基于STC11F02E的立體旋轉LED設計與實現方案

　　立體旋轉LED也稱POV LED，是利用人眼視覺暫留效應進行圖形、動畫等信息顯示的一種電子產品，它是通過一個旋轉的支架，支架上排列的LED受單片機的控制在特定的位置亮或滅，從而顯示出特定的字符或圖形，其中利用無線供電技術，采用高速電動機帶動LED旋轉時，從視覺效果上會產生一種柱狀的LED顯示屏的狀態。顯示的字符或圖形看起來是漂浮在空中的，不僅美觀，而且新穎，適用于很多場合。本文中外圍電路搭建以單片機為主控元件，利用兩個74HC595芯片對16個LED控制，根據霍爾原理，采用一個AH1344霍爾元件檢測磁感應變化以顯示特定字符。

　　1 STC11F02E單片機簡介

　　STC11F02E是宏晶科技設計生產的STC11/10xx系列單片機之一，其特點為：高速，1個時鐘/機器周期，增強型8051內核，速度比普通8051快8～12倍；寬電壓，5.5～4.1V/3.7V；低功耗設計；工作頻率，0～35MHz，具有2kB的片內Flash程序存儲器、2kB的EEPROM存儲器和256kB的片內SRAM數據存儲器，體積小價格低廉。

　　2 硬件設計

　　由STC11F02E的16個I/O端口控制兩個74HC595芯片工作，再由兩個74HC595的8個I/O端口控制16個LED亮滅，在單片機中寫入程序，當電動機通電時，單片機所在的電路板會隨著轉動。根據霍爾傳感器原理，每當霍爾元件轉到磁鋼附近時，電路輸出端變為低電平，從而產生下降邊沿，使單片機中斷口接收到下降沿而發出中斷，使得電路能夠同步，最終顯示出特定的字符。該旋轉裝置由霍爾傳感器模塊、LED顯示模塊、電源模塊組成。

　　霍爾傳感器模塊：霍爾傳感器是一種磁傳感器，本設計運用AH3144芯片。AH3144是單極性霍爾開關電路，是由電壓調整器、霍爾電壓發生器、差分放大器、施密特觸發器和集電極開路的輸出級組成的磁敏感電路，其輸入是磁感應強度，輸出是一個數字電壓訊號。它是一種單磁極工作的磁敏感電路，適合于矩形或者柱形磁體下的工作。

　　LED顯示模塊：采用16個并排發光二極管，利用人眼的“視覺暫留效應”顯示文字及圖案，旋轉LED顯示器是一種通過同步控制LED位置和點亮狀態來實現圖文顯示的新型顯示器，其結構新穎、成本低廉、可視角度達360°。

　　電源模塊：220V交流電壓經過變壓器輸出為12V交流電壓，再經過橋式整流成為單向脈沖電壓，再經過濾波電路成為比較平穩的直流電壓，最后通過7805穩壓成輸出穩定的8V直流電。

　　無線供電模塊：無線供電是一種方便安全的新技術，無需任何物理上的連接，電能可以近距離無接觸地傳給負載。本設計采用NE555多諧振蕩電路來實現無線供電。立體旋轉LED電路硬件原理圖如圖1所示。

圖1 硬件原理圖

　　3 軟件設計

　　主程序軟件主要為LED顯示模塊的程序。主程序首先是對系統環境初始化，設置端口P1.1、P1.2強上拉，然后啟動延時，初始化74HC5 95移位寄存器，允許外部中斷INT0中斷，設置下降沿觸發中斷，開啟總中斷，點亮LED1、LED2，進入循環等待中斷。74HC595移位寄存器接收當前定時器的數值，鎖存住然后將字庫中的字符傳輸到輸出端，最終16個LED可以正常顯示字符。

　　LED顯示是根據16×16點陣顯示屏的原理來顯示字符的，當16個LED旋轉16行時就會顯示一個字。由于STC11F02E的總線為8位，所以顯示一個字的時候需要拆分為兩部分，一般拆分為上下兩部分，上部由8×16點陣組成，下部也由8×16點陣組成。例如顯示“沈”字如圖2所示。

圖2 “沈”字點陣圖

　　本例中單片機首先顯示的是左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00-P07口。方向為P00-P07，顯示漢字“沈”字時，P04點亮，由上往下排列，為P00滅，P01滅，P02滅，P03滅，P04亮，P05滅，P06滅，P07滅。即二進制為00001000，轉換16進制為08h。

　　上半部第一列完成后，繼續掃描下半部的第一列，仍為由上往下掃描，即從P37向P30方向掃描，P35點亮，二進制為00100000，16進制為10h。

　　然后單片機轉向上半部第二列，P01、P05點亮，為01000100，即16進制44h，這一列完成后繼續進行下半部的掃描，P35點亮為二進制為00100000，即16進制20h。按照這個方法，繼續進行下面的掃描，一共掃描32個8位可以得出漢字“沈”的掃描代碼。

　　根據單片機內部機器周期為1/12，晶振為12MHz，由式（1）可以算出執行一條指令的頻率為1MHz，得出周期為1μs。

　　1/12×12MHz=1MHz （1）

　　當LED旋轉時，相當于每兩個字符傳送一次，設置其延時為600μs，由于人們的視覺暫留時間為0.1～0.4s，所以當LED旋轉一周時，人們看到上一次的LED還是亮著的，從而感覺到“沈”字始終顯示著。

　　由于此次設計的電路板半徑為11.5cm，LED半徑為0.5cm，所以這個顯示屏最多能顯示9個字符。

　　4 結論

　　本設計的立體旋轉LED因為采用的是無線供電方式，旋轉起來很安靜，很平穩，電機的速度很快，旋轉時也不怎么閃爍。由于本設計采用的是單排16個LED，所以電路板的另一端必須得有個重物來保持平衡。無線供電電路中的兩個線圈距離不能太遠，必須保持在3cm之內，否則無法提供足夠穩定的電壓。