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1、基于步进电机和无线供电技术的旋转LED显示屏申星杰吉林师范大学物理学院2008 级 3 班 0808333指导教师：张勇（讲师）摘要 : 介绍了 LED 显示屏的设计思想，提出了其硬件组成以及对部分单元进行了电路设计并给出了软件的控制程序流程，最后分析了设计过程中需要注意的一些关键问题。关键词： 步进电机；无线供电技术；LED 显示屏； 89C51 单片机Rotating LED Display Screen Based on Stepping of Moto andWireless power technology Shen Xingjie, Jilin Normal University,
2、 CollegeofPhysics, Class 3 Grade 2008，0808333 Instructor : Zhang Yong(Lecturer) Abstract:The paper presents the design thought of LED displayscreen,puts forward its hardware structure,simultaneously glves out the curcuit design of certain units.Then the paper proposes the process of control programs
3、,finally analyzes some problems which could be paid attention to while designing LED display screen. Key words:stepping motor。 Wireless power technology 。LED display screen 。89C51 microcontroller 。一、引言旋转 LED 是利用人眼的视觉暂留效应，通过同步精确控制旋转体的速度和旋转体上的发光二极管的点亮状态来实现在360度全方位范围内都能看到显示内容。与 LED 平板显示屏相比旋转LED 显示屏具有成本
4、低，可视范围大的特点，是 LED 显示屏的一个新的发展方向，但LED 显示屏在高速旋转时因转速不稳定和旋转体过重而造成抖动现象和主板平衡性差的问题，影响图像显示质量。从两个方面着手解决上述问题。第一个方面是采用步进电机细分技术，由于步进电机具有抗干扰能力强，控制简单，步矩误差不会长期积累等特点，从而大大增强了旋转稳定性和精确性，。第二个方面是采用无线供电技术，利用电磁感应原理，用磁线圈对主板进行供电，结构简单，对主板不会造成损耗。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 12 页二、总体结构旋转 LED显示屏主要由供电装置，驱动装
5、置，LED显示屏及其控制，远程遥控装置构成图 1 总体结构图三、硬件设计1 电源任何电路都离不开电源部分，提供稳定、持续的输出电压是保证电路正常工作的关键。利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳压，可得稳定的输出电压。图 2 直流稳压电源的组成框图220V 交流电压经过变压器输出为9V 交流电压，再经过桥式整流成为单向脉冲电压，再经过滤波电路成为比较平稳的直流电压，最后通过7805 稳压成输出稳定的 5V直流电，向驱动装置、控制装置和显示装置供电。7805的引脚图如图 3 所示图 37805的引脚图主要参数：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
6、 - -第 2 页，共 12 页输入输出最小的电压差： 2V 最大输出电流： 2.2A。输出电压偏差：典型 =6V；最低 =5.75V；最高 =6.25V。工作温度范围： 0702 驱动装置实现旋转显示屏设计关键在于如何保证在转动过程中LED的位置与点亮状态始终同步，用电机驱动显示屏以角速度匀速旋转，用单片机以t的时间间隔定时改变LED的点亮状来实现上述目的。用单片机控制LED的点亮状态的精度是很高的，但是普通电机的转动角速度不会绝对保持恒定状态，不能保证LED 在经过某一位置时其点亮情况完全相同，即使是电机的微小波动也会造成图像的失真和抖动现象。针对上述问题，中南大学的邓宏贵等人提出利用步进
7、电机细分驱动技术精确控制 LED 显示屏的旋转角速度，可以解决上述问题。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。显示屏转过的角度始终为步距角，而与无关，因此，图像就不会再因旋转角速度的变化而产生失真，并且步进电机
8、不会产生积累误差2。其基本结构如图 4 所示。图4 驱动装置精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 12 页其中设大齿轮半径为，旋转角速度为，小齿轮的半径为，旋转角速度为，显示屏半径为L，步进电机每步进一次LED水平移动的距离 ?x，电机步距角为，这时显示屏转过的角度为，则他们之间存在如下的关系。= (1) 为使 LED旋转显示屏画面稳定，本次设计中LED帧频选取为 60Hz ，则显示屏旋转角速度应为=60r/s。当显示屏旋转角速度为60r/s 时细分状态与和/的关系为如图 5 所示。细分状态步进角 (度)(r/s) /5 细分
9、0.36 9.42 6.37 10 细分0.18 4.71 12.74 15 细分0.12 3.14 19.11 20 细分0.09 2.36 25.48 图 5时和/的取值表在本设计中步进电机要达到的角速度远远小于步进电机的最大转速，所以这个方案是可行的。步进电机的驱动电路的主要组成元件为AT89C51单片机、 ULN2003驱动芯片、12M石英晶体振荡器、步进电机。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品, 具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点, 适应于各类要求高速大功率驱动的系统。此次设计主要采用AT89C51单片机为主控单元。AT89C51是一种带 4
10、K 字节 FLASH存储器（ FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000 次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -
11、第 4 页，共 12 页是一种高效微控制器。AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚排列如图6 所示图 6AT89C51 的引脚排列石英晶体振荡器是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件步进电机的驱动电路图如图7 所示。精选学习资料 - - - -
12、 - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 12 页图 7 步进电机的驱动电路图3 向控制电路和显示屏（主板）供电供电方式主要有3 种：第一种，直接用电池给主板供电，电池装在主板上随主板转动，缺点是成本高，寿命短，且电池增加了主板的重量，影响主板的平衡性和给步进电机过重的负担。第二种方案是采用电刷供电，电刷对于接触面的磨损很大，对主板造成损伤，且增加了结构的复杂度。第三种方案是采用无线供电技术，利用电磁耦合原理，用磁线圈对主板进行供电，此方案对主板没有任何损耗。电磁耦合对很多人来说，再也熟悉不过了，变压器就是利用这个原理来传递能量。如果把变压器的两个绕组分开，
13、就是某种意义上的无线供电。但是用电磁耦合的方式有很大的缺点，没有高磁导率的磁芯作为介质，磁力线会严重发散到空气中，传递效率下降非常厉害。所以不适合大功率，远距离的无线供电。本设计所需的功率很小，供电距离很小，所以是较理想的方案。其结构如图 8 所示，其中 L1 为给主板部分供电的磁线圈。图 8 无线供电结构图4 显示及控制模块（1）显示屏构成显示屏的元件为LED 灯，中文名称为发光二极管，其发光原理是注入一定的电流后，电子与空穴不断流过PN结或与之类似的结构面，并进行自发复合产生辐射光。本次设计采用的是高亮度单色发光二极管，高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色
14、发光二极管不同，所以发光的强度也不同。通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs ）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 12 页色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（ GaAsP）等材料。本实验采用多色单排LED 进行显示，每个像素由三个LED 组成，分别为红、绿、蓝发光二极管，规格都为3mm 。每排 16个像素。排列如图8 所示。图 9 发光二极管排列结构多色 LED 像素的状态函数如下所示。 111,Ri=1,Gi=1,Bi=1
15、 110, Ri=1,Gi=1,Bi=0 101, Ri=1,Gi=0,Bi=1 011, Ri=0,Gi=1,Bi=1 Zi= 001, Ri=0,Gi=0,Bi=1 100,Ri=1,Gi=0,Bi=0 010,Ri=0,Gi=1,Bi=0 000,Ri=0,Gi=0,Bi=0 式中 i=1、2、3、n，是第 i 个像素的状态， 111 代表白色， 110 代表黄色，101 代表紫色， 011 代表青色， 001 代表蓝色， 100 代表红色， 010 代表绿色，001 代表蓝色， 000 代表灭，可以表示七种色彩，因此只要用单片机控制各LED 的亮灭，就可以让显示屏显示多色的图像。每针对
16、应位置的扫描频率为60Hz，显示效果较好。（2）主板主板由以 AT89C51 单片机为主体的单片机模块和端口扩展芯片以及红外接收装置构成。单片机按照一定的时序通过端口扩展芯片向LED列阵发送高平脉冲控制 LED 灯的点亮状态，实现图像的显示。红外接收装置把接收到的红外信号传递给单片机来实现显示图像的变换。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 12 页（3）红外发射装置从计算机串口接收数据，可以在显示屏工作的状态下直截通过电脑进行显示内容的改变。实现该功能的是红外发送和接收电路。红外发送电路有双重功能：一是从计算机串口接收数据，
17、二是将接收的信号调制成红外传输信号。计算机的数据可以通过串口调试软件直接发出，发出的数据每包为固定的20 个 ASCII 字符或 10 个汉字，采用低速发送以提高红外传输的准确度。为了在显示屏高速旋转工作的状态下能准确无误地接收到红外数据，我们，在与显示主板相联的旋转中轴上端打一个通孔，在通孔上安装红外接收模块，让红外模块接收到的数据直截送给显示主板上的控制器。在红外接收模块的 正 上 方 上 固 定 安装 的 一 个 与 红 外 发 射 头 相 联 的 发 射板 。 发 射 板 是 以AT89C2051为控制核心。所有从电脑串口传送过来的数据都是通过它转变成带有 38K载波的红外数据格式送给
18、红外发射头供发射使用。具体电路如下：10K1K901410K2009014接PC串口的1脚5V5V89C2051P1.7P3.5接PC串口的 5脚T1T2图 10 红外发送电路电路中， T1 完成从 RS232 到单片机串口的电平转换。T2 是红外发光管的驱动管。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 12 页图 11 红外接收端电路图该红外接收端位于转轴顶部，自带38KHz 解码功能，电路设计简单、使用方便。四、软件实现由单片机控制LED 的亮灭和无线数据的接收数据通过红外接收模块接收后，单片机的串行接口收到数据并传到主控芯片
19、AT89C51 中处理，当有无线数据传到时，优先处理接收数据。显示屏主程序流程图见图12。无线数据发送子程序流程图见图 13。无线数据接收子程序流程图见图14。开始串口初始化中断初始化读取数据控制48 位 LED 显示无线发送子程序读取数据库组装成一帧数据发送效验码发送一帧数据发送完？精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 12 页图 12 显示屏主程序流程图图 13 无线发送子程序流程图图 14 无线接收子程序流程图显示屏能否清晰显示内容主要从以下几方面考虑：（1) 单片机控制 LED的亮灭时间： r=SV，S为 LED 面宽
20、度， y 为电机转动线速度；（2) 电机转动时轴心保持平衡；（3) 环境光线对比度五、几个问题（1） 在旋转 LED显示屏的制作过程中，从任务设计、方案论证、总体设计、硬件链接、软件设计以及最后的结果测量与分析等各方面入手，力求做到设计人性化，方案合理化，布局优化。（2） 整机的机械结构是决定作品成败的关键。结构强度对稳定性影响很大，因此采用角钢支架，以钢板为底，同时对转盘进行平衡调节，基本解决了转动的稳定性问题。无线接收子程序接收一帧数据拆帧数据存入 EEPROM程序出口程序出口控制LED熄灭精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10
21、页，共 12 页（3） 在高速旋转的情况下难免会有一定的声音，减少噪音的方法是让中间的主旋转框架在旋转的过程中尽量保持平衡，不致因哪一方过重从而导致噪音过大，在齿轮和轴承上添加润滑油以减小噪音的产生，在主框架外加上玻璃罩以隔离噪音。（4） 亮度较小。解决亮度偏低可采用两个办法: 一是增加显示器件亮度 , 采用超高亮度的 LED ；二是增加显示阵列 , 如双阵列、四阵列。由于显示阵列和LED亮度不可能选择很大 , 因此旋转显示屏目前只能在室内和室外夜间使用。（5） 显示屏尺寸受限。受亮度偏低的影响, 旋转显示屏尺寸大小不可能做得很大。（6） 单片机的数据存储空间很有限，如果电脑对视频信号进行编码
22、并实时传送数据 将显示屏具备显示视频的能力! 这样将能大大扩大这种显示屏的应用范围。（7） 由于红、绿、蓝三种发光二级管的亮度各不相同，导致实际显示颜色和实现设想的有一些不一样。六、结论（1）本设计利用步进电机的细分技术和无线供电技术实现了旋转LED 显示画面的稳定和清晰，并且把红、绿、蓝三种发光二极管当做一个像素单元实现多色显示的目的。（2）我们也可以利用二维显示屏的屏像素在匀速旋转中有规律的瞬时发光，建立旋转体三维显示屏。（3）如果亮度问题解决得好，可应用于室外，尤其是一些广告塔、楼顶等场合，效果比霓虹灯要好，是LED显示屏的一个新品种、新方向。参考文献1 张瑞春，旋转柱式显示屏的原理与设
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24、- - -第 11 页，共 12 页刊论文 -液晶与显示 2008.5 7 房玉明，杭柏林基于单片机的步进电机开环控制系统J 电机与控制应用，2006，338 郑喜凤，邓春健，冯永茂，等一种实现LED 显示屏显示信息的方法EJ 液晶与显示，2007，229 张代兵 , 韩大鹏 .一种低功耗设备的无线感应供电技术J.仪器仪表学报,2006 ， Z3. 10 金松令。金孚安微机控制步进电动机运行参数的计算 期刊论文 -微电机 ,1992,04 11 Sohrabi K.,Ailawadhi V.,Pottie GJ.,et al. Protocols for self- organization of a wireless sensor network J.IEEE Personal Communications,2000,7(5). 12Wickens C D.Three-dimensional stereoscopic display implementation: Guidelines derived fromhuman visual capabilities.Proceedings of SPIE,1990,1256. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 12 页