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【摘 要】LED作为一种新型显示器件，在当前社会上得到了广泛的应用。本文设计了一种旋转LED显示屏的解决方案，借助人的视觉暂留，通过一排LED灯的高速旋转，以机械扫描的方式来显示各种字符或图像。本文详细分析了三维旋转LED的显示原理和制作过程，以8位单片机STC15F2K60S2作为主控芯片，时钟部件采用DS1302。系统工作时，通过互感线圈进行无线供电，采用红外遥控技术，对系统进行非接触红外控制。实践表明，本三维旋转LED显示系统设计可靠，具有成本低、功耗f小、实用性强等特点，而其显示的新颖性往往更能吸引人们的眼球，因此该设计有着十分广阔的实用价值和商业前景。
【关键词】LED;旋转;三维;显示屏
引言
随着显示器件的发展，被誉为“照亮未来的技术”的LED（Light Emitting Diode-發光二极管），渐渐走近了我们的日常生活，并将推动显示器领域发生一次革命性巨变。目前，世界上对省能源、轻量化、小型化、高可信度的产品需求极为迫切，而LED显示屏完全符合这些条件。LED属于全固体冷光源，更小、更轻、更坚固，工作电压仅有两伏特，使用寿命长达十多年。
柱式旋转LED显示屏是一种新颖的显示屏，总的来看，成本低、功耗小、显示亮度大是其最大的优点，另外 360 度的可视角度使之非常适合于像大厅和候车室之类的场合，尤其是一些广告塔、楼顶等场合。旋转LED显示屏是一个新品种、新的发展方向。
本文的设计很好的解决了普通LED显示屏中的不足，通过双排LED旋转显示，使得可视范围达到360°。主排基板采用32个高亮度LED，侧排使用16个，总共48个LED，大大减少了LED数量，克服传统LED显示屏的不足，同时也能充分保证了显示的清晰度。通过线圈供电，取代旋转臂的电池供电，使悬臂结构简化，电路更加简单，使用寿命更久。
1.显示原理分析
物体在快速运动时，当人眼看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像，约0.1秒左右，这种现象称为视觉暂留现象。利用这一特性，当画面以一定速率刷新时，人看到的就是连续的图像。常见的LED显示屏都是采用动态电子扫描方式进行显示的。旋转LED显示屏则是通过控制一列LED所在平面内围绕其中点快速旋转并同步改变发光状态来实现图像的显示。机械旋转扫描方式显示器，只有一列，由电机带动它进行旋转，运行到某一位置时就显示该位置的状态，到下一位置后又显示下一位置的状态，即一列显示器件要完成全部图像的显示[1]。
2.系统总体设计
通过外接直流5 V电源对电机和无线供电线圈进行供电。通过磁线圈的霍尔效应对主板进行供电，从而对单片机和LED供电，使单片机工作。电机带动主板和单片机旋转。单片机通过串口写入程序及要显示文字、图像等信息，并存储在Flash中，单片机从Flash中读取相应的信息进行显示。通过红外遥控进行显示信息的切换，以及人机交互。本系统还增加了模拟、数字时钟的显示。系统总体框图如图1所示;
3.硬件的设计与实现
3.1主显示基板结构
主显示基板部分主要由供电线圈、红外接收二极管、主控单片机和LED等部分构成，结构如图2所示，通过STC15F2K60S2单片机根据电机的转速控制LED点亮状态，使电机每旋转一定角度，LED状态改变一次，在旋转到任何一个位置，都将有一个惟一确定的状态相对应，如果使LED旋转速度足够快，显示屏便可以形成一个完整稳定的图案。
3.2设计原理图
3.2.1主控单片机
STC15F2K60S2含有大容量2048字节片内RAM数据存储器，增强型8051内核（STC Y5），速度比传统8051快7～12倍，宽的电压范围（5.5～3.8V），低功耗设计，内部高精度R/C时钟，±1%温飘（-40℃～+85℃），从5MHz～35MHz可选。具有8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒。3路PWM还可当3路D/A使用。具有硬件看门狗（WDT）、SPI高速同步串行通信接口、硬件乘法/除法指令等。每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA。
故本设计选用了STC15F2K60S2作为主控制器。其最小系统原理图如图3所示。
3.2.2电机
旋转式显示屏的扫描方式是机械转动扫描，转动由电机带动显示列来实现。为能让人观察到稳定的完整的图像，场扫描频率要大于45Hz，电机转速要在3000r/min左右。另外，电机必须具有良好的转速稳定性，否则转速不均匀会造成显示图像局部的水平失真（伸展或压缩），从而感觉图像不稳定，所以一般采用稳速电机。另外，显示屏结构要对称，使其高速旋转时不发生震动。
所以本设计选择了RF-500TB有刷直流电机，其工作电压为4-14V，具有很高的稳定性。
3.2.3主基板供电
常见主板供电的方式有3种：1：是应用最为广泛的一种方案，直接用电池给主板供电，电池装在主板上随主板转动。此种方案的缺点是成本高，寿命短，由于主板负载电池增加了重量会影响转速和主板平衡性。2：采用电刷供电，电刷对于接触面的磨损很大，会对主板造成一定的损伤。如果要使用这种方案，需要在主板部分进行特定加工，增加了工艺复杂度。3：也是本文采用的方案，用磁线圈对主板进行供电。此种方案简单有效，对于主板也不会有任何损耗，缺点是供电效率偏低。但是对于本系统，已经完全足够提供系统工作。供电部分电路如图4、图5所示。
3.2.4主基板LED驱动电路
主基板的LED驱动电路采用STC15F2K60S2的12个I/O口连接4片74HC595驱动32个LED，再使用单片机的16个I/O口驱动16个LED，总共构成48个LED灯组。电路图如图6、图7所示;
4.程序设计流程
系统的软件设计采用C 语言编写，系统首先对单片机的串口、中断入口、DS1302时钟、Flash等部分进行初始化，完成后进入显示状态。利用红外遥控进行画面的切换，文字的切换等。其流程如图8所示：
5.结语
本文设计的三维旋转LED显示系统（如图9），体积小，功耗低，360°可视视角，成本低。通过实际运行证明，其性能良好，实现了应有的功能，具有一定的商业应用价值。
参考文献：
[1]胡晓泊，邸立鹏，郑天宇，王彬.360°可视旋转LED显示屏开发[J].硅谷，2011，22.
[2]曾文会，施松新，张华书，刘连哲，林宝聚.三维多自由度旋转LED点阵机电系统的设计与开发[J].组合机床与自动化加工技术，2014，7.
[3]徐 伟，李 鑫，张 强，朱雪冬.多功能旋转LED时钟技术的研究与开发[J].电子技术，2013，02.
[4]孙肖子等.《电子设计指南》.北京：高等教育出版社，2006.
[5]丁武锋等.《MCU工程师炼成记》.北京：机械工业出版社，2013，9.
（作者单位：重庆邮电大学）
【关键词】LED;旋转;三维;显示屏
引言
随着显示器件的发展，被誉为“照亮未来的技术”的LED（Light Emitting Diode-發光二极管），渐渐走近了我们的日常生活，并将推动显示器领域发生一次革命性巨变。目前，世界上对省能源、轻量化、小型化、高可信度的产品需求极为迫切，而LED显示屏完全符合这些条件。LED属于全固体冷光源，更小、更轻、更坚固，工作电压仅有两伏特，使用寿命长达十多年。
柱式旋转LED显示屏是一种新颖的显示屏，总的来看，成本低、功耗小、显示亮度大是其最大的优点，另外 360 度的可视角度使之非常适合于像大厅和候车室之类的场合，尤其是一些广告塔、楼顶等场合。旋转LED显示屏是一个新品种、新的发展方向。
本文的设计很好的解决了普通LED显示屏中的不足，通过双排LED旋转显示，使得可视范围达到360°。主排基板采用32个高亮度LED，侧排使用16个，总共48个LED，大大减少了LED数量，克服传统LED显示屏的不足，同时也能充分保证了显示的清晰度。通过线圈供电，取代旋转臂的电池供电，使悬臂结构简化，电路更加简单，使用寿命更久。
1.显示原理分析
物体在快速运动时，当人眼看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像，约0.1秒左右，这种现象称为视觉暂留现象。利用这一特性，当画面以一定速率刷新时，人看到的就是连续的图像。常见的LED显示屏都是采用动态电子扫描方式进行显示的。旋转LED显示屏则是通过控制一列LED所在平面内围绕其中点快速旋转并同步改变发光状态来实现图像的显示。机械旋转扫描方式显示器，只有一列，由电机带动它进行旋转，运行到某一位置时就显示该位置的状态，到下一位置后又显示下一位置的状态，即一列显示器件要完成全部图像的显示[1]。
2.系统总体设计
通过外接直流5 V电源对电机和无线供电线圈进行供电。通过磁线圈的霍尔效应对主板进行供电，从而对单片机和LED供电，使单片机工作。电机带动主板和单片机旋转。单片机通过串口写入程序及要显示文字、图像等信息，并存储在Flash中，单片机从Flash中读取相应的信息进行显示。通过红外遥控进行显示信息的切换，以及人机交互。本系统还增加了模拟、数字时钟的显示。系统总体框图如图1所示;
3.硬件的设计与实现
3.1主显示基板结构
主显示基板部分主要由供电线圈、红外接收二极管、主控单片机和LED等部分构成，结构如图2所示，通过STC15F2K60S2单片机根据电机的转速控制LED点亮状态，使电机每旋转一定角度，LED状态改变一次，在旋转到任何一个位置，都将有一个惟一确定的状态相对应，如果使LED旋转速度足够快，显示屏便可以形成一个完整稳定的图案。
3.2设计原理图
3.2.1主控单片机
STC15F2K60S2含有大容量2048字节片内RAM数据存储器，增强型8051内核（STC Y5），速度比传统8051快7～12倍，宽的电压范围（5.5～3.8V），低功耗设计，内部高精度R/C时钟，±1%温飘（-40℃～+85℃），从5MHz～35MHz可选。具有8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒。3路PWM还可当3路D/A使用。具有硬件看门狗（WDT）、SPI高速同步串行通信接口、硬件乘法/除法指令等。每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA。
故本设计选用了STC15F2K60S2作为主控制器。其最小系统原理图如图3所示。
3.2.2电机
旋转式显示屏的扫描方式是机械转动扫描，转动由电机带动显示列来实现。为能让人观察到稳定的完整的图像，场扫描频率要大于45Hz，电机转速要在3000r/min左右。另外，电机必须具有良好的转速稳定性，否则转速不均匀会造成显示图像局部的水平失真（伸展或压缩），从而感觉图像不稳定，所以一般采用稳速电机。另外，显示屏结构要对称，使其高速旋转时不发生震动。
所以本设计选择了RF-500TB有刷直流电机，其工作电压为4-14V，具有很高的稳定性。
3.2.3主基板供电
常见主板供电的方式有3种：1：是应用最为广泛的一种方案，直接用电池给主板供电，电池装在主板上随主板转动。此种方案的缺点是成本高，寿命短，由于主板负载电池增加了重量会影响转速和主板平衡性。2：采用电刷供电，电刷对于接触面的磨损很大，会对主板造成一定的损伤。如果要使用这种方案，需要在主板部分进行特定加工，增加了工艺复杂度。3：也是本文采用的方案，用磁线圈对主板进行供电。此种方案简单有效，对于主板也不会有任何损耗，缺点是供电效率偏低。但是对于本系统，已经完全足够提供系统工作。供电部分电路如图4、图5所示。
3.2.4主基板LED驱动电路
主基板的LED驱动电路采用STC15F2K60S2的12个I/O口连接4片74HC595驱动32个LED，再使用单片机的16个I/O口驱动16个LED，总共构成48个LED灯组。电路图如图6、图7所示;
4.程序设计流程
系统的软件设计采用C 语言编写，系统首先对单片机的串口、中断入口、DS1302时钟、Flash等部分进行初始化，完成后进入显示状态。利用红外遥控进行画面的切换，文字的切换等。其流程如图8所示：
5.结语
本文设计的三维旋转LED显示系统（如图9），体积小，功耗低，360°可视视角，成本低。通过实际运行证明，其性能良好，实现了应有的功能，具有一定的商业应用价值。
参考文献：
[1]胡晓泊，邸立鹏，郑天宇，王彬.360°可视旋转LED显示屏开发[J].硅谷，2011，22.
[2]曾文会，施松新，张华书，刘连哲，林宝聚.三维多自由度旋转LED点阵机电系统的设计与开发[J].组合机床与自动化加工技术，2014，7.
[3]徐 伟，李 鑫，张 强，朱雪冬.多功能旋转LED时钟技术的研究与开发[J].电子技术，2013，02.
[4]孙肖子等.《电子设计指南》.北京：高等教育出版社，2006.
[5]丁武锋等.《MCU工程师炼成记》.北京：机械工业出版社，2013，9.
（作者单位：重庆邮电大学）