基于POV的兩類旋轉LED屏的研究與實現

【摘要】本文介紹了一種基于POV的旋轉線陣LED顯示屏的設計過程。首先分析圓形和柱面兩種類型旋轉線陣LED屏的顯示原理，進而將這兩種顯示類型進行集成。通過圓形LED顯示屏實現模擬時鐘、數字時鐘和笑臉圖案的靜動態顯示，通過圓柱面LED顯示屏實現下拉顯示、漢字顯示、打印字效果顯示以及3種動畫的顯示。文章最后還實現了兩類顯示屏的同時多模協同顯示。

【關鍵詞】POV；LED紅外遙控；STC12DS1302旋轉；LED時鐘

1.引言

視覺暫留（POV）即視覺的短暫停留。人眼觀看物體時，物體的像會成到視網膜上。視網膜上的光感細胞將光信號轉換為生物電信號通過視神經傳給大腦。然而，當物體移去后，視神經對物體的印象不會立刻消失。現代醫學已經證明，人眼看到一個物體后，在1/24秒內不會消失。這種現象叫做視覺暫留，也叫人眼的惰性。這種惰性會使人的視覺產生重疊，使物體“變靜為動”。所以，以每秒超過24幀畫面以上連續呈現靜態畫面時，我們會看到平滑連續的動態畫面。

基于視覺暫留的旋轉線陣LED顯示屏指的是利用人眼的視覺暫留效應[1]，通過機械掃描的方式讓一列線陣LED在正確的位置上使特定的LED發光而形成圖形、文字等的一種顯示屏。按其機械結構，旋轉線陣LED顯示屏主要有圓形[2～3]和圓柱面[4～5]兩種基本類型（另外還有球形、漏斗形等顯示屏，它們實質上只是圓柱形顯示屏的一種特例）。

2.POV顯示原理

2.1 圓形顯示原理

在基于POV的圓形旋轉線陣LED顯示屏中，一個條狀PCB板上集成了20個貼片型發光LED，下文簡稱線陣LED1。集成有LED的PCB板繞其一端隨電動機轉動，當轉動到合適的角度時點亮合適的LED就可以顯示需要顯示的內容，其示意圖如圖1所示，而在何處點亮哪些LED就應該符合圓形LED屏的顯示原理，圖2和圖3分別描述了圓形指針式時鐘和數字式時鐘的顯示原理。

在圖2中，圖2（1）指定了20顆LED用于顯示表盤、時間刻度、時針、分針和秒針的顆數及分布。明顯可以看出最內和最外一顆用于顯示表盤的內圈和外圈。自內向外，第1～9顆用于顯示時針，第1～12顆用于顯示分針，第1～15顆用于顯示秒針，第17～19顆用于顯示時間刻度。具體來講，3顆亮表示12點刻度，2顆亮表示3、6、9點刻度，1顆亮表示其余時間刻度。為了將時針與刻度隔開而提高時鐘的易讀性，第16顆LED一直不亮。在線陣LED的每一圈旋轉過程中，在圖示的位置點亮對應的LED并延時 就可以顯示出當前時刻。圖2（2）中顯示的時刻為03：40：00。

圖3描述了圓形LED顯示屏顯示數字的原理，即是在每一圈旋轉內的 時時間內，點亮第1、7、11、15及20顆LED，在 的下一個時刻點亮第1、7～15及20顆LED就可以顯示數字3。特別地，起始起始 、延時時間 及字符歷經時長 的具體計算在本文后面有詳細的推證過程。

2.2 圓柱面型顯示原理

基于POV的圓柱面型旋轉線陣LED顯示屏的結構如圖4所示。本設計在圓形LED顯示屏的基礎上增加了一個豎直的集成有17顆貼片LED的PCB板，下文稱線陣LED2。當然，為了維持系統旋轉的平穩性，在另一端我們增加了螺柱等使兩端重量平衡。當線陣LED2隨著電動機旋轉時，在的合適的位置點亮特定的LED，在視覺暫留的影響下我們就能看到各種文字和圖形。圖5描述了圓柱面型旋轉線陣LED顯示屏顯示字母D的工作原理。

在圖5中，圖5（0）指定了17顆LED的相應功能，即自上而下第1～16顆LED是顯示LED，第17顆為底邊線LED；圖5（1～8）描述了圓柱面型LED顯示屏顯示字母D的詳細過程，即根據字母D的字模數據在每一圈旋轉內的起始時刻 點亮第3、13及17顆LED，在接下來的時刻分別點亮第3～13和17顆，第3、13及17顆，第3、13及17顆，第3、13及17顆，第4、12及17顆，第5～11和17顆最后再全部不亮就可以顯示出字母D。

3.旋轉線陣LED屏設計

3.1 機械結構

旋轉線陣LED顯示屏的機械結構如圖6所示，結構要求重量均勻分布在電機轉動軸兩旁。本文將單片機、時鐘芯片、線陣LED、一體化紅外接收頭等器件焊接在一塊指針型的電路板上，這樣可以使旋轉的電路成為一個獨立的部分。電路板一端鉆一個電機軸插孔，插孔為半圓且半徑與電機軸相等。電機軸插入其中帶動指針板旋轉。

3.2 系統通信設置

在設計中，顯示屏顯示的內容、顯示模式切換以及當前時刻的設定都是通過紅外無線通信實現的。在圖6中，紅外一體化接收頭（HS0038）接收由手持遙控器發出的頻率為38KHz的間斷脈沖，HS0038對接收信號進行放大、檢波整形后得到TTL編碼信號直接給單片機解碼出調時、數字顯示或指針顯示三種不同的控制信號。

3.3 起始位置校準

電機轉速的穩定性直接決定了顯示是否有重影和浮影。然而，要其完全不變是不可能的。在這種情況下，誤差會積累而形成浮影。所以，對起始位置的不斷矯正是理由非步進電機制作旋轉LED顯示屏必不可少的技術。參考文獻[9]通過磁電傳感器檢測置于固定位置的小鋼粒來不斷定位起始位置消除積累誤差。本文在指針板上加裝一個紅外接收管。當接收到與之配對的紅外發光二極管（紅外發光二極管安裝在電機外殼上，并與接收管對齊）發出的紅外線后，就會反向導通產生低電平而觸發外部中斷。指針板每旋轉一周，就會產生這樣一個中斷信號，這個信號被稱為“過零信號”。外部中斷的任務是將旋轉角度清零，以此消除積累誤差。

3.4 系統供電設計

由于單片機、線陣LED等會隨高速旋轉的電動機旋轉。有線供電實現復雜、不穩定且存在安全隱患。再為了讓DS1302掉電也能工作，本文DS1302芯片用普通紐扣電池供電而線陣LED采用無線的方式供電。參考文獻[10]指出，無線供電技術就是通過電磁感應原理，將電能以無線的方式傳輸給負載。無線供電的裝置一般由兩個分離的線圈，稱為初級線圈和次級線圈，構成。但這就需要在初級線圈上提供交流電。所以，本文通過電刷的方式將直流電轉換為交流電。無線供電的結構及電路圖如圖8所示。在圖8（1）中，將與電機同規格的換向器及電刷套在軸上。固定的換向器與上部旋轉的部分連接。

4.結論

本文詳細研究了基于POV的兩類線陣LED旋轉時鐘的工作原理。在此基礎上，通過Mult-isim、proteus等仿真軟件對系統的硬件進行嚴密仿真，用C語言進行了程序編寫。最終實現了圓形LED顯示屏的模擬式時針時鐘、數字式時鐘、和笑臉圖案的靜動態顯示，圓柱面LED顯示屏的下拉顯示、漢字顯示、打印字效果顯示和3種動畫顯示。同時，本文還實現了兩類顯示屏的同時多模協同顯示。部分的顯示結果如圖9所示。

參考文獻

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[10]李文君.無線供電技術的設計與應用[J].電子質量， 2011，08：40-41.

西南科技大學智能機器人創新實踐班基金項目。

作者簡介：

閻歡（1991—），女，四川達州人，大學本科，現就讀于西南科技大學智能機器人創新實踐班，主要研究方向：電子信息工程。

任健銘（1990—），男，碩士研究生在讀，主要研究方向：無線移動通信、FPGA軟硬件設計及射頻電路。