基于三維旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

劉科征

【摘 ?要】LED作為一種新型顯示器件，在當(dāng)前社會(huì)上得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的解決方案，借助人的視覺暫留，通過一排LED燈的高速旋轉(zhuǎn)，以機(jī)械掃描的方式來顯示各種字符或圖像。本文詳細(xì)分析了三維旋轉(zhuǎn)LED的顯示原理和制作過程，以8位單片機(jī)STC15F2K60S2作為主控芯片，時(shí)鐘部件采用DS1302。系統(tǒng)工作時(shí)，通過互感線圈進(jìn)行無線供電，采用紅外遙控技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行非接觸紅外控制。實(shí)踐表明，本三維旋轉(zhuǎn)LED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠，具有成本低、功耗f小、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，而其顯示的新穎性往往更能吸引人們的眼球，因此該設(shè)計(jì)有著十分廣闊的實(shí)用價(jià)值和商業(yè)前景。

【關(guān)鍵詞】LED;旋轉(zhuǎn);三維;顯示屏

引言

隨著顯示器件的發(fā)展，被譽(yù)為“照亮未來的技術(shù)”的LED（Light Emitting Diode-發(fā)光二極管），漸漸走近了我們的日常生活，并將推動(dòng)顯示器領(lǐng)域發(fā)生一次革命性巨變。目前，世界上對(duì)省能源、輕量化、小型化、高可信度的產(chǎn)品需求極為迫切，而LED顯示屏完全符合這些條件。LED屬于全固體冷光源，更小、更輕、更堅(jiān)固，工作電壓僅有兩伏特，使用壽命長(zhǎng)達(dá)十多年。

柱式旋轉(zhuǎn)LED顯示屏是一種新穎的顯示屏，總的來看，成本低、功耗小、顯示亮度大是其最大的優(yōu)點(diǎn)，另外 360 度的可視角度使之非常適合于像大廳和候車室之類的場(chǎng)合，尤其是一些廣告塔、樓頂?shù)葓?chǎng)合。旋轉(zhuǎn)LED顯示屏是一個(gè)新品種、新的發(fā)展方向。

本文的設(shè)計(jì)很好的解決了普通LED顯示屏中的不足，通過雙排LED旋轉(zhuǎn)顯示，使得可視范圍達(dá)到360°。主排基板采用32個(gè)高亮度LED，側(cè)排使用16個(gè)，總共48個(gè)LED，大大減少了LED數(shù)量，克服傳統(tǒng)LED顯示屏的不足，同時(shí)也能充分保證了顯示的清晰度。通過線圈供電，取代旋轉(zhuǎn)臂的電池供電，使懸臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，電路更加簡(jiǎn)單，使用壽命更久。

1.顯示原理分析

物體在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)人眼看到的影像消失后，人眼仍能繼續(xù)保留其影像，約0.1秒左右，這種現(xiàn)象稱為視覺暫留現(xiàn)象。利用這一特性，當(dāng)畫面以一定速率刷新時(shí)，人看到的就是連續(xù)的圖像。常見的LED顯示屏都是采用動(dòng)態(tài)電子掃描方式進(jìn)行顯示的。旋轉(zhuǎn)LED顯示屏則是通過控制一列LED所在平面內(nèi)圍繞其中點(diǎn)快速旋轉(zhuǎn)并同步改變發(fā)光狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描方式顯示器，只有一列，由電機(jī)帶動(dòng)它進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行到某一位置時(shí)就顯示該位置的狀態(tài)，到下一位置后又顯示下一位置的狀態(tài)，即一列顯示器件要完成全部圖像的顯示[1]。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過外接直流5 V電源對(duì)電機(jī)和無線供電線圈進(jìn)行供電。通過磁線圈的霍爾效應(yīng)對(duì)主板進(jìn)行供電，從而對(duì)單片機(jī)和LED供電，使單片機(jī)工作。電機(jī)帶動(dòng)主板和單片機(jī)旋轉(zhuǎn)。單片機(jī)通過串口寫入程序及要顯示文字、圖像等信息，并存儲(chǔ)在Flash中，單片機(jī)從Flash中讀取相應(yīng)的信息進(jìn)行顯示。通過紅外遙控進(jìn)行顯示信息的切換，以及人機(jī)交互。本系統(tǒng)還增加了模擬、數(shù)字時(shí)鐘的顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示;

3.硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1主顯示基板結(jié)構(gòu)

主顯示基板部分主要由供電線圈、紅外接收二極管、主控單片機(jī)和LED等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過STC15F2K60S2單片機(jī)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制LED點(diǎn)亮狀態(tài)，使電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一定角度，LED狀態(tài)改變一次，在旋轉(zhuǎn)到任何一個(gè)位置，都將有一個(gè)惟一確定的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，如果使LED旋轉(zhuǎn)速度足夠快，顯示屏便可以形成一個(gè)完整穩(wěn)定的圖案。

3.2設(shè)計(jì)原理圖

3.2.1主控單片機(jī)

STC15F2K60S2含有大容量2048字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，增強(qiáng)型8051內(nèi)核（STC Y5），速度比傳統(tǒng)8051快7～12倍，寬的電壓范圍（5.5～3.8V），低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)部高精度R/C時(shí)鐘，±1%溫飄（-40℃～+85℃），從5MHz～35MHz可選。具有8通道10位高速ADC，速度可達(dá)30萬次/秒。3路PWM還可當(dāng)3路D/A使用。具有硬件看門狗（WDT）、SPI高速同步串行通信接口、硬件乘法/除法指令等。每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過120mA。

故本設(shè)計(jì)選用了STC15F2K60S2作為主控制器。其最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

3.2.2電機(jī)

旋轉(zhuǎn)式顯示屏的掃描方式是機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)掃描，轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)顯示列來實(shí)現(xiàn)。為能讓人觀察到穩(wěn)定的完整的圖像，場(chǎng)掃描頻率要大于45Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速要在3000r/min左右。另外，電機(jī)必須具有良好的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，否則轉(zhuǎn)速不均勻會(huì)造成顯示圖像局部的水平失真（伸展或壓縮），從而感覺圖像不穩(wěn)定，所以一般采用穩(wěn)速電機(jī)。另外，顯示屏結(jié)構(gòu)要對(duì)稱，使其高速旋轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生震動(dòng)。

所以本設(shè)計(jì)選擇了RF-500TB有刷直流電機(jī)，其工作電壓為4-14V，具有很高的穩(wěn)定性。

3.2.3主基板供電

常見主板供電的方式有3種：1：是應(yīng)用最為廣泛的一種方案，直接用電池給主板供電，電池裝在主板上隨主板轉(zhuǎn)動(dòng)。此種方案的缺點(diǎn)是成本高，壽命短，由于主板負(fù)載電池增加了重量會(huì)影響轉(zhuǎn)速和主板平衡性。2：采用電刷供電，電刷對(duì)于接觸面的磨損很大，會(huì)對(duì)主板造成一定的損傷。如果要使用這種方案，需要在主板部分進(jìn)行特定加工，增加了工藝復(fù)雜度。3：也是本文采用的方案，用磁線圈對(duì)主板進(jìn)行供電。此種方案簡(jiǎn)單有效，對(duì)于主板也不會(huì)有任何損耗，缺點(diǎn)是供電效率偏低。但是對(duì)于本系統(tǒng)，已經(jīng)完全足夠提供系統(tǒng)工作。供電部分電路如圖4、圖5所示。

3.2.4主基板LED驅(qū)動(dòng)電路

主基板的LED驅(qū)動(dòng)電路采用STC15F2K60S2的12個(gè)I/O口連接4片74HC595驅(qū)動(dòng)32個(gè)LED，再使用單片機(jī)的16個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)16個(gè)LED，總共構(gòu)成48個(gè)LED燈組。電路圖如圖6、圖7所示;

4.程序設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C 語言編寫，系統(tǒng)首先對(duì)單片機(jī)的串口、中斷入口、DS1302時(shí)鐘、Flash等部分進(jìn)行初始化，完成后進(jìn)入顯示狀態(tài)。利用紅外遙控進(jìn)行畫面的切換，文字的切換等。其流程如圖8所示：

5.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的三維旋轉(zhuǎn)LED顯示系統(tǒng)（如圖9），體積小，功耗低，360°可視視角，成本低。通過實(shí)際運(yùn)行證明，其性能良好，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)有的功能，具有一定的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[3]徐 偉，李 鑫，張 強(qiáng)，朱雪冬.多功能旋轉(zhuǎn)LED時(shí)鐘技術(shù)的研究與開發(fā)[J].電子技術(shù)，2013，02.

[4]孫肖子等.《電子設(shè)計(jì)指南》.北京：高等教育出版社，2006.

[5]丁武鋒等.《MCU工程師煉成記》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013，9.

（作者單位：重慶郵電大學(xué)）