基于POV的旋轉(zhuǎn)LED動(dòng)態(tài)圖像顯示屏

周圍

摘要： 針對(duì)傳統(tǒng)LED點(diǎn)陣顯示屏價(jià)格高、器件數(shù)目多及不易維護(hù)等問(wèn)題，提出基于視覺(jué)暫留特性、以動(dòng)態(tài)掃描方式完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)顯示屏的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)以STC12C5A32S2單片機(jī)為主控制模塊，DS1302時(shí)鐘芯片作為時(shí)間的設(shè)置與采集模塊，DS18B20作為溫度的采集模塊，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行圖片和文字的轉(zhuǎn)換和編輯，以單排高精度發(fā)光二極管的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)圖像顯示的功能。顯示屏可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)文字、圖像、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及實(shí)時(shí)溫度的顯示。

關(guān)鍵詞： 視覺(jué)暫留（POV）； 旋轉(zhuǎn)LED； 顯示屏

中圖分類號(hào)： TP 2.23文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.017

引言POV（persistence of vision）的中文意思是視覺(jué)暫留，具體是指視覺(jué)暫留這一現(xiàn)象?；赑OV的顯示是通過(guò)一定頻率的刷新來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的變化，一旦頻率足夠大，在視覺(jué)中產(chǎn)生視覺(jué)暫留現(xiàn)象，人的肉眼就看不到刷新的動(dòng)作，而是在上一幀畫面的殘留視覺(jué)影像還沒(méi)消失的情況下看到了新一幀的畫面，從而產(chǎn)生了視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，形成了連續(xù)性的畫面[1]。傳統(tǒng)的LED屏使用的是LED點(diǎn)陣屏，需要使用LED鋪滿整個(gè)顯示屏，因此屏幕越大LED的數(shù)量就越大，這使得LED屏價(jià)格高昂、安裝及操作極其麻煩，同時(shí)也由于使用器件數(shù)目多而不易維護(hù)。而基于POV的旋轉(zhuǎn)顯示器只需要使用單排LED燈（即能填滿圓形屏幕的半徑長(zhǎng)度的單排LED燈），由于LED燈使用數(shù)量少，從根本上避免了傳統(tǒng)LED顯示屏的種種不足。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)可以平面旋轉(zhuǎn)的LED顯示屏，具有十分重大的意義。1系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一種基于POV的動(dòng)態(tài)漢字和圖像的顯示屏，需考慮到電路元件的易購(gòu)性，因此未使用8×8的點(diǎn)陣發(fā)光管模塊，而是直接使用了33個(gè)高亮度發(fā)光二極管[2]，利用POV技術(shù)，使得一排發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)起來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示屏的效果，設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。圖1結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1Structure diagram 設(shè)計(jì)使用5 V直流電源供給直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并且?guī)?dòng)旋轉(zhuǎn)屏轉(zhuǎn)動(dòng)，另外利用無(wú)線供電模塊產(chǎn)生電壓供給片上單片機(jī)使用。用無(wú)線輸電的方法，成本較為低廉，無(wú)任何觸點(diǎn)，且沒(méi)有摩擦造成的短壽命現(xiàn)象[3]。此次設(shè)計(jì)主要采用宏晶科技的STC12C5A32S2單片機(jī)為主控單元，使用PCtoLCD2002取模軟件來(lái)進(jìn)行文字和圖案的取樣。

1.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是通過(guò)時(shí)鐘芯片DS1302實(shí)現(xiàn)的，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能[4]。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)備用電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。單片機(jī)通過(guò)簡(jiǎn)單的同步串行通訊方式[56]與DS1302進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，其電路原理圖如圖2所示。

1.2溫度采集電路溫度采集電路時(shí)通過(guò)DS18B20實(shí)現(xiàn)的，DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)，高溫度系數(shù)振蕩器被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)[7]。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)，DS18B20進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開(kāi)通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償，其電路原理圖如圖3所示。

1.3 紅外遙控電路紅外接收主要有兩部分組成：信號(hào)的解調(diào)和解碼。解調(diào)由一體化紅外接收頭HX1838來(lái)完成，把接收到的信號(hào)經(jīng)內(nèi)部處理并解調(diào)復(fù)原[8]；二進(jìn)制的解碼由單片機(jī)來(lái)完成，把紅外接收頭送來(lái)的二進(jìn)制編碼波形通過(guò)解碼，還原成發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，最終以鍵盤控制的方式來(lái)改變顯示屏圖像的變換[9]。其硬件連接圖如圖4所示。

1.4LED顯示電路本設(shè)計(jì)采用的是旋轉(zhuǎn)掃描顯示方法，即顯示器件只有一列共33個(gè)高亮度發(fā)光二極管，由電機(jī)帶動(dòng)其進(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)，到下一位置時(shí)又顯示下一位置的狀態(tài)，由于人眼具有視覺(jué)暫留的特性，當(dāng)畫面以一定速率刷新時(shí)，人眼看到的就是連續(xù)的圖像[1]。本設(shè)計(jì)用一列顯示器件即完成了全部?jī)?nèi)容的顯示，掃描過(guò)程由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)更換位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理示意圖如圖5所示。

[10]，主控電路用于控制前面介紹的各模塊，晶振采用18.432 MHz，其原理圖如圖6所示。

1.6無(wú)線供電電路由于本設(shè)計(jì)對(duì)電源的要求比較特殊，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的美觀和相應(yīng)效果的穩(wěn)定，最終采用無(wú)線供電線圈模塊進(jìn)行供電。該模塊由輸入、輸出兩部分組成，其輸入端為5～12 V的直流電壓，通過(guò)中級(jí)功率三極管B772構(gòu)成自激震蕩電路，將直流電壓轉(zhuǎn)化成交流電壓并連接到初級(jí)線圈，根據(jù)互感原理來(lái)調(diào)節(jié)初級(jí)、次級(jí)線圈的匝數(shù)比即可得到適合旋轉(zhuǎn)屏使用的電壓。另外初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的距離也會(huì)影響次級(jí)電壓的大小，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終得出初次級(jí)線圈距離0.5 mm最合適，輸出的交流電壓經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓、濾波后得到的直流電壓完全能夠滿足旋轉(zhuǎn)屏上的單片機(jī)和LED的供電要求。其電路圖如圖7所示。

2硬件制作與調(diào)試

2.1硬件制作本設(shè)計(jì)采用Altium Designer軟件進(jìn)行制板，該軟件通過(guò)把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，經(jīng)過(guò)布線得到電路圖如圖8（a）所示，由熱轉(zhuǎn)印紙進(jìn)行打印，再對(duì)無(wú)用部分的銅板進(jìn)行腐蝕，最終得到電路板（正、背面）及焊接完成的旋轉(zhuǎn)屏電路板如圖8（b）所示。

安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，最后將底座部分和旋轉(zhuǎn)屏部分進(jìn)行安裝，即完成了一個(gè)簡(jiǎn)易的旋轉(zhuǎn)顯示屏。根據(jù)視覺(jué)暫留原理，為了觀察到穩(wěn)定、完整的動(dòng)態(tài)圖像，發(fā)光二極管在同一位置出現(xiàn)的間隔時(shí)間不宜超過(guò)0.1 s，即旋轉(zhuǎn)周期應(yīng)小于100 ms。本設(shè)計(jì)選用的電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期為20 ms，LED幀頻選取50 Hz。電路實(shí)物圖如圖9所示。根據(jù)設(shè)定的特定功能，測(cè)試過(guò)程中可以清晰地看到動(dòng)態(tài)文字、動(dòng)態(tài)圖像及實(shí)時(shí)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)溫度等信息的顯示。其中，動(dòng)態(tài)文字是通過(guò)取模軟件，利用上位機(jī)使取模出的圖形生成hex文件，即可完成文字及圖像的顯示編輯，部分測(cè)試效果如圖10所示。

3結(jié)論本文主要介紹了基于視覺(jué)暫留現(xiàn)象，利用STC12C5A32S2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的設(shè)計(jì)及制作，詳細(xì)地介紹了電路原理及硬件電路的實(shí)現(xiàn)，主要結(jié)論如下：（1）利用高速運(yùn)轉(zhuǎn)的單排LED實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)文字及圖像的顯示功能。 （2）從成本上考慮，電機(jī)應(yīng)選擇普通直流電機(jī) 。（3）利用無(wú)線供電的方式可大大增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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[4]張寧丹，金桂.基于STC89C52單片機(jī)DS1302時(shí)鐘芯片定時(shí)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（8）：46.

[5]張麗瓊，鮑超.一種基于單片機(jī)和串口通信的實(shí)時(shí)光譜輻射測(cè)量?jī)x[J].光學(xué)儀器，2004，26（3）：5358.

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[9]郝學(xué)元，單學(xué)民，陳家勝.光電測(cè)試儀器遙控鍵盤的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2001，23（4）：1215.

[10]劉晉，王政林，薛凱方.基于STC12C5A60S2單片機(jī)的LED顯示屏硬件設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（22）：24

摘要： 針對(duì)傳統(tǒng)LED點(diǎn)陣顯示屏價(jià)格高、器件數(shù)目多及不易維護(hù)等問(wèn)題，提出基于視覺(jué)暫留特性、以動(dòng)態(tài)掃描方式完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)顯示屏的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)以STC12C5A32S2單片機(jī)為主控制模塊，DS1302時(shí)鐘芯片作為時(shí)間的設(shè)置與采集模塊，DS18B20作為溫度的采集模塊，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行圖片和文字的轉(zhuǎn)換和編輯，以單排高精度發(fā)光二極管的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)圖像顯示的功能。顯示屏可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)文字、圖像、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及實(shí)時(shí)溫度的顯示。

關(guān)鍵詞： 視覺(jué)暫留（POV）； 旋轉(zhuǎn)LED； 顯示屏

中圖分類號(hào)： TP 2.23文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.017

引言POV（persistence of vision）的中文意思是視覺(jué)暫留，具體是指視覺(jué)暫留這一現(xiàn)象?；赑OV的顯示是通過(guò)一定頻率的刷新來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的變化，一旦頻率足夠大，在視覺(jué)中產(chǎn)生視覺(jué)暫留現(xiàn)象，人的肉眼就看不到刷新的動(dòng)作，而是在上一幀畫面的殘留視覺(jué)影像還沒(méi)消失的情況下看到了新一幀的畫面，從而產(chǎn)生了視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，形成了連續(xù)性的畫面[1]。傳統(tǒng)的LED屏使用的是LED點(diǎn)陣屏，需要使用LED鋪滿整個(gè)顯示屏，因此屏幕越大LED的數(shù)量就越大，這使得LED屏價(jià)格高昂、安裝及操作極其麻煩，同時(shí)也由于使用器件數(shù)目多而不易維護(hù)。而基于POV的旋轉(zhuǎn)顯示器只需要使用單排LED燈（即能填滿圓形屏幕的半徑長(zhǎng)度的單排LED燈），由于LED燈使用數(shù)量少，從根本上避免了傳統(tǒng)LED顯示屏的種種不足。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)可以平面旋轉(zhuǎn)的LED顯示屏，具有十分重大的意義。1系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一種基于POV的動(dòng)態(tài)漢字和圖像的顯示屏，需考慮到電路元件的易購(gòu)性，因此未使用8×8的點(diǎn)陣發(fā)光管模塊，而是直接使用了33個(gè)高亮度發(fā)光二極管[2]，利用POV技術(shù)，使得一排發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)起來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示屏的效果，設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。圖1結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1Structure diagram 設(shè)計(jì)使用5 V直流電源供給直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并且?guī)?dòng)旋轉(zhuǎn)屏轉(zhuǎn)動(dòng)，另外利用無(wú)線供電模塊產(chǎn)生電壓供給片上單片機(jī)使用。用無(wú)線輸電的方法，成本較為低廉，無(wú)任何觸點(diǎn)，且沒(méi)有摩擦造成的短壽命現(xiàn)象[3]。此次設(shè)計(jì)主要采用宏晶科技的STC12C5A32S2單片機(jī)為主控單元，使用PCtoLCD2002取模軟件來(lái)進(jìn)行文字和圖案的取樣。

1.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是通過(guò)時(shí)鐘芯片DS1302實(shí)現(xiàn)的，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能[4]。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)備用電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。單片機(jī)通過(guò)簡(jiǎn)單的同步串行通訊方式[56]與DS1302進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，其電路原理圖如圖2所示。

1.2溫度采集電路溫度采集電路時(shí)通過(guò)DS18B20實(shí)現(xiàn)的，DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)，高溫度系數(shù)振蕩器被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)[7]。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)，DS18B20進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開(kāi)通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償，其電路原理圖如圖3所示。

1.3 紅外遙控電路紅外接收主要有兩部分組成：信號(hào)的解調(diào)和解碼。解調(diào)由一體化紅外接收頭HX1838來(lái)完成，把接收到的信號(hào)經(jīng)內(nèi)部處理并解調(diào)復(fù)原[8]；二進(jìn)制的解碼由單片機(jī)來(lái)完成，把紅外接收頭送來(lái)的二進(jìn)制編碼波形通過(guò)解碼，還原成發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，最終以鍵盤控制的方式來(lái)改變顯示屏圖像的變換[9]。其硬件連接圖如圖4所示。

1.4LED顯示電路本設(shè)計(jì)采用的是旋轉(zhuǎn)掃描顯示方法，即顯示器件只有一列共33個(gè)高亮度發(fā)光二極管，由電機(jī)帶動(dòng)其進(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)，到下一位置時(shí)又顯示下一位置的狀態(tài)，由于人眼具有視覺(jué)暫留的特性，當(dāng)畫面以一定速率刷新時(shí)，人眼看到的就是連續(xù)的圖像[1]。本設(shè)計(jì)用一列顯示器件即完成了全部?jī)?nèi)容的顯示，掃描過(guò)程由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)更換位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理示意圖如圖5所示。

[10]，主控電路用于控制前面介紹的各模塊，晶振采用18.432 MHz，其原理圖如圖6所示。

1.6無(wú)線供電電路由于本設(shè)計(jì)對(duì)電源的要求比較特殊，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的美觀和相應(yīng)效果的穩(wěn)定，最終采用無(wú)線供電線圈模塊進(jìn)行供電。該模塊由輸入、輸出兩部分組成，其輸入端為5～12 V的直流電壓，通過(guò)中級(jí)功率三極管B772構(gòu)成自激震蕩電路，將直流電壓轉(zhuǎn)化成交流電壓并連接到初級(jí)線圈，根據(jù)互感原理來(lái)調(diào)節(jié)初級(jí)、次級(jí)線圈的匝數(shù)比即可得到適合旋轉(zhuǎn)屏使用的電壓。另外初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的距離也會(huì)影響次級(jí)電壓的大小，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終得出初次級(jí)線圈距離0.5 mm最合適，輸出的交流電壓經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓、濾波后得到的直流電壓完全能夠滿足旋轉(zhuǎn)屏上的單片機(jī)和LED的供電要求。其電路圖如圖7所示。

2硬件制作與調(diào)試

2.1硬件制作本設(shè)計(jì)采用Altium Designer軟件進(jìn)行制板，該軟件通過(guò)把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，經(jīng)過(guò)布線得到電路圖如圖8（a）所示，由熱轉(zhuǎn)印紙進(jìn)行打印，再對(duì)無(wú)用部分的銅板進(jìn)行腐蝕，最終得到電路板（正、背面）及焊接完成的旋轉(zhuǎn)屏電路板如圖8（b）所示。

安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，最后將底座部分和旋轉(zhuǎn)屏部分進(jìn)行安裝，即完成了一個(gè)簡(jiǎn)易的旋轉(zhuǎn)顯示屏。根據(jù)視覺(jué)暫留原理，為了觀察到穩(wěn)定、完整的動(dòng)態(tài)圖像，發(fā)光二極管在同一位置出現(xiàn)的間隔時(shí)間不宜超過(guò)0.1 s，即旋轉(zhuǎn)周期應(yīng)小于100 ms。本設(shè)計(jì)選用的電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期為20 ms，LED幀頻選取50 Hz。電路實(shí)物圖如圖9所示。根據(jù)設(shè)定的特定功能，測(cè)試過(guò)程中可以清晰地看到動(dòng)態(tài)文字、動(dòng)態(tài)圖像及實(shí)時(shí)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)溫度等信息的顯示。其中，動(dòng)態(tài)文字是通過(guò)取模軟件，利用上位機(jī)使取模出的圖形生成hex文件，即可完成文字及圖像的顯示編輯，部分測(cè)試效果如圖10所示。

3結(jié)論本文主要介紹了基于視覺(jué)暫留現(xiàn)象，利用STC12C5A32S2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的設(shè)計(jì)及制作，詳細(xì)地介紹了電路原理及硬件電路的實(shí)現(xiàn)，主要結(jié)論如下：（1）利用高速運(yùn)轉(zhuǎn)的單排LED實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)文字及圖像的顯示功能。 （2）從成本上考慮，電機(jī)應(yīng)選擇普通直流電機(jī) 。（3）利用無(wú)線供電的方式可大大增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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[4]張寧丹，金桂.基于STC89C52單片機(jī)DS1302時(shí)鐘芯片定時(shí)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（8）：46.

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摘要： 針對(duì)傳統(tǒng)LED點(diǎn)陣顯示屏價(jià)格高、器件數(shù)目多及不易維護(hù)等問(wèn)題，提出基于視覺(jué)暫留特性、以動(dòng)態(tài)掃描方式完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)顯示屏的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)以STC12C5A32S2單片機(jī)為主控制模塊，DS1302時(shí)鐘芯片作為時(shí)間的設(shè)置與采集模塊，DS18B20作為溫度的采集模塊，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行圖片和文字的轉(zhuǎn)換和編輯，以單排高精度發(fā)光二極管的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)圖像顯示的功能。顯示屏可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)文字、圖像、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及實(shí)時(shí)溫度的顯示。

關(guān)鍵詞： 視覺(jué)暫留（POV）； 旋轉(zhuǎn)LED； 顯示屏

中圖分類號(hào)： TP 2.23文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.017

引言POV（persistence of vision）的中文意思是視覺(jué)暫留，具體是指視覺(jué)暫留這一現(xiàn)象?；赑OV的顯示是通過(guò)一定頻率的刷新來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的變化，一旦頻率足夠大，在視覺(jué)中產(chǎn)生視覺(jué)暫留現(xiàn)象，人的肉眼就看不到刷新的動(dòng)作，而是在上一幀畫面的殘留視覺(jué)影像還沒(méi)消失的情況下看到了新一幀的畫面，從而產(chǎn)生了視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，形成了連續(xù)性的畫面[1]。傳統(tǒng)的LED屏使用的是LED點(diǎn)陣屏，需要使用LED鋪滿整個(gè)顯示屏，因此屏幕越大LED的數(shù)量就越大，這使得LED屏價(jià)格高昂、安裝及操作極其麻煩，同時(shí)也由于使用器件數(shù)目多而不易維護(hù)。而基于POV的旋轉(zhuǎn)顯示器只需要使用單排LED燈（即能填滿圓形屏幕的半徑長(zhǎng)度的單排LED燈），由于LED燈使用數(shù)量少，從根本上避免了傳統(tǒng)LED顯示屏的種種不足。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)可以平面旋轉(zhuǎn)的LED顯示屏，具有十分重大的意義。1系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一種基于POV的動(dòng)態(tài)漢字和圖像的顯示屏，需考慮到電路元件的易購(gòu)性，因此未使用8×8的點(diǎn)陣發(fā)光管模塊，而是直接使用了33個(gè)高亮度發(fā)光二極管[2]，利用POV技術(shù)，使得一排發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)起來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示屏的效果，設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。圖1結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1Structure diagram 設(shè)計(jì)使用5 V直流電源供給直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并且?guī)?dòng)旋轉(zhuǎn)屏轉(zhuǎn)動(dòng)，另外利用無(wú)線供電模塊產(chǎn)生電壓供給片上單片機(jī)使用。用無(wú)線輸電的方法，成本較為低廉，無(wú)任何觸點(diǎn)，且沒(méi)有摩擦造成的短壽命現(xiàn)象[3]。此次設(shè)計(jì)主要采用宏晶科技的STC12C5A32S2單片機(jī)為主控單元，使用PCtoLCD2002取模軟件來(lái)進(jìn)行文字和圖案的取樣。

1.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是通過(guò)時(shí)鐘芯片DS1302實(shí)現(xiàn)的，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能[4]。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)備用電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。單片機(jī)通過(guò)簡(jiǎn)單的同步串行通訊方式[56]與DS1302進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，其電路原理圖如圖2所示。

1.2溫度采集電路溫度采集電路時(shí)通過(guò)DS18B20實(shí)現(xiàn)的，DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)，高溫度系數(shù)振蕩器被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)[7]。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)，DS18B20進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開(kāi)通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償，其電路原理圖如圖3所示。

1.3 紅外遙控電路紅外接收主要有兩部分組成：信號(hào)的解調(diào)和解碼。解調(diào)由一體化紅外接收頭HX1838來(lái)完成，把接收到的信號(hào)經(jīng)內(nèi)部處理并解調(diào)復(fù)原[8]；二進(jìn)制的解碼由單片機(jī)來(lái)完成，把紅外接收頭送來(lái)的二進(jìn)制編碼波形通過(guò)解碼，還原成發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，最終以鍵盤控制的方式來(lái)改變顯示屏圖像的變換[9]。其硬件連接圖如圖4所示。

1.4LED顯示電路本設(shè)計(jì)采用的是旋轉(zhuǎn)掃描顯示方法，即顯示器件只有一列共33個(gè)高亮度發(fā)光二極管，由電機(jī)帶動(dòng)其進(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)，到下一位置時(shí)又顯示下一位置的狀態(tài)，由于人眼具有視覺(jué)暫留的特性，當(dāng)畫面以一定速率刷新時(shí)，人眼看到的就是連續(xù)的圖像[1]。本設(shè)計(jì)用一列顯示器件即完成了全部?jī)?nèi)容的顯示，掃描過(guò)程由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)更換位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理示意圖如圖5所示。

[10]，主控電路用于控制前面介紹的各模塊，晶振采用18.432 MHz，其原理圖如圖6所示。

1.6無(wú)線供電電路由于本設(shè)計(jì)對(duì)電源的要求比較特殊，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的美觀和相應(yīng)效果的穩(wěn)定，最終采用無(wú)線供電線圈模塊進(jìn)行供電。該模塊由輸入、輸出兩部分組成，其輸入端為5～12 V的直流電壓，通過(guò)中級(jí)功率三極管B772構(gòu)成自激震蕩電路，將直流電壓轉(zhuǎn)化成交流電壓并連接到初級(jí)線圈，根據(jù)互感原理來(lái)調(diào)節(jié)初級(jí)、次級(jí)線圈的匝數(shù)比即可得到適合旋轉(zhuǎn)屏使用的電壓。另外初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的距離也會(huì)影響次級(jí)電壓的大小，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終得出初次級(jí)線圈距離0.5 mm最合適，輸出的交流電壓經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓、濾波后得到的直流電壓完全能夠滿足旋轉(zhuǎn)屏上的單片機(jī)和LED的供電要求。其電路圖如圖7所示。

2硬件制作與調(diào)試

2.1硬件制作本設(shè)計(jì)采用Altium Designer軟件進(jìn)行制板，該軟件通過(guò)把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，經(jīng)過(guò)布線得到電路圖如圖8（a）所示，由熱轉(zhuǎn)印紙進(jìn)行打印，再對(duì)無(wú)用部分的銅板進(jìn)行腐蝕，最終得到電路板（正、背面）及焊接完成的旋轉(zhuǎn)屏電路板如圖8（b）所示。

安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，最后將底座部分和旋轉(zhuǎn)屏部分進(jìn)行安裝，即完成了一個(gè)簡(jiǎn)易的旋轉(zhuǎn)顯示屏。根據(jù)視覺(jué)暫留原理，為了觀察到穩(wěn)定、完整的動(dòng)態(tài)圖像，發(fā)光二極管在同一位置出現(xiàn)的間隔時(shí)間不宜超過(guò)0.1 s，即旋轉(zhuǎn)周期應(yīng)小于100 ms。本設(shè)計(jì)選用的電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期為20 ms，LED幀頻選取50 Hz。電路實(shí)物圖如圖9所示。根據(jù)設(shè)定的特定功能，測(cè)試過(guò)程中可以清晰地看到動(dòng)態(tài)文字、動(dòng)態(tài)圖像及實(shí)時(shí)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)溫度等信息的顯示。其中，動(dòng)態(tài)文字是通過(guò)取模軟件，利用上位機(jī)使取模出的圖形生成hex文件，即可完成文字及圖像的顯示編輯，部分測(cè)試效果如圖10所示。

3結(jié)論本文主要介紹了基于視覺(jué)暫留現(xiàn)象，利用STC12C5A32S2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的設(shè)計(jì)及制作，詳細(xì)地介紹了電路原理及硬件電路的實(shí)現(xiàn)，主要結(jié)論如下：（1）利用高速運(yùn)轉(zhuǎn)的單排LED實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)文字及圖像的顯示功能。 （2）從成本上考慮，電機(jī)應(yīng)選擇普通直流電機(jī) 。（3）利用無(wú)線供電的方式可大大增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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