工程师电子制作故事：时尚旋转LED球形屏DIY设计

　　旋转LED球形屏是一款新型的新颖的居家装饰品和字幕宣传工具，适合家庭、汽车、娱乐场所等的装饰，也同样适合作为超市、宾馆、商厂、大型广场等的宣传显示工具。其主要目的是能够360度全方位观赏屏幕显示的内容，给人以立体的观赏效果，给观众带来美的享受。

　　一、基本思路

　　1.用最少的LED开发一种新型的立体显示屏幕，可以从各个方向欣赏到显示的内容，并且功耗要低！

　　2.设计一款中型的点阵屏幕，不需要拆卸即可以通过无线方式随时随地改变屏幕显示的内容，像书写普通的液晶屏一样方便。

　　3.可以很方便的使屏幕内容处于静止、放大或者旋转状态，使屏幕更加人性化。

　　4.可以水平放置、垂直放置、悬挂放置，适合不同的用户固定到不同的场地。

　　5.设计出一种新颖的居家装饰品，能够营造出一种舒适温馨的场景，给人带来愉悦的心情。

　　二、基本原理

　　本屏幕由核心控制模块、旋转显示模块、无线模块、字库模块、电机驱动模块、对管定位模块等模块及外壳、电源构成。

　　旋转的扇叶设计为圆形，在扇叶上设有一圈LED，LED的发光颜色为单色或多色，当扇叶围绕着中心轴旋转时，会产生一个球面，而且在球面上全部都是LED，配合字模软件，当扇叶走到相应的位置时，点亮相应的点，这样就可以控制一个球面的显示内容了。

　　三、硬件设计

　　1. 核心控制模块

　　核心控制模块采用STC12C5A60S2系列1T单片机， 控制模块主要是无线接收过来的数据进行判断，从而执行不同的动作。是整个屏幕的控制核心处理各种数据，控制外部期间执行各种动作。如图1所示。

　　

　　图1 核心控制模块图

　　2. 旋转显示模块

　　旋转显示模块采用阵列的方式排列LED，布线非常方便，而且对单个点或多个点控制方便，控制显示简单易行，而且显示效果很好。

　　3. 无线模块

　　无线模块使用的是RF2401，2.4GHz全球开放ISM频段免许可证使用、最高工作速率1Mbps、高效GFSK调制、抗干扰能力强、内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制、低功耗、内置2.4GHz天线、可软件设地址等功能。如图2所示。

　　

　　图2 无线模块

　　4. 字库模块

　　字库模块是用字库芯片GT21L16S2W，该芯片是一款内含11×12点阵和15×16点阵的汉字库芯片，支持GB2312国标简体汉字（含有国家信标委合法授权）、ASCII字符及GB2312与Unicode编码互转表。如图3所示。

　　

　　图3 字库模块

　　5. 对管定位模块

　　对管定位模块是有双对管控制，为处理器提供位置脉冲，处理器会根据当前显示屏的模式来对接收到的对管脉冲进行判断，可以选择单球屏显示或者双半球屏显示，使显示更加赏心悦目。

　　6. 电机驱动模块

　　在电机驱动方式上，采用LM2596开关电压调节器直接驱动直流电机，该芯片是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，用滑动变阻器直接调节输出电压来调节直流电机的转速，操作简便。

　　如图4所示。

　　

　　图4 电机驱动模块

　　四、软件设计

　　系统采用C语言编程实现各项功能。由于本系统处理的数据较多、较复杂，利用C语言的优势完全可以体现出来。

　　1. 系统主程序的实现

　　主程序主要起到一个导向和决策功能，决定整个系统应如何正常运行。本系统各种功能的实现主要是通过调用子程序完成的。

　　当系统上电后，程序开始执行初始化，然后进入待机状态，等待接收外部控制器发送过来的控制字符及操作字符，然后通过判断控制字符来调用相应的子程序。主程序流程图如图5所示。

　　

　　图5 主程序流程图

　　2. 各个子函数的实现

　　各个子函数主要是通过对字库的调用、旋转显示板的控制来实现各个模式的功能。如图6所示。

　　

　　图6 各个函数流程图

　　演示方式中的各种模式与上图类似，只是发送相应的控制字后执行的是屏幕自带的相应的演示程序，这里就不再一一列举了。


　　3. 无线刷屏技术的实现

　　本球形屏采用无线技术刷新屏幕，方便实用。主要是通过RF2401模块实现无线通信，该屏幕的大脑STC12C5A60S2全面分析接收过来的信息，然后快速把处理的数据送至各个模块，执行下一步动作。无线发送的数据构成整个屏幕运行的血液，控制着整个屏幕的运行状态。

　　①测试数据经测试得出电流的数据如表1.

　　表1 电流的数据

　　

　　②测试结果分析通过实际测量，发现该旋转LED球形屏功耗在2W左右，而显示相同内容的点阵屏功耗在10W左右的，功耗降低到1/5左右。

　　利用LED的高亮度，还可以作为警示效果，比如高压警示，水深警示等危险场所；由于其炫酷的显示效果、小巧轻便等诸多效果是送朋友生日新型的时尚礼物。

　　五、制作过程

　　制作这款旋转LED球形屏跨越了好几个月的时间，总共制作了三版，现在看到的是最终版。

　　第一版是我用万用板做的，外形跟现在的基本相似，也是一个圆，圆面上焊接的插装的LED，所有的都是飞线连接，工作量可想而知。做了好几天才焊好。结果还算可以，跟网上传的差不多，但是效果没人家理想，主要是供电做的不好，还有就是插装的LED旋转起来的效果不好。

　　第二版是用DXP软件制作电路板，画这种图是很累人的，电路板腐蚀是用的盐酸+双氧水，为了防止线被腐蚀断，在画PCB时把线画的都是比较粗的，单面板肯定是画不成的，所以画的PCB是双面的，焊接的LED是用的贴片的，面积明显小了很多，而且更加轻便了，更加像是一件工艺品。制作出来后发现在旋转的情况下，普通0808封装的贴片LED亮度有点小，不过还凑合，还有就是LED个数少，导致分辨率不高，但是作为普通的使用还是足够了。

　　为了精益求精，制作了第三版，还是采用双面的PCB，只不过采用1206封装的LED，个数比第二版的提高了一倍。由前两次的经验，这次做的还是比较快的，效果还算理想。

　　通过制作旋转LED球形屏，我学到了很多，发现自己要做的还有很多。下面是我制作旋转LED球形屏的总结。

　　1. 供电方式

　　a. 采用模仿电机供电，把固定读硬盘的磁头那一部分取下来当作电刷用，收音机天线的铝管当作换向器，如此可以把直流电通过“电刷”传给“换向器”，再传给上部旋转部分的控制器及LED.

　　实验结果：自制的电刷及换向器的导电效果很不好，时有断电的情况，即使是在上部旋转部分的供电处并联一个很大的电容也不行，效果不理想。

　　b. 采用电机本身供电，就是从电机的换向器上引线，一般是细铜丝，从电机上部引出，铜线跟电机轴同步，把上部旋转部分固定到电机轴上，电源通过电机本身的电刷及换向器。

　　实验效果：这种方式是网上很推崇的，也是最稳定的一种。但是由于本人在做硬件改造方面做的不好，改了两个电机都是以失败而告终。

　　c. 采用在电机上套装与直流电机同样的换向器及电刷，把与电机同规格的换向器及电刷套到电机伸出的轴上，固定的这个换向器与上部的旋转部分相连接，电源通过该电刷把电源传给换向器，再传给上部旋转部分。

　　实验效果：效果很好，没有出现断电的情况，这样与下部电机基本上没有关系，不会产生很大的干扰。

　　2. 电机选择

　　a. 选用直流电机，直流电机控制方便，改变速度效果明显，之前一直在用直流电机。但是直流电机有个最大的缺点就是改装不方便，噪声大，速度跟力矩的比例关系太大。

　　b. 选用无刷电机，无刷电机改造容易，可以很方便的从中间安装一个轴，这个轴可以固定上部旋转部分，速度快，稳定，力矩也大。但是研究了一星期也没有搞定无刷电机的控制方式，最笨的方法就是直接用硬盘的驱动板，感觉那样没啥意思，就放弃了这种方案。

　　3. 电路的选择

　　a. 采用74LS595级联控制LED，电路图简单，布线方便。但是最大的缺点是不能位控，最少是8位控制，不符合最初的设想。

　　b. 采用矩阵的方式控制LED，通过3片74LS138控制矩阵的X、Y，选择点亮的点，控制方便、灵活、速度快。

　　4. 书写屏幕的方式

　　a. 采用自制的电刷，采用自制的电刷，弄四个环当换向器用，这四个环分别连接上部旋转部分的电源正、负、RXD、TXD，通过串口传输数据。

　　实验结果：数据传输很不稳定，经常出现错误，而且由于制作工艺问题，电刷与换向器连接不是很好，影响速度。

　　b.采用无线通信的方式，把需要传输的数据通过无线的方式传给上部旋转部分，使上部旋转部分改变显示的内容。

　　实验结果：经过多次验证，最后确定供电方式采用在电机上套装与直流电机同样的换向器及电刷，电机用直流电机，电路用矩阵的方式控制LED，书写屏幕的方式采用无线通信方式。