1.引言

視覺(jué)暫留(POV)即視覺(jué)的短暫停留。人眼觀看物體時(shí)，物體的像會(huì)成到視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜上的光感細(xì)胞將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為生物電信號(hào)通過(guò)視神經(jīng)傳給大腦。然而，當(dāng)物體移去后，視神經(jīng)對(duì)物體的印象不會(huì)立刻消失?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)證明，人眼看到一個(gè)物體后，在1/24秒內(nèi)不會(huì)消失。這種現(xiàn)象叫做視覺(jué)暫留，也叫人眼的惰性。這種惰性會(huì)使人的視覺(jué)產(chǎn)生重疊，使物體“變靜為動(dòng)”。所以，以每秒超過(guò)24幀畫(huà)面以上連續(xù)呈現(xiàn)靜態(tài)畫(huà)面時(shí)，我們會(huì)看到平滑連續(xù)的動(dòng)態(tài)畫(huà)面。

基于視覺(jué)暫留的旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏指的是利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)[1]，通過(guò)機(jī)械掃描的方式讓一列線陣LED在正確的位置上使特定的LED發(fā)光而形成圖形、文字等的一種顯示屏。按其機(jī)械結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏主要有圓形[2~3]和圓柱面[4~5]兩種基本類(lèi)型(另外還有球形、漏斗形等顯示屏，它們實(shí)質(zhì)上只是圓柱形顯示屏的一種特例)。

2.POV顯示原理

2.1 圓形顯示原理

在基于POV的圓形旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏中，一個(gè)條狀PCB板上集成了20個(gè)貼片型發(fā)光LED，下文簡(jiǎn)稱(chēng)線陣LED1。集成有LED的PCB板繞其一端隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角度時(shí)點(diǎn)亮合適的LED就可以顯示需要顯示的內(nèi)容，其示意圖如圖1所示，而在何處點(diǎn)亮哪些LED就應(yīng)該符合圓形LED屏的顯示原理，圖2和圖3分別描述了圓形指針式時(shí)鐘和數(shù)字式時(shí)鐘的顯示原理。

在圖2中，圖2(1)指定了20顆LED用于顯示表盤(pán)、時(shí)間刻度、時(shí)針、分針和秒針的顆數(shù)及分布。明顯可以看出最內(nèi)和最外一顆用于顯示表盤(pán)的內(nèi)圈和外圈。自內(nèi)向外，第1~9顆用于顯示時(shí)針，第1~12顆用于顯示分針，第1~15顆用于顯示秒針，第17~19顆用于顯示時(shí)間刻度。具體來(lái)講，3顆亮表示12點(diǎn)刻度，2顆亮表示3、6、9點(diǎn)刻度，1顆亮表示其余時(shí)間刻度。為了將時(shí)針與刻度隔開(kāi)而提高時(shí)鐘的易讀性，第16顆LED一直不亮。在線陣LED的每一圈旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在圖示的位置點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的LED并延時(shí)就可以顯示出當(dāng)前時(shí)刻。圖2(2)中顯示的時(shí)刻為03:40:00。

圖3描述了圓形LED顯示屏顯示數(shù)字的原理，即是在每一圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)的 時(shí)時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)亮第1、7、11、15及20顆LED,在 的下一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)亮第1、7~15及20顆LED就可以顯示數(shù)字3。

特別地，起始起始 、延時(shí)時(shí)間 及字符歷經(jīng)時(shí)長(zhǎng) 的具體計(jì)算在本文后面有詳細(xì)的推證過(guò)程。

2.2 圓柱面型顯示原理

基于POV的圓柱面型旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏的結(jié)構(gòu)如圖4所示。本設(shè)計(jì)在圓形LED顯示屏的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)豎直的集成有17顆貼片LED的PCB板，下文稱(chēng)線陣LED2.當(dāng)然，為了維持系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，在另一端我們?cè)黾恿寺葜仁箖啥酥亓科胶?。?dāng)線陣LED2隨著電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，在的合適的位置點(diǎn)亮特定的LED,在視覺(jué)暫留的影響下我們就能看到各種文字和圖形。

圖5描述了圓柱面型旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏顯示字母D的工作原理。

在圖5中，圖5(0)指定了17顆LED的相應(yīng)功能，即自上而下第1~16顆LED是顯示LED，第17顆為底邊線LED；圖5(1~8)描述了圓柱面型LED顯示屏顯示字母D的詳細(xì)過(guò)程，即根據(jù)字母D的字模數(shù)據(jù)在每一圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)的起始時(shí)刻 點(diǎn)亮第3、13及17顆LED，在接下來(lái)的時(shí)刻分別點(diǎn)亮第3~13和17顆，第3、13及17顆，第3、13及17顆，第3、13及17顆，第4、12及17顆，第5~11和17顆最后再全部不亮就可以顯示出字母D。

3.旋轉(zhuǎn)線陣LED屏設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6所示，結(jié)構(gòu)要求重量均勻分布在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩旁。本文將單片機(jī)、時(shí)鐘芯片、線陣LED、一體化紅外接收頭等器件焊接在一塊指針型的電路板上，這樣可以使旋轉(zhuǎn)的電路成為一個(gè)獨(dú)立的部分。電路板一端鉆一個(gè)電機(jī)軸插孔，插孔為半圓且半徑與電機(jī)軸相等。電機(jī)軸插入其中帶動(dòng)指針板旋轉(zhuǎn)。

3.2 系統(tǒng)通信設(shè)置

在設(shè)計(jì)中，顯示屏顯示的內(nèi)容、顯示模式切換以及當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定都是通過(guò)紅外無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)的。在圖6中，紅外一體化接收頭(HS0038)接收由手持遙控器發(fā)出的頻率為38KHz的間斷脈沖，HS0038對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大、檢波整形后得到TTL編碼信號(hào)直接給單片機(jī)解碼出調(diào)時(shí)、數(shù)字顯示或指針顯示三種不同的控制信號(hào)。

3.3 起始位置校準(zhǔn)

電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性直接決定了顯示是否有重影和浮影。然而，要其完全不變是不可能的。在這種情況下，誤差會(huì)積累而形成浮影。

所以，對(duì)起始位置的不斷矯正是理由非步進(jìn)電機(jī)制作旋轉(zhuǎn)LED顯示屏必不可少的技術(shù)。通過(guò)磁電傳感器檢測(cè)置于固定位置的小鋼粒來(lái)不斷定位起始位置消除積累誤差。本文在指針板上加裝一個(gè)紅外接收管。當(dāng)接收到與之配對(duì)的紅外發(fā)光二極管(紅外發(fā)光二極管安裝在電機(jī)外殼上，并與接收管對(duì)齊)發(fā)出的紅外線后，就會(huì)反向?qū)óa(chǎn)生低電平而觸發(fā)外部中斷。指針板每旋轉(zhuǎn)一周，就會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)中斷信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被稱(chēng)為“過(guò)零信號(hào)”。

外部中斷的任務(wù)是將旋轉(zhuǎn)角度清零，以此消除積累誤差。

3.4 系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)、線陣LED等會(huì)隨高速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。有線供電實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、不穩(wěn)定且存在安全隱患。再為了讓DS1302掉電也能工作，本文DS1302芯片用普通紐扣電池供電而線陣LED采用無(wú)線的方式供電。無(wú)線供電技術(shù)就是通過(guò)電磁感應(yīng)原理，將電能以無(wú)線的方式傳輸給負(fù)載。無(wú)線供電的裝置一般由兩個(gè)分離的線圈，稱(chēng)為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，構(gòu)成。但這就需要在初級(jí)線圈上提供交流電。所以，本文通過(guò)電刷的方式將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。無(wú)線供電的結(jié)構(gòu)及電路圖如圖8所示。在圖8(1)中，將與電機(jī)同規(guī)格的換向器及電刷套在軸上。固定的換向器與上部旋轉(zhuǎn)的部分連接。

4.結(jié)論

本文詳細(xì)研究了基于POV的兩類(lèi)線陣LED旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘的工作原理。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)Multisim、proteus等仿真軟件對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行嚴(yán)密仿真，用C語(yǔ)言進(jìn)行了程序編寫(xiě)。最終實(shí)現(xiàn)了圓形LED顯示屏的模擬式時(shí)針時(shí)鐘、數(shù)字式時(shí)鐘、和笑臉圖案的靜動(dòng)態(tài)顯示，圓柱面LED顯示屏的下拉顯示、漢字顯示、打印字效果顯示和3種動(dòng)畫(huà)顯示。同時(shí)，本文還實(shí)現(xiàn)了兩類(lèi)顯示屏的同時(shí)多模協(xié)同顯示。部分的顯示結(jié)果如圖9所示。