LED三维显示系统设计方案

　　本文利用发光二极管（LED）的高速发光特性，以旋转的二维发光二极管阵列为显示载体，实现显示三维形体。文中还详细介绍了LED三维显示系统的工作原理、论述了系统结构、并给出实际显示效果。

　　利用发光二极管（LED）的高速发光特性，以旋转的二维发光二极管阵列为显示载体显示三维形体。受调制的离散二维图像信息，因视觉暂留而形成深度效应，将被整合感知为一幅连续的三维图像，成功实现柱体空间内的三维显示。

　　引言

　　三维显示是对客体固有三维信息进行记录、处理和再现的可视化过程。目前国外的体三维显示研究主要有激光扫描双红外光子上变频技术、基于高速声光扫描器和旋转螺旋屏的激光扫描系统，采用快速空间光调制器的螺旋屏投影系统等，而这些技术实现起来较困难，而价格也较贵。本文利用发光二极管阵列实现了具有个体像素，空间尺寸为柱体内的三维显示，文中介绍了LED三维显示系统的工作原理、论述了系统结构、并给出实际显示效果。

　　LED（Light EmitTIng Diodes）显示技术是指将光电、计算机以及控制等相关内容综合于一体的现代新技术。它与传统的广告宣传紧密结合成为一种新的媒体宣传工具，广泛应用于展览中心、金融市场、体育场馆、机场、码头、车站等公共场所的信息显示和广告宣传。

　　1 LED三维显示系统原理

　　研究表明，人眼视觉暂留时间约为50—200ms，即人类视觉对亮度改变的跟踪会由于意识处理延时而滞后。当实际光源闪烁频率超过5Hz时，给人的感觉是连续发光体而非闪烁体。基于人眼视觉暂留特性，设计了如图1所示的体三维显示系统结构简图。

　　图1：系统结构简图

　　当发光二极管阵列屏在电机驱动下高速旋转，周期性地扫出一个柱体空间，阵列上的发光二极管旋转后提供分散于三维空间中的体显示介质，从而形成虚拟的体像素。为了便于理解，我们可对其进行空间分解，见图2所示。

　　图2：空间分解图

　　图2（a）-图2（d）分别表示连续个单位时间间隔内，左侧发光二极管阵列显示的二维信息，图中黑点表示发光二极管处于发光状态。由于视觉暂留，观察者感知的不是上述图2（a）-图2（d）的离散二维图像序列，而是一幅复合后的空间整体图像，如图2（e）示。

　　2 LED三维显示系统设计

　　由图l可见，LED三维显示系统包括LED显示屏部分、电源及电机部分、无线输电部分、红外对管等部分，下面对这些组成部分进行简单介绍。

　　2.1 LED显示屏

　　我们这里只是介绍原理，所以以8*16的低分辨率的LED显示屏为例，高精度大型LED显示屏的设计与此类似。

　　为了提高显示屏旋转时人眼对灯体的透视度，不采用将LED灯直接焊接在电路板上的方案，而是将LED的管脚直接串联焊接起来，并将LED其中的一个管脚折弯90度，然后再将所有的LED灯的管脚焊接起来，形成镂空的显示屏，如下图3所示。

　　图3：镂空显示屏

　　LED显示屏的驱动电路如图4所示。图中左端为三极管，三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用，这里用来控制LED阳极（图3 中的 H1到H8）。中间部分为所选单片机，同样，这里我们只是做原理介绍，所以可简单选择常用的89C52单片机。最右端为74HC1385译码器，用来控制点阵屏的阴极（图3中的H11到H26）。当做大的LED显示屏时，可适当增加三极管和74HC1385译码器即可。

　　图4：显示屏的驱动电路

　　图5：电源电路

　　2.2 电源及电机

　　电源的选择应该根据用电设备的电气参数来选择，此处电源输出分为两部分，一部分给直流电机供电，另外一部分则给无线输电供电，这两部分的电压要求分别是12V、5V。所以这里采用线性电源，见图5所示。

　　对于电机的选择，若选用步进电机，当电机高速旋转时，一旦发生抖动现象，会有很严重的失步，而且步进电机随着转速的提高力矩会变小，所以这里选用直流电机。不过，直流电机的选用要符合显示屏的最低转速，也就是说在人眼的视觉暂留的时间内一定要转完一周，而且要求电机的力矩尽量大，于是可选用了12V RS-360SH直流电机。

　　2.3 无线输电

　　由于不方便在电机上部放置电池，所以上部显示屏的供电采用由下面的电源向上无线输电，其电路图如图6所示。

　　图6：无线输电电路

　　2. 4 红外对管

　　由于该系统采用的是直流电机，不能实时定位，所以我们就要给LED显示屏一个坐标，用来给显示屏自我定位，因为电机上下部分靠的较近，所以我们就采用易于控制的光电对管TCRT5000，其控制电路如图7所示。

　　图7：TCRT5000控制电路

　　3 显示效果

我们选择与转轴不共面的斜向直线、绕轴匀速