【正文】 的改裝，可以給系統(tǒng)供電。 綜合各方面考慮，為了節(jié)省成本，簡單系統(tǒng)電路，以及更方便的為系統(tǒng)供電，使系統(tǒng)能夠長期工作， 故 采用方案 2。 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 本設(shè)計(jì)要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn) LED 顯示屏的研究和設(shè)計(jì) 。 系統(tǒng)以 MCS51 系列單片機(jī)作為核心控制器件，通過控制電機(jī)保持一定的速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)單排 LED 旋轉(zhuǎn)，形成掃描顯示屏；單 片機(jī)根據(jù) LED 旋轉(zhuǎn)的速度，控制 LED 發(fā)光或熄滅，在視覺上形成平面圖形點(diǎn)陣的顯示效果。 總體設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn) LED 顯示屏的系統(tǒng)總框圖 ， 如圖 所示。系統(tǒng)由 6 個(gè)部分組成 ： 系統(tǒng)供電模塊、數(shù)據(jù)處理與控制單元、顯示單元、通訊單元和鍵盤輸入單元。其中，LED 顯示由單片機(jī)和 MA6969 大電流 LED 控制器共同控制，鍵盤則用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，系統(tǒng)供電是通過從電機(jī)中心引出，然后通過整流濾波，給系統(tǒng)供電。用戶可以通過按鍵輸入命令到主單片機(jī) ， 并將命令通過串口無線傳輸?shù)綇膯纹瑱C(jī) ， 再由從單片機(jī)對命令進(jìn)行譯碼由 MA6969 大電流 LED 控制器控制 LED 的循環(huán)顯示。 系統(tǒng)中，主單片機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面的交互，從單片機(jī)負(fù)責(zé)對主機(jī)命令的翻譯，利于系統(tǒng)的改進(jìn)和更新。 鍵盤輸入 微控制器 AT89 S52 nRF401無線收發(fā)器 nRF401無線收發(fā)器 微控制器 AT89 S52 LED驅(qū)動(dòng)模塊MAX6969 LED陣列 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖 31 系統(tǒng)總框圖 4 LED 顯示技術(shù)及系統(tǒng)中的主要芯片 LED 以及旋轉(zhuǎn) LED 顯示屏簡介 應(yīng)用簡介 LED(light emitting diode)是發(fā)光二極管的英文縮寫，它是一種電致發(fā)光器件。目前， LED 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過了它的發(fā)展初期和中期 ， 普通 LED 的應(yīng)用已經(jīng)成為過去 ， 高亮度 LED 的使用也已無 需著力推廣。另外 ， 中小功率超高亮 LDE 亦已誕生，并正在以極快的速度走向應(yīng)用。 顯示方面， LED 被廣泛應(yīng)用于電子電器、工業(yè)設(shè)備等各類產(chǎn)品的狀態(tài)性能顯 (指 )示 ， 也被越來越多地制作成多媒體平板顯示屏、交通信號燈等等。 LED 的應(yīng)用雖然已經(jīng)具有了很廣的范圍、很大的規(guī)模，但是 ,由于 LED 擁有很多社會應(yīng)用所需的優(yōu)點(diǎn)、相關(guān)技術(shù)也有很大的發(fā)展空間，因此 ， LED 有著更為美好的前景。目前技術(shù)條件下， LED 已經(jīng)顯示出了眾多的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的顯示媒介相比，有以下特點(diǎn)： （ 1） 是壽命超長，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的平均值達(dá) 10 萬小時(shí)，可期望目標(biāo)將會達(dá)到 25萬小時(shí)； （ 2） 是色彩豐富， LED 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)波長的單基色，有紅、琥珀黃、黃、綠、藍(lán)等，基本滿足了應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?LED 色彩的要求，隨著更多新材料的開發(fā)，還會實(shí)現(xiàn)更多的基色及至全彩色； （ 3） 穩(wěn)定可靠，在 LED 的壽命期內(nèi)， LED 差不多都能穩(wěn)定的工作，維護(hù)工作量極?。? （ 4） 電氣安全性高， LED 一般工作在低電壓 (624V)、小電流 (1020mA)情況下，屬弱電級工作器件 ， 有較好的電氣安全性能； （ 5） 節(jié)能環(huán)保效率高，在同等亮度下， LED 的耗電僅為普通白熾燈的 1/10，而且不存在有害金屬汞污染等問題 ， 符合社會 發(fā)展趨勢； （ 6） 應(yīng)用靈活性好， LED 可進(jìn)行低壓供電，也可 110V/220V 電源供電，加上單粒 LED 的體積小 (芯片更小 )， 只用 35 平方毫米，大大方便了工程應(yīng) （ 7） 受控制能力強(qiáng)，現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn) LED 的亮度、灰度、動(dòng)態(tài)顯示，分 布控制等 ， 是其它發(fā)光裝置無可比擬的； 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 （ 8） 抗震性能優(yōu)越， LED 的堅(jiān)固、耐震、耐沖擊性能，超過了目前所有其它類型的電光源產(chǎn)品； （ 9） 響應(yīng)速度快， LED 的響應(yīng)速度在毫秒級，可以自如有效地應(yīng)用于顯示屏、汽 車剎車燈、相機(jī)閃光燈等； 10） 顯色性能良好 ， 白色 LED 目前的顯色指數(shù) Ra 達(dá)到了 70 以上 ， 色溫范圍從 3600K 到 11000K(隨熒光粉不同而變 )，而且已經(jīng)獲得了實(shí)驗(yàn)室提高的方案；另外還有亮度高、無干擾、方向性好等等也是十分有用的優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)然 ， LED產(chǎn)業(yè)內(nèi)還有不少問題需要從根本加以解決。基色尚不十分豐富 ，理想的 是可見光波段實(shí)現(xiàn)全覆蓋 ， 最好能達(dá)到自然光的水平 ； 顯色性仍顯不高 ， 理想水平是黑體相 達(dá)到 Ra=100； 亮度需要有效地提高 ， 包括發(fā)光效率的兩個(gè)方面 (內(nèi)量子效率和光輸出效率 )和功率的提高 ； 另外還有體積、成本、專用集成電路、驅(qū)動(dòng)器、 “冷 光 ”感等問題。 縱觀 LED 的發(fā)展 ， 我們不難發(fā)現(xiàn) ， LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極大地緣于技術(shù)的進(jìn)步 ，而技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力則是來自于應(yīng)用的需求 ， 亮度的提高、基色的豐富、功率的增加等等無不如此?？梢酝葡?， 未來的 LED 產(chǎn)業(yè) ， 一定會根據(jù)應(yīng)用的要求 ， 在亮度、功率、基色等技術(shù)方面進(jìn)一步突破 ， 使不同類型的 LED 更加廣泛地被使用 ，并且還會逐步地建立起各自相對獨(dú)立的應(yīng)用領(lǐng)域 ， 從而步入 LED 細(xì)分時(shí)代 ， 我們有理由相信 ， 亮飾、照明、顯示將會首先獨(dú)立出來 ， 形成 LED 應(yīng)用的專門領(lǐng)域。當(dāng)然 ,從技術(shù)關(guān)聯(lián)角度看 ， 未來的 LED 產(chǎn)業(yè)會像一棵樹 ， 細(xì)分出來的專門領(lǐng)域 ， 其源頭仍會統(tǒng)一在芯片材料的生產(chǎn)上 ， 不同領(lǐng)域的 LED 應(yīng)用會得到不同技術(shù)支持 。 旋轉(zhuǎn) LED顯示屏簡介 LED 顯示屏已廣泛應(yīng)用于廣告、車站、銀行、商場等公共場所。它具有功耗小、壽命長、色彩好等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在的 LED 顯示屏的發(fā)光器件主要采用 LED 平板模塊，室內(nèi)顯示屏主要采用 16 行循環(huán)掃描的方法，即每 16 行為一個(gè)單元，在每一幀中 , 逐次每行亮十六分之一秒的時(shí)間，由于幀頻一般大于 60Hz，我們并不覺察到掃描，而認(rèn)為是一幅穩(wěn)定的圖像。這種類型的顯示屏有 兩 個(gè)問題有待改進(jìn)：第一、顯示屏整個(gè)面積全由 LED 模塊組成，器件數(shù)量多，成本高；第二、由于顯示屏是一個(gè)平面，而且 LED 象素點(diǎn)有一定視角限制，使顯示屏的可視范圍被局限到正面某個(gè)范圍之內(nèi)，在應(yīng)用中使顯示屏的信息發(fā)布受到了空間的限制。 新型的旋轉(zhuǎn)柱式顯示屏 ， 克服了以上兩個(gè)不足 ， 以機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)掃描方式代替逐漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 行掃描 ， 成本大大降低 ， 可視范圍做到了 360 度 。 本文介紹了它的顯示原理 ，系統(tǒng)組成 ， 指出了設(shè)計(jì)中要注意的幾個(gè)核心問題 ， 并提出了一些新的發(fā)展方向。 旋轉(zhuǎn)掃描的原理：由于人眼具有視覺暫留的特性 ， 當(dāng)畫面以一定速率刷新時(shí) ，我們看到 就是連續(xù)的圖像 ， 電視機(jī)顯示采用逐點(diǎn) 掃描方式 ， 每秒鐘要刷新畫面 50 場 (25 幀 ),而在人眼中則是一幅完整的畫面 ， 傳統(tǒng) LED 顯示屏一般采用 1/16 掃描 ，16 行進(jìn)行逐行循環(huán)點(diǎn)亮 ， 由于刷新速率足夠大 ， 看到的也是一幅穩(wěn)定的畫面。它的原理示意如圖 3. 1 所示 ， 其中 (a) (b) (c) (d) (e) 分別是不同時(shí)刻的顯示狀態(tài) ，(f)為人眼看到的完整畫面 “ 3”。 在這種 LED 顯示屏中 ， 采用的是逐行換位下移點(diǎn)亮器件的掃描方式 ， 每一行都必須 有 LED 顯示器件 ， 這就使顯示屏的成本偏大 。 圖 31 傳統(tǒng) LED 顯示屏的顯示原理圖 旋轉(zhuǎn)掃描方式顯示 器只有一列 ， 由電機(jī)帶動(dòng)它進(jìn)行旋轉(zhuǎn) ， 運(yùn)行到某一位置時(shí)就顯示該位置的狀態(tài) ， 到下一位置后又顯示下一位置的狀態(tài) ， 即一列顯示器件要完成全部圖像的顯示 ， 掃描過程由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)更換位置來實(shí)現(xiàn) .其顯示原理如圖 所示 。 圖中 a)b)c)是 圖 42 旋轉(zhuǎn)柱式顯示屏的顯示原理圖 不 同 時(shí)刻的顯示狀態(tài) ， d)是人眼看到的完整畫面 “ 3” 。 由于旋轉(zhuǎn)掃描成像不是平面 ， 而是一個(gè)柱面 ， 所以稱之為旋轉(zhuǎn)柱式顯示屏 ，其觀看視角是 360176。 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 51 各功能實(shí)現(xiàn)原理 系統(tǒng)供電 (1) 為了使系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的工作，必須解決系統(tǒng)的供電問題。通過對電機(jī)進(jìn)行改裝，引出電源線，并通過整流、濾波、穩(wěn)壓得到系統(tǒng)供電電源。 (2) 實(shí)現(xiàn)方法： 主要通過電機(jī)的改裝。 電機(jī)的改裝： 電路的供電和 LED 的定位是本制作的一個(gè)難點(diǎn)。裝在電機(jī)上的電路始終在高速旋轉(zhuǎn)，無法使用通常的方法來給電路供電。但可以通過對電機(jī)的改造來解決。一般的直流電機(jī)是線圈作為轉(zhuǎn)子，而永磁體作為定子的。 它 是通過電刷來實(shí)現(xiàn)給線圈供電的，而且直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)需要交變的電流，這是由 固定在轉(zhuǎn)子軸上的換向器來巧妙的實(shí)現(xiàn)直流變?yōu)榻涣鞯摹?本設(shè)計(jì)的 電路是固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上的，它和轉(zhuǎn)子是保持相對靜止的。因此，可以從電機(jī)的轉(zhuǎn)子中取得電源。方法很簡單，也就是從電機(jī)的換向器上用漆包線把電引到電路板上，經(jīng)整流 、 濾波后給單片機(jī)電路供電。換向器上的每個(gè)電極什么時(shí)候變化，是和電機(jī)轉(zhuǎn)子的位子有關(guān)的，可以使用其中的一路信號來給 LED 顯示的起始位置定位。 具體改裝過程如下： 1) 拆開電機(jī)，注意拆的時(shí)候別弄壞了電機(jī)的電刷； 2) 小心地從電機(jī)換向器上的三個(gè)電 極引出三條漆包線； 3) 取下電機(jī)外殼的含油軸承； 4) 在軸承的圓片上面鉆了幾個(gè)小孔，把那三條漆包線從小孔里穿出來。從而可以 用來保護(hù)漆包線在轉(zhuǎn)子和定子結(jié)合出的安全。 (注意：替代上去的部分是和轉(zhuǎn)子保持固定，和外殼之間是可以旋轉(zhuǎn)的 )。 5) 組裝回整個(gè)電機(jī)，電機(jī)改裝至此結(jié)束 。 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 重心調(diào)節(jié) 重心調(diào)節(jié)是最困難的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。旋轉(zhuǎn)的重心直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定的運(yùn)行，以及安全性問題。旋轉(zhuǎn)的重心如果不在轉(zhuǎn)軸上的話，在高速的旋轉(zhuǎn)中，會產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)，在巨大的離心力 下，會使整個(gè)系統(tǒng)分解，產(chǎn)生安全隱患。所以，重心調(diào)節(jié)是必須解決的問題。下面介紹重心調(diào)節(jié)的方法。 首先是電路板的外觀設(shè)置。根據(jù)物理質(zhì)心計(jì)算方法，可知道，均勻的圓盤的重心就在圓盤的中心。但是，由于電子器件的封裝，重量都是不同的，圓盤電路板的重心是不均勻分布的，比較難調(diào)節(jié)，故不采用這種方法。 根據(jù)杠桿原理，當(dāng)支點(diǎn)兩端的物體的質(zhì)量與力距乘積相等時(shí)，杠桿就處于平衡。因此我采用了長條方型的電路板結(jié)構(gòu)。 圖 51 杠桿原理示意圖 如上圖 所示，只要 M1*L1 = M2*L2 時(shí)，在布 PCB 的同時(shí)，只要通過簡單的測量和計(jì)算便可以使得杠桿處于平衡。 具體硬件電路實(shí)現(xiàn) 電源設(shè)計(jì) 由于電源是從電機(jī)中引出來的，所以需要通過整流、濾波才能為系統(tǒng)供電。如圖 所示為具體的設(shè)計(jì)電路。 電機(jī)輸出 L1 L2 M1 M2 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖 52 整流電路圖 圖 53 穩(wěn)壓電路 LED 旋轉(zhuǎn)同步設(shè)計(jì) 該電路分為兩個(gè)部分： 1) 中斷系統(tǒng) 采用中斷是為了更有效的利用單片機(jī)內(nèi)部資源。為了能夠連續(xù)的顯示文字和圖象，本文采用了外部中斷的方法，即在外部中斷的時(shí)候，計(jì)算和調(diào)整顯示文字和圖象的時(shí)間。為了得到可 靠的外部中斷源，有兩種方法。其一，如圖 所示： 圖 54 采用光感的外部中斷電路 但是，這種方法功耗相對比較大，而且成本比較高。 為了減少制作成本，通過比較，有個(gè)更好的方法。因?yàn)殡姍C(jī)是三相的，帶電刷轉(zhuǎn)動(dòng)的，即每轉(zhuǎn)一周，三個(gè)電刷會得到從高到低，又從低到高的邏輯電平狀態(tài)。因此可以從中引出一條線來作為外部中斷源，這個(gè)方法簡單容易實(shí)現(xiàn)，其具體的電漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路如圖 ： 圖 55 簡單的外部中斷電路圖 該方法利用電刷在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的電平變化 ， 通過一個(gè)三極管 S8050 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識別 的數(shù)字邏輯電平，解決了外部 中斷 的問題，電路簡單，可靠性高。 2) LED 驅(qū)動(dòng)電路。 本文采用了 MAXIN 公司的 MAX6969 大電流 LED 驅(qū)動(dòng)芯片，其外部接口電路非常簡單。如下圖： (圖上的 OUT0 到 OUT15 通過一個(gè) 100Ω 電阻接到 LED 上 )。 圖 56 MAX6969 驅(qū)動(dòng)電路 下面簡單的計(jì)算一下這個(gè)電路的功耗。 MAX6969LED 驅(qū)動(dòng)電流的大小是由一個(gè)外部電阻決定的。在本電路中，這個(gè)電阻 RSET 取 360Ω。 RSET = 18000 / IOUT (41) 因此 IOUT = 18000/360 = 50 mA (42) 其功耗計(jì)算如下 ： 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 PD = (V+ x I+) + (VOUT x DUTY x IOUT