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视觉暂留小风扇

专家
2014-03-07 19:32:30    评分

作者:滨州学院 张开强 李民 张伟

指导教师:王彩凤 高海阔


  作品简介

  一、开发背景

  LED电子显示屏以其绿色、高效的特点在很大程度上方便了人们的生活,但市面上传统型LED电子显示屏体积庞大,其购买成本与维护成本往往在很大程度上成为其推广的绊脚石。而旋转式LED与平板式LED屏相比,发光器成本可降低10~20倍以上,总体成本可降低5~10倍以上。这对以高价位LED管为发光器的彩色显示屏来说,更有更好的发展前景和使用价值。

  二、结构说明

  此视觉暂留小风扇利用视觉暂留现象和POV LED技术,设计制作一个旋转的单色LED屏幕,将一列LED小灯巧妙的安装到家用风扇的一个叶片上,并在其余叶片上加好配重,叶片后面绕有感应线圈,待风扇通电并稳定运转时,通过无线供电方式对旋转叶片上的单片机和其余电器元件供电,由单片机控制动态地显示预设的文字、时间、温度、甚至慢速的动画等。

  三、功能与使用说明

  本装置以IAP15F2K61S2单片机为微控制器,其LED旋转式显示屏是植根于“视觉滞后效应” 演绎出来的电子信息显示媒体。在单片机精确的时序控制下,由无线遥控器对显示画面就行远程操控,一列LED旋转,不断扫描出预设的图案、符号、文字和动画。使用时只需接通电源,调节风扇档位,待风扇旋转平稳,手持遥控器控制风扇即可对实时温度、时间、以及自己喜欢的字幕进行显示播放。

  四、作品特色

  1、能在运行的同时,控制显示内容,比如调节时间、在显示文字和时钟间切换等;

  2、采用无线遥控技术,可远程对不同地点不同方位的显示屏进行分时控制;

  3、使用无线供电方式,新颖便捷;

  4、此装置既可以用作实验教学仪器形象的演示视觉暂留现象,又有很强的现实用途,带来可观的商业价值。


  平台选型说明

  选用大赛指定的单片机开发板(以IAP15F2K61S2芯片为控制核心),它几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块,其强大的片上功能为我们的设计提供了极大的便利。


  设计说明

  1 设计原理

  人的眼睛对动态频次分辨率一般为1/16~1/24s。电影片放映机以24帧/s的速度过卷,由于视觉滞后效应,使映现在屏幕上的单个静态画面,变成了连续动作的图文画面,配上声音就成了电影。而LED旋转式显示屏,也是植根于“视觉滞后效应”和LED显示屏控制软件基础上而演绎出来的电子信息显示媒体,但它比历经百年发展起来的电影更复杂。在能稳定旋转的载体上安装多列LED发光器件,静止时,各列发光管等间距分列排开,随着旋转速度的加快,在单片机精确的时序控制下,不断扫描出预设的图案、符号和文字,通过改变发光点的位置即可改变图案的图形,调整电机的转速就能产生不同的动态效果。犹如海市蜃楼般的幻景映现流淌在柱型、球型、盘型、扇型等载体的表面上,给人以全新的感觉。

  此视觉暂留小风扇利用了视觉暂留现象和POV LED技术,设计制作一个旋转的单色LED屏幕,将屏幕巧妙得安装到家用风扇上,风扇在运行的同时可动态地显示预设的文字、时间、温度、甚至慢速的动画。能在运行的同时,控制显示内容,比如调节时间、在显示文字和时钟间切换等。既可以形象的演示视觉暂留现象,又有现实用途,可以在使用风扇时通过遥控器控制显示温度,时间,动画等内容,增强了生活的趣味性。

  2 设计方案

  此设备主要由控制部分、显示部分、供电部分、旋转部分、温度部分、通信部分等六部分构成。

  2.1 微控制模块

  方案一:采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一个低功耗,高性能的51内核的CMOS 8位单片机,片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器,具有256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个IO口,2个16位可编程定时计数器。且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。

  方案二:采用STC系列的IAP15F2K61S2芯片,其IO资源丰富,易于进行功能扩展。且CPLD虽功能强大,但本系统并不需要很复杂的逻辑运算功能。IAP15F2K61S2单片机是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代单片机,采用第八代加密技术,加密性超强,代码指令完全兼容8051,在Keil开发环境中头文件包含即可,但运行速度快8—12倍。

  从使用成本和使用效率综合考虑,我们选择了方案二,采用STC系列的IAP15F2K61S2芯片作为整个系统的中央控制部分,原理图见图2:

  图2各模块与单片机连接原理图

  2.2 显示模块

  方案一:采用多行LED灯组成点阵来显示所需字幕和图案。

  方案二:在风扇叶上固定一排贴片LED,通过程序控制其点亮的先后顺序和风扇叶片的转速实现出动态的显示效果。

  采用点阵组成的LED矩阵使用成本高且对空间占用要求较大,而单列LED旋转形成的动态显示效果良好且新颖美观,所以我们采用了方案二作为整个系统的显示部分,原理图见图3:

  图3显示部分原理图

  2.3 供电模块

  方案一:采用直流的干电池直接对单片机及其余部分电气模块进行直接供电。

  方案二:采用无线供电方式,利用磁场与电流之间的转换关系,把直流转成交流,然后经过初级线圈 ,最后次级线圈感应得电,整流滤波后再由稳压部分得到单片机所需的稳定的5V电压为旋转部分供电。

  由于单片机及其他各电器元件工作时都处于高速的运转状态,所以普通的直接供电方式无法为其提供所需的稳定电压,若直接在风扇叶片背后固定干电池,将对其的运转产生极大的阻力。而无线供电方式不需要导线和原件直接相连。从实际情况和方便稳定的角度考虑,我们选择了方案二,采用无线供电的方式对装置进行供电。其直流转交流部分电路是一个自激震荡电路,原理图见图4:

  图4供电部分原理图

  2.4 旋转模块

  方案一:采用小型直流电机和集成的L298N驱动电路为装置提供旋转所需的动力和变速条件。

  方案二:采用一台小型家用台扇来为实验装置提供旋转所需的动力,通过将电子元器件及配种物品安装在风扇叶片的两面,使用时只需对其不同档位进行调节即可改变LED小灯旋转的速度。

  对电路使用的复杂程度和操控的难易程度进行综合考虑,方案二中以风扇作为旋转载体更加简便易行,且转速稳定,所以对旋转模块的选择我们使用方案二。

  2.5 温度模块

  方案一:采用热电偶,它能直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。

  方案二:采用DS18B20温度传感器。它只需要一根线即可实现与单片机之间的通信,简化了分布式温度传感应用无需外部元件,可直接用数据总线供电,电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源,测量温度范围为-55 °C至+125 ℃。温度传感器可编程的分辨率为9~12位,温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒,用户可定义的非易失性温度报警设置,应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统。

  综合考虑,方案二省却了采样、保持、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路,缩短了系统的工作时间,降低了系统的硬件成本,并且更加安全可靠。

  2.6 通信模块

  方案一:使用zigbee无线收发模块作为系统的通信方式。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。

  方案二:使用315按键遥控器。其芯片是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路,PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出。它采用了超再生接收模块采用LC振荡电路,内含放大整形,输出的数据信号为解码后的高电平信号,使用极为方便,并且价格低廉。带四路解码输出(同时也可改为六路点动或互锁输出),使用方便,频点调试容易,信息传输可靠,通信延时短,并且安有保障。

  综合经济和使用情况考虑,我们采用方案二315按键遥控器作为装置的无线收发模块,其芯片的工作原理图如图5:

  图5 315按键遥控器原理图

  通过以上各模块的设计,便实现了视觉暂留小风扇动态显示预设的文字、实时时间、温度、甚至慢速动画等的预期要求。

此文档的视频来自:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/13395




关键词: LED     单片机     发光器    

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