時尚旋轉LED球形屏的制作

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、娛樂場所等的裝飾，也同樣適合作為超市、賓館、商廠、大型廣場等的宣傳顯示工具。其主要目的是能夠360度全方位觀賞屏幕顯示的內容，給人以立體的觀賞效果，給觀眾帶來美的享受。

一、基本思路

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

2.設計一款中型的點陣屏幕，不需要拆卸即可以通過無線方式隨時隨地改變屏幕顯示的內容，像書寫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，適合不同的用戶固定到不同的場地。

5.設計出一種新穎的居家裝飾品，能夠營造出一種舒適溫馨的場景，給人帶來愉悅的心情。

二、基本原理

本屏幕由核心控制模塊、旋轉顯示模塊、無線模塊、字庫模塊、電機驅動模塊、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，當扇葉圍繞著中心軸旋轉時，會產生一個球面，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，點亮相應的點，這樣就可以控制一個球面的顯示內容了。

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， 控制模塊主要是無線接收過來的數據進行判斷，從而執(zhí)行不同的動作。是整個屏幕的控制核心處理各種數據，控制外部期間執(zhí)行各種動作。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,布線非常方便，而且對單個點或多個點控制方便，控制顯示簡單易行，而且顯示效果很好。

3. 無線模塊

無線模塊使用的是RF2401,2.4GHz全球開放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檢錯和點對多點通信地址控制、低功耗、內置2.4GHz天線、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點陣和15×16點陣的漢字庫芯片，支持GB2312國標簡體漢字（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，處理器會根據當前顯示屏的模式來對接收到的對管脈沖進行判斷，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. 電機驅動模塊

在電機驅動方式上，采用LM2596開關電壓調節(jié)器直接驅動直流電機，該芯片是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節(jié)特性，用滑動變阻器直接調節(jié)輸出電壓來調節(jié)直流電機的轉速，操作簡便。

如圖4所示。

圖4 電機驅動模塊

四、軟件設計

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

1. 系統(tǒng)主程序的實現

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

當系統(tǒng)上電后，程序開始執(zhí)行初始化，然后進入待機狀態(tài)，等待接收外部控制器發(fā)送過來的控制字符及操作字符，然后通過判斷控制字符來調用相應的子程序。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2. 各個子函數的實現

各個子函數主要是通過對字庫的調用、旋轉顯示板的控制來實現各個模式的功能。如圖6所示。

圖6 各個函數流程圖

演示方式中的各種模式與上圖類似，只是發(fā)送相應的控制字后執(zhí)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. 無線刷屏技術的實現

本球形屏采用無線技術刷新屏幕，方便實用。主要是通過RF2401模塊實現無線通信，該屏幕的大腦STC12C5A60S2全面分析接收過來的信息，然后快速把處理的數據送至各個模塊，執(zhí)行下一步動作。無線發(fā)送的數據構成整個屏幕運行的血液，控制著整個屏幕的運行狀態(tài)。

①測試數據經測試得出電流的數據如表1.

表1 電流的數據

②測試結果分析通過實際測量，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尚禮物。

五、制作過程

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

第一版是我用萬用板做的，外形跟現在的基本相似，也是一個圓，圓面上焊接的插裝的LED,所有的都是飛線連接，工作量可想而知。做了好幾天才焊好。結果還算可以，跟網上傳的差不多，但是效果沒人家理想，主要是供電做的不好，還有就是插裝的LED旋轉起來的效果不好。

第二版是用DXP軟件制作電路板，畫這種圖是很累人的，電路板腐蝕是用的鹽酸+雙氧水，為了防止線被腐蝕斷，在畫PCB時把線畫的都是比較粗的，單面板肯定是畫不成的，所以畫的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。制作出來后發(fā)現在旋轉的情況下，普通0808封裝的貼片LED亮度有點小，不過還湊合，還有就是LED個數少，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,只不過采用1206封裝的LED,個數比第二版的提高了一倍。由前兩次的經驗，這次做的還是比較快的，效果還算理想。

通過制作旋轉LED球形屏，我學到了很多，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，把固定讀硬盤的磁頭那一部分取下來當作電刷用，收音機天線的鋁管當作換向器，如此可以把直流電通過"電刷"傳給"換向器",再傳給上部旋轉部分的控制器及LED.

實驗結果：自制的電刷及換向器的導電效果很不好，時有斷電的情況，即使是在上部旋轉部分的供電處并聯一個很大的電容也不行，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，一般是細銅絲，從電機上部引出，銅線跟電機軸同步，把上部旋轉部分固定到電機軸上，電源通過電機本身的電刷及換向器。

實驗效果：這種方式是網上很推崇的，也是最穩(wěn)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(guī)格的換向器及電刷套到電機伸出的軸上，固定的這個換向器與上部的旋轉部分相連接，電源通過該電刷把電源傳給換向器，再傳給上部旋轉部分。

實驗效果：效果很好，沒有出現斷電的情況，這樣與下部電機基本上沒有關系，不會產生很大的干擾。

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。但是直流電機有個最大的缺點就是改裝不方便，噪聲大，速度跟力矩的比例關系太大。

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

3. 電路的選擇

a. 采用74LS595級聯控制LED,電路圖簡單，布線方便。但是最大的缺點是不能位控，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3片74LS138控制矩陣的X、Y,選擇點亮的點，控制方便、靈活、速度快。

4. 書寫屏幕的方式

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

實驗結果：數據傳輸很不穩(wěn)定，經常出現錯誤，而且由于制作工藝問題，電刷與換向器連接不是很好，影響速度。

b.采用無線通信的方式，把需要傳輸的數據通過無線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。

實驗結果：經過多次驗證，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,書寫屏幕的方式采用無線通信方式。