基于無線供電技術的LED旋轉屏的設計與實現

【摘要】本文通過無線供電技術實現對旋轉主板的供電；通過STC89C52RC單片機實現對LED的控制和顯示；通過紅外通信實現對顯示字符的紅外操作；通過電機驅動實現LED的旋轉顯示。通過對旋轉主板和底座主板的設計，實現了LED旋轉顯示的功能。

【關鍵詞】無線供電；單片機；旋轉屏

一、總體設計方案

1.設計思路

LED旋轉屏包括旋轉主板，該旋轉主板可以實現LED旋轉顯示功能，而顯示內容可以通過STC89C52RC單片機開發，旋轉主板的供電部分可以選擇直接用電池給主板供電，可是，電池裝在主板上隨主板轉動，成本高，壽命短，影響轉速。本文采用無觸點、長壽命的無線供電技術，通過電磁耦合，傳遞能量。

2.總體設計

LED旋轉屏采用無線供電技術，以STC89C 52RC單片機為核心開發實現的，其硬件電路包括：無線供電模塊、單片機控制顯示模塊，紅外通信模塊，電機驅動模塊等四個部分構成。

其總體構成如圖1所示。

二、硬件電路設計

LED旋轉屏包括旋轉主板和底座主板。

旋轉主板包括旋轉主板自身和兩個與之相垂直的顯示板，顯示板的兩側各安裝有16只LED，其中一側的LED受單片機控制，用于顯示內容；另一側的LED是用于配重，以減小高速轉動過程中旋轉屏的振動和噪聲。LED旋轉屏通過同步控制發光二極管（LED）位置和點亮狀態來實現圖文顯示，其可視視角可以從每個方向看到顯示屏顯示的內容。該設計根據人眼暫留效應，利用直流電機的旋轉帶動LED高速旋轉，會在視覺效果上會產生一個圓柱型的LED顯示屏。

旋轉主板實現LED旋轉顯示功能，底座主板實現無線輸電功能，旋轉主板與底座主板之間通過線圈耦合，輸送電能。

本文采用無線供電技術實現主板的供電；采用STC89C52RC單片機實現LED的控制和顯示；采用紅外通信模塊實現顯示字符的紅外操作；采用電機驅動模塊實現其旋轉顯示功能。其原理圖如圖2和圖3所示。

1.無線供電模塊

電磁耦合可以視為使用非放射性的無線能量傳輸方式來驅動電器，若將兩個線圈繞組分開，則成為某種意義上的無線供電。然而，在兩個線圈遠離的時候，磁力線會嚴重發散到空氣中，效率的明顯下降；當兩個線圈線圈距離較近時，效率損失較少。因而，本文采用近距離電能的無線傳輸采用感應式無線電能傳輸技術。感應式無線電能傳輸，即，原邊線圈與次級線圈在處於同一磁場時，在原邊線圈通電將電能轉化為磁能，通過感應式的方式將磁能傳遞給次級線圈并且轉化為電能，為負載提供電能。

本文利用互補正反饋電路將直流信號轉化為高頻交流信號，通過線圈將交流信號送到旋轉的主板電路上，主板電路上利用5.1V的穩壓二極管，將收到的交流信號轉化成5.1V直流電源，通過220Uf的電解電容濾波，供給單片機，使單片機正常工作，其原理圖如圖4所示。

2.單片機控制與顯示模塊

LED顯示數據采用STC89C52RC的P0，P1口并行的送出。當LED在高速旋轉的情況下，會以某個頻率在空間的某一點來回出現。所以需要通過定時器中斷，讓其在對應時刻點亮或熄滅，超過一定的頻率時，由于人眼的暫留效應而無法分出LED是否在閃爍；因此可以通過單片機定時器的功能控制其顯示的內容。其原理圖如圖5所示。

3.紅外通信模塊

由于LED旋轉屏在高速旋轉的情況下不便于進行接線進行顯示內容的改變，因而本文選用紅外傳輸數據。可以借助紅外感應技術，隨時更新工作狀態下旋轉屏的顯示內容。因而，要求LED旋轉屏高速旋轉的狀態下能準確無誤地接收到紅外數據，即在與顯示主板相連的旋轉軸的上端有一通孔，在通孔上安裝紅外接收模塊，讓紅外接收的模塊收到的數據直接送給顯示主板的89C52RC。其原理圖如圖6所示。

4.電機驅動模塊

電機主要分成交流電機，直流電機、伺服電機、步進電機等幾種。直流電機的控制較為簡單，體積較為小巧，因而本文選擇直流電機，且選用3-6V供電的長軸電動機，該電動機轉動不能太快，否則會產生出現顯示時的閃爍感。因而，本電路采用二極管的壓降為電動機供電以降低電動機的轉速。其原理圖如圖7所示。

三、軟件設計

LED旋轉屏在設計中運用了紅外傳感器，在電動機的底部安裝有紅外發射管并將STC89C 52RC單片機等一同放入旋轉裝置中，在裝置底部開孔將紅外接收管固定并和紅外發射管基本處于同一位置，在這樣的高速運行的過程中，傳感器將每次反射都反饋給單片機，由單片機提取相應文字，通過對單片機的I/O口操作，控制LED亮熄從而可以旋轉顯示相應的文字。

1.主程序流程圖如圖8所示。

2.控制程序說明

（1）當程序開始運行的時候，首先就是要對程序進行初始化，主要作用就是讓程序按照我們所設計的初始值去運行。初始化之后，由紅外接收器判斷是否有數據送入，如果有數據送入就通過紅外接收器進行接收，然后將該數據轉換為點陣，再存入顯示緩沖區，對數據進行校對，如果有數據輸入的話那就將數據計數器進行清零。執行完成后返回到初始化操作之后重復以上的操作。

（2）如果紅外接收器沒有檢測到數據輸入，有則就返回初始化操作，無就直接讀取相應的文字，然后進行顯示。對送數據計數器進行加1指令。隨后返回到初始化操作之后進行循環掃描。

四、結束語

本文通過旋轉主板和底座主板的設計，并且針對實際電路進行硬件與軟件的調試，實現了LED的旋轉顯示功能。

作者簡介：

李寧，現就讀于南京化工職業技術學院應用電子專業，在王穎老師指導的“旋轉LED顯示屏的設計與制作”科技興趣小組中工作。

王穎（1976—），江蘇南通人，講師，主要從事電子信息技術教學與科研工作。