康 磊，金 昱，桑志偉，朱天宇，何金璇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

作為 LED 顯示器［1，2］的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，出現(xiàn)了搖搖棒這種新穎的顯示裝置。它是一種利用人眼視覺暫留現(xiàn)象，通過連續(xù)快速移動(dòng)一個(gè)LED線陣，在空間形成一幅二維畫面的顯示裝置。該裝置具有成本低廉、便于攜帶、功耗低和體積小等特點(diǎn)，近年來逐漸受到廣大用戶尤其是青少年用戶的青睞。然而，傳統(tǒng)的手動(dòng)搖搖棒存在以下不足［3，4］。

(1)必須依靠人手搖動(dòng)

(2)人力驅(qū)動(dòng)的頻率難以固定，所成圖像經(jīng)常發(fā)生畸變或較為模糊;

(3)采用電池供電，環(huán)保性較低。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種利用太陽能供電，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)LED線陣的自動(dòng)掃描式LED顯示器，可以很好地解決上述問題［5-7］。

1 裝置總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的基于太陽能供電的自動(dòng)掃描式LED顯示器包括五個(gè)部分:LED線陣、顯示控制模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、運(yùn)動(dòng)與顯示同步模塊以及太陽能供電模塊。裝置的總體框圖如圖1所示。

在運(yùn)動(dòng)控制模塊帶動(dòng)下，由16個(gè)LED組成的線陣進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)LED線陣運(yùn)動(dòng)到特定位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)與顯示同步模塊將向單片機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號。單片機(jī)接收到該信號后，將存儲(chǔ)在其中的信息輸出至IO口，控制LED線陣有規(guī)律地交替閃爍。借助人眼具有的視覺暫留現(xiàn)象，我們就可以觀察到一幅完整的二維圖像。

圖1 裝置總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

1) LED線陣

LED線陣由16個(gè)發(fā)光二極管組成。當(dāng)線陣連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過合理控制其運(yùn)動(dòng)速度和顯示速度，就可利用視覺暫留現(xiàn)象使觀察者看到一幅二維圖像。

2)顯示控制模塊

顯示控制模塊用于控制LED線陣的顯示內(nèi)容及顯示速度。該模塊利用單片機(jī)存儲(chǔ)特定的圖像或字庫信息，通過連續(xù)地輸出該信息，控制單片機(jī)16個(gè)IO口的電平，進(jìn)而完成對IO口上連接的LED線陣顯示內(nèi)容及顯示速度的控制。當(dāng)LED線陣以固定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，若顯示速度較快，則其在空間中所成的二維畫面較窄;若顯示速度較慢，則畫面較寬。

3)運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制模塊用于控制LED線陣的運(yùn)動(dòng)速度。本裝置將LED線陣的一端固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)顯示模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)。該模塊的連接方案如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制模塊中使用的電動(dòng)機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與太陽能供電模塊輸出的電壓基本上成正線性相關(guān)的。因此，通過改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓即可連續(xù)地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而有效地控制LED線陣的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)LED線陣的顯示速度恒定不變時(shí)若其運(yùn)動(dòng)速度較快，則畫面較寬;若其運(yùn)動(dòng)速度較慢，則所成畫面較窄。

只有LED線陣的運(yùn)動(dòng)速度與顯示速度配合合適時(shí)，整個(gè)裝置才能顯示出完整清晰和寬度適中的圖像。

4)運(yùn)動(dòng)與顯示同步模塊

運(yùn)動(dòng)與顯示同步模塊用于保證顯示控制模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊同時(shí)開始工作，從而使LED線陣所成二維圖像在空間的位置相對固定，提高畫面的穩(wěn)定性。該模塊主要由一對紅外發(fā)射管和紅外接收管組成，其電路如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)與顯示同步模塊原理圖

該模塊將紅外接收管固定在LED線陣上，隨LED線陣一同運(yùn)動(dòng);紅外發(fā)射管則粘接在線陣正下方的裝置的電路箱體上，固定不動(dòng)。LED線陣運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)紅外發(fā)射管與接收管正對時(shí)，接收管接收紅外光并導(dǎo)通，向單片機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號。單片機(jī)接收到該信號后，將輸出其Flash中存儲(chǔ)的信息，控制LED線陣顯示字幕。

5)太陽能供電模塊

太陽能供電模塊由太陽能電池板、電壓轉(zhuǎn)換電路和太陽能充電電池組成。該模塊用于將太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能，為電動(dòng)機(jī)供電。

在陽光充足時(shí)，該模塊通過太陽能電池板可以將太陽能轉(zhuǎn)化為一定的電壓。光強(qiáng)不同，太陽能電池板的輸出電壓也不同。為了提高供電電壓的穩(wěn)定性，模塊通過電壓轉(zhuǎn)換電路將太陽能電池板輸出的電能存儲(chǔ)在兩節(jié)太陽能充電電池中，并在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)為其供電。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。該模塊中太陽能電池板呈正方形，邊長14.1cm。太陽能充電電池額定電壓7.4V，容量為4000mAh。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了使顯示控制模塊能夠精確地控制顯示的內(nèi)容和速度，我們編寫了單片機(jī)的控制程序。所用單片機(jī)的型號為STC12C5A60S2，其軟件流程圖如圖5所示。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖5 流程圖

LED線陣所形成圖像由不同時(shí)刻單片機(jī)IO口的電平狀態(tài)所決定，而某一時(shí)刻的IO口電平狀態(tài)又可以用16個(gè)二進(jìn)制數(shù) (即4位十六進(jìn)制數(shù))來表示。因此，只需將表示IO口狀態(tài)的一系列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的Flash中，即可完成待顯示圖像信息的存儲(chǔ)。

本文在單片機(jī)中預(yù)存了多組圖像信息，用戶可以通過按鍵可以選擇輸出不同的圖像。該裝置上電后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng);單片機(jī)首先檢測“圖像信息選擇按鍵”是否按下，確定待輸出的圖像信息;隨后，單片機(jī)進(jìn)一步判斷“是否檢測到紅外信號”;當(dāng)接收到紅外信號時(shí)，單片機(jī)開始控制LED線陣并顯示出圖像。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證該裝置的有效性，我們對其進(jìn)行了實(shí)測。裝置照片如圖6所示，顯示結(jié)果如圖7所示。

實(shí)測結(jié)果表明，太陽能供電模塊輸出電壓大致在0.34～5.75V之間(額定輸出電壓6V，輸出功率為2W，實(shí)測值隨光強(qiáng)而變化);LED線陣的顯示速度約為每1.1ms更新一次;電動(dòng)機(jī)功率為0.07W，轉(zhuǎn)速約為220rpm。電路消耗總功率約為0.3W，裝置充滿電后可使用時(shí)間約為7小時(shí)。顯示的多種圖像清晰、穩(wěn)定，由于采用太陽能供電，節(jié)能環(huán)保。

圖6 顯示器裝置實(shí)物圖

圖7 LED的顯示結(jié)果

5 結(jié)語

自動(dòng)掃描式LED顯示器具有如下特點(diǎn)。

(1)能夠根據(jù)需求顯示多種圖像;

(2)利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所成圖像清晰穩(wěn)定;

(3)采用太陽能供電，節(jié)能環(huán)保。

［1］ 蔣玲艷.點(diǎn)陣LED上顯示動(dòng)態(tài)圖形的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］廣西:輕工科技.2010，(5):2-6.

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［3］ 徐瑋.多功能數(shù)碼搖搖棒制作［J］北京:電子制作.2010，(10):35-38.

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