无线感应供电的旋转LED动态显示屏设计

顾菊芬

（苏州信息职业技术学院 通信与信息工程系，江苏 苏州 215200）

1 引言

随着计算机及相关的微电子、光电子技术的发展，LED电子显示屏作为视觉传播的重要载体也有了突飞猛进的发展。目前，常见的LED显示屏大多都是采用全铺方式，把LED进行逐行逐列地固定排列，每一个LED对应一个像素点，用以显示文字和图片。其优点是结构简单、易于控制，但它硬件复杂、成本大、不易移动，只能用于平面展示、画面显示单调，容易形成视觉疲劳[1-3]。针对传统点阵显示屏宣传展示效果普通、尺寸大、成本高的问题，设计了一套无线感应供电的旋转LED动态显示屏系统，只要少量LED实现显示，具有成本低、控制方便、展示效果好的优点，具有较好的推广价值。

2 系统设计

创意LED旋转动态显示屏是利用视觉暂留原理，通过发光体的运动，产生一系列运动轨迹的残留影像，达到飘浮在空中似的神奇梦幻般显示效果。整个系统包括无线供电系统、单片机控制系统、时钟日历芯片、LED灯列、传感器、通信端口等，结构分为固定底座和旋转部分，电机固定在底座带动控制板及LED灯列旋转，无线供电系统采用线圈耦合布局在轴心圆周处，不通过物理连接或接触进行电能传输，系统组成结构如图1所示。

图1 无线感应供电的创意LED旋转动态显示屏的系统结构图

3 无线电磁感应供电电源的设计

无线感应供电技术是借助电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术，其基本原理为初级线圈即发射线圈与交流电源相连，基于电磁感应原理，发射线圈与接收线圈之间便会产生变化的磁场，然后变化的磁场在接收线圈内产生电动势，当接收线圈连有负载时，负载便开始工作，此时，便实现了电能的无线传递，无线感应供电原理图如图2所示。

图2 无线感应供电示意图

为了实现装置的便携性，直接采用交流电源作为初级线圈的输入是不合适的。因此采用直流电源供电，通过自激振荡电路实现一定频率的交流振荡信号作为驱动信号。由于通过高频功率放大电路模块放大后的振荡输出是用于能量功率，而不是传递信号，因此对波形的要求并不是很高。所以，波形的失真并不重要，需要的是输出信号要有足够的振幅。无线供电部分原理框图如图3所示。

图3 无线感应供电系统的原理框图

电磁感应式无线供电的初级线圈需要300kHz的交流信号，频率太低不能达到较高的能量[4]。直流信号变高频交流信号采用自激振荡电路实现，可实现输出高频交流信号，以此作为初级线圈的输入驱动信号，具体实现电路如图4所示。该模块由输入、输出两部分组成，其输入端为5V的直流电压，通过中级功率三极管B772构成自激振荡电路，将直流电压转化成交流电压并连接到初级线圈。该电路包含互补的2个三极管8050和B772，同时工作在开关状态，B772为功率管。LC振荡电路实现选频，根据频率要求选择222pF的涤纶电容，初级线圈电感量大约为1.35mH。通过电容引入正反馈，将输出的交流振荡信号反馈至三极管8050的基极实现持续不断的交流信号输出。

图4 三极管实现的自激振荡电路

实测三极管8050基极信号、三极管B772集电极信号（即初级线圈驱动信号），输出频率在290kHz，跟期望值吻合，该频率下信号可以高效实现无线电能的传输。

图5 三极管8050基极信号

图6 三极管B772集电极信号

另外初级线圈和次级线圈之间的距离也会影响次级电压的大小，经过反复实验，最终得出初次级线圈距离0.5mm最合适，输出的交流电压经过整流、稳压、滤波后得到的直流电压完全能够满足旋转屏上的单片机和LED的供电要求。

图7 次级线圈整流滤波稳压电路

次级线圈通过电磁感应得到感应电流，之后采用全波整流后滤波稳压得到单片机的供电电压，具体实现过程：次级线圈在直流电机的带动下经过由VD3、VD4、VD5、VD6 组成的桥式整流电路，以及 C1组成的滤波电路后，再经稳压管稳压输出5V的直流电压，向主控电路供电。

4 主控单片机控制系统电路设计

主控电路主要通过控制代码实现侧面灯列和平面灯列运动成像，硬件资源主要包含位置同步信号、平面灯列和侧面灯列、时钟万年历芯片、红外遥控通信电路，以上模块电路采用常规电路实现，具体实现电路如图8所示。

图8 主控电路原理图

带动主控电路旋转的电机转速至少要能够符合视觉暂留时间，因此电机转速不能低于1500转/分。这个速度下产生的离心力较大，主控电路板需要平衡配重，采用在侧面灯列的另外一端增加两个铜柱，以实现电机两侧的平衡配重。实现灯列视觉暂留效果的另一个重要保障是位置同步信号反馈电路，要使运动的发光体形成的显示画面显示正常和稳定，LED旋转显示系统需要通过传感器来感知发光体的运动位置或状态，确定显示的起始位置。通过多种方案比较，采用红外发射和接收管实现信号同步，其中红外发射管固定、红外接收管参与旋转，因而每旋转一周可获取一次信号。最终的旋转动态显示屏实物如图9，红色框部分为红外发射和接收管安装位置。

图9 主控电路同步电路位置实物图

5 旋转视觉动态显示屏的程序设计

5.1 控制功能分析

旋转视觉动态显示屏控制系统待实现的控制功能分解如下：

（1）红外遥控信号的解码：对信号解码需要占用一个定时器、信号入口对应的端口为P3.3，为了响应的实时性，开启外部中断1下降沿触发，配合定时器进行解码。此为随机低频事件。

（2）红外对管的同步信号：占用端口P3.2，开启外部中断0，此为固定周期的高频事件。

（3）主程序完成对红外遥控解码后的命令进行状态的跳转，采用状态机完成切换。不同状态下的相应分别编写相应的函数实现。

（4）其他功能分析。滴答时间片占用定时器0，作为系统时间调度的依据。同时利用滴答时间片进行延时，以提高系统响应实时性。

5.2 实时多任务调度器设计

根据控制功能分析设计实时多任务调度器，将优先级高的任务通过中断实现，主程序和中断程序之间通过全局变量传递参数，这样既保证了实时性也保证了任务有序运转[5-7]。实时多任务调度器流程如图10所示，其中外部中断0为红外接收的同步信号，是一个高频周期事件，完成实时性要求最高的灯列显示刷新任务。红外遥控信号的解码作为一个随机事件实时性要求也高，因此采用外部中断1，解码过程会占用定时器T1以实现正确的解码。中断服务程序编写主要是获取标志，获取事件触发标志、时间触发标志，这些标志位采用全局变量，以方便在各个模块之间传递信息。主程序为一个标准的散转程序，通过解码后的命令字实现各个状态机实现。

图10 实时多任务调度器流程图

该实时多任务调度器在智能视觉旋转视觉动态显示屏上能够稳定地运行，实现不同优先级的多任务调度，效率高且可靠。

6 结束语

无线供电的旋转LED动态显示屏利用视觉暂留原理可以实现侧面和平面灯列的图文显示、时间显示等，各种画面的展示可以通过遥控器切换，运行时显示平面时钟和侧面图案效果如图11所示。

图11 平面和侧面动态显示屏成像效果

采用无线感应供电的创意LED旋转动态显示屏不通过物理连接或接触进行电能传输，可以有效避免固定部分和旋转部分电源线路的连接，避免了电源线路缠绕和磨损带来的麻烦。利用人眼视觉暂留原理实现灯列的动态成像，仿佛神奇的空中幻影，相对于传统LED显示装置只要少量LED实现显示，具有成本低、控制方便、展示效果好的优点，具有良好的推广价值。