单片机实例分享，3D旋转显示装置

从电影、电视到数码相机等都在发展应用3D技术。在看到此技术在各领域的应用后，我就想到用单片机来控制一个旋转装置，显示简单的3D图像。

显示原理

3D图形就是在X、Y、Z三个坐标轴所确定的三维空间中将一个画面表现出来。一般情况下，我们用LED点阵模块来显示平面方向的二维文字和图形，只是缺少了Z轴。所以，在本制作中我采用旋转方式，利用人眼的视觉暂留产生Z轴，就能显示3D图形，显示原理见图26.1。

图26.1 显示原理

LED显示平面构成了坐标系的X、Y轴，它绕旋转轴进行高速旋转，每秒转数应在20圈以上，相当于每秒20帧，这样才能保证人眼能看到连续的图形。每帧的3D图形在设定的起始位置开始显示第一幅画面，经过几毫秒(具体时间由电机转速而定)后，LED显示平面转过约3°，再显示第二幅画面，依此类推，直到把这一帧所有画面显示完为止，然后到第二圈开始显示下一帧3D图形，3D显示效果图见图26.2，分解图见图26.3。

图26.2 显示效果

图26.3 3D房屋的分解图

装置组成

整套电路主要由底座盒(内有电机、电源供给板、电机开关等)、电源接收板、左右显示板、控制板组成，整体结构见图26.4。由电源供给板产生的高频脉冲电流通过发送线圈，利用电磁感应传递到接收线圈，然后电源接收板进行整流、滤波，提供5V直流电压分两路供给2块显示板，再经2块显示板供给控制板。由于电机转动过程中转速不是很稳定，例如转速为1200r/min的电机，在旋转时转速大概会在1190～1210r/min之间变化，只是转动的速度很快，人的眼睛不会察觉到，但这种变化在高速显示图形时会产生不同步的现象。因此我又设计了2个光电对管用于2块显示板的位置检测，见图26.5，即电机每转半圈到达特定位置时才开始显示，在电源接收板上设计了用于位置定位的光电对管，检测到的信号也经2块显示板接入控制板上的单片机，单片机收到信号后立即将显示数据传递给2块显示板进行显示。采用2块显示板的目的有2个：一是这样的结构可以保持平衡，便于旋转的稳定性;二是每转动1圈显示2次图形，可以降低显示过程中的图形闪动。

图26.4 整体结构

图26.5 光电对管

硬件制作

因为显示部分是旋转的，所以如何给它供电是个问题。若采用电池供电方式的话，使用时间长了还得更换电池，并且会增加设备的重量，非常不合适。如果采用电刷供电的话，转动的时间就长了，会出现磨损的现象，并且增加了加工难度，最后我决定采用无线供电方式，电源供给电路和接收电路原理图见图26.6和图26.7，因为手头有现成的无刷电机驱动板，就顺手用其改装了。利用原先板子上的ATmega8单片机通过程序产生时序脉冲，驱动2对MOS管组成的H桥电路，进而将产生的高频电流供给无线发送线圈，产生高频磁场，图26.6所示的是改造后的原理图，实际电路板见图26.8。板子上原有3对MOS管，其中1对没有使用。由于电流较大，实际工作中MOS管会发热，最好加上散热片。当然，你也可以使用其他的电路，最好有无线电源模块。图26.6中所示的SX1是程序下载接口，SX2接DC12V，SX3接发送线圈;图26.7中所示的SX101-1、SX101-2接显示板。发送和接收线圈直径为60mm，发送线圈用Φ0.45mm的漆包线绕80匝，接收线圈用Φ0.31mm三线并绕120匝，2个线圈外形见图26.9。制作无线电源发送板与接收板的元件清单参见表26.1和表26.2。

图26.6 无线电源供给板原理图

图26.7 无线电源接收板原理图

图26.8 无线电源供给板

图26.9 供电线圈

表26.1 无线电源发送板元件清单

表26.2 无线电源接收板元件清单

2. 显示板

这是动态扫描电路，X轴(行扫描)显示用两个74HC595串联驱动，Y轴(列扫描)用两块74LS138输出驱动MOS管4953，见图26.10。特别注意的是，LED点阵没有加限流电阻，由于是动态扫描，在正常工作时每个LED只占整个扫描周期1/16的时间，所以LED模块不会被烧坏，但在程序调试的时候别让扫描停止了，否则的话会烧坏LED模块。其实，在实际调试的时候，应先调试无线供电部分。由于无线供电受到功率限制，峰值工作电压会降到3V左右，对LED模块影响不大，但是如果你用外接电源单独调试显示部分的话，就得注意了。焊接的时候注意上下两个IDC-10插座，位置要准确，最好用尺子定位焊。如果位置偏差过大，旋转起来平衡性就会变差。焊接示意图见图26.11，制作显示板所需的元件清单见表26.3。

表26.3 显示板元件清单

表26.4 控制板元件清单

3. 控制板

控制板部分的原理图见图26.12，其中SX1是程序下载接口，SX201-1、SX201-2是连接左、右显示板的。为了提高显示速度，晶体就选用16MHz的。有兴趣的读者可以将此电路板进行扩展，加上串行储存器、时钟电路或者温度传感器等，这些就任你自由发挥了。我的控制板已经加上了串行储存器、时钟电路的位置了，只是还没有使用。特别注意SX201-1、SX201-2两个IDC-10插座，应安装在焊接面，见图26.13，制作控制板所需的元件清单见表26.4。

程序框图

void main(viod)

{

init_devices( );//初始化端口

while(1)

{

FETS_OFF;　//关闭所有MOS管

delay_nms(1);//延时

POS_A_ON;　//A+开

NEG_C_ON;　//B-开

delay_nms(1);//延时

FETS_OFF;　//关闭所有MOS管

delay_nms(1);　//延时

POS_C_ON　//B+开

NEG_A_ON　//A-开

delay_nms(1);//延时

}

}

图26.11 焊接示意图

图26.12 控制板原理图

图26.13 SX201-1、SX201-2的安装方向

4. 电机

要旋转就得有电机，由于手头有废旧硬盘的主轴电机，因此，线路板排版的时候就根据它的尺寸设计的。直到调试的时候才发现硬盘电机的扭矩实在太小了，将电路架上去居然启动不起来，还好手头有从同事报废的打印机上拆下的直流电机，这才得以解决。两种电机的外形见图26.14。注意本装置的旋转方向是逆时针的，如果你的电机是正转的，就把电机的正、负电源颠倒一下;驱动硬盘电机的线路板经过改造就变成了电源供给板，用在无线供电上了。

图26.14 两种电机的外形

5. 底座盒

我选择的是100mm×90mm×50mm的铝合金盒，内部装上电机、电源发送板，侧面装电机开关、电源插座，表面有电机主轴、发送线圈和定位铜片等，见图26.15。

图26.15 底座盒内部

程序部分

程序可分为2部分：一个是无线电源供给程序，按照时序编写，主要程序见程序框图;第二个是3D显示程序，先编了个简单的，可以显示几个结构简单的图形。程序初始化后，检测光电对管测出的起始位置，然后逐帧显示每一屏图形，再返回到检测光电对管就行了，程序流程见图26.16。难一点的是图形点阵数据转换，我用的是PCtoLCD2002这个软件，设置界面见图26.17。绘图前脑海里一定要构造出一个虚拟的三维图形来，照着脑海里的图形去画，空间感不强的可能要费点劲儿。

图26.16 显示程序流程

图26.17 PCtoLCD2002的设置界面

安装调试

(1)焊完所有的线路板。

(2)先调通电源供给板、电源接收板，确认线路板无短路、断路，所有元件焊接正确。给无线电源供给板接上12V直流电源，连接下载线，设置熔丝位，下载烧入程序，断电后给供给板接上发送线圈，接收板接上接收线圈，两个线圈放置成同心状态，给供给板通电，测接收板稳压管两端电压应该为5.1V左右，否则电路出错，重新查找。

(3)将整套装置安装起来，注意定位铜片在光电对管之间应无碰撞。电机开关处于关闭状态，接通电源，控制板连接下载线，下载并烧入程序，然后去掉下载线，打开电机开关，效果就出来了。显示板转动时要注意安全，显示效果见图26.18。

需要改进的地方

(1)程序里应加上图形失真校正的算法，否则在实际观看中图形稍微有些变形。

(2)现在的电机是碳刷直流电机，运转了几天都很正常，但还是用无刷直流电机比较好，选功率大一点的，以保证能长时间稳定运转。

图26.18 旋转显示效果图

(3)显示板上的LED模块焊接在元件面上，从焊接面的方向是看不见的，所以现在的观看视角范围也就是LED模块视角的120°。如果采用普通的LED用镂空的方式，即在线路板的每个LED的位置上钻孔，孔径略大于LED，LED垂直镶嵌在孔内，这样从焊接面的方向也能看得到。也可以在元件面和焊接面相同的位置同时焊贴片的LED，这样的话两个面都能看，就可以在接近360°的范围观看了，只是线路板排版的时候要复杂点。

(4)若平衡性不好，旋转起来后振动幅度就会较大(比手机振动模式要大得多)，调平衡的时候费了些时间，主要是垂直度和高度的校准，用绘图的直角三角尺的直角部分一边贴着桌面，另一边靠近显示板的侧面，从正面和侧面两个方向进行垂直校准，调好后用热熔胶固定，见图26.19。

后记

3D旋转装置终于做完了，从一个想法到一个实际的装置，前后用了一个多月的时间，整体出来的效果还是挺满意的。这个装置用电机带动旋转，制作的时候应注意安全，小心手被划伤了，可以加个透明罩提高安全性。兴趣和爱好再加上灵感和知识，创作出自己设想的东西，与他人分享，让别人感受到你的快乐，这或许就是DIY的乐趣。

图26.19 调平衡

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单片机驱动点阵屏，显示动画图片字幕#电子爱好者

单片机驱动全彩点阵屏。

显示动画、显示图片，还可以显示中文汉字。这是一块户外的广告屏，一块单元板，也是一块点阵屏。这里做了一块控制板，现在可以成功的点亮屏幕。它可以显示动画，也可以显示图片、相册，还可以显示中文汉字，而且是滚动的，也可以显示数字、英文都可以。

这个板子控制起来也是非常简单的，一块控制板，一个数据线，后面接上电源就可以控制了。只需要下载程序就可以显示所需的一些内容和效果。测试下来还是不错的。

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