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1、无线供电线状 LED 旋转灯的研制 崔远慧 陈鹤升 谈博强 王智森 大连工业大学信息科学与工程学院 摘 要： 从降低 LED 显示系统的功耗出发, 研制了一款基于电磁感应原理、由互感线圈无线供电的低功耗 LED 旋转灯。该旋转灯由 3 V 直流电源向直流电机和无线模块 XKT-510 供电;电机带动互感线圈的次级线圈转动, 切割由 XKT-510 供电的初级线圈的磁场;次级线圈产生的感应电流经过整流、滤波和稳压后, 向显示单元和主控单元供电。为了保证系统的稳定性, 详细阐述了互感线圈的参数计算方法、整流二极管的参数计算方法和旋转灯系统的配重设计方案。设计了以STC15L2K08S2 为主控芯片
2、、由 56 个线状 LED 点阵排列显示的硬件电路, 并给出了包括主控驱动电路、无线供电电路、AC-DC 转换电路、恒流供电电路以及记录 LED 旋转圈数的起点检测电路的设计方案。经测试, 该旋转灯的电源输出功率为 0.024 W。利用 T 法检测该旋转灯的转速, 所得最大相对误差为0.032%。测试结果表明, 系统的稳定性较好、功耗较低。该旋转灯具有结构简单、经济实用的特点。它的成功研制对大型 LED 显示屏的实际应用有一定的指导意义, 对利用 LED 进行其他非旋转显示控制也具有一定的理论参考价值。关键词： 电磁感应; 互感线圈; 无线供电; LED; 低功耗; 旋转灯; 恒流; 作者简介
3、：崔远慧 (1974) , 女, 博士, 副教授, 主要从事数据融合、传感与控制系统方向的研究, E-mail:Research and Development of the Wireless Powered Line-Shape Rotary LED LightCUI Yuanhui CHEN Hesheng TAN Boqiang WANG Zhisen School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic of University; Abstract： To reduce power consumption
4、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 th
5、e 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 s
6、ystem, 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 STC15 L2 K08 S2 main control chip and a 56 linearly arranged LED dot matr
7、ix 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.
8、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 d
9、evelopment 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.Keyword： Electromagnetic induction; Mutual coil; Wireless powered; LED; Low power consumption; Rotary light; Constant
10、 current; 0 引言LED 旋转灯是利用视觉滞后效应, 通过在稳定旋转的载体上安装 LED 灯, 实现旋转式显示功能的设备。目前, 国内外对于利用 LED 实现旋转显示功能的研究越来越多。邹军等1-2对立体发光 LED 灯片的光学性能进行了研究, 指出 LED立体显示需要保证较大的光通量;张玉杰、孙加存等3-4对 LED 可调光显示技术进行了详细的研究;滕松5从视觉滞后的原理出发, 设计并实现了旋转显示系统;沈杰等6-8对 LED 灯的显示方式和显示过程中的调制方式进行了研究;Chen 等9对如何用更小的体积获得相同的光照显示效果进行了研究;刘姣等10为植物叶片设计了阵列 LED 红外
11、光谱检测仪;桂立等11研究了 LED 在光源近场模型下的光学测量方法;姜文锋等12对体三维显示中屏幕机械运动误差对显示的影响进行了研究。上述文献中提到的 LED 均采用电池直接供电。杨信锟13设计了一种无线供电式 LED 旋转广告牌, 但该论文中只描述了工作原理, 没有对电路中各器件的具体参数进行详细的设计和计算说明。本设计根据电磁感应原理, 利用直流电机带动互感线圈的次级线圈转动, 由次级线圈产生的感应电流经相关信号技术处理后向线状 LED 灯和主控电路供电。本文详细阐述了各部分电路的硬件设计和参数选择, 最终成功制作了在 3 V 直流电机驱动下的 56 个线状 LED (每个 LED 灯的
12、额定电压为 5 V, 额定电流为 10 m A) 旋转灯, 实现了对文字和图片的立体显示。通过对该旋转灯电机转速的测定, 验证了系统的稳定性与可靠性。1 工作原理及系统组成该 LED 旋转灯由 2 部分组成, 以互感线圈的初级和次级线圈为分界点, 分别为底座部分和显示控制部分。系统结构框图如图 1 所示。图 1 系统结构框图 Fig.1 Structure diagram of the system 下载原图图 1 中, 底座部分由直流电源、电机、无线供电模块、互感线圈的初级线圈和壳体组成。其中, 直流电源向电机和无线供电模块供电, 无线供电模块向互感线圈的初级线圈供电。电机按一定转速带动互感
13、线圈的次级线圈旋转, 产生旋转磁场, 并在次级线圈中得到感应电流。显示控制部分主要包括互感线圈的次级线圈、LED 显示灯、主控电路和针对次级线圈产生的感应电流的信号处理电路, 如 AC-DC 转换电路、恒流电路等。次级线圈的感应电流经整流、滤波和稳压后, 向主控电路芯片供电。显示部分由 56 个 LED 灯并联组成。为了保证所有LED 灯在显示时具有相同的亮度, 在向 LED 灯供电之前, 需要进行恒流变换。2 关键参数设计2.1 配重设计旋转灯的上、下 2 个部分通过直流电机的旋转轴相连。电机带动包括次级线圈在内的上半部分旋转, 旋转过程中极易出现上、下不同心的状态。而运动误差的幅度和立体显
14、示的效果存在必然的联系12。为了保证显示效果, 必须对整个系统在运行过程中的同心性和稳定性加以设计。本设计从 2 个方面考虑。(1) 在底座的 4 个角增加了吸盘设计, 使旋转球可以牢固地贴近地面。(2) 对底座进行配重处理。式中:k 为系统的平衡系数, 在 01 之间取值, 经过试验, 最终确定 k=0.4;L 为额定载荷, 即上部球体的质量, g;L 0为整个系统的质量, g, 其包括上、下 2 个部分。通过式 (1) , 计算得到的 p 约为 200 g。2.2 整流参数设计旋转灯的上半部分采用电磁感应无线供电。互感线圈的参数选择是保证旋转灯匀速旋转的关键。本设计采用无线供电模块 XKT
15、-510 向初级线圈供电。该模块要求初级线圈缠绕得越薄越好。考虑到次级线圈所带负载要求输出电压为 5 V、电流为 0.56 A, 则根据式 (2) 得到次级线圈的电压值, 并根据式 (3) 、式 (4) 选择整流二极管参数。式中:U 0为负载电压;U 为次级线圈需要得到的电压。由 U0=5 V, 计算得 U=6 V。式中:I D为整流二极管整流电流。当采用桥式整流电路时, 其电流为负载电流的一半。式中:U DRM为整流二极管承受的最大反向电压。经过上述计算, 最终选择的整流二极管的型号为 IN5819ws。其整流电流为 1 A, 反向峰值电压为 40 V, 可以满足设计要求。综合考虑上述要求,
16、 选择初级线圈和次级线圈的变比为 1, 线圈的接口直径不得小于 0.5 mm。线圈的电感值均为30H。3 硬件电路设计3.1 主控电路主控电路采用 STC15L2K08S2 作为主控芯片。该芯片具有超强抗静电、超强抗干扰、超低价和超低功耗的特点。由于其可以在线编程, 故常被用于无线接收装置中。电路通过主控芯片的 RXD 和 TXD 引脚与计算机进行字符和图片的下载, 实现显示模式的切换功能。同时, 基于该主控芯片的在线编程功能, 本文设计了 1 个红外一体化接收探头 TL1838, 用于无线接收来自遥控器的图片和字符。信号由遥控器发出后, 经 TL1838 无线接收, 并通过 P33口进入主控芯片, 实现了字符或图片的遥控切换功能。3.2 无线供电电路无线供电电路如图 2 所示。图 2 无线供电电路 Fig.2 Wireless power supply circuit 下载原图无线供电电路主要由初级线圈和 XKT-510 无线接收模块等组成。XKT-5
