LED线阵显示装置的设计与实现

肖 潇，张 静，赵自鹏

（湖南工业职业技术学院 电气工程学院，湖南 长沙 410208）

0 引 言

LED线阵显示装置利用人眼视觉暂留现象，通过使LED线阵旋转起来来显示各种字符或图案，其中图案内容和颜色快速修改实现的设计还有很大的进步空间。为了进一步优化设计方案，本文通过自主开发图文录入APP，结合触摸屏，对图文卡进行图像识别和录入，界面简洁，操作简单，且可在LED线阵显示装置上实时精确显示。

1 系统方案

本系统主要由图文录入模块和LED线阵模块组成，需选择合适的LED线阵供电方式、无线通信方式以及点阵录入方式[1]。

1.1 硬件选择

在硬件选择方面，LED线阵采用STC15单片机，触摸屏采用STM32单片机。LED线阵采用线圈无线传电的方式进行供电。线圈无线传电时的两个线圈分别作为电能发送端和接收端，可获得交变电流，且噪声和磨损较小[2]。

1.2 点阵录入方式的选择

1.2.1 触摸屏

通过上位机对触摸屏进行组态设计，而触摸屏主要包括命令按钮和图文录入窗口[3]。具体操作是先在16×16点阵录入窗口上手动录入图文卡上图文点阵信息，并将其传送至该模块的单片机，后单片机将图文数据从无线通信模块的无线串口输出至LED线阵模块主控单片机，运行程序，从而实现图文在LED线阵显示装置上的显示。

1.2.2 平板电脑

基于平板电脑开发一款APP，能够拍摄图文卡，自动复现16×16点阵的图文信息，无需手动录入。录入图文数据传送至该模块的单片机，单片机将图文数据通过无线通信模块进行串口输出，输出至LED线阵模块的主控单片机，实现图文在LED线阵显示装置上的显示。

为最大程度地提高装置的便利性并优化功能，可将以上两种选择方式相结合。

1.3 方案确定

最终确定的方案中采取线圈无线供电，由Zigbee无线串口模块实现灯阵控制板与图文录入器通信[4]。平板电脑APP和触摸屏图文点阵录入的系统方案如图1所示。

图1 系统方案图

2 理论分析与计算

2.1 LED线阵显示装置驱动参数的分析与计算

该LED线阵显示装置采用普通的LED和限流电阻串联的方式驱动点亮LED。限流电阻的计算公式如下[5]：

其中，RL为限流电阻，Vcc为电源电压，VF为LED正向稳定电压，IF为LED工作电流。经计算，红灯LED限流电阻为1 kΩ，绿灯LED限流电阻为470 Ω。

2.2 线状点阵LED运动参数分析与计算

在电机的带动下，线阵LED依靠旋转平台进行旋转。设电机周期为t，LED完成需要时间为t1，软件延时为t2，它们之间的关系为[6]：

只要保证满足式（2），线阵LED就能精确显示图文。

2.3 点阵图识别原理与计算

2.3.1 点阵识别原理

点阵识别基于自主开发的图文录入APP，可以实现图文卡特定图文的拍摄识别，并在16×16矩形选择框中实现复现。在识别原理的识别过程中进行图文卡拍摄，拍摄图片截图排除干扰，分析图片像素点得到图文卡深色坐标，最后还原图像。但是，因为无法保证100%复现，所以需要手动修改微调，确定保存生成数据。

2.3.2 图像识别计算

（1）灰度处理。一副完整的图像由红绿蓝3个通道组成，这3个通道的缩览图都以灰度显示[7]。基于灰度最大值法为：

在16×16矩阵中，用灰度表示黑点与白点。设计一个阈值Fx，当F(i,j)＞Fx时，图像显示为1（白）；当F(i,j)＜Fx时，图像显示为0（黑）。

（2）二值化处理。将图像数据转化为二进制后再按尺寸等比缩小。图像算法最终构建的16×16二维矩阵会发送给APP存储单元，并转换至16×16点阵窗口复现。

图文卡识别的正确率可达90%以上，但由于光线和人为等因素的影响，可能会出现识别误差，因此需要补充人工修改功能。此外，可基于阈值调试原理构建图像二值化。

3 测试方案与测试结果

3.1 测试方案

本装置采用直流电源供电，通信板采用锂电池供电。LED线阵复现图文在平板电脑和触控屏等图文录入器中以静态或动态的方式进行显示。

3.2 测试结果分析

根据测试，本装置符合基本要求。发挥部分、测试结果以及结果对比如表1所示，其中基本要求和发挥部分变色样式测试结果分别如图2（a）和图2（b）所示。

表1 基本部分与发挥部分测试结果与设计指标的比较

图2 测试结果图

4 结 论

本文实现了一种LED线阵图文显示装置的设计，其中图文录入器模块采用STM32单片机作为控制核心，实现平板电脑或触摸屏的图文信息录入和串口数据通信。录入图文信息后，通过Zigbee通信将数据发送至LED线阵模块。LED线阵模块采用STC15单片机作为主控，利用人眼视觉暂留现象，通过电机带动由16只红绿双色LED组成的显示板飞速旋转，同时控制LED分时输出，实现在120°弧面区域内显示16×16点阵的静态或动态图案，此外还可实时变更显示的图文内容和颜色。平板APP和触摸屏界面简单，操作便捷，通过简易的按钮触控即可实现多种功能，极具推广价值。