基于視覺暫留的動態(tài)掃描LED旋轉(zhuǎn)屏

摘要：為了研究并控制基于視覺暫留的發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)顯示屏，在系統(tǒng)仿真研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并改善了紅外驅(qū)動電路、磁電傳感器電路以及單片機(jī)控制系統(tǒng)，在Keil-匯編語言環(huán)境下編寫了單片機(jī)控制程序，制作出PCB電路板并進(jìn)行了軟硬件調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于視覺暫留的發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)顯示屏具有良好的可控制性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了非矩形及高速旋轉(zhuǎn)場合下的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：視覺暫留；磁電傳感器；紅外傳感器；動態(tài)掃描；LED旋轉(zhuǎn)屏；單片機(jī)

0 引言
    LED顯示屏(Light Emitting Diode Display)又稱電子顯示屏，由LED點(diǎn)陣組成，通過控制發(fā)光二極管亮滅來顯示文字、圖片、動畫、視頻等信息，可以由有線或者無線通信的方法隨時(shí)更換內(nèi)容，室內(nèi)外均適用。其具有高亮度、低工作電壓、小功耗、易小型化、長壽命、性能穩(wěn)定等投影儀、電視墻、液晶屏無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
    LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全彩化方向發(fā)展。本文利用STC89C51RC單片機(jī)及其外圍接口電路實(shí)現(xiàn)一種小型化可由紅外信號控制的，利用人眼視覺暫留，動態(tài)掃描出信息的新型LED電子顯示屏。該種器件與LED點(diǎn)陣電子屏比較有如下優(yōu)點(diǎn)：
    (1)顯示分辨率為R×R的漢字，需要發(fā)光二極管僅R個，器件成本低，易于維護(hù)。
    (2)可應(yīng)用于圓面、柱面、球面等非矩形場合下。
    (3)可應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)物體表面，如風(fēng)扇扇葉，汽車車輪等。

1 POVLED顯示原理
1．1 視覺暫留與POV LED成像分析
    所謂視覺，實(shí)際上是在人眼晶狀體成像后由感光細(xì)胞將光信號轉(zhuǎn)換為神經(jīng)電流，傳回大腦形成的。感光所依賴的感光色素的形成需要一定時(shí)間，光對視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍會保留一段時(shí)間，這稱為視覺暫留。本文中的POV LED顯示屏(Persistence of Vision Light Emitting Diode Display)由16顆發(fā)光二極管組成，它們構(gòu)成y軸，旋轉(zhuǎn)時(shí)每顆發(fā)光二極管均會產(chǎn)生位移，該位移構(gòu)成x軸，x軸位移量值受到半徑R及轉(zhuǎn)速V的精確控制，當(dāng)PCB板旋轉(zhuǎn)時(shí)，一個刷新周期TI內(nèi)，可以通過控制屬于TI的每一個Y0～Y16的亮滅來實(shí)現(xiàn)圖片、信息及動畫的顯示。
1．2 字模的獲取與顯示
    如圖1所示，將“電”字轉(zhuǎn)換成分辨率為16×16的點(diǎn)陣，其中白色區(qū)域代表二極管滅，由數(shù)字量1表示；黑色區(qū)域代表二極管亮，由數(shù)字量0表示。對基于視覺暫留的LED，一個刷新周期TI內(nèi)的各個時(shí)間區(qū)域(以下簡稱時(shí)區(qū)，該段延時(shí)時(shí)間大小的計(jì)算方法將在后文中介紹)依次送如下數(shù)據(jù)：
    I=1=2時(shí)區(qū)，Y0～Y16=11111111 11111111；
    I=3時(shí)區(qū)，Y0～Y16=11100000 00001111；
    I=4時(shí)區(qū)，Y0～Y16=11101101 11011111；
    I=16時(shí)區(qū)，Y0～Y16=11111111 11111111。
    完成一個分辨率為16×16的漢字的讀取后，數(shù)組指針I(yè)自加1，讀新時(shí)區(qū)數(shù)據(jù)，……，重復(fù)上述步驟直到TI=TMAX=T255，此時(shí)完成一輪動態(tài)刷新。

    與傳統(tǒng)點(diǎn)陣LED顯示屏類似，它們二者顯示數(shù)據(jù)信息都需要動態(tài)刷新，但是不同之處在于，前者是為了減少芯片管腳數(shù)量的使用，并使物理連線更加簡潔；而POV LED顯示屏的動態(tài)刷新實(shí)質(zhì)上是PCB板繞旋轉(zhuǎn)軸在空間中的位移。
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2 POV LED硬件設(shè)計(jì)
2．1 硬件框圖
    控制系統(tǒng)是以STC公司的STC89C51RC單片機(jī)為控制計(jì)算核心，POV LED硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。紅外傳感器接收紅外信號，包括控制系統(tǒng)的控制信號及時(shí)鐘芯片的數(shù)據(jù)信號，時(shí)鐘芯片由主電源與備用電源雙供電，主電源掉電時(shí)仍可保證數(shù)據(jù)安全。磁電傳感器接收定位信號，該信號用于定位并開始一輪新的動態(tài)刷新，從而使信息穩(wěn)定顯示。單片機(jī)綜合處理以上數(shù)據(jù)，將需要顯示信息的二進(jìn)制編碼以高低電平形式傳送至發(fā)光二極管。

2．2 顯示定位與磁電傳感器
    與點(diǎn)陣LED不同，POV LED每副畫面刷新結(jié)束后，需要重新顯示I=1及以后一系列時(shí)刻的圖像，這些圖像沒有固定的坐標(biāo)，若旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不恒定，則畫面將會發(fā)生抖動，無法穩(wěn)定顯示信息。如果人為在某點(diǎn)處放置一粒小磁鋼，將該點(diǎn)作為刷新零點(diǎn)或物理零點(diǎn)，則磁電傳感器在圓周運(yùn)動時(shí)必將經(jīng)過該點(diǎn)，由硬件產(chǎn)生一個中斷信號，此時(shí)單片機(jī)認(rèn)定運(yùn)行至零點(diǎn)，指針自加并顯示新信息直到完成該圈的圖像刷新。
    顯示定位所用磁電傳感器AH3144E是由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出級組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個數(shù)字電壓信號，是單磁極工作的磁敏電路，適合于矩形或者柱形磁體下工作。
    磁電傳感器靠近物理零點(diǎn)時(shí)，磁通量密度B不斷增加，當(dāng)大于BOP極限時(shí)，輸出端Vout是低電平，硬件產(chǎn)生一個中斷信號。當(dāng)磁電傳感器經(jīng)過物理零點(diǎn)并遠(yuǎn)離時(shí)，相應(yīng)的磁通量密度B向BRP端移動。當(dāng)B>BRP時(shí)，輸出端管腳是閂鎖低電平；當(dāng)B<BRP時(shí)，輸出端Vout輸出進(jìn)入高電平，如圖3所示。

2．3 紅外解碼
    紅外遙控器與電器之間的通信存在一個通信協(xié)議，一般是單向的通信協(xié)議。這個單向的通信協(xié)議稱為紅外遙控編碼協(xié)議。本文使用NEC紅外編碼協(xié)議，當(dāng)發(fā)射器按鍵按下后，即有遙控碼發(fā)出，所按的鍵不同遙控編碼也不同。這種遙控碼具有以下特征：
    采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0．565 ms，間隔為0．56ms，周期為1．125ms的組合表示邏輯“0”；以脈寬為0．565ms，間隔1．685 ms，周期為2．25 ms的組合表示邏輯“1”，波形如圖4所示。

    上述邏輯“0”和邏輯“1”組成的32位二進(jìn)制碼由38 kHz的載頻進(jìn)行二次調(diào)制以提高發(fā)射效率，達(dá)到降低電源功耗的目的，然后再通過紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外線向空間發(fā)射。
    置于POV LED上的紅外傳感器接收空間紅外信號并對之解碼，所得到的信息用于控制電子屏顯示畫面的更換，如字幕與數(shù)字時(shí)鐘切換；讀取時(shí)鐘芯片數(shù)據(jù)并顯示；設(shè)置新數(shù)據(jù)并寫入時(shí)鐘芯片等。
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3 POV LED軟件設(shè)計(jì)
3．1 程序流程圖
    51常用的編程語言有匯編語言和C語言。匯編語言的機(jī)器代碼生成效率很高，雖然可讀性不強(qiáng)，但在深刻了解硬件結(jié)構(gòu)上，有著C語言無法比擬的優(yōu)勢。本文的軟件編寫即是通過匯編語言實(shí)現(xiàn)，編程流程如圖5所示。整個軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化程序、磁電檢測程序、紅外檢測程序、紅外解碼程序、外部中斷程序、SPI總線通信程序、時(shí)鐘程序等模塊組成。

    SPI總線的基本信號線為3根傳輸線，即SI，SO，SCK。傳輸?shù)乃俾视蓵r(shí)鐘信號SCK決定，SI為數(shù)據(jù)輸入、SO為數(shù)據(jù)輸出，該種串行I／O口方式可以減少管腳的使用。
    以上模塊中，磁電檢測模塊、SPI通信模塊及紅外解碼模塊是POV LED工作的核心。
3．2 延時(shí)程序的計(jì)算
    基于視覺暫留的電子屏讀取數(shù)據(jù)并顯示，這個過程需要持續(xù)一段時(shí)間，這段時(shí)間即是上文所提及的“時(shí)間區(qū)域”概念。在該段時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)禁止被更新。超時(shí)之后，讀取新一組數(shù)據(jù)，延時(shí)并保留一段時(shí)間，整個過程即為動態(tài)刷新顯示。延時(shí)時(shí)間的長短，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后反映為字符的寬度，即延時(shí)時(shí)間越長，顯示的信息在空間的位移越大，一個完整的字符就越寬，反之越窄。
    本文使用規(guī)格為50 mil×80 mil(1 mil=0．025 4 mm)，封裝型號為0805的貼片二極管，相鄰兩個二極管之間間距與自身寬度相當(dāng)。環(huán)形顯示區(qū)寬度為16×2×0．0254×50≈40．6mm；由于顯示區(qū)近軸點(diǎn)外側(cè)與圓心距離為40mm，故顯示區(qū)遠(yuǎn)軸點(diǎn)外側(cè)與圓心距離為80．6mm，取60 mm處進(jìn)行計(jì)算，環(huán)形顯示區(qū)長度為2π×60≈377mm。可以顯示正方形漢字個數(shù)為377÷40．6≈9．29，向下取整即為9個漢字。故一個刷新周期由9×16=144個延時(shí)區(qū)間構(gòu)成，在2200r／min的恒定轉(zhuǎn)速下，1s旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為2200÷60≈36．67，旋轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間為1÷36．67≈27．27ms，可以計(jì)算出延時(shí)區(qū)間長度為27．27÷96≈189μs，如圖6所示。

    實(shí)驗(yàn)表明：延時(shí)區(qū)間的長度設(shè)定在189μs可以獲得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示效果美觀，理論計(jì)算正確。

4 結(jié)論
    (1)實(shí)現(xiàn)了基于視覺暫留現(xiàn)象的文字信息顯示，磁電傳感信號與旋轉(zhuǎn)PCB板物理零點(diǎn)精確同步，信息顯示穩(wěn)定，無閃爍、抖動現(xiàn)象。
    (2)采用STC單片機(jī)作為整個系統(tǒng)控制核心，軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、控制方便、抗干擾能力強(qiáng)，進(jìn)一步改進(jìn)后是一種集通信、顯示、控制為一體的新型顯示屏。
    (3)實(shí)驗(yàn)表明，該種顯示屏可以方便地應(yīng)用于環(huán)形、圓形、柱面、球面等非矩形旋轉(zhuǎn)場合，只需要更換LED硬件顯示部分的外形，就可以在以上四種形狀中互相轉(zhuǎn)換，成本低、可靠性高，應(yīng)用前景良好。