无线供电线状LED旋转灯的研制

崔远慧,陈鹤升,谈博强,王智森

(大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034)

无线供电线状LED旋转灯的研制

崔远慧,陈鹤升,谈博强,王智森

(大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034)

从降低LED显示系统的功耗出发，研制了一款基于电磁感应原理、由互感线圈无线供电的低功耗LED旋转灯。该旋转灯由3 V直流电源向直流电机和无线模块XKT-510供电；电机带动互感线圈的次级线圈转动，切割由XKT-510供电的初级线圈的磁场；次级线圈产生的感应电流经过整流、滤波和稳压后，向显示单元和主控单元供电。为了保证系统的稳定性，详细阐述了互感线圈的参数计算方法、整流二极管的参数计算方法和旋转灯系统的配重设计方案。设计了以STC15L2K08S2为主控芯片、由56个线状LED点阵排列显示的硬件电路，并给出了包括主控驱动电路、无线供电电路、AC-DC转换电路、恒流供电电路以及记录LED旋转圈数的起点检测电路的设计方案。经测试，该旋转灯的电源输出功率为0.024 W。利用T法检测该旋转灯的转速，所得最大相对误差为0.032%。测试结果表明，系统的稳定性较好、功耗较低。该旋转灯具有结构简单、经济实用的特点。它的成功研制对大型LED显示屏的实际应用有一定的指导意义，对利用LED进行其他非旋转显示控制也具有一定的理论参考价值。

电磁感应； 互感线圈； 无线供电； LED； 低功耗； 旋转灯； 恒流

0 引言

LED旋转灯是利用视觉滞后效应，通过在稳定旋转的载体上安装LED灯，实现旋转式显示功能的设备。目前，国内外对于利用LED实现旋转显示功能的研究越来越多。邹军等[1-2]对立体发光LED灯片的光学性能进行了研究，指出LED立体显示需要保证较大的光通量；张玉杰、孙加存等[3-4]对LED可调光显示技术进行了详细的研究;滕松[5]从视觉滞后的原理出发，设计并实现了旋转显示系统；沈杰等[6-8]对LED灯的显示方式和显示过程中的调制方式进行了研究；Chen等[9]对如何用更小的体积获得相同的光照显示效果进行了研究；刘姣等[10]为植物叶片设计了阵列LED红外光谱检测仪；桂立等[11]研究了LED在光源近场模型下的光学测量方法；姜文锋等[12]对体三维显示中屏幕机械运动误差对显示的影响进行了研究。上述文献中提到的LED均采用电池直接供电。杨信锟[13]设计了一种无线供电式LED旋转广告牌，但该论文中只描述了工作原理，没有对电路中各器件的具体参数进行详细的设计和计算说明。

本设计根据电磁感应原理，利用直流电机带动互感线圈的次级线圈转动，由次级线圈产生的感应电流经相关信号技术处理后向线状LED灯和主控电路供电。本文详细阐述了各部分电路的硬件设计和参数选择，最终成功制作了在3 V直流电机驱动下的56个线状LED(每个LED灯的额定电压为5 V，额定电流为10 mA)旋转灯，实现了对文字和图片的立体显示。通过对该旋转灯电机转速的测定，验证了系统的稳定性与可靠性。

1 工作原理及系统组成

该LED旋转灯由2部分组成，以互感线圈的初级和次级线圈为分界点，分别为底座部分和显示控制部分。系统结构框图如图1所示。

图1中，底座部分由直流电源、电机、无线供电模块、互感线圈的初级线圈和壳体组成。其中，直流电源向电机和无线供电模块供电，无线供电模块向互感线圈的初级线圈供电。电机按一定转速带动互感线圈的次级线圈旋转，产生旋转磁场，并在次级线圈中得到感应电流。显示控制部分主要包括互感线圈的次级线圈、LED显示灯、主控电路和针对次级线圈产生的感应电流的信号处理电路，如AC-DC转换电路、恒流电路等。次级线圈的感应电流经整流、滤波和稳压后，向主控电路芯片供电。显示部分由56个LED灯并联组成。为了保证所有LED灯在显示时具有相同的亮度，在向LED灯供电之前，需要进行恒流变换。

2 关键参数设计

2.1 配重设计

旋转灯的上、下2个部分通过直流电机的旋转轴相连。电机带动包括次级线圈在内的上半部分旋转，旋转过程中极易出现上、下不同心的状态。而运动误差的幅度和立体显示的效果存在必然的联系[12]。为了保证显示效果，必须对整个系统在运行过程中的同心性和稳定性加以设计。

本设计从2个方面考虑。

①在底座的4个角增加了吸盘设计，使旋转球可以牢固地贴近地面。

②对底座进行配重处理。

p=kL+L0

(1)

式中：k为系统的平衡系数，在0～1之间取值，经过试验，最终确定k=0.4；L为额定载荷，即上部球体的质量，g；L0为整个系统的质量，g，其包括上、下2个部分。

通过式(1)，计算得到的p约为200 g。

2.2 整流参数设计

旋转灯的上半部分采用电磁感应无线供电。互感线圈的参数选择是保证旋转灯匀速旋转的关键。本设计采用无线供电模块XKT-510向初级线圈供电。该模块要求初级线圈缠绕得越薄越好。考虑到次级线圈所带负载要求输出电压为5 V、电流为0.56 A，则根据式(2)得到次级线圈的电压值，并根据式(3)、式(4)选择整流二极管参数。

U=1.2U0

(2)

式中：U0为负载电压；U为次级线圈需要得到的电压。由U0=5 V，计算得U=6 V。

(3)

式中：ID为整流二极管整流电流。当采用桥式整流电路时，其电流为负载电流的一半。

(4)

式中：UDRM为整流二极管承受的最大反向电压。

经过上述计算，最终选择的整流二极管的型号为IN5819ws。其整流电流为1 A，反向峰值电压为40 V，可以满足设计要求。综合考虑上述要求，选择初级线圈和次级线圈的变比为1，线圈的接口直径不得小于0.5 mm。线圈的电感值均为30 μH。

3 硬件电路设计

3.1 主控电路

主控电路采用STC15L2K08S2作为主控芯片。该芯片具有超强抗静电、超强抗干扰、超低价和超低功耗的特点。由于其可以在线编程，故常被用于无线接收装置中。电路通过主控芯片的RXD和TXD引脚与计算机进行字符和图片的下载，实现显示模式的切换功能。同时，基于该主控芯片的在线编程功能，本文设计了1个红外一体化接收探头TL1838，用于无线接收来自遥控器的图片和字符。信号由遥控器发出后，经TL1838无线接收，并通过P33口进入主控芯片，实现了字符或图片的遥控切换功能。

3.2 无线供电电路

无线供电电路如图2所示。

图2 无线供电电路

无线供电电路主要由初级线圈和XKT-510无线接收模块等组成。XKT-510具有宽电压输入自适应功能，专用于无线感应系统中，可靠性高。当电源开关闭合后，由模块的VCC引脚供电；输出端与初级线圈相连，使直流电机得电，以一定的速度进行旋转，带动次级线圈产生旋转磁场，并在次级线圈内产生感应电流。

3.3 AC-DC转换电路

AC-DC转换电路如图3所示。

图3 AC-DC转换电路

图3中，次级线圈在直流电机的带动下，切割初级线圈的磁力线，在线圈中得到感应电流。其经过由D1、D2、D3、D4组成的单向桥式整流电路，以及C16、R5和C17组成的π型滤波电路后，再经稳压管稳压输出5 V的直流电压，向主控电路和恒流电路供电。

3.4 恒流电路

LED旋转灯采用56个LED灯单列显示。为了保证所有的LED灯在显示时亮度相同，设计了恒流电路。该恒流电路采用4片JXI5024恒流芯片串联而成。JXI5024芯片是1个16位的恒流LED驱动芯片。该设计将每个芯片的QH引脚和下一个芯片的SER引脚相连，可以实现64位恒流输出，满足本设计中56位恒流输出的要求。

3.5 时钟驱动电路

时钟驱动电路如图4所示。

图4 时钟驱动电路

时钟驱动电路主要由DS1302时钟芯片组成。当需要在LED旋转灯上显示当前时间时，利用该电路进行程序下载。同时，该电路还能对旋转灯的显示时间进行在线校准。

3.6 起点检测电路

由于本设计利用线性LED的旋转实现立体效果，因此在进行图片、字符显示时，需要准确知道LED每旋转一圈的起始位置，从而计算出需要显示的字符或者图片的点阵值。起点检测电路如图5所示。

图5 起点检测电路

由图5可知，起点检测电路由发射电路和接收电路组成，主要部件是位于底部支座上的发光二极管和位于顶部显示部分的接收光电二极管。在顶部的固定支座上刻有一个小的计时起点，线圈每次旋转到该位置时，发射二极管发送信号；光电管接收信号后，电路导通；信号经P32端口进入主芯片，表示旋转灯旋转一圈结束。

4 稳定性测试

采用3 V直流电机，制作了旋转灯，实现了字符和图案的旋转显示。对该旋转灯进行了系统稳定性测试。其稳定性主要体现在LED旋转球对于不同图形或者符号的显示分辨率上。而分辨率的高低与电机带动次级线圈转动时的运动误差密切相关。本文选择对电机转速进行测试，在一定时间内，如果电机的转速恒定或误差很小，即表明系统的稳定性好。对上述的旋转灯，在1 min内，基于霍尔效应，采用T法测量电机的转速。3次测量数据分别为3 108 r/min、3 109 r/min、3 108 r/min。3次数据之间的最大相对误差为：

测试结果表明，系统稳定性较好。该样机测得的电源输出电流为0.008 A，则功率为3×0.008=0.024 W。

5 结束语

本文从LED旋转灯的功耗和稳定性出发，详细介绍了旋转灯的系统组成，给出了系统各部分硬件的电路设计。基于电磁感应原理，利用3 V的直流电机和XKT-510无线供电模块，设计并成功制作了1台低功耗LED旋转灯。通过试验，验证了设计的合理性。对电机转速的测定结果表明，该设计具有较高的稳定性；对电源输出功率的测定则表明，该设计具有较低的功耗。该设计对无线供电LED显示系统的实际应用具有一定的指导意义。

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[13]杨信锟.无线供电式 LED 旋转广告牌设计[J].武夷学院学报,2014(5):72-76.

ResearchandDevelopmentoftheWirelessPoweredLine-ShapeRotaryLEDLight

CUI Yuanhui,CHEN Hesheng,TAN Boqiang,WANG Zhisen

(School of Information Science and Engineering,Dalian Polytechnic of University,Dalian 116034,China)

To reduce power consumption of LED display system,the low power consumption rotary LED light which is based on the principle of electromagnetic induction and wireless powered by mutual inductance coil is researched and developed.The DC motor and wireless module XKT-510 are powered by a 3 VDC power supply; the motor drives the secondary coil of mutual inductance coil to rotate,which cuts the magnetic field of primary coil.The induction current generated by the secondary coil is rectified, filtered and regulated, to be the power supply of the display unit and main control unit.In order to ensure the stability of the system,the calculation methods of parameters of the mutual inductance coil,the parameters of the rectifying diode and the balance weight scheme of the rotary light system are expounded in detail.The hardware system including STC15L2K08S2 main control chip and a 56 linearly arranged LED dot matrix display unit is designed.The design scheme for the main control circuit,wireless power supply circuit,AC-DC conversion circuit,constant current power supply circuit and the turns number counting circuit are given.Having been tested,the output power of the power supply of rotary light is 0.024 W.The rotational speed of the rotary light is tested by T method; the maximum relative error is 0.032%.The test results show that the system features good stability and low power consumption.The rotary light is compact,and offers certain practical significance.The successful research and development possess practical reference for the practical application of large LED display screen,and also has certain theoretical reference value for other display control using LED.

Electromagnetic induction; Mutual coil; Wireless powered; LED; Low power consumption; Rotary light；Constant current

修改稿收到日期:2017-05-31

崔远慧(1974—)，女，博士，副教授，主要从事数据融合、传感与控制系统方向的研究,E-mail:cuiyh@dlpu.edu.cn

TH703；TP202

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712015