無線感應供電的旋轉LED動態(tài)顯示屏設計

顧菊芬

（蘇州信息職業(yè)技術學院 通信與信息工程系，江蘇 蘇州 215200）

1 引言

隨著計算機及相關的微電子、光電子技術的發(fā)展，LED電子顯示屏作為視覺傳播的重要載體也有了突飛猛進的發(fā)展。目前，常見的LED顯示屏大多都是采用全鋪方式，把LED進行逐行逐列地固定排列，每一個LED對應一個像素點，用以顯示文字和圖片。其優(yōu)點是結構簡單、易于控制，但它硬件復雜、成本大、不易移動，只能用于平面展示、畫面顯示單調，容易形成視覺疲勞[1-3]。針對傳統(tǒng)點陣顯示屏宣傳展示效果普通、尺寸大、成本高的問題，設計了一套無線感應供電的旋轉LED動態(tài)顯示屏系統(tǒng)，只要少量LED實現顯示，具有成本低、控制方便、展示效果好的優(yōu)點，具有較好的推廣價值。

2 系統(tǒng)設計

創(chuàng)意LED旋轉動態(tài)顯示屏是利用視覺暫留原理，通過發(fā)光體的運動，產生一系列運動軌跡的殘留影像，達到飄浮在空中似的神奇夢幻般顯示效果。整個系統(tǒng)包括無線供電系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、時鐘日歷芯片、LED燈列、傳感器、通信端口等，結構分為固定底座和旋轉部分，電機固定在底座帶動控制板及LED燈列旋轉，無線供電系統(tǒng)采用線圈耦合布局在軸心圓周處，不通過物理連接或接觸進行電能傳輸，系統(tǒng)組成結構如圖1所示。

圖1 無線感應供電的創(chuàng)意LED旋轉動態(tài)顯示屏的系統(tǒng)結構圖

3 無線電磁感應供電電源的設計

無線感應供電技術是借助電磁場或電磁波進行能量傳遞的一種技術，其基本原理為初級線圈即發(fā)射線圈與交流電源相連，基于電磁感應原理，發(fā)射線圈與接收線圈之間便會產生變化的磁場，然后變化的磁場在接收線圈內產生電動勢，當接收線圈連有負載時，負載便開始工作，此時，便實現了電能的無線傳遞，無線感應供電原理圖如圖2所示。

圖2 無線感應供電示意圖

為了實現裝置的便攜性，直接采用交流電源作為初級線圈的輸入是不合適的。因此采用直流電源供電，通過自激振蕩電路實現一定頻率的交流振蕩信號作為驅動信號。由于通過高頻功率放大電路模塊放大后的振蕩輸出是用于能量功率，而不是傳遞信號，因此對波形的要求并不是很高。所以，波形的失真并不重要，需要的是輸出信號要有足夠的振幅。無線供電部分原理框圖如圖3所示。

圖3 無線感應供電系統(tǒng)的原理框圖

電磁感應式無線供電的初級線圈需要300kHz的交流信號，頻率太低不能達到較高的能量[4]。直流信號變高頻交流信號采用自激振蕩電路實現，可實現輸出高頻交流信號，以此作為初級線圈的輸入驅動信號，具體實現電路如圖4所示。該模塊由輸入、輸出兩部分組成，其輸入端為5V的直流電壓，通過中級功率三極管B772構成自激振蕩電路，將直流電壓轉化成交流電壓并連接到初級線圈。該電路包含互補的2個三極管8050和B772，同時工作在開關狀態(tài)，B772為功率管。LC振蕩電路實現選頻，根據頻率要求選擇222pF的滌綸電容，初級線圈電感量大約為1.35mH。通過電容引入正反饋，將輸出的交流振蕩信號反饋至三極管8050的基極實現持續(xù)不斷的交流信號輸出。

圖4 三極管實現的自激振蕩電路

實測三極管8050基極信號、三極管B772集電極信號（即初級線圈驅動信號），輸出頻率在290kHz，跟期望值吻合，該頻率下信號可以高效實現無線電能的傳輸。

圖5 三極管8050基極信號

圖6 三極管B772集電極信號

另外初級線圈和次級線圈之間的距離也會影響次級電壓的大小，經過反復實驗，最終得出初次級線圈距離0.5mm最合適，輸出的交流電壓經過整流、穩(wěn)壓、濾波后得到的直流電壓完全能夠滿足旋轉屏上的單片機和LED的供電要求。

圖7 次級線圈整流濾波穩(wěn)壓電路

次級線圈通過電磁感應得到感應電流，之后采用全波整流后濾波穩(wěn)壓得到單片機的供電電壓，具體實現過程：次級線圈在直流電機的帶動下經過由VD3、VD4、VD5、VD6 組成的橋式整流電路，以及 C1組成的濾波電路后，再經穩(wěn)壓管穩(wěn)壓輸出5V的直流電壓，向主控電路供電。

4 主控單片機控制系統(tǒng)電路設計

主控電路主要通過控制代碼實現側面燈列和平面燈列運動成像，硬件資源主要包含位置同步信號、平面燈列和側面燈列、時鐘萬年歷芯片、紅外遙控通信電路，以上模塊電路采用常規(guī)電路實現，具體實現電路如圖8所示。

圖8 主控電路原理圖

帶動主控電路旋轉的電機轉速至少要能夠符合視覺暫留時間，因此電機轉速不能低于1500轉/分。這個速度下產生的離心力較大，主控電路板需要平衡配重，采用在側面燈列的另外一端增加兩個銅柱，以實現電機兩側的平衡配重。實現燈列視覺暫留效果的另一個重要保障是位置同步信號反饋電路，要使運動的發(fā)光體形成的顯示畫面顯示正常和穩(wěn)定，LED旋轉顯示系統(tǒng)需要通過傳感器來感知發(fā)光體的運動位置或狀態(tài)，確定顯示的起始位置。通過多種方案比較，采用紅外發(fā)射和接收管實現信號同步，其中紅外發(fā)射管固定、紅外接收管參與旋轉，因而每旋轉一周可獲取一次信號。最終的旋轉動態(tài)顯示屏實物如圖9，紅色框部分為紅外發(fā)射和接收管安裝位置。

圖9 主控電路同步電路位置實物圖

5 旋轉視覺動態(tài)顯示屏的程序設計

5.1 控制功能分析

旋轉視覺動態(tài)顯示屏控制系統(tǒng)待實現的控制功能分解如下：

（1）紅外遙控信號的解碼：對信號解碼需要占用一個定時器、信號入口對應的端口為P3.3，為了響應的實時性，開啟外部中斷1下降沿觸發(fā)，配合定時器進行解碼。此為隨機低頻事件。

（2）紅外對管的同步信號：占用端口P3.2，開啟外部中斷0，此為固定周期的高頻事件。

（3）主程序完成對紅外遙控解碼后的命令進行狀態(tài)的跳轉，采用狀態(tài)機完成切換。不同狀態(tài)下的相應分別編寫相應的函數實現。

（4）其他功能分析。滴答時間片占用定時器0，作為系統(tǒng)時間調度的依據。同時利用滴答時間片進行延時，以提高系統(tǒng)響應實時性。

5.2 實時多任務調度器設計

根據控制功能分析設計實時多任務調度器，將優(yōu)先級高的任務通過中斷實現，主程序和中斷程序之間通過全局變量傳遞參數，這樣既保證了實時性也保證了任務有序運轉[5-7]。實時多任務調度器流程如圖10所示，其中外部中斷0為紅外接收的同步信號，是一個高頻周期事件，完成實時性要求最高的燈列顯示刷新任務。紅外遙控信號的解碼作為一個隨機事件實時性要求也高，因此采用外部中斷1，解碼過程會占用定時器T1以實現正確的解碼。中斷服務程序編寫主要是獲取標志，獲取事件觸發(fā)標志、時間觸發(fā)標志，這些標志位采用全局變量，以方便在各個模塊之間傳遞信息。主程序為一個標準的散轉程序，通過解碼后的命令字實現各個狀態(tài)機實現。

圖10 實時多任務調度器流程圖

該實時多任務調度器在智能視覺旋轉視覺動態(tài)顯示屏上能夠穩(wěn)定地運行，實現不同優(yōu)先級的多任務調度，效率高且可靠。

6 結束語

無線供電的旋轉LED動態(tài)顯示屏利用視覺暫留原理可以實現側面和平面燈列的圖文顯示、時間顯示等，各種畫面的展示可以通過遙控器切換，運行時顯示平面時鐘和側面圖案效果如圖11所示。

圖11 平面和側面動態(tài)顯示屏成像效果

采用無線感應供電的創(chuàng)意LED旋轉動態(tài)顯示屏不通過物理連接或接觸進行電能傳輸，可以有效避免固定部分和旋轉部分電源線路的連接，避免了電源線路纏繞和磨損帶來的麻煩。利用人眼視覺暫留原理實現燈列的動態(tài)成像，仿佛神奇的空中幻影，相對于傳統(tǒng)LED顯示裝置只要少量LED實現顯示，具有成本低、控制方便、展示效果好的優(yōu)點，具有良好的推廣價值。