POV旋转LED显示器的设计Word文档下载推荐.docx
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相比起来，一旦大型化价格相当高昂、安装及操作起来都极其麻烦，同时因为使用器件数目多，也不易维护。
而POV旋转LED显示器由于LED灯使用数量少，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），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LED显示屏，具有十分重大的意义。
第二节发光二极管简介
光二极管（LED）是一种电致发光的光电器件。
早在1907年开始,人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象,但生产出有一定发光效率的红光LED已是1969年了。
到今天,LED已生产了30多年,回顾过去,它已茁壮成长。
各种类型的LED、利用LED作二次开发的产品及与LED配套的产品（如白光LED驱动器）发展迅速,新产品不断上市,已发展成不少新型产业LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。
随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场，将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。
展望将来,还期望更进一步地提高。
图1.1LED结构图
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图所示。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。
发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；
按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；
若按功率来区别可分为小功率（HG400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管：
另外还有多色、变色发光二极管等等。
图1.2LED符号及LED发光原理图。
第二章LED显示屏的显示原理
LED显示屏（LEDdisplay,LEDScreen）：
又叫电子显示屏。
它是由LED点阵平板模块组成的。
LED显示屏能够显示出文字和图片等内容，均是由各种色彩LED灯亮灭组合来实现的。
LED显示屏可以更改显示内容，只需要通过用flash将显示的内容制作成一个动画,存放在显示屏的一X内存卡里,通过技术手法显示出来的。
因此可以根据现场的需要在不同的场合进行相应的调整，所以同一块LED显示屏可以灵活地运用于各种各样的场合。
内容可以根据不同的求进行随时更换，显示灵活多变，便于经常需要更改内容的人群使用。
传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。
LED之所以受到重视并且能够迅速地广泛地发展，跟它本身所具有的种种优点有关。
LED灯的显示亮度较高、需要的工作电压比较低、消耗的功耗较小、可以做成大型显示屏、而且LED灯寿命一般都很长、耐冲击能力强，同时性能相比其他照明灯具稳定。
LED的发展前景极为广阔，在未来的研究发展中主要朝着做到更高的照明亮度、更耐气候变化、发光密度更强、发光更加均匀、更加安全可靠、色彩显示更全面的方向发展。
利用POV即“视觉暂留”这一原理,我们可以通过发光体的运动,产生一系列运动轨迹的残留影像,达到漂浮在空中似的神奇梦幻般的显示效果。
纵观各种与此相关制作,无论是商业化产品还是DIY作品,归纳起来无非就是看：
运动的是发光体,发光体如何运动,如何给运动的系统供电,采用什么样的传感器感知运行状态,如何控制运转着的系统。
下面将对这几个方面进行归纳和探讨。
发光体的不同的运动方式,成就了各种显示形态的POV。
归纳起来看,形形色色的POV制作,其运动状态大多超不出以下的这几种方式:
1、圆形显示原理
在基于POV的圆形旋转线阵LED显示屏中，一个条状PCB板上集成了20个贴片型发光LED，下文简称线阵LED1。
集成有LED的PCB板绕其一端随电动机转动，当转动到合适的角度时点亮合适的LED就可以显示需要显示的内容，其示意图如图1所示，而在何处点亮哪些LED就应该符合圆形LED屏的显示原理，图2和图3分别描述了圆形指针式时钟和数字式时钟的显示原理。
图2.0圆形旋转LED显示屏工作过程示意图
在图2中，图2
（1）指定了20颗LED用于显示表盘、时间刻度、时针、分针和秒针的颗数及分布。
明显可以看出最内和最外一颗用于显示表盘的内圈和外圈。
自内向外，第1~9颗用于显示时针，第1~12颗用于显示分针，第1~15颗用于显示秒针，第17~19颗用于显示时间刻度。
具体来讲，3颗亮表示12点刻度，2颗亮表示3、6、9点刻度，1颗亮表示其余时间刻度。
为了将时针与刻度隔开而提高时钟的易读性，第16颗LED一直不亮。
在线阵LED的每一圈旋转过程中，在图示的位置点亮对应的LED并延时就可以显示出当前时刻。
图2
（2）中显示的时刻为03：
40：
00。
图2.1圆形旋转LED显示屏时钟原理图
图3描述了圆形LED显示屏显示数字的原理，即是在每一圈旋转内的时时间内，点亮第1、7、11、15及20颗LED，在的下一个时刻点亮第1、7~15及20颗LED就可以显示数字3。
特别地，
图2.2圆形旋转LED显示屏数字时钟原理图
图2.3圆形旋转LED显示屏显示英文原理图
2、圆柱面型显示原理
基于POV的圆柱面型旋转线阵LED显示屏的结构如图4所示。
本设计在圆形LED显示屏的基础上增加了一个竖直的集成有17颗贴片LED的PCB板，下文称线阵LED2.当然，为了维持系统旋转的平稳性，在另一端我们增加了螺柱等使两端重量平衡。
当线阵LED2随着电动机旋转时，在的合适的位置点亮特定的LED，在视觉暂留的影响下我们就能看到各种文字和图形。
图2.4圆柱面型旋转LED显示字幕D的原理图
在图5中，图5（0）指定了17颗LED的相应功能，即自上而下第1~16颗LED是显示LED，第17颗为底边线LED；
图5（1~8）描述了圆柱面型LED显示屏显示字母D的详细过程，即根据字母D的字模数据在每一圈旋转内的起始时刻点亮第3、13及17颗LED，在接下来的时刻分别点亮第3~13和17颗，第3、13及17颗，第3、13及17颗，第3、13及17颗，第4、12及17颗，第5~11和17颗最后再全部不亮就可以显示出字母D。
图2.5圆柱型旋转LED显示屏显示加油的原理图
第三章旋转LED屏设计
第一节设计任务
本课题运用单片机、LED发光二极管和电机等器件设计一个POV显示器。
显示内容及要求：
1、平面与立体一起移动显示字幕+暂停控制
2、平面显示数字时钟与立体移动显示字
3、平面显示指针时钟
4、立体滚动显示字+暂停控制
5、立体下移显示字+暂停控制
6、立体显示动画效果
7、显示打印字的效果
8、立体显示时间+滚动字效果
9、上位机软件校时
第二节系统硬件框图
系统硬件框图如图3.1所示。
图3.1系统硬件框图
第三节机械结构
旋转线阵LED显示屏的机械结构如图6所示，结构要求重量均匀分布在电机转动轴两旁。
本文将单片机、时钟芯片、线阵LED、一体化红外接收头等器件焊接在一块指针型的电路板上，这样可以使旋转的电路成为一个独立的部分。
电路板一端钻一个电机轴插孔，插孔为半圆且半径与电机轴相等。
电机轴插入其中带动指针板旋转。
图3.2系统机械结构图
第四节旋转LED动态显示
旋转LED旋转起来是一个圆，那么就需要有一个传感器来判断起点位置，有人用霍尔传感器，有人用红外对管，本人觉得用红外对管便宜些，而且实现起来也容易。
这个起点检测非常重要，单片机就是根据这个起点来判断是否要开始显示数据的。
如果起点检测不到单片机就不开始显示。
如何让一列灯不断的送数据实现一个文字的显示呢？
这个我们就要了解文字取模的原理了，这里以PC2002字幕软件为例，取一个16*16的中文字，见字幕选项设置：
从第一列开始向下每取8个点作为一个字节，如果最后不足8个点就补满8位。
取模顺序是从低到高，即第一个点作为最低位。
如*-------取为00000001
取模后如下表：
0xFF,0x7F,0xFF,0xBF,0x3F,0xC8,0xBF,0xFB,0xBF,0xFB,0xBF,0xEB,0x80,0x9B,0xB7,0xFB,0xB7,0xEB,0xB7,0x9B,0xB7,0xFB,0x37,0xF8,0xF7,0xEF,0xF7,0x1F,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,/*"
点"
0*/
现在我们知道16*16取模是一列一列取的了，一列有2个字节，一共16列，所以一个16*16的汉字就有32个字节，需要占用单片机的Code空间32个字节。
然后再结合硬件来分析，如下图：
图3.3旋转LED显示屏侧板原理图
一列灯16个刚好对应16*16一个汉字的一列：
2个字节，所以把取模到的数据依次送到P2口和P4P5口，这里硬件中P4P5组成一个字节，所以显示程序如下：
for（i=0;
i<
16;
i++）//送16列显示这里只显示一个字。
{P2=zimo[i*2];
//送数据低位显示
P4=（zimo[i*2+1]）;
//送数据高位显示这里用了单片机P4和P5口是LQFP48脚才有的IO口
P5=（zimo[i*2+1]）>
>
4;
//这里行和列都是IO口独立驱动的LED
DelayUs（200）;
//延时让LED亮起来每列延时的时间
P2=0XFF;
P4=P5=0XFF;
}
在什么时候送显示呢？
单片机IO一判断到红外接收管接收到起点信号，就开始显示，显示完16列后等待下一次的起点信号。
这样只要电机的速度够快就会稳定的把字显示字空中了。
平面的文字显示同理。
如何让一组文字不断的移动？
这就需要一个字幕计数器，旋转LED每旋转一圈，这个字幕计数器就加一，指向下一列，这样不断的刷新，感觉文字就在移动了，程序如下：
j就是字幕计数器，每转一圈j就会加1；
if（KEY==0）//红外接收管判断起始位
{j++;
if（j>
672）//根据显示的字数定义改数值672/16=42个字显示完42个字后重新开始
{j=0;
}
for（i=j;
128+j;
i++）//每转一圈前进一列这里定义一圈中同时显示128/16=8个字，
P4=（zimo[i*2+1]）;
//送数据高位显示这里用了单片机P4和P5口是LQFP48脚才有的
DelayUs（200）;
P2=0XFF;
P4=P5=0XFF;
第四章系统硬件电路的设计
第一节涉及的主要技术
1、单片机技术：
旋转LED显示屏在高速旋转时，使用通过定时器中断让其以某个频率在空间的某一点所对应的时刻点亮或是熄灭，人的肉眼存在视觉暂留现象，所以无法判断出是否在闪烁而形成完整连续的图像；
所以对于控制显示内容可以采用单片机定时器的功能来实现。
在设计过程中还应该注意一下问题：
①系统通信设置。
在设计中，显示屏显示的内容、显示模式切换以及当前时刻的设定都是通过红外无线通信实现的。
在图6中，红外一体化接收头（HS0038）接收由手持遥控器发出的频率为38KHz的间断脉冲，HS0038对接收信号进行放大、检波整形后得到TTL编码信号直接给单片机解码出调时、数字显示或指针显示三种不同的控制信号。
②起始位置校准。
电机转速的稳定性直接决定了显示是否有重影和浮影。
然而，要其完全不变是不可能的。
在这种情况下，误差会积累而形成浮影。
所以，对起始位置的不断矫正是理由非步进电机制作旋转LED显示屏必不可少的技术。
通过磁电传感器检测置于固定位置的小钢粒来不断定位起始位置消除积累误差。
本文在指针板上加装一个红外接收管。
当接收到与之配对的红外发光二极管（红外发光二极管安装在电机外壳上，并与接收管对齐）发出的红外线后，就会反向导通，产生低电平而触发外部中断。
指针板每旋转一周，就会产生这样一个中断信号，这个信号被称为“过零信号”。
外部中断的任务是将旋转角度清零，以此消除积累误差。
2、LED驱动电路：
由于整个LED显示屏在工作中一直处于高速旋转状态，所以显示的亮度会明显降低，因此需要使用亮度较高的发光二极管，并且通过与单片机I/O口相连，对程序进行相应的设定才能实现正常控制LED的闪烁效果。
3、电源的供电方式：
在运转过程中旋转LED显示屏的显示屏一直处于高速旋转的状态。
所以如何给旋转LED显示屏供电成为硬件方面最大的难题。
在下文，将会提出了三个供电方案，以及最终采用的供电方案。
第二节电机方案选择
方案一：
步进电机
运行时在整个在高速旋转的过程显示屏是必须保证稳定运行的。
这样可以避免在高速旋转时系统奔溃，以及存在的种种安全隐患。
所以想到了提出采用步进电机来控制显示屏旋转。
因为步进电机能使步距角变更为其固有步距角的1/n，同时也完全消除电机在低频时的振荡，大大增强了驱动能力。
另外步进电机的抗干扰能力比较强，控制起来简单，而且步矩误差不会被长期积累，所以大大增强了旋转稳定性和精确性，因此旋转LED显示屏显示效果的清晰程度得到了保证。
方案二：
普通电机
此方案不占用单片机I/O口，节省单片机资源，使用方便，成本较低，通过可调电阻可以实现电机转速调节。
方案比较及确定：
以上两个方案各有及优缺点，总结起来，个人认为还是应该从以结构简单，方便操作，便于理解，成本低廉为主要方面来对本设计考虑。
从方案一来看，主要难点就在于步进电机的调速问题上。
必须要对步进电机的工作原理，如何调速，进行充分的理解。
不同的电机由于速度不相同，所产生的频率也不一样，这样旋转LED显示屏在实际显示的图像与设计有所偏差。
而且电机速度会影响到单片机对定时器工作和定时的设定，这些也就影响到整个程序的编写。
而且本人觉得，对于成本上的考虑，这次设计的要求需要较高的转速，而较高转速的步进电机在价格上是相当昂贵的，如果仅仅只是作为实验观赏来制作使用的话，制作出来的成本是相当高的。
考虑到这个方案的可行性，所以决定不采用这个方案。
从方案二来讲，主要区别就是用普通电机来取代方案一中的步进电机。
在实现设计时通过拆分一个普通功率的风扇的电机来使用。
成本比较低，方便易实现，降低了设计成本。
而且采用电风扇的电机改造比起方案一来说更切合本设计的题目，所以在这次设计时决定采用这个方案，而且这个方案的最大的优势还在于制作成本很低。
第三节供电方案选择
1.高速供转动的主板供电有3种方案:
直接把电池装在主板上随主板转动，用电池直接给主板供电，这样成本低，但是寿命短，而且严重影响电机的转速和稳定。
使用电刷连接供电，制作简单，非常有效，但是这样的供电寿命很短，主要是需要在电路板上加焊一层耐磨导电层，一旦使用时间长了电刷触点就会不够光洁而且接触压力变大大，几小时就可以将线路板上的铜皮磨穿，更换的成本太高，而且不稳定。
方案三：
用无线输电的方法，无任何触点，所以避免了使用电刷的更换问题，而且这样的制作寿命很长。
利用电磁耦合原理，用磁线圈对主板进行供电。
利用互补正反馈振荡电路将直流电转化成高频交流信号，通过线圈（线圈内有铁氧体磁芯，提高效率），将交流信号输送到旋转的主电路板上，主电路板上利用5.1v的稳压二极管，将接收到的交流信号变成5.1v直流电，通过220uF的电解电容滤波，供给单片机，使单片机能正常工作。
但是用电磁耦合的方式有很大的缺点，没有高磁导率的磁芯作为介质，磁力线会严重发散到空气中，传递效率下降非常厉害。
所以不适合大功率，远距离的无线供电。
本设计所需的功率很小，供电距离很小，所以是较理想的方案。
其结构如图所示，其中L1为给主板部分供电的磁线圈。
图4.0无线供电原理图
2.方案比较与确定：
对于方案一中采用直接用电池给主板供电，这样电池必须固定安装在主板上面，由于电池自身存在重量问题，在高速旋转的时候一旦重心不在旋转轴心，会导致旋转屏剧烈震动。
这样会不但影响到显示屏的显示，而且会是整个旋转显示器硬件损坏，甚至误伤人员。
所以这个方案不采用。
对于方案二是采用电刷的方法，这个其实在很多供电场合有用到，但是电刷在旋转过程中与导电层有高速剧烈的摩擦，时间久了会摩擦受损，这样会照成接触不良现象，从而影响了供电的稳定，而且一旦受损就需要更换新的导电层，这对于一个设计来说成本过于高昂。
故此方案也不采用。
方案三中采用的是无线供电。
因为是无线所以供电体与受供体分离，因此方便了对电源的安装，而且采用的材料成本较为低廉，且无触点，没有摩擦照成的短寿命现象。
所以最终决定采用无线供电的方法给旋转显示屏供电。
第四节主控元件
在我们生活中几乎所有电子产品都离不开单片机，因为单片机集成度非常高，功能又强，可靠程度很高，所以它的体很小，而且单片机的功耗并不高，价钱还比较低廉，因此被众多领域运用在各种各样的器件上。
如今单片机已经存在于我们生活中的每一个角落。
此次设计主要采用宏晶科技的STC15F2K60S2单片机为主控单元。
STC15F2K60S2芯片是宏晶科技生产的高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，用它作为本设计控制核心。
STC15F2K60S2主要性能及引脚排列如下图所示：
图4.1STC12C5A60S2单片机结构图
STC12C5A60S2单片机主要集成了以下资源：
①增强型8051内核，单时钟机器周期，速度比传统8051内核单片机快8~12倍
②60KBFlash程序存储器;
1KB数据Flash;
2048字节的SRAM
③3个16位可自动重装载的定时/计数器（T0、T1、T2）
④可编程时钟输出功能
⑤至多42根I/O口线
⑥2个全双工异步串行口（UART）
⑦1个高速同步通信端口（SPI）
⑧8通道10位ADC,3通道PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元
⑨内部高可靠上电复位电路和硬件看门狗
⑩内部集成高精度R/C时钟，常温工作时，可以省去外部晶振电路。
第五节时钟芯片DS1302
大多数的单片机没有实时时钟部件,一旦系统掉电时钟就不能运行,下次再运行，时间就不准确了。
即便使用备用电池,但要维持单片机系统的较大功耗也是坚持不了多久的。
而我所做的旋转时钟用到的单片机主要是来准确显示时间的，因此实时时钟部件必不可少，这里我用了MAXIM公司的DS1302时钟芯片作为实时时钟部件，保证时间的长久准确性。
DS1302有着很强的功能。
包括时钟/日历寄存器和31字节（8位）的数据暂存寄存器，数据通信仅通过一条串行输入输出口。
实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年份信息。
闰年可自行调整，可选择AM/PM的12小时制或24小时制。
只通过三根线进行数据的控制和传递：
CE（输入信号，在读、写数据期间，必须为高。
该引脚有两个功能：
第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；
其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。
）；
I/O（三线接口时的双向数据线）；
SCLK（串行时钟输入）。
通过备用电源可以让芯片在小于1MW的功率下运作。
对时钟寄存器初始化可以设定当前时间,控制芯片的运行,时间是用BCD码保存的,RAM可以用来存取用户数据,在用了备用电池后RAM内的数据在系统掉电时能够保持不丢失。
芯片采用了简单的I2C三线通信方式,便于节省芯片资源和与之接口的MCU的引脚。
芯片有着2.0～5.5V的宽供电电压X围,在5V供电时其接口与TTL电平兼容。
并且有着很低的功耗,在2.0V供电时仅耗300nA的电流。
引脚X1和X2连接32.768kHz晶体,与内部振荡器组成时钟。
晶体的精度直接影响着芯片时间的准确与否。
DS1302有两个电源引脚VCC1和VCC2,分别连接备用电池和电源VCC。
VCC2与主电源连接，VCC1接备用电池。
当VCC2低于VCC1时,芯片由VCC1供电；
当VCC2-VCC1≥0.2V时,备用电池为芯片供电。
在VCC2供电时芯片能够对接在VCC1的备用电池充电,并且是否充电和充电电流都可以由芯片内地址为08H的时钟寄存器进行控制。
DS1302与单片机的硬件接线图如图三所示。
在进行任何数据传输时，CE必须被制高电
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