基于STC11F02E的立体旋转LED设计与实现

摘要：新型的柱式LED显示屏，以旋转扫描方式代替传统的逐行扫描，可视范围达到360度。在稳定旋转的载体上安装16个LED发光器件，静止时，各列发光管等间距分列排开，随着扫描速度的加快，在计算机软件精确的时序控制下，不断扫描出预设的文字、图案等，利用STC11F 02E单片机控制，采用NE555多谐振荡电路来无线供电，并用移位寄存器74HC595控制LED显示字符，成本低廉，简单易实现。
关键词：单片机；LED；无线供电；STC11F02E

0 引言
    立体旋转LED也称POV LED，是利用人眼视觉暂留效应进行图形、动画等信息显示的一种电子产品，它是通过一个旋转的支架，支架上排列的LED受单片机的控制在特定的位置亮或灭，从而显示出特定的字符或图形，其中利用无线供电技术，采用高速电动机带动LED旋转时，从视觉效果上会产生一种柱状的LED显示屏的状态。显示的字符或图形看起来是漂浮在空中的，不仅美观，而且新颖，适用于很多场合。本文中外围电路搭建以单片机为主控元件，利用两个74HC595芯片对16个LED控制，根据霍尔原理，采用一个AH1344霍尔元件检测磁感应变化以显示特定字符。

1 STC11F02E单片机简介
    STC11F02E是宏晶科技设计生产的STC11／10xx系列单片机之一，其特点为：高速，1个时钟／机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍；宽电压，5．5～4．1V／3．7V；低功耗设计；工作频率，0～35MHz，具有2kB的片内Flash程序存储器、2kB的EEPROM存储器和256kB的片内SRAM数据存储器，体积小价格低廉。

2 硬件设计
    由STC11F02E的16个I／O端口控制两个74HC595芯片工作，再由两个74HC595的8个I／O端口控制16个LED亮灭，在单片机中写入程序，当电动机通电时，单片机所在的电路板会随着转动。根据霍尔传感器原理，每当霍尔元件转到磁钢附近时，电路输出端变为低电平，从而产生下降边沿，使单片机中断口接收到下降沿而发出中断，使得电路能够同步，最终显示出特定的字符。该旋转装置由霍尔传感器模块、LED显示模块、电源模块组成。
    霍尔传感器模块：霍尔传感器是一种磁传感器，本设计运用AH3144芯片。AH3144是单极性霍尔开关电路，是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和集电极开路的输出级组成的磁敏感电路，其输入是磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。它是一种单磁极工作的磁敏感电路，适合于矩形或者柱形磁体下的工作。
    LED显示模块：采用16个并排发光二极管，利用人眼的“视觉暂留效应”显示文字及图案，旋转LED显示器是一种通过同步控制LED位置和点亮状态来实现图文显示的新型显示器，其结构新颖、成本低廉、可视角度达360°。
    电源模块：220V交流电压经过变压器输出为12V交流电压，再经过桥式整流成为单向脉冲电压，再经过滤波电路成为比较平稳的直流电压，最后通过7805稳压成输出稳定的8V直流电。
    无线供电模块：无线供电是一种方便安全的新技术，无需任何物理上的连接，电能可以近距离无接触地传给负载。本设计采用NE555多谐振荡电路来实现无线供电。立体旋转LED电路硬件原理图如图1所示。

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3 软件设计
    主程序软件主要为LED显示模块的程序。主程序首先是对系统环境初始化，设置端口P1．1、P1．2强上拉，然后启动延时，初始化74HC5 95移位寄存器，允许外部中断INT0中断，设置下降沿触发中断，开启总中断，点亮LED1、LED2，进入循环等待中断。74HC595移位寄存器接收当前定时器的数值，锁存住然后将字库中的字符传输到输出端，最终16个LED可以正常显示字符。
    LED显示是根据16×16点阵显示屏的原理来显示字符的，当16个LED旋转16行时就会显示一个字。由于STC11F02E的总线为8位，所以显示一个字的时候需要拆分为两部分，一般拆分为上下两部分，上部由8×16点阵组成，下部也由8×16点阵组成。例如显示“沈”字如图2所示。

    本例中单片机首先显示的是左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00-P07口。方向为P00-P07，显示汉字“沈”字时，P04点亮，由上往下排列，为P00灭，P01灭，P02灭，P03灭，P04亮，P05灭，P06灭，P07灭。即二进制为00001000，转换16进制为08h。
     上半部第一列完成后，继续扫描下半部的第一列，仍为由上往下扫描，即从P37向P30方向扫描，P35点亮，二进制为00100000，16进制为10h。
    然后单片机转向上半部第二列，P01、P05点亮，为01000100，即16进制44h，这一列完成后继续进行下半部的扫描，P35点亮为二进制为00100000，即16进制20h。按照这个方法，继续进行下面的扫描，一共扫描32个8位可以得出汉字“沈”的扫描代码。
    根据单片机内部机器周期为1／12，晶振为12MHz，由式(1)可以算出执行一条指令的频率为1MHz，得出周期为1 μs。
     1／12×12MHz=1MHz          (1)
    当LED旋转时，相当于每两个字符传送一次，设置其延时为600 μs，由于人们的视觉暂留时间为0．1～0．4S，所以当LED旋转一周时，人们看到上一次的LED还是亮着的，从而感觉到“沈”字始终显示着。
    由于此次设计的电路板半径为11．5cm，LED半径为0．5cm，所以这个显示屏最多能显示9个字符。

4 结论
    本设计的立体旋转LED因为用的是无线供电方式，旋转起来很安静，很平稳，电机的速度也很快，旋转时不怎么闪烁。由于本设计采用的是单排16个LED所以电路板的另一端必须得有个重物来保持平衡。无线供电电路中的两个线圈距离不能太远，必须保持在3cm之内，否则无法提供足够稳定的电压。