一種無接觸供電的旋轉(zhuǎn)LED顯示裝置設(shè)計(jì)

甕嘉民，周成虎

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

目前，旋轉(zhuǎn)LED顯示屏已廣泛應(yīng)用于廣告行業(yè)及車站、銀行、商場等公共場所，它具有功耗小、壽命長、色彩好、可視范圍大等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但是其顯示畫面不穩(wěn)定[3]、旋轉(zhuǎn)體的供電方式和顯示數(shù)據(jù)的更新方法等諸多問題限制了旋轉(zhuǎn)LED顯示裝置在實(shí)際中的應(yīng)用，提出了一種無接觸供電的新型旋轉(zhuǎn)LED顯示裝置設(shè)計(jì)方案.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

1 設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)和固定兩部分構(gòu)成,如圖1所示.其中，旋轉(zhuǎn)部分主要由CC2430無線數(shù)據(jù)接收電路、非接觸供電接收及變換電路、紅外接收電路和LED顯示屏電路構(gòu)成；固定部分主要由計(jì)算機(jī)、CC2430無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路、PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)、非接觸供電的發(fā)射電路、紅外發(fā)射電路和電源電路構(gòu)成.

2 無線數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)和旋轉(zhuǎn)體之間顯示數(shù)據(jù)的傳輸主要有有線和無線兩種方式，本系統(tǒng)采用近距離ZigBee無線通信方式的CC2430芯片[4]，芯片電路原理如圖2所示.

CC2430 的外圍元件數(shù)目很少，數(shù)據(jù)發(fā)射和數(shù)據(jù)接收均使用一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器使天線性能更好.電路中的非平衡變壓器由電容 C341和電感L1，L2，L3以及一個(gè) PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 Ω)的要求.內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換.R221，R261為偏置電阻，其中R221主要用于為 32 MHz的晶體振蕩器提供合適的工作電流，用一只 32 MHz石英諧振器和兩只電容 C191，C211 構(gòu)成 32 MHz晶體振蕩器電路.電壓穩(wěn)壓器為所有1.8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電[5].

圖2 無線數(shù)據(jù)通信原理圖Fig.2 Schematic diagram of wireless data communications

另外，PC機(jī)將顯示數(shù)據(jù)通過MAX232送到固定部分的CC2430，然后通過天線發(fā)射到旋轉(zhuǎn)部分的CC2430.在旋轉(zhuǎn)部分中，CC2430一方面接收來自固定部分的數(shù)據(jù)，另一方面不間斷地將紅外管測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速通過天線傳給固定部分的CC2430.在固定部分中，CC2430根據(jù)實(shí)測的電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)PWM輸出，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行穩(wěn)定，以達(dá)到LED顯示裝置顯示畫面穩(wěn)定的目的.

圖3 同步位置和速度檢測電路Fig.3 Simultaneous position and velocity detection circuit

3 同步位置和電機(jī)速度檢測設(shè)計(jì)

顯示的圖像或文字要穩(wěn)定，同步是關(guān)鍵.相位同步檢測電路通常采用霍爾元件，當(dāng)顯示屏旋轉(zhuǎn)到磁鐵所在位置時(shí)，霍爾元件將會(huì)輸出一個(gè)低電平脈沖至單片機(jī)作為位置基準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)而更新顯示內(nèi)容,電路如圖3所示.R4和VD4構(gòu)成紅外發(fā)射電路，R5和VD5組成紅外接收電路，INT1連接到旋轉(zhuǎn)部分C2430的P1_3，P1_3定義為外部中斷.當(dāng)旋轉(zhuǎn)板上的紅外接收管每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈就會(huì)導(dǎo)通一次，觸發(fā)旋轉(zhuǎn)部分的CC2430單片機(jī)中斷一次，實(shí)現(xiàn)了字符或圖像的信息讀取和旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算.

4 同步位置和電機(jī)速度檢測設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的供電方式主要有電池供電、電刷供電、小型發(fā)電機(jī)供電和非接觸供電.其中，非接觸供電(CPT) 是一種新的供電方式，無需任何物理上的連接，可以方便地將電能無接觸地傳輸給負(fù)載，其優(yōu)點(diǎn)是無觸點(diǎn)、壽命長.因此，本系統(tǒng)采用這種方式.

圖4 非接觸供電電路Fig.4 Non-contact power supply circuit

非接觸供電電路原理如圖4所示.分裂電感L21和L22與功率開關(guān)管VT1和VT2構(gòu)成自激推挽式變換器電路，每一個(gè)開關(guān)管的控制電壓分別取自另外一個(gè)開關(guān)管的兩端電壓.在理想情況下，兩個(gè)開關(guān)管的參數(shù)相同.初始時(shí)刻，開關(guān)管VT1和VT2都處于關(guān)斷狀態(tài).當(dāng)電路接通時(shí)，電源電壓同時(shí)作用于開關(guān)管的控制端，使它們同時(shí)導(dǎo)通.由于實(shí)際電路元件參數(shù)并不完全相同，兩個(gè)開關(guān)管兩端的電壓不相等，如VT1的端電壓較低，則VT2的控制電壓較低，使VT2的端電壓更高，從而使VT1的控制電壓更高，使VT1的端電壓更低，這樣就形成了正反饋，最后VT2完全關(guān)斷，而VT1完全導(dǎo)通.隨著諧振電容C31兩端電壓的改變，兩個(gè)開關(guān)管在電壓過零時(shí)交替導(dǎo)通和斷開，系統(tǒng)中的開關(guān)器件自動(dòng)運(yùn)行在零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS)模式下.L31和L32組成無接觸耦合變壓器，其中C31和C32為原邊、副邊補(bǔ)償電容，原邊變換器和原邊載流線圈L31屬于固定不動(dòng)部分；副邊感應(yīng)線圈、副邊變換器和LED顯示屏為旋轉(zhuǎn)部分.原邊與副邊之間不存在電氣連接.副邊的VD1，VD2和C5，C6構(gòu)成升壓整流電路，經(jīng)L4和C7濾波后由DC-DC芯片MC34063降壓到+5 V(其中MC34063工作于大電流模式)，一方面由MC34063輸出+5 V電壓經(jīng)DC-DC變換芯片TPS767D318輸出3.3 V和1.8 V供旋轉(zhuǎn)部分的CC2430模塊使用，另一方面直接給LED顯示屏供電.

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 固定部分的軟件設(shè)計(jì)

固定部分的CC2430軟件的主要功能是隨時(shí)接收計(jì)算機(jī)發(fā)送來的新的顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到旋轉(zhuǎn)部分的CC2430，并接收來自固定部分CC2430反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)測電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PWM的輸出，進(jìn)而調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)LED屏的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到顯示畫面穩(wěn)定的目的，其主流程圖如圖5所示.

5.2 旋轉(zhuǎn)部分的軟件設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)部分的CC2430的主要作用有3個(gè)方面，首先是通過通信中斷獲得新的顯示數(shù)據(jù)，并存入FLASH存儲(chǔ)器中；其次是根據(jù)紅外中斷，更新屏的顯示內(nèi)容，同時(shí)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；最后是定時(shí)到0.1 s，將測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)送給固定部分的CC2430.旋轉(zhuǎn)部分的主流程圖如圖6所示.

圖5 固定CC2430主程序流程圖Fig.5 Fixed CC2430 main program flow chart

圖6 旋轉(zhuǎn)CC2430主程序流程圖Fig.6 Rotation CC2430 main program flow chart

6 結(jié)論

針對(duì)旋轉(zhuǎn)LED顯示裝置存在的諸多問題，設(shè)計(jì)了基于無接觸供電、ZigBee通信和PWM調(diào)速的新型旋轉(zhuǎn)LED顯示裝置的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其運(yùn)行效果良好.

參考文獻(xiàn)：

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