基于视觉暂留原理的旋转式线阵

LED显示屏开发

沈新创,钱 平

(上海应用技术学院机械与自动化工程学院,上海 200235)

摘要: 基于“视觉暂留”原理,开发出了一种旋转式线阵LED显示屏。从机械与电气两个方面介绍了该LED显示屏的设计。重点介绍了轴套的设计及软件设计,实现了显示屏转动与屏幕显示内容出现时序的匹配。该显示屏具有原理应用巧妙、成本降低、解析度提高、节省能源等特点。

关键词: 视觉暂留;C8051F310;LED屏幕

人的眼睛对动态频次分辨率一般为1/16～1/24s。电影片放映机以24帧/s的速度过卷,由于视觉滞后效应,使映现在屏幕上的单个静态画面,变成了连续动作的图文画面,配上声音就成了电影。而LED旋转式显示屏,也是植根于“视觉滞后效应”和LED显示屏控制软件基础上而演绎出来的电子信息显示媒体,但它比历经百年发展起来的电影更复杂。在能稳定旋转的载体上安装多列LED发光器件,静止时,各列发光管等间距分列排开,随着旋转速度的加快,在计算机软件精确的时序控制下,不断扫描出预设的图案、符号和文字,犹如海市蜃楼般的幻景映现流淌在柱型、球型、盘型、扇型等载体的表面上,给人以全新的感觉。

本文介绍的旋转式线阵LED屏幕是以高亮发光二极管LED为发光器件,并结合机械部分精确设计以及合理运用“视觉暂留”原理开发出来的,其节能高亮的特点以及在成本、环保方面的优势决定它具有极好的应用前景。

1 机械部分设计

1.1 总体设计

设备机械部分总体结构如图1所示。图中,最上部是一个圆筒,圆筒上有四列LED,每列有16个二极管;圆筒的作用是使四列LED通过绕轴心转动,达到像一个16mm×16mm面阵LED文字显示屏的目的;LED的尺寸是Φ5mm,它们之间的间距是7mm。中间是连接圆筒和电动机的轴套;下部是一个直流电动机,电动机作为整个设计中的一个关键部件,需要根据视觉暂留原理达到一定的转速,同时便于控制。本设计选择的直流电动机的参数为,额定电压:30V;额定功率:50W;最大转速:2200r/min。

1.2 轴套的设计

轴套的设计是本次开发的一个难点和重点,轴套的设计尺寸图如图2所示。

  设计轴套时主要考虑的问题是紧固问题,因为电动机要达到1500r/min的高速运转,如果安装不够牢固,则会产生整体构架松动,零件脱落乃至整体崩溃的问题,会造成安全隐患。所以在轴套的上方开了3个M4的螺孔,与上方圆筒的底座用螺丝固定。下面轴套侧面开了1个M4的螺孔,通过螺丝插入电动机轴芯的槽内达到牢固稳定的效果。这样设计可以保证上方的圆筒在高速旋转的过程中,不会出现整体结构松动而引起圆筒飞出伤人的事故。

另外,当电动机高速转动时,不可能接入大量的信号线进入圆筒,否则会使外接信号线在转动的时候绞合在一起。所以在设计的时候将程序写入芯片内,置于转筒中央,但是两根电源线是必不可少的,根据目前的硬件配置和状况只能外接,所以在电动机的轴套上方开了2条5mm的槽,并布上磷青铜皮,在槽内开2个直径2.5mm的圆孔直通轴套的中心圆孔,由这2个圆孔引入2条电线分别焊接于2条铜皮上,另外一端则与芯片的线路板接上,在电动机转动的时候通过外设支架连接电源与轴套上的2条铜皮接触供电。

2 电气部分设计

2.1 硬件设计

电气部分硬件总体设计原理如图3所示。本设计采用了C8051F310单片机为核心,利用其处理速度快,具有丰富的内置资源和I/O口多的优势对LED进行控制。C8051F31x器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片,片内Sili2conLabs二线(C2)开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时,所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

选择MC14514译码器,逻辑高电平输出,经过限流电阻与LED相接。MC14514译码器能提供16位输出(硬件设计每列LED为16个),且具有输入锁存功能,仅占用单片机4个I/O口,并能提供LED相当的亮度。

将64个LED做在4块板上,16个为一组,通过MC14514对每个LED进行操作,这样就可以自由控制每个灯的亮与暗,若是真彩LED,则可通过控制其色彩达到更好的视觉效果。LED必须加入相应的限流电阻,防止在电平接入瞬间将LED击穿以致损坏,在设计中,采用了100欧姆的贴片电阻。

2.2 软件设计

在实时操作系统下的主程序流程如图4所示。

本设计的难点在于对点的捕捉,由于电动机的转速大约在2000r/min,因此控制LED何时点亮是关键。我们的设计运用了光电传感器,在电动机座部分设置反光点,并将传感器及其单片机等一同放入旋转装置中,在装置底部开孔将传感器探头固定,并和反光点基本处于同一位置,这样在高速运行的过程中,传感器将每次反射都反馈给单片机,从而通过算法得出每排灯的位置。但必须先对光电传感器初始化,在反光点处检测到信号后发给单片机时,由于电动机的转动,可能出现不稳定的周期,因此先求平均周期,再进行单片机I/O口的操作。由单片机提取相应的字库,则可显示出文字。此装置可接无线射频芯片将汉字通过串口由电脑发给单片机则对应显示该汉字,选用的芯片为CC1000,此部分有待进一步开发。

其中值得注意的是,MC14514设定工作在输入锁存的状态下,在下一次对其操作之前,MC14514保持原有状态,这样则可以大大增加LED的亮度。另外,MC14514由单片机进行对P1口的操作即可完成;在操作之后,选中相应的LED后,适当的延时以保证亮度。

3 结 论

与平板式LED显示屏和其他显示器技术(如CRT、LCD、PDP)相比较,旋转式线阵LED屏幕有着几个明显优势。(1)成本低。与平板式LED屏相比,发光器成本可降低10～20倍以上,总体成本可降低5～10倍以上。这对以高价位LED管为发光器的全彩色显示屏来说,更有使用价值;(2)分辨率高。(3)功耗小。包括强电功耗在内,一般最大功耗约150W/m2,而平板式户外全彩屏则为1500W/m2左右,100m2的全彩屏则需160kVA供电。因负荷太大,往往成为平板式全彩屏使用的主要障碍。

通过对快速运转、视觉暂留、时序软件等几个部分的结合,最终开发出旋转式的线阵LED屏幕。通过设计,我们认识到:(1)必须使电动机保持相对较稳定的速度,否则屏幕在电动机高速旋转和单片机快速运算的过程中将出现误差,导致屏幕效果不好,甚至出现斜点;(2)应保证圆筒内电源的稳定,否则将导致整个系统无法正常运行;(3)时序软件方面,采用C的编程,对每列LED进行操作,并可以对应字库显示出汉字、数字、英文等。