基于太阳能供电的自动扫描式LED显示器

2013-08-23桑志伟朱天宇何金璇

电气电子教学学报 2013年2期

康磊，金昱，桑志伟，朱天宇，何金璇

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

作为 LED 显示器［1，2］的一个应用实例，出现了摇摇棒这种新颖的显示装置。它是一种利用人眼视觉暂留现象，通过连续快速移动一个LED线阵，在空间形成一幅二维画面的显示装置。该装置具有成本低廉、便于携带、功耗低和体积小等特点，近年来逐渐受到广大用户尤其是青少年用户的青睐。然而，传统的手动摇摇棒存在以下不足［3，4］。

(1)必须依靠人手摇动

(2)人力驱动的频率难以固定，所成图像经常发生畸变或较为模糊;

(3)采用电池供电，环保性较低。

为此，本文设计了一种利用太阳能供电，采用电动机驱动LED线阵的自动扫描式LED显示器，可以很好地解决上述问题［5-7］。

1 装置总体设计方案

本文设计的基于太阳能供电的自动扫描式LED显示器包括五个部分:LED线阵、显示控制模块、运动控制模块、运动与显示同步模块以及太阳能供电模块。装置的总体框图如图1所示。

在运动控制模块带动下，由16个LED组成的线阵进行圆周运动。当LED线阵运动到特定位置时，运动与显示同步模块将向单片机发出触发信号。单片机接收到该信号后，将存储在其中的信息输出至IO口，控制LED线阵有规律地交替闪烁。借助人眼具有的视觉暂留现象，我们就可以观察到一幅完整的二维图像。

图1 装置总体框图

2 硬件设计

1) LED线阵

LED线阵由16个发光二极管组成。当线阵连续运动时，通过合理控制其运动速度和显示速度，就可利用视觉暂留现象使观察者看到一幅二维图像。

2)显示控制模块

显示控制模块用于控制LED线阵的显示内容及显示速度。该模块利用单片机存储特定的图像或字库信息，通过连续地输出该信息，控制单片机16个IO口的电平，进而完成对IO口上连接的LED线阵显示内容及显示速度的控制。当LED线阵以固定速度运动时，若显示速度较快，则其在空间中所成的二维画面较窄;若显示速度较慢，则画面较宽。

3)运动控制模块

运动控制模块用于控制LED线阵的运动速度。本装置将LED线阵的一端固定在电动机转轴上，在电动机的带动下，实现显示模块的转动。该模块的连接方案如图2所示。

图2 运动控制模块

运动控制模块中使用的电动机为直流电动机。电动机的转速与太阳能供电模块输出的电压基本上成正线性相关的。因此，通过改变电动机的供电电压即可连续地调整电动机的转速，进而有效地控制LED线阵的运动速度。当LED线阵的显示速度恒定不变时若其运动速度较快，则画面较宽;若其运动速度较慢，则所成画面较窄。

只有LED线阵的运动速度与显示速度配合合适时，整个装置才能显示出完整清晰和宽度适中的图像。

4)运动与显示同步模块

运动与显示同步模块用于保证显示控制模块与运动控制模块同时开始工作，从而使LED线阵所成二维图像在空间的位置相对固定，提高画面的稳定性。该模块主要由一对红外发射管和红外接收管组成，其电路如图3所示。

图3 运动与显示同步模块原理图

该模块将红外接收管固定在LED线阵上，随LED线阵一同运动;红外发射管则粘接在线阵正下方的装置的电路箱体上，固定不动。LED线阵运动过程中，当红外发射管与接收管正对时，接收管接收红外光并导通，向单片机发出触发信号。单片机接收到该信号后，将输出其Flash中存储的信息，控制LED线阵显示字幕。

5)太阳能供电模块

太阳能供电模块由太阳能电池板、电压转换电路和太阳能充电电池组成。该模块用于将太阳能转化为稳定的电能，为电动机供电。

在阳光充足时，该模块通过太阳能电池板可以将太阳能转化为一定的电压。光强不同，太阳能电池板的输出电压也不同。为了提高供电电压的稳定性，模块通过电压转换电路将太阳能电池板输出的电能存储在两节太阳能充电电池中，并在电动机工作时为其供电。电压转换电路如图4所示。该模块中太阳能电池板呈正方形，边长14.1cm。太阳能充电电池额定电压7.4V，容量为4000mAh。

3 软件设计

为了使显示控制模块能够精确地控制显示的内容和速度，我们编写了单片机的控制程序。所用单片机的型号为STC12C5A60S2，其软件流程图如图5所示。

图4 电压转换电路原理图

图5 流程图

LED线阵所形成图像由不同时刻单片机IO口的电平状态所决定，而某一时刻的IO口电平状态又可以用16个二进制数 (即4位十六进制数)来表示。因此，只需将表示IO口状态的一系列数据存储在单片机的Flash中，即可完成待显示图像信息的存储。

本文在单片机中预存了多组图像信息，用户可以通过按键可以选择输出不同的图像。该装置上电后，电动机开始转动;单片机首先检测“图像信息选择按键”是否按下，确定待输出的图像信息;随后，单片机进一步判断“是否检测到红外信号”;当接收到红外信号时，单片机开始控制LED线阵并显示出图像。

4 实验结果及分析

为了验证该装置的有效性，我们对其进行了实测。装置照片如图6所示，显示结果如图7所示。

实测结果表明，太阳能供电模块输出电压大致在0.34～5.75V之间(额定输出电压6V，输出功率为2W，实测值随光强而变化);LED线阵的显示速度约为每1.1ms更新一次;电动机功率为0.07W，转速约为220rpm。电路消耗总功率约为0.3W，装置充满电后可使用时间约为7小时。显示的多种图像清晰、稳定，由于采用太阳能供电，节能环保。