旋轉(zhuǎn)的“視覺暫留”LED屏系統(tǒng)詳解

1.引言

　　視覺暫留(POV)即視覺的短暫停留。人眼觀看物體時，物體的像會成到視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜上的光感細(xì)胞將光信號轉(zhuǎn)換為生物電信號通過視神經(jīng)傳給大腦。然而，當(dāng)物體移去后，視神經(jīng)對物體的印象不會立刻消失。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)證明，人眼看到一個物體后，在1/24秒內(nèi)不會消失。這種現(xiàn)象叫做視覺暫留，也叫人眼的惰性。這種惰性會使人的視覺產(chǎn)生重疊，使物體“變靜為動”。所以，以每秒超過24幀畫面以上連續(xù)呈現(xiàn)靜態(tài)畫面時，我們會看到平滑連續(xù)的動態(tài)畫面。

　　基于視覺暫留的旋轉(zhuǎn)線陣LED顯示屏指的是利用人眼的視覺暫留效應(yīng)[1]，通過機(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]兩種基本類型(另外還有球形、漏斗形等顯示屏，它們實質(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，一個條狀PCB板上集成了20個貼片型發(fā)光LED，下文簡稱線陣LED1。集成有LED的PCB板繞其一端隨電動機(jī)轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到合適的角度時點亮合適的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鐘和數(shù)字式時鐘的顯示原理。

　　在圖2中，圖2(1)指定了20顆LED用于顯示表盤、時間刻度、時針、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的內(nèi)圈和外圈。自內(nèi)向外，第1~9顆用于顯示時針，第1~12顆用于顯示分針，第1~15顆用于顯示秒針，第17~19顆用于顯示時間刻度。具體來講，3顆亮表示12點刻度，2顆亮表示3、6、9點刻度，1顆亮表示其余時間刻度。為了將時針與刻度隔開而提高時鐘的易讀性，第16顆LED一直不亮。在線陣LED的每一圈旋轉(zhuǎn)過程中，在圖示的位置點亮對應(yīng)的LED并延時就可以顯示出當(dāng)前時刻。圖2(2)中顯示的時刻為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 時時間內(nèi)，點亮第1、7、11、15及20顆LED，在 的下一個時刻點亮第1、7~15及20顆LED就可以顯示數(shù)字3。

　　特別地，起始起始 、延時時間 及字符歷經(jīng)時長 的具體計算在本文后面有詳細(xì)的推證過程。

　　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)計在圓形LED顯示屏的基礎(chǔ)上增加了一個豎直的集成有17顆貼片LED的PCB板，下文稱線陣LED2.當(dāng)然，為了維持系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，在另一端我們增加了螺柱等使兩端重量平衡。當(dāng)線陣LED2隨著電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，在的合適的位置點亮特定的LED，在視覺暫留的影響下我們就能看到各種文字和圖形。

　　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)的起始時刻 點亮第3、13及17顆LED，在接下來的時刻分別點亮第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

　　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)動軸兩旁。本文將單片機(jī)、時鐘芯片、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)的電路成為一個獨立的部分。電路板一端鉆一個電機(jī)軸插孔，插孔為半圓且半徑與電機(jī)軸相等。電機(jī)軸插入其中帶動指針板旋轉(zhuǎn)?！　?strong style="word-break: break-all; ">3.2 系統(tǒng)通信設(shè)置

　　在設(shè)計中，顯示屏顯示的內(nèi)容、顯示模式切換以及當(dāng)前時刻的設(shè)定都是通過紅外無線通信實現(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對接收信號進(jìn)行放大、檢波整形后得到TTL編碼信號直接給單片機(jī)解碼出調(diào)時、數(shù)字顯示或指針顯示三種不同的控制信號。

　　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