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

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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单片机实例分享，无线供电的LED旋转显示万年历

大家一定见过各种各样的万年历吧?下面我就带领大家手工打造一台采用无线供电方式、以LED旋转显示屏作为显示器的万年历。图7.1所示就是这款LED旋转显示万年历的实际效果。所谓LED旋转显示屏，是指在电路中只有一列发光二极管，通过电动机带动发光二极管转动，当这列发光二极管转到不同位置时，用单片机控制相应的发光二极管点亮和熄灭，由于人眼的视觉暂留现象，形成了视觉上的图形或文字。

图7.1 基于LED旋转显示屏的万年历

由于显示屏是靠转动的发光二极管的残留影像显示信息的，其特点是显示信息丰富，而整个电路所需的发光二极管的数量却很少(本电路共使用16只发光二极管)，所以电路原理图非常简单，几乎和流水灯电路无异，很适合手工制作。但由于整个电路板处于高速旋转状态，所以我们首先要解决两问题：一是如何给运动的系统供电;二是如何保证显示信息稳定显示。

如何给运动的系统供电

给运动的系统供电，常用的供电方式有3种：电池供电、电刷供电、无线感应供电。电池供电方式简单方便、易于携带，但它会使系统重量增加，影响转速，而且它成本高、寿命短，因此只适用于摇摇棒等短时间使用的装置，长时间运行的装置就不合适了。比如能显示时间的LED旋转显示屏，每次电池用完，重换电池就够烦心了，换了电池还得重新调整日期、时间，那简直可以用“痛苦”二字来形容。第二种方式——电刷供电，这种供电方式简单有效，能传送较大电流强度的电能，但在业余制作时，很难找到合适的高质量的电刷，高速旋转时会产生较大的噪声。第三种方式——无线感应供电，这种方式为无接触方式供电，寿命长、无新增噪声，虽然传送电流强度有限，效率稍低，但完全可以满足单片机系统的需要，所以本电路采用无线供电方式。无线供电方式技术要求稍高一些，但能增加制作的挑战性和趣味性，因此，本文首先对无线供电电路的设计与电能传输效率进行一些介绍。

无线供电技术目前还在研究试验阶段，但其应用场合非常广泛，前景非常好，比如，已经出现了一些小功率无线充电器应用成品，只要手机或者电子产品具备无线接收装置，靠近无线充电器就可以充电了，除此之外，还有无线射频IC卡、通行证、缴费卡等。

一个LED旋转显示屏需要消耗多大的电能呢?我们来做一个简单的计算：假设我们采用16个高亮度LED，工作时每个LED耗电10mA，单片机的自身耗电较少，暂且忽略不计，则电路所耗电流的最大值为160mA，电压取5V，所以最大总功耗约0.8W。下面我们就按这个要求设计电路。

无线感应供电的基本原理与变压器的原理相同。它利用电磁感应现象，通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载，即在相距很近的两个线圈中，一个线圈作为电能的发送端，另一个线圈作为电能的接收端。通过振荡电路给发送端线圈提供交变电流，在相距很近的接收端线圈中就可以感应出交变电动势，再对这个交变电动势整流、滤波即可对负载供电。图7.2所示为通过无线感应供电方式驱动发光二极管发光的演示。

图7.2 以无线感应供电方式驱动发光二极管发光

图7.3所示是一个简易的近距离无线供电系统原理图。其中原线圈L1及其控制电路构成了发射端，副线圈L2及整流滤波电路构成了接收端，R5为负载电阻。

电路中使用74HC4060产生多谐振荡波，此多谐振荡波通过大功率场效应管IRF530给发送端线圈L1提供交变电流。本电路之所以使用74HC4060组成多谐振荡电路，主要是为了测试方便，74HC4060构成的振荡电路不但频率稳定，而且有10种输出频率可供选择，可以逐一测试每种频率所对应的输出功率和电能传输效率。当选用11.0592MHz的晶体振荡器时，QD端输出为经过16分频的频率——691.2kHz。

图7.3 简易无线供电系统原理图

次级接收电路中的谐振电容C4很重要，加上谐振电容后传输距离大大增加，输出功率和电能传输效率也明显提高。

按图3所示电路及元件参数搭好电路后接通电源，对电路进行测试。当不加任何负载时(L2远离L1)，VT1的漏极电流I1为45mA;当L2与L1紧耦合时，I1增加到110mA，此时负载电阻R5上的电压U2为6.5V的电压，折合功率为0.83W，U1实测电压为13V，电能传输效率为：

电路的输出功率基本能满足LED旋转显示屏的要求，对于小功率设备，电能传输效率应该说是相当不错了。

在无线供电电路的制作中，振荡电路可以采用任何一种形式的多谐振荡器，如三极管振荡电路、集成运放电路或者门电路构成的振荡电路，也可以采用74HC4060这种带振荡器的二进制异步计数器来实现，振荡频率在500kHz左右为宜。另外，比较重要的就是线圈的制作了，发射线圈用Φ0.5左右的电磁线(漆包线)在外径为1cm的骨架上绕48匝，然后固定好;接收线圈用Φ0.2左右的电磁线绕成内径为4mm左右的12匝空心线圈即可，关键是安装时不要使这两个线圈相碰。

最后，根据我的制作体会，给对此有兴趣的爱好者几点建议：

(1)L1匝数较多是为了有足够的感抗(感抗和电感量及交流频率有关)，避免流过的电流过大而发热。其实L1也可以只绕10匝左右，但一定要配上大小合适的谐振电容，使其工作在谐振状态，这样可以获得更好的传输距离、输出功率和电能传输效率，包括L2的谐振电容也是如此。谐振电容的选择可以在示波器监视下进行，谐振电容可以用涤纶电容、聚乙烯电容等，建议不要用瓷介电容。

(2)传输能量时，波形不是很重要，但是失真太大就会使功率管工作在线性区，而非工作在开关状态，这样将使电能的传输效率大幅度下降。如果在功率管的前面增加一级射极跟随器，可以提高波形的质量，从而提高电能的传输效率。

(3)无线供电电路的工作频率不可太高，频率越高对VMOS管的要求也就越高，目前高频特性满足这种要求的VMOS管还不容易找到;频率越低，就要求L1的电感量越大。所以我们通常选择电路的工作频率在200kHz～1MHz为宜。

(4)L2感应的电压经整流、滤波后一定要有稳压电路，以保证单片机工作稳定。

如何保证显示信息稳定显示

要保证LED旋转显示屏显示正常和稳定，就要求单片机控制显示屏总是从电路板转到某一位置时开始播放所要显示的内容。通常的做法就是通过传感器来检测电路板的位置，并通过中断的方式通知单片机进行显示。传感器可以使用霍尔元件或者光电传感器，其中光电传感器要求工艺简单，安装方便。

综上所述，本万年历的电路原理图如图7.4所示。

图7.4 LED旋转显示屏电路原理图

电路说明

本电路采用无线感应供电方式给旋转部分供电，所以电路包括无线供电部分电路和旋转部分电路两部分。

无线供电部分采用图7.3所示电路。

旋转部分是由电动机带动，进行高速旋转，其电路非常简单，首先由接收端线圈产生感应电动势，经二极管VD19整流、电容C4滤波、稳压二极管VD20稳压后得到5V电源给整个电路供电，单片机的16个I/O口线分别控制16个发光二极管。为了方便修改程序，我在电路中安装了ISP下载接口。电动机可以选用5V长轴直流电机。

作为万年历，应该具备显示公历、农历、星期、时间以及环境温度的功能，并且在掉电的情况下，所有信息不丢失，时钟正常走时，这里我们使用时钟芯片DS1302和数字温度传感器DS18B20。

同时在电路中还增加了一体化红外遥控接收头，它用于通过遥控调整时间和其他参数。

需要说明的是，在电路中并没有具体标明单片机的型号，你可以选用最熟悉的单片机，只要I/O口够用就可以了，当然，在I/O口够用的情况下，尽量选用体积小、重量轻的单片机为佳。

另外，在无线供电电路板和旋转电路板之间安装一对红外光电传感器，将电路板的位置状态送到单片机的外部中断请求输入端，用以对显示内容进行定位。

电路组装与调试

本系统电路不太复杂，两块电路都可以在万用电路板上插装、焊接(有条件的话也可制作PCB)而成。制作时首先按照原理图在万用电路板上规划出合理的元件布局，然后按布局图将元件依次插装并焊接，最后把需要连接的引脚用电磁线和镀锡裸铜线连接起来。注意不要短路，线路连接关系不要出错。图7.5所示是装配好的无线供电电路及底座实物图。

图7.5 装配好的无线供电电路及底座

安装时需要将直流电机和供电电路板固定在一个盒子里，使电机的转轴伸出盒外，将发射线圈套在电机转轴上，并以电机转轴为中心。图7.6所示是装配好的旋转主板正、反面的实物图，发光二极管和限流电阻均使用贴片元器件，这样会使得像素更紧凑，显示更清晰。

图7.6 装配好的旋转主板正反面

单片机使用STC12C5616AD，28脚窄体DIP封装。LED与单片机引脚的连接均用电磁线相连，这样走线整齐、美观，还能减小整个电路板的体积，其他引脚的连接使用镀锡裸铜线连接。接收线圈固定在旋转主板的底面，然后随旋转主板一起插到电机转轴上，使接收线圈套在发射线圈的内部，构成变压器的形式。全部安装好以后，需要插到电机轴上，测试一下电路板是否平衡，如果不平衡，可以通过在适当位置加焊锡进行配重。

电路装配好以后，需要对硬件电路进行调试，方法是通过ISP下载线接口对主板供电，依次测试每个发光二极管是否正常发光，或者通过下载器向单片机烧入流水灯等简单程序，观察电路整体运行情况。

Tips

DS1302是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器，具有主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20采用TO-92封装，体积小巧、接线方便，是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。测量温度范围为-55～+125℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，支持3～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。DS18B20的性能是新一代产品中最好的，性能价格比也非常出色，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

程序设计

本万年历的单片机程序流程图如图7.7所示。

图7.7 程序流程图

由程序流程图可知，主程序主要是对外部中断的控制寄存器进行初始化设置。系统共用到两个外部中断源，外部中断0的中断请求信号来自红外光电传感器的红外接收二极管。每当电路板的红外接收二极管转到与之对应的红外发射二极管的位置时，就会向CPU发出中断请求信号，CPU响应中断，调用显示子函数，这样显示子函数总是在电路板转到同一个位置时被调用，保证显示的内容正常和稳定。外部中断1的中断请求信号来自一体化红外遥控接收头，当收到红外遥控信号时，就会转向中断服务程序，对红外遥控信号进行解码，并进行相应的按键操作。因为当接收到红外遥控信号时，对遥控编码中的“0”和“1”的识别完全是靠时间长短区分的，为保证红外信号解码及时和正确，外部中断1必须设置为高优先级。

显示程序在外部中断0的中断服务程序中。编写程序时需要注意的是，在对字符或汉字取模时要采用逐列式，正序和倒序都是可以的，在程序中都可以调整。显示程序其实就是依次取出字模表中的数据，按时间前后顺序均输出到同一列发光二极管上。比如要显示5个汉字，每个汉字16列，共扫描80列，可用如下程序。

unsigned int i;

for (i=0;i<80;i++)

{

P1=tab[2*i];

P2=tab[2*i+1];

delay(70);//延时时间的长短决定了字的宽度

}

P1=0xff;//扫描完所有列后要熄灭所有LED

P2=0xff;

如果想让显示的字符出现如图1所示的效果，上半部是正立的，下半部也是正立的，我们可以编写一个字节倒序的子函数，对取出的字模数据首先作倒序处理，然后，显示程序的i值是从80减小到的，参考程序如下。

unsigned int i;

for (i=80;i)0;i--)

{

P2=chg(tab[2*i]);//chg是对字模数据作倒序处理的子函数

P1=chg(tab[2*i+1]);

delay(70);//延时时间的长短决定了字的宽度

}

P1=0xff;//扫描完所有列后要熄灭所有LED

P2=0xff;

数字温度传感器DS18B20和时钟芯片DS1302的读写程序在这里不再详细列出，需要的读者可以到qq群657864614进行下载。但需要注意的是，温度传感器DS18B20的读写对时序要求非常严格，并且读写过程中一旦被打断，就会导致读写错误，所以DS18B20的读写程序也放在外部中断0的中断服务程序中，我们可以放在显示上半部分文字和显示下半部文字的程序之间，作为两段文字之间的空格。

所有硬件和软件完成之后，下面就可以坐下来慢慢欣赏自己的作品了。

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