無(wú)線供電線狀LED旋轉(zhuǎn)燈的研制

崔遠(yuǎn)慧,陳鶴升,談博強(qiáng),王智森

(大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

無(wú)線供電線狀LED旋轉(zhuǎn)燈的研制

崔遠(yuǎn)慧,陳鶴升,談博強(qiáng),王智森

(大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

從降低LED顯示系統(tǒng)的功耗出發(fā)，研制了一款基于電磁感應(yīng)原理、由互感線圈無(wú)線供電的低功耗LED旋轉(zhuǎn)燈。該旋轉(zhuǎn)燈由3 V直流電源向直流電機(jī)和無(wú)線模塊XKT-510供電；電機(jī)帶動(dòng)互感線圈的次級(jí)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，切割由XKT-510供電的初級(jí)線圈的磁場(chǎng)；次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)過(guò)整流、濾波和穩(wěn)壓后，向顯示單元和主控單元供電。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，詳細(xì)闡述了互感線圈的參數(shù)計(jì)算方法、整流二極管的參數(shù)計(jì)算方法和旋轉(zhuǎn)燈系統(tǒng)的配重設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)了以STC15L2K08S2為主控芯片、由56個(gè)線狀LED點(diǎn)陣排列顯示的硬件電路，并給出了包括主控驅(qū)動(dòng)電路、無(wú)線供電電路、AC-DC轉(zhuǎn)換電路、恒流供電電路以及記錄LED旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的起點(diǎn)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)測(cè)試，該旋轉(zhuǎn)燈的電源輸出功率為0.024 W。利用T法檢測(cè)該旋轉(zhuǎn)燈的轉(zhuǎn)速，所得最大相對(duì)誤差為0.032%。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好、功耗較低。該旋轉(zhuǎn)燈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。它的成功研制對(duì)大型LED顯示屏的實(shí)際應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)利用LED進(jìn)行其他非旋轉(zhuǎn)顯示控制也具有一定的理論參考價(jià)值。

電磁感應(yīng)； 互感線圈； 無(wú)線供電； LED； 低功耗； 旋轉(zhuǎn)燈； 恒流

0 引言

LED旋轉(zhuǎn)燈是利用視覺(jué)滯后效應(yīng)，通過(guò)在穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的載體上安裝LED燈，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式顯示功能的設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于利用LED實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)顯示功能的研究越來(lái)越多。鄒軍等[1-2]對(duì)立體發(fā)光LED燈片的光學(xué)性能進(jìn)行了研究，指出LED立體顯示需要保證較大的光通量；張玉杰、孫加存等[3-4]對(duì)LED可調(diào)光顯示技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究;滕松[5]從視覺(jué)滯后的原理出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)顯示系統(tǒng)；沈杰等[6-8]對(duì)LED燈的顯示方式和顯示過(guò)程中的調(diào)制方式進(jìn)行了研究；Chen等[9]對(duì)如何用更小的體積獲得相同的光照顯示效果進(jìn)行了研究；劉姣等[10]為植物葉片設(shè)計(jì)了陣列LED紅外光譜檢測(cè)儀；桂立等[11]研究了LED在光源近場(chǎng)模型下的光學(xué)測(cè)量方法；姜文鋒等[12]對(duì)體三維顯示中屏幕機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)顯示的影響進(jìn)行了研究。上述文獻(xiàn)中提到的LED均采用電池直接供電。楊信錕[13]設(shè)計(jì)了一種無(wú)線供電式LED旋轉(zhuǎn)廣告牌，但該論文中只描述了工作原理，沒(méi)有對(duì)電路中各器件的具體參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和計(jì)算說(shuō)明。

本設(shè)計(jì)根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用直流電機(jī)帶動(dòng)互感線圈的次級(jí)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，由次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)相關(guān)信號(hào)技術(shù)處理后向線狀LED燈和主控電路供電。本文詳細(xì)闡述了各部分電路的硬件設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇，最終成功制作了在3 V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的56個(gè)線狀LED(每個(gè)LED燈的額定電壓為5 V，額定電流為10 mA)旋轉(zhuǎn)燈，實(shí)現(xiàn)了對(duì)文字和圖片的立體顯示。通過(guò)對(duì)該旋轉(zhuǎn)燈電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 工作原理及系統(tǒng)組成

該LED旋轉(zhuǎn)燈由2部分組成，以互感線圈的初級(jí)和次級(jí)線圈為分界點(diǎn)，分別為底座部分和顯示控制部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中，底座部分由直流電源、電機(jī)、無(wú)線供電模塊、互感線圈的初級(jí)線圈和殼體組成。其中，直流電源向電機(jī)和無(wú)線供電模塊供電，無(wú)線供電模塊向互感線圈的初級(jí)線圈供電。電機(jī)按一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)互感線圈的次級(jí)線圈旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并在次級(jí)線圈中得到感應(yīng)電流。顯示控制部分主要包括互感線圈的次級(jí)線圈、LED顯示燈、主控電路和針對(duì)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流的信號(hào)處理電路，如AC-DC轉(zhuǎn)換電路、恒流電路等。次級(jí)線圈的感應(yīng)電流經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓后，向主控電路芯片供電。顯示部分由56個(gè)LED燈并聯(lián)組成。為了保證所有LED燈在顯示時(shí)具有相同的亮度，在向LED燈供電之前，需要進(jìn)行恒流變換。

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 配重設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)燈的上、下2個(gè)部分通過(guò)直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸相連。電機(jī)帶動(dòng)包括次級(jí)線圈在內(nèi)的上半部分旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中極易出現(xiàn)上、下不同心的狀態(tài)。而運(yùn)動(dòng)誤差的幅度和立體顯示的效果存在必然的聯(lián)系[12]。為了保證顯示效果，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的同心性和穩(wěn)定性加以設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)從2個(gè)方面考慮。

①在底座的4個(gè)角增加了吸盤設(shè)計(jì)，使旋轉(zhuǎn)球可以牢固地貼近地面。

②對(duì)底座進(jìn)行配重處理。

p=kL+L0

(1)

式中：k為系統(tǒng)的平衡系數(shù)，在0～1之間取值，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，最終確定k=0.4；L為額定載荷，即上部球體的質(zhì)量，g；L0為整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量，g，其包括上、下2個(gè)部分。

通過(guò)式(1)，計(jì)算得到的p約為200 g。

2.2 整流參數(shù)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)燈的上半部分采用電磁感應(yīng)無(wú)線供電?；ジ芯€圈的參數(shù)選擇是保證旋轉(zhuǎn)燈勻速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)采用無(wú)線供電模塊XKT-510向初級(jí)線圈供電。該模塊要求初級(jí)線圈纏繞得越薄越好。考慮到次級(jí)線圈所帶負(fù)載要求輸出電壓為5 V、電流為0.56 A，則根據(jù)式(2)得到次級(jí)線圈的電壓值，并根據(jù)式(3)、式(4)選擇整流二極管參數(shù)。

U=1.2U0

(2)

式中：U0為負(fù)載電壓；U為次級(jí)線圈需要得到的電壓。由U0=5 V，計(jì)算得U=6 V。

(3)

式中：ID為整流二極管整流電流。當(dāng)采用橋式整流電路時(shí)，其電流為負(fù)載電流的一半。

(4)

式中：UDRM為整流二極管承受的最大反向電壓。

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，最終選擇的整流二極管的型號(hào)為IN5819ws。其整流電流為1 A，反向峰值電壓為40 V，可以滿足設(shè)計(jì)要求。綜合考慮上述要求，選擇初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的變比為1，線圈的接口直徑不得小于0.5 mm。線圈的電感值均為30 μH。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控電路

主控電路采用STC15L2K08S2作為主控芯片。該芯片具有超強(qiáng)抗靜電、超強(qiáng)抗干擾、超低價(jià)和超低功耗的特點(diǎn)。由于其可以在線編程，故常被用于無(wú)線接收裝置中。電路通過(guò)主控芯片的RXD和TXD引腳與計(jì)算機(jī)進(jìn)行字符和圖片的下載，實(shí)現(xiàn)顯示模式的切換功能。同時(shí)，基于該主控芯片的在線編程功能，本文設(shè)計(jì)了1個(gè)紅外一體化接收探頭TL1838，用于無(wú)線接收來(lái)自遙控器的圖片和字符。信號(hào)由遙控器發(fā)出后，經(jīng)TL1838無(wú)線接收，并通過(guò)P33口進(jìn)入主控芯片，實(shí)現(xiàn)了字符或圖片的遙控切換功能。

3.2 無(wú)線供電電路

無(wú)線供電電路如圖2所示。

圖2 無(wú)線供電電路

無(wú)線供電電路主要由初級(jí)線圈和XKT-510無(wú)線接收模塊等組成。XKT-510具有寬電壓輸入自適應(yīng)功能，專用于無(wú)線感應(yīng)系統(tǒng)中，可靠性高。當(dāng)電源開關(guān)閉合后，由模塊的VCC引腳供電；輸出端與初級(jí)線圈相連，使直流電機(jī)得電，以一定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)次級(jí)線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并在次級(jí)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

3.3 AC-DC轉(zhuǎn)換電路

AC-DC轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 AC-DC轉(zhuǎn)換電路

圖3中，次級(jí)線圈在直流電機(jī)的帶動(dòng)下，切割初級(jí)線圈的磁力線，在線圈中得到感應(yīng)電流。其經(jīng)過(guò)由D1、D2、D3、D4組成的單向橋式整流電路，以及C16、R5和C17組成的π型濾波電路后，再經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓輸出5 V的直流電壓，向主控電路和恒流電路供電。

3.4 恒流電路

LED旋轉(zhuǎn)燈采用56個(gè)LED燈單列顯示。為了保證所有的LED燈在顯示時(shí)亮度相同，設(shè)計(jì)了恒流電路。該恒流電路采用4片JXI5024恒流芯片串聯(lián)而成。JXI5024芯片是1個(gè)16位的恒流LED驅(qū)動(dòng)芯片。該設(shè)計(jì)將每個(gè)芯片的QH引腳和下一個(gè)芯片的SER引腳相連，可以實(shí)現(xiàn)64位恒流輸出，滿足本設(shè)計(jì)中56位恒流輸出的要求。

3.5 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路

時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路

時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路主要由DS1302時(shí)鐘芯片組成。當(dāng)需要在LED旋轉(zhuǎn)燈上顯示當(dāng)前時(shí)間時(shí)，利用該電路進(jìn)行程序下載。同時(shí)，該電路還能對(duì)旋轉(zhuǎn)燈的顯示時(shí)間進(jìn)行在線校準(zhǔn)。

3.6 起點(diǎn)檢測(cè)電路

由于本設(shè)計(jì)利用線性LED的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)立體效果，因此在進(jìn)行圖片、字符顯示時(shí)，需要準(zhǔn)確知道LED每旋轉(zhuǎn)一圈的起始位置，從而計(jì)算出需要顯示的字符或者圖片的點(diǎn)陣值。起點(diǎn)檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 起點(diǎn)檢測(cè)電路

由圖5可知，起點(diǎn)檢測(cè)電路由發(fā)射電路和接收電路組成，主要部件是位于底部支座上的發(fā)光二極管和位于頂部顯示部分的接收光電二極管。在頂部的固定支座上刻有一個(gè)小的計(jì)時(shí)起點(diǎn)，線圈每次旋轉(zhuǎn)到該位置時(shí)，發(fā)射二極管發(fā)送信號(hào)；光電管接收信號(hào)后，電路導(dǎo)通；信號(hào)經(jīng)P32端口進(jìn)入主芯片，表示旋轉(zhuǎn)燈旋轉(zhuǎn)一圈結(jié)束。

4 穩(wěn)定性測(cè)試

采用3 V直流電機(jī)，制作了旋轉(zhuǎn)燈，實(shí)現(xiàn)了字符和圖案的旋轉(zhuǎn)顯示。對(duì)該旋轉(zhuǎn)燈進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試。其穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在LED旋轉(zhuǎn)球?qū)τ诓煌瑘D形或者符號(hào)的顯示分辨率上。而分辨率的高低與電機(jī)帶動(dòng)次級(jí)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)誤差密切相關(guān)。本文選擇對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，在一定時(shí)間內(nèi)，如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定或誤差很小，即表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。對(duì)上述的旋轉(zhuǎn)燈，在1 min內(nèi)，基于霍爾效應(yīng)，采用T法測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3次測(cè)量數(shù)據(jù)分別為3 108 r/min、3 109 r/min、3 108 r/min。3次數(shù)據(jù)之間的最大相對(duì)誤差為：

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。該樣機(jī)測(cè)得的電源輸出電流為0.008 A，則功率為3×0.008=0.024 W。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從LED旋轉(zhuǎn)燈的功耗和穩(wěn)定性出發(fā)，詳細(xì)介紹了旋轉(zhuǎn)燈的系統(tǒng)組成，給出了系統(tǒng)各部分硬件的電路設(shè)計(jì)?；陔姶鸥袘?yīng)原理，利用3 V的直流電機(jī)和XKT-510無(wú)線供電模塊，設(shè)計(jì)并成功制作了1臺(tái)低功耗LED旋轉(zhuǎn)燈。通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具有較高的穩(wěn)定性；對(duì)電源輸出功率的測(cè)定則表明，該設(shè)計(jì)具有較低的功耗。該設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)線供電LED顯示系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

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ResearchandDevelopmentoftheWirelessPoweredLine-ShapeRotaryLEDLight

CUI Yuanhui,CHEN Hesheng,TAN Boqiang,WANG Zhisen

(School of Information Science and Engineering,Dalian Polytechnic of University,Dalian 116034,China)

To reduce power consumption of LED display system,the low power consumption rotary LED light which is based on the principle of electromagnetic induction and wireless powered by mutual inductance coil is researched and developed.The DC motor and wireless module XKT-510 are powered by a 3 VDC power supply; the motor drives the secondary coil of mutual inductance coil to rotate,which cuts the magnetic field of primary coil.The induction current generated by the secondary coil is rectified, filtered and regulated, to be the power supply of the display unit and main control unit.In order to ensure the stability of the system,the calculation methods of parameters of the mutual inductance coil,the parameters of the rectifying diode and the balance weight scheme of the rotary light system are expounded in detail.The hardware system including STC15L2K08S2 main control chip and a 56 linearly arranged LED dot matrix display unit is designed.The design scheme for the main control circuit,wireless power supply circuit,AC-DC conversion circuit,constant current power supply circuit and the turns number counting circuit are given.Having been tested,the output power of the power supply of rotary light is 0.024 W.The rotational speed of the rotary light is tested by T method; the maximum relative error is 0.032%.The test results show that the system features good stability and low power consumption.The rotary light is compact,and offers certain practical significance.The successful research and development possess practical reference for the practical application of large LED display screen,and also has certain theoretical reference value for other display control using LED.

Electromagnetic induction; Mutual coil; Wireless powered; LED; Low power consumption; Rotary light；Constant current

修改稿收到日期:2017-05-31

崔遠(yuǎn)慧(1974—)，女，博士，副教授，主要從事數(shù)據(jù)融合、傳感與控制系統(tǒng)方向的研究,E-mail:cuiyh@dlpu.edu.cn

TH703；TP202

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712015