一種基于POV技術的無限供電旋轉LED屏

楊國+李威

摘 要：新型POV旋轉 LED顯示系統采用PID閉環控制，使直流電機驅動一排LED陣列圍繞固定軸做旋轉運動，由于人的視覺暫留效應，陣列上的LED顯示會轉成平面顯示方式。

關鍵詞：LED 視覺暫留 MSP430

本系統基于德州儀器（TI）公司的 MSP430 Value Line系列超低功耗單片機，利用PID算法對LED電路進行恒速旋轉控制，形成旋轉點陣平面，同時，MCU根據轉速調節 LED的刷新率，并根據 LED所處位置控制特定 LED的點亮和熄滅，達到顯示的目的。

1、總體設計

本設計在硬件結構上分為兩部分，分別是底座部分和旋轉體部分。底座部分主要由電源管理模塊和電機控制模塊構成。電源管理模塊負責對設備供電進行管理分配和保護，電機控制模塊使用改進后的數字PID算法控制直流電機恒轉速旋轉；旋轉體部分負責驅動線陣 LED，并對所需字符和圖案進行實時的顯示。

2、旋轉LED底座電路

2.1 鋰電池保護及充電電路設計

本設計的內置鋰電池選用18650型鋰電池。這就要求本設計必須設計鋰電池保護電路，在非正常使用的情況下切斷鋰電池電路來保證人身和系統的安全。經過對元器件的選型，本設計選用DW01+FS8205A的鋰電池保護方案。電路原理圖如圖1所示：

在保護鋰電池的同時，電池對充電也有較高的要求。本設計選用南京拓微集成電路有限公司的TP4057鋰電池管理芯片。TP4057可以對單節電池進行充電管理，具有防反接保護功能。根據計算的參數及電子設計經驗，充電電路部分的原理圖如圖2所示。

2.2 電源管理及DC/DC升壓電路設計

本設計選用德州儀器公司的LMR62421芯片進行升壓變換。該芯片采用SOT23封裝，1.6MHz的開關頻率使得外部電容電感可以取盡可能小的值，同時，該芯片具有內部軟啟動電路，這將強制使穩壓器的輸出以一種更加線性和受控的形式斜坡上升，從而有助于減小浪涌電流。參考TI給出的典型應用電路，我們對升壓電路的設計原理圖如圖3所示：

2.3直流電機驅動電路設計

由于本設計的直流電機只需要按一個方向旋轉而不需要進行反轉，因此電機驅動電路較為簡單。利用編碼器對電機轉速進行采集，通過 PID算法便可對電機進行恒速控制。電機驅動電路如圖4所示：

2.4紅外遙控接收電路

為了更方便的對本設計進行控制，系統采用紅外遙控取代傳統的按鍵。紅外遙控器由編碼調制電路和紅外發光管構成。在現階段最常用的則是NEC標準的 UPD6121編碼。該編碼格式將紅外光利用PWM方式調制到38KHz。為了使用方便，本方案采用一體化紅外接收管VS1838b對紅外信號進行接收。

2.5無線供電發射電路設計分析

根據電磁感應原理，交變的電場產生磁場，交變的磁場產生電場。無線供電線圈的原邊和副邊是沒有任何物理上的連接的，因此在空間上更加的自由。但是，由于線圈之間只有空氣，不能進行緊密的耦合，因此當線圈間距太遠時，漏磁也會變得更加嚴重。本設計中，線圈的間隙（Gap）大約為2mm。本設計的無線供電原理圖如圖5所示：

2.6單片機最小系統

本設計選用德州儀器公司MSP430G2553超低功耗單片機。最小系統原理圖如圖6所示：其中 TPS76933是 TI公司的一款3.3VLDO穩壓器，用來產生3.3V電壓為單片機供電，Y1為32768Hz晶體震蕩器，可以經過13分頻產生標準的1Hz信號。該系列單片機使用 SBW雙線JTAG下載方式，下載接口為 RST和 TEST，為了在調試過程中下載方便，在 PCB制作過程中此處接口使用 MINI-USB接口。

3、旋轉體部分電路

3.1無線供電接收電路設計

無線供電接收部分的電路較為簡單。無線電次級線圈經肖特基二極管全橋整流后，使用220uF電解電容濾波，即可得到直流電。經過實際調試，所得到的電壓為5.5V。

3.2 LED驅動電路設計

通常，在單片機IO口資源不足，或對外設速率要求不高時，常用這種方法擴展輸出口。因MSP430具有硬件 SPI的功能，本設計中74HC595的時鐘信號和數據信號直接與硬件SPI的CLK和MOSI相連，可以高速的控制64顆LED。

3.3其它功能電路設計

功能電路主要由 RTC時鐘電路、中文字庫電路、紅外檢測電路構成。

4、總結

相比傳統的點陣式 LED顯示屏，本文提出的旋轉 LED顯示器可以很好的解決其散熱問題和分辨率問題，同時也使屏幕的可視角度增加至360°，并且大大的增加了觀賞性。endprint