旋轉(zhuǎn)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(chǎng)所等的裝飾，也同樣適合作為超市、賓館、商廠、大型廣場(chǎng)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(nèi)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(gè)方向欣賞到顯示的內(nèi)容，并且功耗要低！
2.設(shè)計(jì)一款中型的點(diǎn)陣屏幕，不需要拆卸即可以通過無線方式隨時(shí)隨地改變屏幕顯示的內(nèi)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(nèi)容處于靜止、放大或者旋轉(zhuǎn)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(chǎng)地。
5.設(shè)計(jì)出一種新穎的居家裝飾品，能夠營(yíng)造出一種舒適溫馨的場(chǎng)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(zhuǎn)顯示模塊、無線模塊、字庫(kù)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、對(duì)管定位模塊等模塊及外殼、電源構(gòu)成。
旋轉(zhuǎn)的扇葉設(shè)計(jì)為圓形，在扇葉上設(shè)有一圈LED,LED的發(fā)光顏色為單色或多色，當(dāng)扇葉圍繞著中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)球面，而且在球面上全部都是LED,配合字模軟件，當(dāng)扇葉走到相應(yīng)的位置時(shí)，點(diǎn)亮相應(yīng)的點(diǎn)，這樣就可以控制一個(gè)球面的顯示內(nèi)容了。
三、硬件設(shè)計(jì)
1. 核心控制模塊
核心控制模塊采用STC12C5A60S2系列1T單片機(jī)， 控制模塊主要是無線接收過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，從而執(zhí)行不同的動(dòng)作。是整個(gè)屏幕的控制核心處理各種數(shù)據(jù)，控制外部期間執(zhí)行各種動(dòng)作。如圖1所示。
圖1 核心控制模塊圖
2. 旋轉(zhuǎn)顯示模塊
旋轉(zhuǎn)顯示模塊采用陣列的方式排列LED,布線非常方便，而且對(duì)單個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)控制方便，控制顯示簡(jiǎn)單易行，而且顯示效果很好。
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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(diào)制、抗干擾能力強(qiáng)、內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制、低功耗、內(nèi)置2.4GHz天線、可軟件設(shè)地址等功能。如圖2所示。
圖2 無線模塊
4. 字庫(kù)模塊
字庫(kù)模塊是用字庫(kù)芯片GT21L16S2W,該芯片是一款內(nèi)含11×12點(diǎn)陣和15×16點(diǎn)陣的漢字庫(kù)芯片，支持GB2312國(guó)標(biāo)簡(jiǎn)體漢字（含有國(guó)家信標(biāo)委合法授權(quán)）、ASCII字符及GB2312與Unicode編碼互轉(zhuǎn)表。如圖3所示。
圖3 字庫(kù)模塊
5. 對(duì)管定位模塊
對(duì)管定位模塊是有雙對(duì)管控制，為處理器提供位置脈沖，處理器會(huì)根據(jù)當(dāng)前顯示屏的模式來對(duì)接收到的對(duì)管脈沖進(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式上，采用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，該芯片是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，用滑動(dòng)變阻器直接調(diào)節(jié)輸出電壓來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，操作簡(jiǎn)便。
如圖4所示。
圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
四、軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。由于本系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)較多、較復(fù)雜，利用C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)完全可以體現(xiàn)出來。
1. 系統(tǒng)主程序的實(shí)現(xiàn)
主程序主要起到一個(gè)導(dǎo)向和決策功能，決定整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)如何正常運(yùn)行。本系統(tǒng)各種功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過調(diào)用子程序完成的。
當(dāng)系統(tǒng)上電后，程序開始執(zhí)行初始化，然后進(jìn)入待機(jī)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(diào)用相應(yīng)的子程序。主程序流程圖如圖5所示。
圖5 主程序流程圖
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2. 各個(gè)子函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
各個(gè)子函數(shù)主要是通過對(duì)字庫(kù)的調(diào)用、旋轉(zhuǎn)顯示板的控制來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模式的功能。如圖6所示。
圖6 各個(gè)函數(shù)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(yīng)的控制字后執(zhí)行的是屏幕自帶的相應(yīng)的演示程序，這里就不再一一列舉了。
3. 無線刷屏技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
本球形屏采用無線技術(shù)刷新屏幕，方便實(shí)用。主要是通過RF2401模塊實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)送至各個(gè)模塊，執(zhí)行下一步動(dòng)作。無線發(fā)送的數(shù)據(jù)構(gòu)成整個(gè)屏幕運(yùn)行的血液，控制著整個(gè)屏幕的運(yùn)行狀態(tài)。
?、贉y(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)測(cè)試得出電流的數(shù)據(jù)如表1.
表1 電流的數(shù)據(jù)
?、跍y(cè)試結(jié)果分析通過實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該旋轉(zhuǎn)LED球形屏功耗在2W左右，而顯示相同內(nèi)容的點(diǎn)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(xiǎn)場(chǎng)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(shí)尚禮物。
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五、制作過程
制作這款旋轉(zhuǎn)LED球形屏跨越了好幾個(gè)月的時(shí)間，總共制作了三版，現(xiàn)在看到的是最終版。
第一版是我用萬(wàn)用板做的，外形跟現(xiàn)在的基本相似，也是一個(gè)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(jié)果還算可以，跟網(wǎng)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(zhuǎn)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(shí)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(xiàn)在旋轉(zhuǎn)的情況下，普通0808封裝的貼片LED亮度有點(diǎn)小，不過還湊合，還有就是LED個(gè)數(shù)少，導(dǎo)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(gè)數(shù)比第二版的提高了一倍。由前兩次的經(jīng)驗(yàn)，這次做的還是比較快的，效果還算理想。
通過制作旋轉(zhuǎn)LED球形屏，我學(xué)到了很多，發(fā)現(xiàn)自己要做的還有很多。下面是我制作旋轉(zhuǎn)LED球形屏的總結(jié)。
1. 供電方式
a. 采用模仿電機(jī)供電，把固定讀硬盤的磁頭那一部分取下來當(dāng)作電刷用，收音機(jī)天線的鋁管當(dāng)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(zhuǎn)部分的控制器及LED.
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：自制的電刷及換向器的導(dǎo)電效果很不好，時(shí)有斷電的情況，即使是在上部旋轉(zhuǎn)部分的供電處并聯(lián)一個(gè)很大的電容也不行，效果不理想。
b. 采用電機(jī)本身供電，就是從電機(jī)的換向器上引線，一般是細(xì)銅絲，從電機(jī)上部引出，銅線跟電機(jī)軸同步，把上部旋轉(zhuǎn)部分固定到電機(jī)軸上，電源通過電機(jī)本身的電刷及換向器。
實(shí)驗(yàn)效果：這種方式是網(wǎng)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(gè)電機(jī)都是以失敗而告終。
c. 采用在電機(jī)上套裝與直流電機(jī)同樣的換向器及電刷，把與電機(jī)同規(guī)格的換向器及電刷套到電機(jī)伸出的軸上，固定的這個(gè)換向器與上部的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)部分。
實(shí)驗(yàn)效果：效果很好，沒有出現(xiàn)斷電的情況，這樣與下部電機(jī)基本上沒有關(guān)系，不會(huì)產(chǎn)生很大的干擾。
2. 電機(jī)選擇
a. 選用直流電機(jī)，直流電機(jī)控制方便，改變速度效果明顯，之前一直在用直流電機(jī)。但是直流電機(jī)有個(gè)最大的缺點(diǎn)就是改裝不方便，噪聲大，速度跟力矩的比例關(guān)系太大。
b. 選用無刷電機(jī)，無刷電機(jī)改造容易，可以很方便的從中間安裝一個(gè)軸，這個(gè)軸可以固定上部旋轉(zhuǎn)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(jī)的控制方式，最笨的方法就是直接用硬盤的驅(qū)動(dòng)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(jí)聯(lián)控制LED,電路圖簡(jiǎn)單，布線方便。但是最大的缺點(diǎn)是不能位控，最少是8位控制，不符合最初的設(shè)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(diǎn)亮的點(diǎn)，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(gè)環(huán)當(dāng)換向器用，這四個(gè)環(huán)分別連接上部旋轉(zhuǎn)部分的電源正、負(fù)、RXD、TXD,通過串口傳輸數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：數(shù)據(jù)傳輸很不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)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?shù)臄?shù)據(jù)通過無線的方式傳給上部旋轉(zhuǎn)部分，使上部旋轉(zhuǎn)部分改變顯示的內(nèi)容。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)過多次驗(yàn)證，最后確定供電方式采用在電機(jī)上套裝與直流電機(jī)同樣的換向器及電刷，電機(jī)用直流電機(jī)，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。
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