基于STM32F103RBT6单片机的LED线阵显示系统*

时间：2024-07-28

王珏敏

(山西职业技术学院，山西太原 030006)

1 系统方案设计与选择

1.1 系统总体设计

本论文设计一个基于STM32F103RBT6单片机控制的LED线阵显示系统，该系统由图文录入器、旋转线阵显示装置、信号控制装置三部分组成。其中图文录入器利用模拟键盘将图文卡信息录入，并通过无线通信模块发送给单片机；单片机接收到图文信号，按照特定的算法程序控制LED灯的闪烁显示，利用霍尔传感器校准显示频率与起始位置;最后通过直流电机转速完成相应的控制要求。供电装置采用无线供电模块，输出12V为直流电机电源，5V为单片机电源。总体系统设计如图1所示。

图1 LED线阵显示系统框架

1.2 方案选择论证

1.2.1 单片机控制装置

系统方案选择时，由于51系列单片机只有8位控制器，处理速度较慢，不满足高精度要求，且存储空间小。最终采用STM32F103RBT6单片机，其具有功耗低、成本低、通信接口多，运行速度快等特点。内部资源丰富，并且能够实现8位到16位的代码存储密度,很合适存储图像或文字，是一款为嵌入式应用专门设计的高性能单片机。

1.2.2 图文信息录入装置

本模块任务是设计一款具有显示与回放功能的图文录用器，在硬件选择上，使用矩阵按键，制作简单但录入速度慢、操作繁琐，不易大量信息录入。使用串口触摸屏构建模拟键盘，人机界面设计友好、录入方式灵活、效率高，适合本设计方案。在软件设置方面，对LED的信息采集，若选择一次性全部录入，录入指令短、效率高，但存在数据包过大，数据丢失的现象；若选择单次录入，又存在耗时长的现象；最终选择以列为单位进行信息采集。

1.2.3 供电装置

供电装置在方案选择时，若采用电刷式导电滑环进行有线供电，该方式供电功率大、阻抗小、效率高，但该装置价格昂贵、体积大、重量高；若采用无线供电模块进行无线供电，该方式供电功率小，但结构简单，运用灵活，重量轻。综上所述，由于无线供电模块后续机械结构设计简单且性价比高，足够满足供电要求。

1.2.4 驱动装置

在设计驱动LED旋转平台装置时，有步进电机和直流电机两种方案。步进电机是将接收的数字信号(电脉冲)转化成对应的角位移或者线位移的智能控制器件，具有很好的数据控制特性，可实现开环位置控制，一般用于速度、转角、方向等领域应用，但在启动和加速时，经常出现堵转、失步和超步的现象，在转速控制方面不符合本设计要求。而直流电动机是将直流电转换成机械能，不仅具有无极调速、范围宽等良好的调速性能，而且起动力矩大，可均匀实现转速调节的功能，结构简单，维护方便，较强的稳定性能，最终选择直流电动机作为驱动装置。

2 理论分析与计算

2.1 LED显示系统工作电压

LED线阵显示系统中，发光二极管LED的工作电压参数如表1所示，在系统设计中为了防止LED烧坏，通常采取串联一个限流电阻的方式。本系统中选取红色、绿色LED作为测试器件，电源电压为5V直流稳压电，由无线电源模块提供。

表1 LED工作电压参数

该限流电阻参数公式如下所示：

若是超亮红色LED，R限=(5-2)/20 mA=150Ω；

若是普通红色LED，R限=(5-1.5)/10 mA=350Ω；

若是超亮绿色LED，R限=(5-3)/20 mA=100Ω；

若是普通绿色LED，R限=(5-2.5)/10 mA=250Ω,

方案设计时，根据现实对LED亮度的需求，选择接近的限流电阻。

2.2 直流电机转速计算

眼睛的重要特性之一是视觉暂留，即光像一旦在视网膜上形成，视觉将会对这个光像的感觉维持1/24 s左右，即至少播放24帧/s，人眼就会看到清晰连续的画面，常应用在电影的拍摄和放映。本系统在设计直流电机转速时就利用人眼独有的这种特性，让电机保持在24r/s以上，人眼就会感受不到闪烁，成像也会清晰稳定的呈现。

对于中等亮度的光刺激，视觉暂留时间T约为0.04 s～0.2 s，即电机转速周期为T=0.04 s=40 ms;频率为f=1/T=25 Hz。

电机转速：n=60f/p=25r/s.(p为电机极对数，p=1)