一种基于POV技术的无限供电旋转LED屏

杨国+李威

摘 要：新型POV旋转 LED显示系统采用PID闭环控制，使直流电机驱动一排LED阵列围绕固定轴做旋转运动，由于人的视觉暂留效应，阵列上的LED显示会转成平面显示方式。

关键词：LED 视觉暂留 MSP430

本系统基于德州仪器（TI）公司的 MSP430 Value Line系列超低功耗单片机，利用PID算法对LED电路进行恒速旋转控制，形成旋转点阵平面，同时，MCU根据转速调节 LED的刷新率，并根据 LED所处位置控制特定 LED的点亮和熄灭，达到显示的目的。

1、总体设计

本设计在硬件结构上分为两部分，分别是底座部分和旋转体部分。底座部分主要由电源管理模块和电机控制模块构成。电源管理模块负责对设备供电进行管理分配和保护，电机控制模块使用改进后的数字PID算法控制直流电机恒转速旋转；旋转体部分负责驱动线阵 LED，并对所需字符和图案進行实时的显示。

2、旋转LED底座电路

2.1 锂电池保护及充电电路设计

本设计的内置锂电池选用18650型锂电池。这就要求本设计必须设计锂电池保护电路，在非正常使用的情况下切断锂电池电路来保证人身和系统的安全。经过对元器件的选型，本设计选用DW01+FS8205A的锂电池保护方案。电路原理图如图1所示：

在保护锂电池的同时，电池对充电也有较高的要求。本设计选用南京拓微集成电路有限公司的TP4057锂电池管理芯片。TP4057可以对单节电池进行充电管理，具有防反接保护功能。根据计算的参数及电子设计经验，充电电路部分的原理图如图2所示。

2.2 电源管理及DC/DC升压电路设计

本设计选用德州仪器公司的LMR62421芯片进行升压变换。该芯片采用SOT23封装，1.6MHz的开关频率使得外部电容电感可以取尽可能小的值，同时，该芯片具有内部软启动电路，这将强制使稳压器的输出以一种更加线性和受控的形式斜坡上升，从而有助于减小浪涌电流。参考TI给出的典型应用电路，我们对升压电路的设计原理图如图3所示：

2.3直流电机驱动电路设计

由于本设计的直流电机只需要按一个方向旋转而不需要进行反转，因此电机驱动电路较为简单。利用编码器对电机转速进行采集，通过 PID算法便可对电机进行恒速控制。电机驱动电路如图4所示：

2.4红外遥控接收电路

为了更方便的对本设计进行控制，系统采用红外遥控取代传统的按键。红外遥控器由编码调制电路和红外发光管构成。在现阶段最常用的则是NEC标准的 UPD6121编码。该编码格式将红外光利用PWM方式调制到38KHz。为了使用方便，本方案采用一体化红外接收管VS1838b对红外信号进行接收。

2.5无线供电发射电路设计分析

根据电磁感应原理，交变的电场产生磁场，交变的磁场产生电场。无线供电线圈的原边和副边是没有任何物理上的连接的，因此在空间上更加的自由。但是，由于线圈之间只有空气，不能进行紧密的耦合，因此当线圈间距太远时，漏磁也会变得更加严重。本设计中，线圈的间隙（Gap）大约为2mm。本设计的无线供电原理图如图5所示：

2.6单片机最小系统

本设计选用德州仪器公司MSP430G2553超低功耗单片机。最小系统原理图如图6所示：其中 TPS76933是 TI公司的一款3.3VLDO稳压器，用来产生3.3V电压为单片机供电，Y1为32768Hz晶体震荡器，可以经过13分频产生标准的1Hz信号。该系列单片机使用 SBW双线JTAG下载方式，下载接口为 RST和 TEST，为了在调试过程中下载方便，在 PCB制作过程中此处接口使用 MINI-USB接口。

3、旋转体部分电路

3.1无线供电接收电路设计

无线供电接收部分的电路较为简单。无线电次级线圈经肖特基二极管全桥整流后，使用220uF电解电容滤波，即可得到直流电。经过实际调试，所得到的电压为5.5V。

3.2 LED驱动电路设计

通常，在单片机IO口资源不足，或对外设速率要求不高时，常用这种方法扩展输出口。因MSP430具有硬件 SPI的功能，本设计中74HC595的时钟信号和数据信号直接与硬件SPI的CLK和MOSI相连，可以高速的控制64颗LED。

3.3其它功能电路设计

功能电路主要由 RTC时钟电路、中文字库电路、红外检测电路构成。

4、总结

相比传统的点阵式 LED显示屏，本文提出的旋转 LED显示器可以很好的解决其散热问题和分辨率问题，同时也使屏幕的可视角度增加至360°，并且大大的增加了观赏性。endprint