2024年5月25日发(作者：频临)
360°可视旋转LED显示屏开发
0 引言
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。近几年来LED显示技术发展迅速，已广泛
应用许多领域，涵盖了微机控制、视频、光学、机械、数字图像处理等多种技
术[1]。
目前LED显示屏已广泛应用于广告、车站、银行、商场等公共场所。它具
有功耗小、寿命长、色彩好等优点[2]。现在的LED显示屏的发光器件主要采用
LED平板模块，室内显示屏主要采用16行循环扫描的方法[3，4]，即每16行
为一个单元，在每一帧中，逐次每行亮十六分之一秒的时间，由于帧频一般大
于60Hz，我们并不觉察到扫描，而认为是一幅稳定的图像。这种类型的显示屏
有两个问题有待改进：显示屏整个面积全由LED模块组成，器件数量多，成本
高；空间及可视性不好，由于显示屏是一个平面，而且LED像素点有一定视角
限制，使显示屏的可视范围被局限到正面某个范围之内，在应用中使显示屏的
信息发布受到了空间的限制。
针对现有LED平板显示屏存在的缺陷，本设计提出并实现一种基于视觉暂
留效应的新型智能显示屏[5]。它利用机械转动扫描代替传统的逐行扫描方式，
具有成本低，可视范围大的特点，是LED显示屏的一个新的发展方向。该系统
既可以显示中文、英文，也可以显示用户指定的图形符号。基于单片机的各种
硬件接口电路已经非常成熟，基于汇编语言，或者C语言进行模块化编程，可
以实现数据采集和信号的控制[6]。
本文的设计很好的解决了普通LED显示屏中的不足，通过双排LED旋转显
示，使得可视范围达到360°。每排16个高亮度LED，总共32个，大大减少了
LED数量，克服传统LED显示屏的不足，同时也能充分保证了显示的清晰度[7]。
通过线圈供电，取代旋转臂的电池供电，使得悬臂结构简化，电路更加简单。
1 显示原理
人眼具有视觉暂留的特性，当画面以一定速率刷新时[8]，人看到的就是连
续的图像。常见的LED显示屏都是采用动态电子扫描方式进行显示的。平板LED
显示屏一般采用1/16扫描，16行逐行循环点亮，由于刷新速率足够大，看到
的也是一幅稳定的画面。它的原理如图1所示：
图1 平板LED显示屏
图2 旋转LED显示屏
旋转LED显示屏则是通过控制一列LED所在平面内围绕其中点快速旋转并
同步改变发光状态来实现图像的显示。机械扫描式旋转扫描方式显示器只有一
列，由电机带动它进行旋转[9，10]，运行到某一位置时就显示该位置的状态，
到下一位置后又显示下一位置的状态，即一列显示器件要完成全部图像的显示。
其原理如图2所示。由于旋转扫描成像不是平面，而是一个柱面。在只有一排
LED的时候，显示范围在180°-270°。本文中采用双排LED显示，弥补了显示
角度不足的缺点，使得显示范围达到360°，并且使显示的清晰度得以提升。
2 总体设计
图3 总体原理框图
通过外接电源对电机和无线供电线圈进行供电[11]。通过磁线圈的霍尔效
应对主板进行供电，从而对单片机和LED供电，使单片机工作。电机带动主板
和单片机旋转。单片机通过串口考入程序及要显示文字[12]。LED随主板转动，
根据单片机中考入程序，显示相应字符。通过红外接收，单片机接收到一个触
发信号，对于显示文字进行校正和初始化。保证字符循环显示。
3 硬件设计
3.1 主板结构
图4 主板结构图
主板部分主要由供电线圈、红外接收二极管、主控单片机和LED等部分构
成，结构如图4，通过89C51单片机同步控制电机的转动与LED点亮状态，使
电机每旋转一定角度，LED状态改变一次，在旋转到任何一个位置，都将有一
个惟一确定的状态相对应，如果使LED旋转速度足够快，显示屏便可以形成一
个完整稳定的图案。
3.2 电机
旋转柱式显示屏的扫描方式是机械转动扫描，转动由电机带动显示列来实
现。为能让人观察到稳定的完整的图像，场扫描频率要大于45Hz，电机转速要
在3000r/min左右。另外，电机必须具有良好的转速稳定性，否则转速不均匀
会造成显示图像局部的水平失真（伸展或压缩），从而感觉图像不稳定，所以一
般采用稳速电机。另外，显示屏结构要对称，使其高速旋转时不发生震动。
本方案中，采用3-6V供电的长轴电动机。该电动机带动电路板进行圆周转
动，让板上LED发光二极管做圆周运动。本电路为了降低电动机的转速，特采
用二极管的压降给电动机供电。电动机转动的原则是，不要太快，保证能产生
稳定的字符即可。转速慢会更加安全，不会碰坏周围器件、人体或其他者物体。
如果在周围没有杂物的空旷地区，或者有足够好的安全措施，可以加高电压提
高转速，这样显示可以提高显示精度，做到显示过程中无任何闪烁。
3.3 主板供电
给主板供电的方式有3种：第一种方案，也是应用最为广泛的一种方案，
直接用电池给主板供电，电池装在主板上随主板转动。此种方案的缺点是成本
高，寿命短，由于主板负载电池增加了重量会影响转速和主板平衡性。第二种
方案是采用电刷供电，电刷对于接触面的磨损很大，会对主板造成一定的损伤。
如果要使用这种方案，需要在主板部分进行特定加工，增加了工艺复杂度。第
三种方案，也是本文采用的方案，用磁线圈对主板进行供电。此种方案简单有
效，对于主板也不会有任何损耗，缺点是供电效率偏低。
供电部分电路如图5所示。L1为给主板部分供电的磁线圈。D2为红外发光
二极管，发射的信号由单片机接收，作为基准信号，对显示内容进行校正和初
始化。
图5 无线供电电路
3.4 89C51单片机
为了减轻主板重量，便于调整主板平衡性，本文采用贴片封装的44脚的
STC89C51作为主控制芯片，并且从5脚和7脚引出两根线路作为串口线路往单
片机内输入程序。
此外，在显示屏高速旋转时，显示内容的稳定性取决于转动的位置与LED
亮灭的配合，所以设计中还需要一个校准器件来判断显示屏的转动是否到达准
确位置并根据结果做出校正处理。本设计选用了红外对管进行相位检查并完成
校正功能，使LED的亮灭与旋转保持同步。在硬件设计部分，为了在显示屏高
速旋转工作的状态下能准确无误地接收到红外信号，在与主板部分预留一个通
孔，在通孔上安装红外接收管。把红外发射管安装在与通孔对应的底座上，每
当主板旋转到固定位置时，红外发射管发出的红外线能被接收管接收到，并且
让红外接收管接收到的数据直接送给显示主板上的89C51。
4 软件实现
可以使用汇编语言或者C语言对单片机进行编程。通过专用软件，把要显
示的汉子和字符转化成16位代码，用在编写的程序中。程序流程图见图6。本
设计的难点在于LED亮灭时间的控制，电动机的转速大约在3000r/min，因此
控制LED何时点亮是关键。设计中运用了光电对管，在电动机座部分开孔将红
外发射管探头固定，并在主板上和其对应的位置安装红外接收管。这样在高速
旋转的过程中，当红外发射管发射的红外线被接收管接收到时，单片机都将接
受到一个基准信号，从来判断主板转过的圈数，以及对于LED进行校准。
5 应用展望
本文设计旋转显示屏成本较低，结构简单，而且可视角度达到360°，使
之非常适在公共场所作为显示牌。由于无线供电方式的传输效率比较低，如果
需要提高主板上面的LED亮度，需要给无线供电线圈足够大的电压或者提高传
递效率。
如果亮度问题解决得好，可应用于室外，尤其是一些广告塔、楼顶等场合，
效果比霓虹灯要好，是LED显示屏的一个新品种、新方向。
可以在现有结构上，增加无限传输模块，采用无线技术对于显示内容进行
改写和调整。不用再像现在的设计中，每次更换文字都需要重新录入程序。
6 结论
本文设计的新型旋转LED显示屏，相对于传统设计，在结构上得以简化，
并且使可视角度达到360°，使之应用范围更加广泛。无线传输的引入，使得
主板部分不再需要单独的电池供电，减轻了主板重量，简化了结构布局，从而
使得显示屏应用更加广泛。
2024年5月25日发(作者：频临)
360°可视旋转LED显示屏开发
0 引言
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。近几年来LED显示技术发展迅速，已广泛
应用许多领域，涵盖了微机控制、视频、光学、机械、数字图像处理等多种技
术[1]。
目前LED显示屏已广泛应用于广告、车站、银行、商场等公共场所。它具
有功耗小、寿命长、色彩好等优点[2]。现在的LED显示屏的发光器件主要采用
LED平板模块，室内显示屏主要采用16行循环扫描的方法[3，4]，即每16行
为一个单元，在每一帧中，逐次每行亮十六分之一秒的时间，由于帧频一般大
于60Hz，我们并不觉察到扫描，而认为是一幅稳定的图像。这种类型的显示屏
有两个问题有待改进：显示屏整个面积全由LED模块组成，器件数量多，成本
高；空间及可视性不好，由于显示屏是一个平面，而且LED像素点有一定视角
限制，使显示屏的可视范围被局限到正面某个范围之内，在应用中使显示屏的
信息发布受到了空间的限制。
针对现有LED平板显示屏存在的缺陷，本设计提出并实现一种基于视觉暂
留效应的新型智能显示屏[5]。它利用机械转动扫描代替传统的逐行扫描方式，
具有成本低，可视范围大的特点，是LED显示屏的一个新的发展方向。该系统
既可以显示中文、英文，也可以显示用户指定的图形符号。基于单片机的各种
硬件接口电路已经非常成熟，基于汇编语言，或者C语言进行模块化编程，可
以实现数据采集和信号的控制[6]。
本文的设计很好的解决了普通LED显示屏中的不足，通过双排LED旋转显
示，使得可视范围达到360°。每排16个高亮度LED，总共32个，大大减少了
LED数量，克服传统LED显示屏的不足，同时也能充分保证了显示的清晰度[7]。
通过线圈供电，取代旋转臂的电池供电，使得悬臂结构简化，电路更加简单。
1 显示原理
人眼具有视觉暂留的特性，当画面以一定速率刷新时[8]，人看到的就是连
续的图像。常见的LED显示屏都是采用动态电子扫描方式进行显示的。平板LED
显示屏一般采用1/16扫描，16行逐行循环点亮，由于刷新速率足够大，看到
的也是一幅稳定的画面。它的原理如图1所示：
图1 平板LED显示屏
图2 旋转LED显示屏
旋转LED显示屏则是通过控制一列LED所在平面内围绕其中点快速旋转并
同步改变发光状态来实现图像的显示。机械扫描式旋转扫描方式显示器只有一
列，由电机带动它进行旋转[9，10]，运行到某一位置时就显示该位置的状态，
到下一位置后又显示下一位置的状态，即一列显示器件要完成全部图像的显示。
其原理如图2所示。由于旋转扫描成像不是平面，而是一个柱面。在只有一排
LED的时候，显示范围在180°-270°。本文中采用双排LED显示，弥补了显示
角度不足的缺点，使得显示范围达到360°，并且使显示的清晰度得以提升。
2 总体设计
图3 总体原理框图
通过外接电源对电机和无线供电线圈进行供电[11]。通过磁线圈的霍尔效
应对主板进行供电，从而对单片机和LED供电，使单片机工作。电机带动主板
和单片机旋转。单片机通过串口考入程序及要显示文字[12]。LED随主板转动，
根据单片机中考入程序，显示相应字符。通过红外接收，单片机接收到一个触
发信号，对于显示文字进行校正和初始化。保证字符循环显示。
3 硬件设计
3.1 主板结构
图4 主板结构图
主板部分主要由供电线圈、红外接收二极管、主控单片机和LED等部分构
成，结构如图4，通过89C51单片机同步控制电机的转动与LED点亮状态，使
电机每旋转一定角度，LED状态改变一次，在旋转到任何一个位置，都将有一
个惟一确定的状态相对应，如果使LED旋转速度足够快，显示屏便可以形成一
个完整稳定的图案。
3.2 电机
旋转柱式显示屏的扫描方式是机械转动扫描，转动由电机带动显示列来实
现。为能让人观察到稳定的完整的图像，场扫描频率要大于45Hz，电机转速要
在3000r/min左右。另外，电机必须具有良好的转速稳定性，否则转速不均匀
会造成显示图像局部的水平失真（伸展或压缩），从而感觉图像不稳定，所以一
般采用稳速电机。另外，显示屏结构要对称，使其高速旋转时不发生震动。
本方案中，采用3-6V供电的长轴电动机。该电动机带动电路板进行圆周转
动，让板上LED发光二极管做圆周运动。本电路为了降低电动机的转速，特采
用二极管的压降给电动机供电。电动机转动的原则是，不要太快，保证能产生
稳定的字符即可。转速慢会更加安全，不会碰坏周围器件、人体或其他者物体。
如果在周围没有杂物的空旷地区，或者有足够好的安全措施，可以加高电压提
高转速，这样显示可以提高显示精度，做到显示过程中无任何闪烁。
3.3 主板供电
给主板供电的方式有3种：第一种方案，也是应用最为广泛的一种方案，
直接用电池给主板供电，电池装在主板上随主板转动。此种方案的缺点是成本
高，寿命短，由于主板负载电池增加了重量会影响转速和主板平衡性。第二种
方案是采用电刷供电，电刷对于接触面的磨损很大，会对主板造成一定的损伤。
如果要使用这种方案，需要在主板部分进行特定加工，增加了工艺复杂度。第
三种方案，也是本文采用的方案，用磁线圈对主板进行供电。此种方案简单有
效，对于主板也不会有任何损耗，缺点是供电效率偏低。
供电部分电路如图5所示。L1为给主板部分供电的磁线圈。D2为红外发光
二极管，发射的信号由单片机接收，作为基准信号，对显示内容进行校正和初
始化。
图5 无线供电电路
3.4 89C51单片机
为了减轻主板重量，便于调整主板平衡性，本文采用贴片封装的44脚的
STC89C51作为主控制芯片，并且从5脚和7脚引出两根线路作为串口线路往单
片机内输入程序。
此外，在显示屏高速旋转时，显示内容的稳定性取决于转动的位置与LED
亮灭的配合，所以设计中还需要一个校准器件来判断显示屏的转动是否到达准
确位置并根据结果做出校正处理。本设计选用了红外对管进行相位检查并完成
校正功能，使LED的亮灭与旋转保持同步。在硬件设计部分，为了在显示屏高
速旋转工作的状态下能准确无误地接收到红外信号，在与主板部分预留一个通
孔，在通孔上安装红外接收管。把红外发射管安装在与通孔对应的底座上，每
当主板旋转到固定位置时，红外发射管发出的红外线能被接收管接收到，并且
让红外接收管接收到的数据直接送给显示主板上的89C51。
4 软件实现
可以使用汇编语言或者C语言对单片机进行编程。通过专用软件，把要显
示的汉子和字符转化成16位代码，用在编写的程序中。程序流程图见图6。本
设计的难点在于LED亮灭时间的控制，电动机的转速大约在3000r/min，因此
控制LED何时点亮是关键。设计中运用了光电对管，在电动机座部分开孔将红
外发射管探头固定，并在主板上和其对应的位置安装红外接收管。这样在高速
旋转的过程中，当红外发射管发射的红外线被接收管接收到时，单片机都将接
受到一个基准信号，从来判断主板转过的圈数，以及对于LED进行校准。
5 应用展望
本文设计旋转显示屏成本较低，结构简单，而且可视角度达到360°，使
之非常适在公共场所作为显示牌。由于无线供电方式的传输效率比较低，如果
需要提高主板上面的LED亮度，需要给无线供电线圈足够大的电压或者提高传
递效率。
如果亮度问题解决得好，可应用于室外，尤其是一些广告塔、楼顶等场合，
效果比霓虹灯要好，是LED显示屏的一个新品种、新方向。
可以在现有结构上，增加无限传输模块，采用无线技术对于显示内容进行
改写和调整。不用再像现在的设计中，每次更换文字都需要重新录入程序。
6 结论
本文设计的新型旋转LED显示屏，相对于传统设计，在结构上得以简化，
并且使可视角度达到360°，使之应用范围更加广泛。无线传输的引入，使得
主板部分不再需要单独的电池供电，减轻了主板重量，简化了结构布局，从而
使得显示屏应用更加广泛。