以當到達設定時間后才發送相應的顯示數據。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送485數據和周期更新顯示數據。內控方式是根據交流信號50 Hz的頻率，根據固化的效果更新顯示數據。當從控制器接收到數據后，即工作于外控方式；如果一段時間沒有收到外部數據，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輪廓控制系統設計方案。該系統性價比高，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快速傳輸數據，實現遠程控制和方便現場安裝。該系統為顯示區域較大、安裝條件多變的LED輪廓顯示控制系統提供了良好的解決方案。利用分控制器完成對現有市場上的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.

XIE Song-he.Application of microcomputer in the LED display[J].Electronics and Automation，1998，19（4）：23-29.

[2]關積珍，陸家和.LED顯示屏的技術及其市場和產業發展[J].激光與紅外，2003，33（6）：466-470.

GUAN Ji-zhen，LU Jia-he.The technology， market and industrial development of LED display panel[J].Laser&Infrared，2003，33（6）：466-470.

[3]STC Corporation.STC11-10Fxx product manual[S].2008.

[4]徐振方，孟艷花，王艷.基于AVR單片機的LED顯示屏控制系統的研究[J].照明工程學報，2010，21（2）：77-80.

XU Zhen-fang，MENG Yan-hua，WANG Yan.Reaserch on control system of LED display screen based on AVR[J].China Llluminating Engineering Journal，2010，21（2）：77-80.

[5]褚昌晨.LED顯示屏系統原理及工程技術[M].成都：電子科技大學出版社，2000.

[6]鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[7]梁純.基于MCS-51單片機的LED點陣圖文顯示屏設計[J].工礦自動化，2005，11（1）：7-21.

LIANG Chun.Design of LED display screen based on MCS-51[J].Industry and Mine Automation，2005，11（1）：7-21.