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

2019-09-10 15:52劉科征
關(guān)鍵詞:旋轉(zhuǎn)三維顯示屏

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合,尤其是一些廣告塔、樓頂?shù)葓龊?。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)簡化,電路更加簡單,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):

[1]胡曉泊,邸立鵬,鄭天宇,王彬.360°可視旋轉(zhuǎn)LED顯示屏開發(fā)[J].硅谷,2011,22.

[2]曾文會(huì),施松新,張華書,劉連哲,林寶聚.三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點(diǎn)陣機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014,7.

[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))

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