自制時(shí)尚旋轉LED球形屏

旋轉LED球形屏是一款新型的新穎的居家裝飾品和字幕宣傳工具，適合家庭、汽車(chē)、娛樂(lè )場(chǎng)所等的裝飾，也同樣適合作為超市、賓館、商廠(chǎng)、大型廣場(chǎng)等的宣傳顯示工具。其主要目的是能夠360度全方位觀(guān)賞屏幕顯示的內容，給人以立體的觀(guān)賞效果，給觀(guān)眾帶來(lái)美的享受。

一、基本思路

1.用最少的LED開(kāi)發(fā)一種新型的立體顯示屏幕，可以從各個(gè)方向欣賞到顯示的內容，并且功耗要低！

2.設計一款中型的點(diǎn)陣屏幕，不需要拆卸即可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式隨時(shí)隨地改變屏幕顯示的內容，像書(shū)寫(xiě)普通的液晶屏一樣方便。

3.可以很方便的使屏幕內容處于靜止、放大或者旋轉狀態(tài)，使屏幕更加人性化。

4.可以水平放置、垂直放置、懸掛放置，適合不同的用戶(hù)固定到不同的場(chǎng)地。

5.設計出一種新穎的居家裝飾品，能夠營(yíng)造出一種舒適溫馨的場(chǎng)景，給人帶來(lái)愉悅的心情。

二、基本原理

本屏幕由核心控制模塊、旋轉顯示模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、字庫模塊、電機驅動(dòng)模塊、對管定位模塊等模塊及外殼、電源構成。

旋轉的扇葉設計為圓形，在扇葉上設有一圈LED,LED的發(fā)光顏色為單色或多色，當扇葉圍繞著(zhù)中心軸旋轉時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)球面，而且在球面上全部都是LED,配合字模軟件，當扇葉走到相應的位置時(shí)，點(diǎn)亮相應的點(diǎn)，這樣就可以控制一個(gè)球面的顯示內容了。

三、硬件設計

1. 核心控制模塊

核心控制模塊采用STC12C5A60S2系列1T單片機， 控制模塊主要是無(wú)線(xiàn)接收過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行判斷，從而執行不同的動(dòng)作。是整個(gè)屏幕的控制核心處理各種數據，控制外部期間執行各種動(dòng)作。如圖1所示。

圖1 核心控制模塊圖

2. 旋轉顯示模塊

旋轉顯示模塊采用陣列的方式排列LED,布線(xiàn)非常方便，而且對單個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)控制方便，控制顯示簡(jiǎn)單易行，而且顯示效果很好。

3. 無(wú)線(xiàn)模塊

無(wú)線(xiàn)模塊使用的是RF2401,2.4GHz全球開(kāi)放ISM頻段免許可證使用、最高工作速率1Mbps、高效GFSK調制、抗干擾能力強、內置硬件CRC檢錯和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制、低功耗、內置2.4GHz天線(xiàn)、可軟件設地址等功能。如圖2所示。

4. 字庫模塊

　　字庫模塊是用字庫芯片GT21L16S2W,該芯片是一款內含11×12點(diǎn)陣和15×16點(diǎn)陣的漢字庫芯片，支持GB2312國標簡(jiǎn)體漢字（含有國家信標委合法授權）、ASCII字符及GB2312與Unicode編碼互轉表。如圖3所示。

圖3 字庫模塊

5. 對管定位模塊

對管定位模塊是有雙對管控制，為處理器提供位置脈沖，處理器會(huì )根據當前顯示屏的模式來(lái)對接收到的對管脈沖進(jìn)行判斷，可以選擇單球屏顯示或者雙半球屏顯示，使顯示更加賞心悅目。

6. 電機驅動(dòng)模塊

在電機驅動(dòng)方式上，采用LM2596開(kāi)關(guān)電壓調節器直接驅動(dòng)直流電機，該芯片是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線(xiàn)性和負載調節特性，用滑動(dòng)變阻器直接調節輸出電壓來(lái)調節直流電機的轉速，操作簡(jiǎn)便。

如圖4所示。

圖4 電機驅動(dòng)模塊

四、軟件設計

系統采用C語(yǔ)言編程實(shí)現各項功能。由于本系統處理的數據較多、較復雜，利用C語(yǔ)言的優(yōu)勢完全可以體現出來(lái)。

1. 系統主程序的實(shí)現

主程序主要起到一個(gè)導向和決策功能，決定整個(gè)系統應如何正常運行。本系統各種功能的實(shí)現主要是通過(guò)調用子程序完成的。

當系統上電后，程序開(kāi)始執行初始化，然后進(jìn)入待機狀態(tài)，等待接收外部控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的控制字符及操作字符，然后通過(guò)判斷控制字符來(lái)調用相應的子程序。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2. 各個(gè)子函數的實(shí)現

各個(gè)子函數主要是通過(guò)對字庫的調用、旋轉顯示板的控制來(lái)實(shí)現各個(gè)模式的功能。如圖6所示。

圖6 各個(gè)函數流程圖

演示方式中的各種模式與上圖類(lèi)似，只是發(fā)送相應的控制字后執行的是屏幕自帶的相應的演示程序，這里就不再一一列舉了。

3. 無(wú)線(xiàn)刷屏技術(shù)的實(shí)現

本球形屏采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)刷新屏幕，方便實(shí)用。主要是通過(guò)RF2401模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信，該屏幕的大腦STC12C5A60S2全面分析接收過(guò)來(lái)的信息，然后快速把處理的數據送至各個(gè)模塊，執行下一步動(dòng)作。無(wú)線(xiàn)發(fā)送的數據構成整個(gè)屏幕運行的血液，控制著(zhù)整個(gè)屏幕的運行狀態(tài)。

①測試數據經(jīng)測試得出電流的數據如表1.

表1 電流的數據

②測試結果分析通過(guò)實(shí)際測量，發(fā)現該旋轉LED球形屏功耗在2W左右，而顯示相同內容的點(diǎn)陣屏功耗在10W左右的，功耗降低到1/5左右。

利用LED的高亮度，還可以作為警示效果，比如高壓警示，水深警示等危險場(chǎng)所；由于其炫酷的顯示效果、小巧輕便等諸多效果是送朋友生日新型的時(shí)尚禮物。

五、制作過(guò)程

制作這款旋轉LED球形屏跨越了好幾個(gè)月的時(shí)間，總共制作了三版，現在看到的是最終版。

第一版是我用萬(wàn)用板做的，外形跟現在的基本相似，也是一個(gè)圓，圓面上焊接的插裝的LED,所有的都是飛線(xiàn)連接，工作量可想而知。做了好幾天才焊好。結果還算可以，跟網(wǎng)上傳的差不多，但是效果沒(méi)人家理想，主要是供電做的不好，還有就是插裝的LED旋轉起來(lái)的效果不好。

第二版是用DXP軟件制作電路板，畫(huà)這種圖是很累人的，電路板腐蝕是用的鹽酸+雙氧水，為了防止線(xiàn)被腐蝕斷，在畫(huà)PCB時(shí)把線(xiàn)畫(huà)的都是比較粗的，單面板肯定是畫(huà)不成的，所以畫(huà)的PCB是雙面的，焊接的LED是用的貼片的，面積明顯小了很多，而且更加輕便了，更加像是一件工藝品。制作出來(lái)后發(fā)現在旋轉的情況下，普通0808封裝的貼片LED亮度有點(diǎn)小，不過(guò)還湊合，還有就是LED個(gè)數少，導致分辨率不高，但是作為普通的使用還是足夠了。

為了精益求精，制作了第三版，還是采用雙面的PCB,只不過(guò)采用1206封裝的LED,個(gè)數比第二版的提高了一倍。由前兩次的經(jīng)驗，這次做的還是比較快的，效果還算理想。

通過(guò)制作旋轉LED球形屏，我學(xué)到了很多，發(fā)現自己要做的還有很多。下面是我制作旋轉LED球形屏的總結。

1. 供電方式

a. 采用模仿電機供電，把固定讀硬盤(pán)的磁頭那一部分取下來(lái)當作電刷用，收音機天線(xiàn)的鋁管當作換向器，如此可以把直流電通過(guò)電刷傳給換向器,再傳給上部旋轉部分的控制器及LED.

實(shí)驗結果：自制的電刷及換向器的導電效果很不好，時(shí)有斷電的情況，即使是在上部旋轉部分的供電處并聯(lián)一個(gè)很大的電容也不行，效果不理想。

b. 采用電機本身供電，就是從電機的換向器上引線(xiàn)，一般是細銅絲，從電機上部引出，銅線(xiàn)跟電機軸同步，把上部旋轉部分固定到電機軸上，電源通過(guò)電機本身的電刷及換向器。

實(shí)驗效果：這種方式是網(wǎng)上很推崇的，也是最穩定的一種。但是由于本人在做硬件改造方面做的不好，改了兩個(gè)電機都是以失敗而告終。

c. 采用在電機上套裝與直流電機同樣的換向器及電刷，把與電機同規格的換向器及電刷套到電機伸出的軸上，固定的這個(gè)換向器與上部的旋轉部分相連接，電源通過(guò)該電刷把電源傳給換向器，再傳給上部旋轉部分。

實(shí)驗效果：效果很好，沒(méi)有出現斷電的情況，這樣與下部電機基本上沒(méi)有關(guān)系，不會(huì )產(chǎn)生很大的干擾。

2. 電機選擇

a. 選用直流電機，直流電機控制方便，改變速度效果明顯，之前一直在用直流電機。但是直流電機有個(gè)最大的缺點(diǎn)就是改裝不方便，噪聲大，速度跟力矩的比例關(guān)系太大。

b. 選用無(wú)刷電機，無(wú)刷電機改造容易，可以很方便的從中間安裝一個(gè)軸，這個(gè)軸可以固定上部旋轉部分，速度快，穩定，力矩也大。但是研究了一星期也沒(méi)有搞定無(wú)刷電機的控制方式，最笨的方法就是直接用硬盤(pán)的驅動(dòng)板，感覺(jué)那樣沒(méi)啥意思，就放棄了這種方案。

3. 電路的選擇

a. 采用74LS595級聯(lián)控制LED,電路圖簡(jiǎn)單，布線(xiàn)方便。但是最大的缺點(diǎn)是不能位控，最少是8位控制，不符合最初的設想。

b. 采用矩陣的方式控制LED,通過(guò)3片74LS138控制矩陣的X、Y,選擇點(diǎn)亮的點(diǎn)，控制方便、靈活、速度快。

4. 書(shū)寫(xiě)屏幕的方式

a. 采用自制的電刷，采用自制的電刷，弄四個(gè)環(huán)當換向器用，這四個(gè)環(huán)分別連接上部旋轉部分的電源正、負、RXD、TXD,通過(guò)串口傳輸數據。

實(shí)驗結果：數據傳輸很不穩定，經(jīng)常出現錯誤，而且由于制作工藝問(wèn)題，電刷與換向器連接不是很好，影響速度。

b.采用無(wú)線(xiàn)通信的方式，把需要傳輸的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式傳給上部旋轉部分，使上部旋轉部分改變顯示的內容。

實(shí)驗結果：經(jīng)過(guò)多次驗證，最后確定供電方式采用在電機上套裝與直流電機同樣的換向器及電刷，電機用直流電機，電路用矩陣的方式控制LED,書(shū)寫(xiě)屏幕的方式采用無(wú)線(xiàn)通信方式。