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(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(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(diǎn)刻度，2顆亮表示3、6、9點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)亮第1、7、11、15及20顆LED,在 的下一個時刻點(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 、延時時間 及字符歷經(jīng)時長 的具體計(jì)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(jì)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(diǎn)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。

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(diǎn)亮第3、13及17顆LED，在接下來的時刻分別點(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(dú)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)。

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)前時刻的設(shè)定都是通過紅外無線通信實(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，要其完全不變是不可能的。在這種情況下，誤差會積累而形成浮影。

所以，對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)。通過磁電傳感器檢測置于固定位置的小鋼粒來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紅外接收管。當(dāng)接收到與之配對的紅外發(fā)光二極管(紅外發(fā)光二極管安裝在電機(jī)外殼上，并與接收管對齊)發(fā)出的紅外線后，就會反向?qū)óa(chǎn)生低電平而觸發(fā)外部中斷。指針板每旋轉(zhuǎn)一周，就會產(chǎn)生這樣一個中斷信號，這個信號被稱為“過零信號”。

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等會隨高速旋轉(zhuǎn)的電動機(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采用無線的方式供電。無線供電技術(shù)就是通過電磁感應(yīng)原理，將電能以無線的方式傳輸給負(fù)載。無線供電的裝置一般由兩個分離的線圈，稱為初級線圈和次級線圈，構(gòu)成。但這就需要在初級線圈上提供交流電。所以，本文通過電刷的方式將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。無線供電的結(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的兩類線陣LED旋轉(zhuǎn)時鐘的工作原理。在此基礎(chǔ)上，通過Multisim、proteus等仿真軟件對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行嚴(yán)密仿真，用C語言進(jìn)行了程序編寫。最終實(shí)現(xiàn)了圓形LED顯示屏的模擬式時針時鐘、數(shù)字式時鐘、和笑臉圖案的靜動態(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種動畫顯示。同時，本文還實(shí)現(xiàn)了兩類顯示屏的同時多模協(xié)同顯示。部分的顯示結(jié)果如圖9所示。