POV(persistence of vision)的中文意思是视觉暂留,具体是指视觉暂留这一现象。基于POV的显示是通过一定频率的刷新来实现图像的变化,一旦频率足够大,在视觉中产生视觉暂留现象,人的肉眼就看不到刷新的动作,而是在上一帧画面的残留视觉影像还没消失的情况下看到了新一帧的画面,从而产生了视觉错觉,形成了连续性的画面^[1]。

传统的LED屏使用的是LED点阵屏,需要使用LED铺满整个显示屏,因此屏幕越大LED的数量就越大,这使得LED屏价格高昂、安装及操作极其麻烦,同时也由于使用器件数目多而不易维护。而基于POV的旋转显示器只需要使用单排LED灯(即能填满圆形屏幕的半径长度的单排LED灯),由于LED灯使用数量少,从根本上避免了传统LED显示屏的种种不足。因此,设计一个可以平面旋转的LED显示屏,具有十分重大的意义。

1 系统电路设计

设计一种基于POV的动态汉字和图像的显示屏,需考虑到电路元件的易购性,因此未使用8×8的点阵发光管模块,而是直接使用了33个高亮度发光二极管^[2],利用POV技术,使得一排发光二极管旋转起来实现动态显示屏的效果,设计的原理框图如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 结构框图 Fig. 1 Structure diagram

设计使用5 V直流电源供给直流电机转动并且带动旋转屏转动,另外利用无线供电模块产生电压供给片上单片机使用。用无线输电的方法,成本较为低廉,无任何触点,且没有摩擦造成的短寿命现象^[3]。此次设计主要采用宏晶科技的STC12C5A32S2单片机为主控单元,使用PCtoLCD2002取模软件来进行文字和图案的取样。 1.1 时钟电路

时钟电路是通过时钟芯片DS1302实现的,实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年,一个月小于31天时可以自动调整,且具有闰年补偿功能^[4]。采用双电源供电(主电源和备用电源),可设置备用电源充电方式,提供了对备用电源进行涓细电流充电的能力。单片机通过简单的同步串行通讯方式^{[5, 6]}与DS1302进行实时通讯,其电路原理图如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 时钟电路 Fig. 2 Clock circuit

温度采集电路时通过DS18B20实现的,DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号,高温度系数振荡器被测温度转换成频率信号^[7]。当计数门打开时,DS18B20进行计数,计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器,可对频率的非线性度加以补偿,其电路原理图如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 温度采集电路 Fig. 3 Temperature acquisition circuit

红外接收主要有两部分组成:信号的解调和解码。解调由一体化红外接收头HX1838来完成,把接收到的信号经内部处理并解调复原^[8];二进制的解码由单片机来完成,把红外接收头送来的二进制编码波形通过解码,还原成发送端发送的数据,最终以键盘控制的方式来改变显示屏图像的变换^[9]。其硬件连接图如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 红外遥控电路 Fig. 4 Infrared remote control circuit

本设计采用的是旋转扫描显示方法,即显示器件只有一列共33个高亮度发光二极管,由电机带动其进行旋转,运行到某一位置时就显示该位置的状态,到下一位置时又显示下一位置的状态,由于人眼具有视觉暂留的特性,当画面以一定速率刷新时,人眼看到的就是连续的图像^[1]。本设计用一列显示器件即完成了全部内容的显示,扫描过程由机械转动更换位置来实现,其原理示意图如图 5所示。

图 5

Fig. 5

图 5 LED显示电路 Fig. 5 LED display circuit

设计采用宏晶科技的STC12C5A32S2单片机为主控单元,该单片机具有增加的P4口,解决了普通51单片机I/O口不够的问题^[10],主控电路用于控制前面介绍的各模块,晶振采用18.432 MHz,其原理图如图 6所示。

图 6

Fig. 6

图 6 主控电路 Fig. 6 Main control circuit

由于本设计对电源的要求比较特殊,为了达到设计的美观和相应效果的稳定,最终采用无线供电线圈模块进行供电。该模块由输入、输出两部分组成,其输入端为5～12 V的直流电压,通过中级功率三极管B772构成自激震荡电路,将直流电压转化成交流电压并连接到初级线圈,根据互感原理来调节初级、次级线圈的匝数比即可得到适合旋转屏使用的电压。另外初级线圈和次级线圈之间的距离也会影响次级电压的大小,经过反复实验,最终得出初次级线圈距离0.5 mm最合适,输出的交流电压经过整流、稳压、滤波后得到的直流电压完全能够满足旋转屏上的单片机和LED的供电要求。 其电路图如图 7所示。

图 7

Fig. 7

图 7 无线供电电路 Fig. 7 Wireless power circuit

本设计采用Altium Designer软件进行制板,该软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合,经过布线得到电路图如图 8(a)所示,由热转印纸进行打印,再对无用部分的铜板进行腐蚀,最终得到电路板(正、背面)及焊接完成的旋转屏电路板如图 8(b)所示。

图 8

Fig. 8

图 8 硬件制作 Fig. 8 Hardware manufacture

将无线供电模块、电机、发射模块和散热片固定,连接电动机、电源、电源开关,并将直流电机与初级线圈安装在电机的转动轴上,最后将底座部分和旋转屏部分进行安装,即完成了一个简易的旋转显示屏。根据视觉暂留原理,为了观察到稳定、完整的动态图像,发光二极管在同一位置出现的间隔时间不宜超过0.1 s,即旋转周期应小于100 ms。本设计选用的电机转速为3 000 r/min,即电机旋转周期为20 ms,LED帧频选取50 Hz。电路实物图如图 9所示。

图 9

Fig. 9

图 9 实物图 Fig. 9 Picture of the practical product

根据设定的特定功能,测试过程中可以清晰地看到动态文字、动态图像及实时时钟和实时温度等信息的显示。其中,动态文字是通过取模软件,利用上位机使取模出的图形生成hex文件,即可完成文字及图像的显示编辑,部分测试效果如图 10所示。

图 10

Fig. 10

图 10 动态显示效果图 Fig. 10 Picture of dynamic display

本文主要介绍了基于视觉暂留现象,利用STC12C5A32S2单片机实现的旋转LED显示屏的设计及制作,详细地介绍了电路原理及硬件电路的实现,主要结论如下:

(1)利用高速运转的单排LED实现了动态文字及图像的显示功能。

(2)从成本上考虑,电机应选择普通直流电机 。

(3)利用无线供电的方式可大大增加系统的稳定性。