基于POV的LED旋轉(zhuǎn)顯示屏的設計

郭星辰

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院南京工程分院 江蘇省南京市 211135）

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，LED 顯示以其亮度高、體積小、穩(wěn)定性好、功耗小、壽命長等特點廣泛應用到各個領(lǐng)域?，F(xiàn)在隨處可見的大多是平面LED 顯示屏，但這種顯示有些不足，首先是整屏LED 數(shù)量巨大，成本較高，損壞后維修工作量較大；其次，LED 屏為平板，可視角度有限，占地面積大。

本文設計的LED 旋轉(zhuǎn)顯示屏是基于POV（persistence of vision）原理進行顯示，研究發(fā)現(xiàn)，當顯示的刷新頻率大于24f/s，會產(chǎn)生視覺暫留現(xiàn)象，人的肉眼就看不到刷新的動作，而是在上一幀畫面的殘留視覺影像還沒消失的情況下看到了新一幀的畫面，從而產(chǎn)生了視覺錯覺，形成了連續(xù)性的畫面[1]。

本設計通過電機帶動單列顯示器件旋轉(zhuǎn)，電機與顯示部分通過導電滑環(huán)連接，采用紅外準確定位旋轉(zhuǎn)位置，從而控制LED 燈的亮滅，在適合的旋轉(zhuǎn)速度下，就可以看到顯示完整的文字或圖形。

1 系統(tǒng)的總體設計

處理器采用STC12C5A60S2 單片機，其特點是體積小，質(zhì)量輕，便于安裝，并且內(nèi)部資源相對豐富，可以滿足設計需求；LED 顯示采用16 個單色LED 燈，放置在PCB 板一側(cè)；帶動LED 屏旋轉(zhuǎn)的是直流電機，并配置合適的電機驅(qū)動電路；通過紅外傳感器來感知顯示屏運行狀態(tài)，確定其初始位置；采用串行通信進行數(shù)據(jù)傳輸；通信及供電采用電刷方式。LED 旋轉(zhuǎn)顯示屏系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)總體設計框圖

圖2：STC12C5A60S2 最小系統(tǒng)電路

圖3：LED 顯示電路

圖4：電機驅(qū)動電路

圖5：位置傳感電路

圖6：總體程序流程圖

2 硬件電路設計

2.1 處理器模塊

本設計采用雙處理器設計，均采用STC 公司的STC12C5A60S2型號單片機，一只處理器負責驅(qū)動LED 顯示，另一只處理器負責驅(qū)動電機以及其他擴展功能，擴展功能該設計不再贅述。兩只處理器通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸。最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 LED顯示模塊

電路中將16 只LED 燈按照順序依次排開，放置在PCB 板一側(cè)，為了顯示整齊美觀，16 只LED 燈保持在一條直線上。LED 燈一端接5V 電壓，330 歐姆電阻限流，另一端直接與單片機相連。電路結(jié)構(gòu)簡單、實用，如圖3所示。

2.3 電機驅(qū)動模塊

電機的作用是帶動顯示電路部分進行旋轉(zhuǎn)，若使得觀看的畫面平穩(wěn)清晰，其關(guān)鍵要使電機均勻旋轉(zhuǎn)，這樣才能保證圖像在水平方向不會被局部伸展或者壓縮，因此要使用勻速直流電機[2]。按照POV 原理要求，LED 旋轉(zhuǎn)一周不得低于0.2s。電機驅(qū)動采用標準邏輯電平信號控制，TTL輸出電平，可以直接接CPU，輸出電壓穩(wěn)定，輸入端通過EL357N 光耦反饋進行輸入、輸出信號隔離，抗干擾能力強、傳輸效率高。電機驅(qū)動電路如圖4所示。

圖7：LED 顯示程序流程圖

2.4 位置傳感模塊

LED 屏在高速旋轉(zhuǎn)時，顯示內(nèi)容是否穩(wěn)定取決于轉(zhuǎn)動的角度和LED 燈亮滅的配合，要使圖像穩(wěn)定，需要通過位置傳感器來感知發(fā)光體的位置和狀態(tài)，確定顯示屏的初始位置，同時對顯示進行校正。本設計采用紅外傳感作為位置傳感器，配合計數(shù)器控制刷新頻率以及直流電機轉(zhuǎn)速。當給紅外發(fā)射器一個電壓，它會發(fā)出紅外光線，紅外線被紅外接收器接收后會連通接收器兩端。當紅外接收器接到信號時，就會導通單片機所在電路，啟動單片機對LED 進行控制，從而使LED 燈依次點亮顯示文字。位置傳感器電路如圖5所示。

2.5 串口通信模塊

串口通信通過導電滑環(huán)所引出的導線進行連接，采取直連方式。這樣既減輕了旋轉(zhuǎn)顯示屏的重量，同時也有效的解決了通信問題。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 總體程序流程圖

系統(tǒng)開始工作后，查詢串口是否有新數(shù)據(jù)，若沒有則按照當前顯存內(nèi)容送顯示屏顯示。若接收到新的數(shù)據(jù)，則更新顯示內(nèi)容?？傮w程序流程圖如圖6所示。

3.2 LED顯示控制程序設計

旋轉(zhuǎn)顯示屏開始工作后，傳感器確定顯示屏初始位置，程序上通過算法可得到每一排燈的顯示位置，根據(jù)位置逐列發(fā)送顯存內(nèi)的數(shù)據(jù)，計數(shù)器計數(shù)，直至送完全部數(shù)據(jù)。顯示屏查詢串口有無更新數(shù)據(jù)，若無則按照當前內(nèi)容顯示，若有則更新顯存內(nèi)數(shù)據(jù)。LED 顯示控制程序設計如圖7所示。

4 結(jié)論

本設計主要介紹了利用STC12C5A60S2 單片機實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)顯示屏的設計方法，該方案合理、可行、易實現(xiàn)。通過設計我們認識到：

（1）必須保持電機一定的轉(zhuǎn)速且勻速運動，否則屏幕在高速旋轉(zhuǎn)下容易出現(xiàn)誤差，影響顯示效果；

（2）顯示屏要做好動平衡，否則在高速旋轉(zhuǎn)下容易出現(xiàn)不穩(wěn)定而導致設備損壞；

（3）編程時做好數(shù)據(jù)顯示與轉(zhuǎn)速之間的匹配關(guān)系。

本設計不僅成本低，占地面積小，更重要的是可視范圍擴展到了360°，較好的滿足了特定條件下的顯示需求。