無線供電線狀LED旋轉燈的研制

崔遠慧,陳鶴升,談博強,王智森

(大連工業大學信息科學與工程學院，遼寧 大連 116034)

無線供電線狀LED旋轉燈的研制

崔遠慧,陳鶴升,談博強,王智森

(大連工業大學信息科學與工程學院，遼寧 大連 116034)

從降低LED顯示系統的功耗出發，研制了一款基于電磁感應原理、由互感線圈無線供電的低功耗LED旋轉燈。該旋轉燈由3 V直流電源向直流電機和無線模塊XKT-510供電；電機帶動互感線圈的次級線圈轉動，切割由XKT-510供電的初級線圈的磁場；次級線圈產生的感應電流經過整流、濾波和穩壓后，向顯示單元和主控單元供電。為了保證系統的穩定性，詳細闡述了互感線圈的參數計算方法、整流二極管的參數計算方法和旋轉燈系統的配重設計方案。設計了以STC15L2K08S2為主控芯片、由56個線狀LED點陣排列顯示的硬件電路，并給出了包括主控驅動電路、無線供電電路、AC-DC轉換電路、恒流供電電路以及記錄LED旋轉圈數的起點檢測電路的設計方案。經測試，該旋轉燈的電源輸出功率為0.024 W。利用T法檢測該旋轉燈的轉速，所得最大相對誤差為0.032%。測試結果表明，系統的穩定性較好、功耗較低。該旋轉燈具有結構簡單、經濟實用的特點。它的成功研制對大型LED顯示屏的實際應用有一定的指導意義，對利用LED進行其他非旋轉顯示控制也具有一定的理論參考價值。

電磁感應； 互感線圈； 無線供電； LED； 低功耗； 旋轉燈； 恒流

0 引言

LED旋轉燈是利用視覺滯后效應，通過在穩定旋轉的載體上安裝LED燈，實現旋轉式顯示功能的設備。目前，國內外對于利用LED實現旋轉顯示功能的研究越來越多。鄒軍等[1-2]對立體發光LED燈片的光學性能進行了研究，指出LED立體顯示需要保證較大的光通量；張玉杰、孫加存等[3-4]對LED可調光顯示技術進行了詳細的研究;滕松[5]從視覺滯后的原理出發，設計并實現了旋轉顯示系統；沈杰等[6-8]對LED燈的顯示方式和顯示過程中的調制方式進行了研究；Chen等[9]對如何用更小的體積獲得相同的光照顯示效果進行了研究；劉姣等[10]為植物葉片設計了陣列LED紅外光譜檢測儀；桂立等[11]研究了LED在光源近場模型下的光學測量方法；姜文鋒等[12]對體三維顯示中屏幕機械運動誤差對顯示的影響進行了研究。上述文獻中提到的LED均采用電池直接供電。楊信錕[13]設計了一種無線供電式LED旋轉廣告牌，但該論文中只描述了工作原理，沒有對電路中各器件的具體參數進行詳細的設計和計算說明。

本設計根據電磁感應原理，利用直流電機帶動互感線圈的次級線圈轉動，由次級線圈產生的感應電流經相關信號技術處理后向線狀LED燈和主控電路供電。本文詳細闡述了各部分電路的硬件設計和參數選擇，最終成功制作了在3 V直流電機驅動下的56個線狀LED(每個LED燈的額定電壓為5 V，額定電流為10 mA)旋轉燈，實現了對文字和圖片的立體顯示。通過對該旋轉燈電機轉速的測定，驗證了系統的穩定性與可靠性。

1 工作原理及系統組成

該LED旋轉燈由2部分組成，以互感線圈的初級和次級線圈為分界點，分別為底座部分和顯示控制部分。系統結構框圖如圖1所示。

圖1中，底座部分由直流電源、電機、無線供電模塊、互感線圈的初級線圈和殼體組成。其中，直流電源向電機和無線供電模塊供電，無線供電模塊向互感線圈的初級線圈供電。電機按一定轉速帶動互感線圈的次級線圈旋轉，產生旋轉磁場，并在次級線圈中得到感應電流。顯示控制部分主要包括互感線圈的次級線圈、LED顯示燈、主控電路和針對次級線圈產生的感應電流的信號處理電路，如AC-DC轉換電路、恒流電路等。次級線圈的感應電流經整流、濾波和穩壓后，向主控電路芯片供電。顯示部分由56個LED燈并聯組成。為了保證所有LED燈在顯示時具有相同的亮度，在向LED燈供電之前，需要進行恒流變換。

2 關鍵參數設計

2.1 配重設計

旋轉燈的上、下2個部分通過直流電機的旋轉軸相連。電機帶動包括次級線圈在內的上半部分旋轉，旋轉過程中極易出現上、下不同心的狀態。而運動誤差的幅度和立體顯示的效果存在必然的聯系[12]。為了保證顯示效果，必須對整個系統在運行過程中的同心性和穩定性加以設計。

本設計從2個方面考慮。

①在底座的4個角增加了吸盤設計，使旋轉球可以牢固地貼近地面。

②對底座進行配重處理。

p=kL+L0

(1)

式中：k為系統的平衡系數，在0～1之間取值，經過試驗，最終確定k=0.4；L為額定載荷，即上部球體的質量，g；L0為整個系統的質量，g，其包括上、下2個部分。

通過式(1)，計算得到的p約為200 g。

2.2 整流參數設計

旋轉燈的上半部分采用電磁感應無線供電?；ジ芯€圈的參數選擇是保證旋轉燈勻速旋轉的關鍵。本設計采用無線供電模塊XKT-510向初級線圈供電。該模塊要求初級線圈纏繞得越薄越好?？紤]到次級線圈所帶負載要求輸出電壓為5 V、電流為0.56 A，則根據式(2)得到次級線圈的電壓值，并根據式(3)、式(4)選擇整流二極管參數。

U=1.2U0

(2)

式中：U0為負載電壓；U為次級線圈需要得到的電壓。由U0=5 V，計算得U=6 V。

(3)

式中：ID為整流二極管整流電流。當采用橋式整流電路時，其電流為負載電流的一半。

(4)

式中：UDRM為整流二極管承受的最大反向電壓。

經過上述計算，最終選擇的整流二極管的型號為IN5819ws。其整流電流為1 A，反向峰值電壓為40 V，可以滿足設計要求。綜合考慮上述要求，選擇初級線圈和次級線圈的變比為1，線圈的接口直徑不得小于0.5 mm。線圈的電感值均為30 μH。

3 硬件電路設計

3.1 主控電路

主控電路采用STC15L2K08S2作為主控芯片。該芯片具有超強抗靜電、超強抗干擾、超低價和超低功耗的特點。由于其可以在線編程，故常被用于無線接收裝置中。電路通過主控芯片的RXD和TXD引腳與計算機進行字符和圖片的下載，實現顯示模式的切換功能。同時，基于該主控芯片的在線編程功能，本文設計了1個紅外一體化接收探頭TL1838，用于無線接收來自遙控器的圖片和字符。信號由遙控器發出后，經TL1838無線接收，并通過P33口進入主控芯片，實現了字符或圖片的遙控切換功能。

3.2 無線供電電路

無線供電電路如圖2所示。

圖2 無線供電電路

無線供電電路主要由初級線圈和XKT-510無線接收模塊等組成。XKT-510具有寬電壓輸入自適應功能，專用于無線感應系統中，可靠性高。當電源開關閉合后，由模塊的VCC引腳供電；輸出端與初級線圈相連，使直流電機得電，以一定的速度進行旋轉，帶動次級線圈產生旋轉磁場，并在次級線圈內產生感應電流。

3.3 AC-DC轉換電路

AC-DC轉換電路如圖3所示。

圖3 AC-DC轉換電路

圖3中，次級線圈在直流電機的帶動下，切割初級線圈的磁力線，在線圈中得到感應電流。其經過由D1、D2、D3、D4組成的單向橋式整流電路，以及C16、R5和C17組成的π型濾波電路后，再經穩壓管穩壓輸出5 V的直流電壓，向主控電路和恒流電路供電。

3.4 恒流電路

LED旋轉燈采用56個LED燈單列顯示。為了保證所有的LED燈在顯示時亮度相同，設計了恒流電路。該恒流電路采用4片JXI5024恒流芯片串聯而成。JXI5024芯片是1個16位的恒流LED驅動芯片。該設計將每個芯片的QH引腳和下一個芯片的SER引腳相連，可以實現64位恒流輸出，滿足本設計中56位恒流輸出的要求。

3.5 時鐘驅動電路

時鐘驅動電路如圖4所示。

圖4 時鐘驅動電路

時鐘驅動電路主要由DS1302時鐘芯片組成。當需要在LED旋轉燈上顯示當前時間時，利用該電路進行程序下載。同時，該電路還能對旋轉燈的顯示時間進行在線校準。

3.6 起點檢測電路

由于本設計利用線性LED的旋轉實現立體效果，因此在進行圖片、字符顯示時，需要準確知道LED每旋轉一圈的起始位置，從而計算出需要顯示的字符或者圖片的點陣值。起點檢測電路如圖5所示。

圖5 起點檢測電路

由圖5可知，起點檢測電路由發射電路和接收電路組成，主要部件是位于底部支座上的發光二極管和位于頂部顯示部分的接收光電二極管。在頂部的固定支座上刻有一個小的計時起點，線圈每次旋轉到該位置時，發射二極管發送信號；光電管接收信號后，電路導通；信號經P32端口進入主芯片，表示旋轉燈旋轉一圈結束。

4 穩定性測試

采用3 V直流電機，制作了旋轉燈，實現了字符和圖案的旋轉顯示。對該旋轉燈進行了系統穩定性測試。其穩定性主要體現在LED旋轉球對于不同圖形或者符號的顯示分辨率上。而分辨率的高低與電機帶動次級線圈轉動時的運動誤差密切相關。本文選擇對電機轉速進行測試，在一定時間內，如果電機的轉速恒定或誤差很小，即表明系統的穩定性好。對上述的旋轉燈，在1 min內，基于霍爾效應，采用T法測量電機的轉速。3次測量數據分別為3 108 r/min、3 109 r/min、3 108 r/min。3次數據之間的最大相對誤差為：

測試結果表明，系統穩定性較好。該樣機測得的電源輸出電流為0.008 A，則功率為3×0.008=0.024 W。

5 結束語

本文從LED旋轉燈的功耗和穩定性出發，詳細介紹了旋轉燈的系統組成，給出了系統各部分硬件的電路設計?；陔姶鸥袘?，利用3 V的直流電機和XKT-510無線供電模塊，設計并成功制作了1臺低功耗LED旋轉燈。通過試驗，驗證了設計的合理性。對電機轉速的測定結果表明，該設計具有較高的穩定性；對電源輸出功率的測定則表明，該設計具有較低的功耗。該設計對無線供電LED顯示系統的實際應用具有一定的指導意義。

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ResearchandDevelopmentoftheWirelessPoweredLine-ShapeRotaryLEDLight

CUI Yuanhui,CHEN Hesheng,TAN Boqiang,WANG Zhisen

(School of Information Science and Engineering,Dalian Polytechnic of University,Dalian 116034,China)

To reduce power consumption of LED display system,the low power consumption rotary LED light which is based on the principle of electromagnetic induction and wireless powered by mutual inductance coil is researched and developed.The DC motor and wireless module XKT-510 are powered by a 3 VDC power supply; the motor drives the secondary coil of mutual inductance coil to rotate,which cuts the magnetic field of primary coil.The induction current generated by the secondary coil is rectified, filtered and regulated, to be the power supply of the display unit and main control unit.In order to ensure the stability of the system,the calculation methods of parameters of the mutual inductance coil,the parameters of the rectifying diode and the balance weight scheme of the rotary light system are expounded in detail.The hardware system including STC15L2K08S2 main control chip and a 56 linearly arranged LED dot matrix display unit is designed.The design scheme for the main control circuit,wireless power supply circuit,AC-DC conversion circuit,constant current power supply circuit and the turns number counting circuit are given.Having been tested,the output power of the power supply of rotary light is 0.024 W.The rotational speed of the rotary light is tested by T method; the maximum relative error is 0.032%.The test results show that the system features good stability and low power consumption.The rotary light is compact,and offers certain practical significance.The successful research and development possess practical reference for the practical application of large LED display screen,and also has certain theoretical reference value for other display control using LED.

Electromagnetic induction; Mutual coil; Wireless powered; LED; Low power consumption; Rotary light；Constant current

修改稿收到日期:2017-05-31

崔遠慧(1974—)，女，博士，副教授，主要從事數據融合、傳感與控制系統方向的研究,E-mail:cuiyh@dlpu.edu.cn

TH703；TP202

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712015