線陣LED 顯示裝置的多學(xué)科交叉融合設(shè)計研究

原曉楠，李瑞程，高心如，朱顏澤

（西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049）

隨著科學(xué)實驗技術(shù)的不斷發(fā)展和各類學(xué)科知識的交叉融合，對于各類裝置的設(shè)計研究不再停留在采用單一學(xué)科分析與解決的方法，基于電工電子技術(shù)、無線供電技術(shù)、機械設(shè)計技術(shù)、3D 打印技術(shù)等多學(xué)科交叉融合的背景，論文進行了以線陣LED 顯示裝置為主體的設(shè)計研究。LED 顯示技術(shù)因其功耗小、亮度高、抗干擾性能強的優(yōu)點已經(jīng)盛行多年，具有廣泛的市場應(yīng)用[1-2]。線陣LED 顯示裝置主要是利用人眼視覺暫留現(xiàn)象原理，通過將需要顯示的圖文進行點陣處理，使得線陣LED 迅速旋轉(zhuǎn)點亮相應(yīng)位置，從而完成圖形文字的顯示。為了保證裝置的穩(wěn)定性和供電方式的有效性[3-4]，利用機械設(shè)計技術(shù)進行了裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計并采用3D 打印技術(shù)進行了線陣LED 顯示裝置的制作。

1 設(shè)計原理

1.1 設(shè)計思路

線陣LED 顯示裝置要求由多只LED 構(gòu)成線狀點陣，選擇合適的主控芯片完成LED 的控制及紅外遙控功能，設(shè)計可安裝LED 線狀點陣的旋轉(zhuǎn)平臺并利用電動機帶動平臺旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)圖形顯示，基于系統(tǒng)要求規(guī)劃設(shè)計思路如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計思路

1.2 方案選擇

1.2.1 電機選擇

系統(tǒng)對電機具有平穩(wěn)、高轉(zhuǎn)速、環(huán)保、節(jié)能且無需實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能的要求，通過對比表1 中不同電機的性能，最終選擇型號為25GA370 直流減速電機。電機正常工作電壓為6 V，轉(zhuǎn)速為620 r/min，滿足視覺暫留現(xiàn)象原理以形成完整圖案，同時擁有較大的扭矩，體積較小，成本較低，對于精煉裝置有很大的幫助。

表1 電機性能比較

1.2.2 供電方案選擇

系統(tǒng)涉及電機、LED 與單片機的供電，電機處于裝置底部，可采用直流電源模塊供電，LED與單片機處于裝置頂部旋轉(zhuǎn)部分，采用一般的有線供電方式容易造成導(dǎo)線纏繞，因此考慮采用電磁感應(yīng)原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量傳遞的無線供電[5-6]，針對其距離問題，融合機械結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)為線圈設(shè)置凸臺，從而減少兩線圈之間的距離，達到最好的供電效果。

1.2.3 單片機選擇

由于系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分體積的限制，要求控制模塊占用空間盡可能小，因此選用高集成度、體積小、高可靠性的STC89C52 芯片，它具有優(yōu)良的I/O 口邏輯操作位處理能力，完全滿足LED 控制和紅外控制的要求，只需基于STC89C52 芯片搭建最小系統(tǒng)即可完成系統(tǒng)控制功能。

1.2.4 LED 選擇

使用型號為WS2812 的集成化智能外控LED燈帶，其最大優(yōu)勢在于其通信方式為單總線通訊，只需要使用一個I/O 口控制，并且由于燈珠內(nèi)置驅(qū)動電路，有一個數(shù)據(jù)輸入口和一個數(shù)據(jù)輸出口，可以將接收到的數(shù)據(jù)再次發(fā)送給下一個燈珠，大大避免了走線問題。燈珠對應(yīng)的每個像素點的三基色可實現(xiàn)256 級亮度顯示，完成16 777 216種全真色彩顯示[7]，保證了顯示顏色與閃爍模式的多樣性。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由主控單片機、紅外遙控模塊、LED模塊、電機模塊與供電模塊組成，其中供電模塊包括為電機供電的電源模塊與為旋轉(zhuǎn)部分供電的無線供電模塊。單片機主控板置于旋轉(zhuǎn)臂一側(cè)的電控盒中，對整個系統(tǒng)進行控制，同時可接收紅外遙控模塊的指令，對LED 模式進行調(diào)整，改變圖形顯示狀態(tài)，當?shù)撞侩娫唇油〞r電機工作，實現(xiàn)圖像顯示。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

系統(tǒng)的主控模塊為STC89C52 單片機最小系統(tǒng)，搭載在旋轉(zhuǎn)臂一側(cè)的電器盒中，包括STC89C52芯片、阻容復(fù)位電路以及晶振電路[8]，如圖2 所示。搭建好的主控模塊體積很小，滿足旋轉(zhuǎn)部分的要求。

圖2 主控模塊電路原理

2.2 紅外通信模塊

系統(tǒng)通過紅外通信方式實現(xiàn)LED 的顯示模式切換[9]。遙控器發(fā)出38 kHz 的間斷脈沖，紅外接收模塊接收到信號并進行放大，檢波整形得到TTL 編碼信號[10]，實現(xiàn)信號地解碼后交由單片機處理，從而對LED 顯示模式進行控制。紅外通信模塊電路原理如圖3 所示。

圖3 紅外通信模塊電路原理

2.3 供電模塊

供電模塊由電源模塊與無線供電模塊兩部分組成，如圖4 所示。電源模塊位于固定底座，用來給電機供電；無線供電模塊通過無線傳輸方式將固定部分的電源傳輸至旋轉(zhuǎn)部分完成供電，無線供電模塊輸入電壓為12 V，在最佳距離3～6 mm時可在接收端輸出5 V 電壓[11]，以供給電器盒內(nèi)的電路。

圖4 電源模塊電路原理

2.4 電機模塊

系統(tǒng)的顯示原理基于人眼視覺暫留現(xiàn)象原理，即光對視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍保留一段時間的現(xiàn)象而設(shè)計，現(xiàn)有科學(xué)研究表明，人眼視覺暫留的維持時間為0.1～0.4 s[12-13]。為保證完整圖像顯示，旋轉(zhuǎn)臂需要在0.3 s 內(nèi)完成一圈的轉(zhuǎn)動，即旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速需達到200 r/min。由于系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)臂與電機輸出軸之間采取直接連接的方式，所以電機所需的最小轉(zhuǎn)速為200 r/min。25GA370 直流減速電機空載轉(zhuǎn)速為620 r/min，負載轉(zhuǎn)速為500 r/min，接入直流電源即可滿足視覺暫留要求，形成穩(wěn)定的圖像顯示效果。

3 軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

系統(tǒng)整體程序設(shè)計流程如圖5 所示，首先初始化各模塊，之后調(diào)用紅外接收解碼函數(shù)接收遙控信號，根據(jù)遙控信號調(diào)用對應(yīng)的模式函數(shù)對燈帶模式進行設(shè)置并完成數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)圖像顯示。

圖5 系統(tǒng)整體程序設(shè)計流程

3.2 模式設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)定了6 種模式，可以分別實現(xiàn)不同的動態(tài)圖像，模式設(shè)置功能如表2 所示。將燈珠RGB 的值放入數(shù)組WS2812_Buffer[i][j]（0≤j≤2），其中第一維度i對應(yīng)燈珠序號，第二維度j對應(yīng)R、G、B。以由內(nèi)向外的同心圓圖圖像顯示為例，在第i次循環(huán)中根據(jù)需要顯示的顏色改變數(shù)組WS2812_Buffer[i][j]的值，并將數(shù)組中其余元素全部設(shè)置為0，數(shù)據(jù)傳輸至燈帶后延時0.5 s 以滿足人眼視覺暫留現(xiàn)象原理，亮起的燈珠將形成一組同心圓，并以0.5 s 為間隔不斷向外擴大。其他模式的設(shè)計原理相同，但需要在此基礎(chǔ)上對WS2812_Buffer 數(shù)組的值、延時時間進行調(diào)節(jié)[14]。

表2 模式設(shè)置功能表

4 機械設(shè)計

系統(tǒng)整體采用分離式設(shè)計，即底座與旋轉(zhuǎn)部分配合安裝。底座部分包括上底盤、電機套筒、開關(guān)盒等，旋轉(zhuǎn)部分包括裝有燈帶的轉(zhuǎn)動臂及放置單片機控制系統(tǒng)的芯片盒，具體機械結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)巧妙采用機械結(jié)構(gòu)設(shè)計解決系統(tǒng)平衡問題及后期維修更換問題，在電器盒底部設(shè)置中空結(jié)構(gòu)放置配重鐵片，用于平衡電氣盒與轉(zhuǎn)動臂產(chǎn)生的力，配套設(shè)計可推拉蓋板，電器盒與轉(zhuǎn)動發(fā)光臂也采取分離設(shè)計，二者通過固定銷連接，方便零部件的替換與檢查[15]。轉(zhuǎn)動發(fā)光臂上設(shè)計凹槽以固定燈帶防止甩動，連接部分巧妙采取半圓契合方式以達到傳遞轉(zhuǎn)矩的效果，為保持穩(wěn)定，連接部分與電機同軸，并在單臂另一側(cè)配重以達到力平衡，整個旋轉(zhuǎn)部分都采用抽殼方式減輕重量，節(jié)約用料，最終完成的系統(tǒng)實物如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實物

5 拓展設(shè)計

通過進一步拓展算法配合設(shè)計電機轉(zhuǎn)速反饋電路可以實現(xiàn)高級圖像顯示，如圖8 所示。設(shè)連續(xù)接收到兩次脈沖信號的時間間隔為ΔT，轉(zhuǎn)動部分的旋轉(zhuǎn)角速度為ωn，以轉(zhuǎn)動中心為極點，規(guī)定一條極軸，以逆時針為正方向建立極坐標系，可以得到任意時刻下，轉(zhuǎn)軸所處的極坐標位置θ：

圖8 靜態(tài)圖片顯示原理

當?shù)谝活w燈珠中心與極坐標系極點重合，相鄰燈珠距離為δ，可以通過極徑ρ表示出每一顆燈珠在位置θ下所處的線性位置：

第n個燈珠在t時刻所處的空間位置坐標為：

基于WS2812 燈帶，可以通過輸入特定的PWM波對第n個燈珠的RGB 進行控制，將這種控制關(guān)系描述為：

根據(jù)這一對應(yīng)關(guān)系，可以推導(dǎo)出LED 高級圖像顯示模式下，圖片或文字信息的表示方法：

6 結(jié)束語

論文以線陣LED 顯示裝置的設(shè)計與研究為主體，從項目整體分析、元件選型、電路設(shè)計、軟件編程、機械設(shè)計等多角度進行裝置的探索與實驗，在研究過程中有效交叉融合電工電子技術(shù)、無線供電技術(shù)等電類知識與機械設(shè)計技術(shù)、3D 打印技術(shù)于一體，進行裝置性能的實現(xiàn)與提高，通過多次實驗調(diào)試形成了穩(wěn)定、清晰、節(jié)能、多樣的線陣LED 顯示裝置。系統(tǒng)研究過程中多學(xué)科知識有機結(jié)合解決復(fù)雜問題的方法充分驗證了多學(xué)科交叉融合在實驗研究中的重要作用，為后續(xù)的科學(xué)研究工作提供了有效的經(jīng)驗。