智能“南昌之星”LED可控模型的設(shè)計(jì)

相陽(yáng)，高鴻波，洪昶，陳忠林，張士晶，張春興

（1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063；2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，6700根LED發(fā)光二極管共同組成了“南昌之星”摩天輪的外在輪面彩燈。而在系統(tǒng)啟動(dòng)后能夠顯示出一座半徑為76m的大型彩色時(shí)鐘，同時(shí)可以根據(jù)工作人員的需要，設(shè)計(jì)和顯示出不同的圖案。另外，還可以通過(guò)用戶的客戶機(jī)以短信的方式將指令發(fā)送到控制系統(tǒng)中，從而使文字可以呈現(xiàn)于摩天輪的彩燈上，色彩繽紛令人向往。

南昌之星摩天輪在設(shè)計(jì)人員的結(jié)果精密計(jì)算后將造價(jià)和使用資金控制在了“倫敦眼”的1/6，并可以顯示出相同的視覺(jué)和使用效果。經(jīng)過(guò)上千次設(shè)計(jì)修改和實(shí)驗(yàn)，工程師在機(jī)械材料和實(shí)用設(shè)計(jì)中找到了完美平衡：在半徑1m的粗壯摩天輪主軸到20mm的細(xì)小管件的共同作用下，讓摩天輪上的數(shù)千根材料都發(fā)揮其本身最大的物理功效，同時(shí)也保障了最大使用壽命和使用極限。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合所學(xué)的單片機(jī)點(diǎn)陣技術(shù)，將動(dòng)態(tài)顯示與靜態(tài)顯示有機(jī)融合，通過(guò)視覺(jué)暫留效果將各種炫彩畫(huà)面盡顯呈現(xiàn)。本設(shè)計(jì)將STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制單位，通過(guò)使用彩色LED燈制作出一座具有動(dòng)態(tài)LED燈和靜態(tài)LED燈混合的電子模型。

項(xiàng)目中主要采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，在顯示部分使用了16*16的點(diǎn)陣顯示原理[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)南昌之星效果顯示、播放、轉(zhuǎn)動(dòng)等功能。

本設(shè)計(jì)通過(guò)按鍵轉(zhuǎn)換可分成兩種模式：一種是動(dòng)畫(huà)顯示，能夠進(jìn)行真實(shí)摩天輪的各種模擬閃爍，另一種是根據(jù)客戶機(jī)輸入的音頻自動(dòng)控制南昌之星模型的LED燈的照明。除了人工按鍵切換以外，我們還擬采用藍(lán)牙模塊，通過(guò)scatternet從而可以使用客戶機(jī)自動(dòng)控制本南昌之星模型。

本系統(tǒng)主要采用以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的主要控制區(qū)塊，同時(shí)采用電源區(qū)塊、驅(qū)動(dòng)電路區(qū)塊，控制電路區(qū)塊以及顯示電路區(qū)塊4個(gè)模塊來(lái)組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2]。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)主要功能區(qū)塊設(shè)計(jì)

2.1 主控區(qū)塊

主控區(qū)塊為整個(gè)電路系統(tǒng)的核心組成部分，STC12C5A60S2單片機(jī)以及其他附屬設(shè)備共同構(gòu)成了電路系統(tǒng)。為了內(nèi)部設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便和節(jié)省資源，我們采用了滿足使用條件的最少元件，包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入輸出設(shè)備等必要元件[3]。而系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行依靠將PC端的上端口與主控區(qū)塊的下端口的通信相連接，通過(guò)對(duì)下端口的控制即可得到播放動(dòng)畫(huà)、LED閃爍、畫(huà)面遞進(jìn)等不同呈現(xiàn)效果。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路區(qū)塊

由于STC12C5A60S2單片機(jī)的IO管腳數(shù)不能滿足16*16的LED驅(qū)動(dòng)的需求條件，所以本設(shè)計(jì)通過(guò)使用鎖存器74HC595的級(jí)聯(lián)來(lái)處理IO管腳數(shù)不足的困難。

2.3 控制電路區(qū)塊

該部分主要是將3個(gè)獨(dú)立按鍵X，Y，Z分別與單片機(jī)控制板塊的3個(gè)不同接口進(jìn)行有線相連，通過(guò)技術(shù)員手動(dòng)操作一個(gè)獨(dú)立控制器來(lái)進(jìn)行操控，其控制器共包括3個(gè)部分：向上、向下和確定功能的紅色按鍵，其上、下按鍵可以用于選擇顯示模式，紅色控制按鍵可以進(jìn)行模式確定；其中一種模式為自動(dòng)顯示模式，即南昌之星模型可以根據(jù)需要通過(guò)控制程序的選擇自動(dòng)在3種不同的顯示模式中相互切換；另一種是人工控制模式，可以通過(guò)手動(dòng)按鍵選擇不同模式的顯示效果，同樣可以通過(guò)紅色按鍵進(jìn)行確認(rèn)和運(yùn)行。在按下確認(rèn)按鍵選擇人工顯示模式后，再次按下確認(rèn)按鍵則可自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)顯示模式，十分容易掌握和操作。

2.4 顯示電路區(qū)塊

顯示電路部分共包含2個(gè)部分區(qū)域電路，一部分是南昌之星摩天輪頂部的靜態(tài)化顯示電路，不隨控制電路顯示動(dòng)畫(huà)；另一部分是摩天輪輪身的動(dòng)態(tài)化顯示電路，可以根據(jù)需要展現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)畫(huà)面。部分電路圖如圖2所示。

圖2 摩天輪輪身的動(dòng)態(tài)化顯示電路

南昌之星摩天輪的頂端焊接了6個(gè)發(fā)光二極管作為光源用于日常照明，這6個(gè)發(fā)光二極管通過(guò)外接電源進(jìn)行電力輸送，所以摩天輪頂部一直處于穩(wěn)態(tài)的明亮狀態(tài)，同時(shí)為了保護(hù)頂部光源，我們?cè)?個(gè)發(fā)光二極管所在的電路里各自串聯(lián)了一個(gè)小電阻用于電路保護(hù)。

摩天輪本身電路由16*16的LED組成，顯示方式為動(dòng)態(tài)掃描。通過(guò)陽(yáng)極和陰極的連線可以得到16條行線，16條列線。將16條行線與第一、二個(gè)74HC595的16個(gè)輸出端依次相連，將16條列線同第三、四條74HC595的16個(gè)輸出端連接。此時(shí)STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，在控制端給出控制信號(hào)后從第一列開(kāi)始便依次對(duì)各列進(jìn)行掃描選通，再將鎖存器事前儲(chǔ)存好的信號(hào)釋放進(jìn)行同時(shí)輸出，進(jìn)而改變發(fā)光二極管的陽(yáng)極和陰極的所處狀態(tài)[4]。最終控制發(fā)光二極管的明亮和熄滅，以期出現(xiàn)不同的顯示結(jié)果[5]。

3 南昌之星模型的工作原理

51單片機(jī)的P0端將P0.0，P0.1，P0.2作為數(shù)據(jù)的輸入端口，然后使用P3端口的獨(dú)立按鍵對(duì)彈出的顯示模式進(jìn)行選擇，從而傳輸出不同模式的代碼[6]。最終通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描的方法使對(duì)應(yīng)的鎖存器開(kāi)始鎖存不同的輸出數(shù)據(jù)，并行輸出用以選通相應(yīng)行列的LED燈并改變其陽(yáng)極和陰極的電位符號(hào)來(lái)控制LED的閃爍和熄滅。圖3為南昌之星顯示框圖。

圖3 南昌之星顯示框圖

將PCB板、電源、電機(jī)及七彩LED發(fā)光二極管模塊按電路圖正確連接后，先將整個(gè)模型進(jìn)行上電（9V1A）后與藍(lán)牙模塊直接接通，喇叭播放采用“藍(lán)牙模式”，然后通過(guò)紅外遙控器對(duì)摩天輪模型進(jìn)行控制，摩天輪主燈部分包含了21種動(dòng)畫(huà)模式、8種頻譜模式，開(kāi)啟后可以很清楚地看到摩天輪背景燈光點(diǎn)亮，主屏燈光逐層點(diǎn)亮，進(jìn)入動(dòng)畫(huà)輪播模式[7]。打開(kāi)轉(zhuǎn)動(dòng)模式，電機(jī)驅(qū)動(dòng)摩天輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，使用紅外遙控器對(duì)LED燈光控制以實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)光和變化，進(jìn)入動(dòng)畫(huà)模式。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

智能“南昌之星”LED可控模型的設(shè)計(jì)以scatter-net收發(fā)器直接傳輸信號(hào)到模型基帶信號(hào)處理器，從而通過(guò)scatter-net在客戶機(jī)與連接設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)快捷而方便的通信[8]。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試中，網(wǎng)絡(luò)通信正常，在調(diào)控范圍內(nèi)系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，超出調(diào)控范圍時(shí)，數(shù)據(jù)無(wú)法正常傳輸，存在丟包現(xiàn)象，可通過(guò)添加功率放大器提高通信穩(wěn)定性。在系統(tǒng)出現(xiàn)誤差較大情況下，會(huì)出現(xiàn)輕微延遲現(xiàn)象。以上系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在自動(dòng)控制模式和手動(dòng)模式下均已進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將動(dòng)態(tài)顯示與靜態(tài)顯示有機(jī)融合，通過(guò)視覺(jué)暫留效果將各種炫彩畫(huà)面盡現(xiàn)和升華，將“南昌之星”的控制分為兩種方法。采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，結(jié)合了自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制模式，對(duì)“南昌之星”模型實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)控。它的制作簡(jiǎn)單、成本低，安裝比較方便，同時(shí)它的變化閃爍比較穩(wěn)定、靈敏度高、安全可靠。這種LED模型燈可作為南昌觀光旅游紀(jì)念品。該模型的功能還可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究，例如增加照明功能、提供背景音樂(lè)功能等，具有極大的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)價(jià)值與廣闊的商業(yè)前景。