基于三維旋轉LED顯示屏的實驗設計

劉科征

【摘 ?要】LED作為一種新型顯示器件，在當前社會上得到了廣泛的應用。本文設計了一種旋轉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，以機械掃描的方式來顯示各種字符或圖像。本文詳細分析了三維旋轉LED的顯示原理和制作過程，以8位單片機STC15F2K60S2作為主控芯片，時鐘部件采用DS1302。系統工作時，通過互感線圈進行無線供電，采用紅外遙控技術，對系統進行非接觸紅外控制。實踐表明，本三維旋轉LED顯示系統設計可靠，具有成本低、功耗f小、實用性強等特點，而其顯示的新穎性往往更能吸引人們的眼球，因此該設計有著十分廣闊的實用價值和商業前景。

【關鍵詞】LED;旋轉;三維;顯示屏

引言

隨著顯示器件的發展，被譽為“照亮未來的技術”的LED（Light Emitting Diode-發光二極管），漸漸走近了我們的日常生活，并將推動顯示器領域發生一次革命性巨變。目前，世界上對省能源、輕量化、小型化、高可信度的產品需求極為迫切，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、更堅固，工作電壓僅有兩伏特，使用壽命長達十多年。

柱式旋轉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點，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、樓頂等場合。旋轉LED顯示屏是一個新品種、新的發展方向。

本文的設計很好的解決了普通LED顯示屏中的不足，通過雙排LED旋轉顯示，使得可視范圍達到360°。主排基板采用32個高亮度LED，側排使用16個，總共48個LED，大大減少了LED數量，克服傳統LED顯示屏的不足，同時也能充分保證了顯示的清晰度。通過線圈供電，取代旋轉臂的電池供電，使懸臂結構簡化，電路更加簡單，使用壽命更久。

1.顯示原理分析

物體在快速運動時，當人眼看到的影像消失后，人眼仍能繼續保留其影像，約0.1秒左右，這種現象稱為視覺暫留現象。利用這一特性，當畫面以一定速率刷新時，人看到的就是連續的圖像。常見的LED顯示屏都是采用動態電子掃描方式進行顯示的。旋轉LED顯示屏則是通過控制一列LED所在平面內圍繞其中點快速旋轉并同步改變發光狀態來實現圖像的顯示。機械旋轉掃描方式顯示器，只有一列，由電機帶動它進行旋轉，運行到某一位置時就顯示該位置的狀態，到下一位置后又顯示下一位置的狀態，即一列顯示器件要完成全部圖像的顯示[1]。

2.系統總體設計

通過外接直流5 V電源對電機和無線供電線圈進行供電。通過磁線圈的霍爾效應對主板進行供電，從而對單片機和LED供電，使單片機工作。電機帶動主板和單片機旋轉。單片機通過串口寫入程序及要顯示文字、圖像等信息，并存儲在Flash中，單片機從Flash中讀取相應的信息進行顯示。通過紅外遙控進行顯示信息的切換，以及人機交互。本系統還增加了模擬、數字時鐘的顯示。系統總體框圖如圖1所示;

3.硬件的設計與實現

3.1主顯示基板結構

主顯示基板部分主要由供電線圈、紅外接收二極管、主控單片機和LED等部分構成，結構如圖2所示，通過STC15F2K60S2單片機根據電機的轉速控制LED點亮狀態，使電機每旋轉一定角度，LED狀態改變一次，在旋轉到任何一個位置，都將有一個惟一確定的狀態相對應，如果使LED旋轉速度足夠快，顯示屏便可以形成一個完整穩定的圖案。

3.2設計原理圖

3.2.1主控單片機

STC15F2K60S2含有大容量2048字節片內RAM數據存儲器，增強型8051內核（STC Y5），速度比傳統8051快7～12倍，寬的電壓范圍（5.5～3.8V），低功耗設計，內部高精度R/C時鐘，±1%溫飄（-40℃～+85℃），從5MHz～35MHz可選。具有8通道10位高速ADC，速度可達30萬次/秒。3路PWM還可當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I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過120mA。

故本設計選用了STC15F2K60S2作為主控制器。其最小系統原理圖如圖3所示。

3.2.2電機

旋轉式顯示屏的掃描方式是機械轉動掃描，轉動由電機帶動顯示列來實現。為能讓人觀察到穩定的完整的圖像，場掃描頻率要大于45Hz，電機轉速要在3000r/min左右。另外，電機必須具有良好的轉速穩定性，否則轉速不均勻會造成顯示圖像局部的水平失真（伸展或壓縮），從而感覺圖像不穩定，所以一般采用穩速電機。另外，顯示屏結構要對稱，使其高速旋轉時不發生震動。

所以本設計選擇了RF-500TB有刷直流電機，其工作電壓為4-14V，具有很高的穩定性。

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動。此種方案的缺點是成本高，壽命短，由于主板負載電池增加了重量會影響轉速和主板平衡性。2：采用電刷供電，電刷對于接觸面的磨損很大，會對主板造成一定的損傷。如果要使用這種方案，需要在主板部分進行特定加工，增加了工藝復雜度。3：也是本文采用的方案，用磁線圈對主板進行供電。此種方案簡單有效，對于主板也不會有任何損耗，缺點是供電效率偏低。但是對于本系統，已經完全足夠提供系統工作。供電部分電路如圖4、圖5所示。

3.2.4主基板LED驅動電路

主基板的LED驅動電路采用STC15F2K60S2的12個I/O口連接4片74HC595驅動32個LED，再使用單片機的16個I/O口驅動16個LED，總共構成48個LED燈組。電路圖如圖6、圖7所示;

4.程序設計流程

系統的軟件設計采用C 語言編寫，系統首先對單片機的串口、中斷入口、DS1302時鐘、Flash等部分進行初始化，完成后進入顯示狀態。利用紅外遙控進行畫面的切換，文字的切換等。其流程如圖8所示：

5.結語

本文設計的三維旋轉LED顯示系統（如圖9），體積小，功耗低，360°可視視角，成本低。通過實際運行證明，其性能良好，實現了應有的功能，具有一定的商業應用價值。

參考文獻：

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

[2]曾文會，施松新，張華書，劉連哲，林寶聚.三維多自由度旋轉LED點陣機電系統的設計與開發[J].組合機床與自動化加工技術，2014，7.

[3]徐 偉，李 鑫，張 強，朱雪冬.多功能旋轉LED時鐘技術的研究與開發[J].電子技術，2013，02.

[4]孫肖子等.《電子設計指南》.北京：高等教育出版社，2006.

[5]丁武鋒等.《MCU工程師煉成記》.北京：機械工業出版社，2013，9.

（作者單位：重慶郵電大學）