自己動(dòng)手做一個(gè)好玩的 POV 顯示設(shè)備

美男子玩編程

“ 讀大學(xué)的時(shí)候就很喜歡這些開(kāi)腦洞的小玩意兒。看到一個(gè)印度小哥用ESP32 做了個(gè)高分辨率的 POV，而且開(kāi)源了全部的硬件和代碼，忍不住想分享給大家。”


什么是 POV?POV（Persistence of Vision）中文翻譯為“視覺(jué)暫留”，它的基本原理是使我們的眼睛能夠從獨(dú)立的圖像中感知連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，這也是電影中運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)的關(guān)鍵概念。實(shí)現(xiàn)原理其實(shí)也很簡(jiǎn)單，就是把一定數(shù)量的 LED 安裝可以旋轉(zhuǎn)或者搖晃的桿子上，通過(guò) MCU 對(duì) LED 編程，結(jié)合桿子搖晃和旋轉(zhuǎn)的特定頻率，就會(huì)在視覺(jué)上產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的效果。下面的視頻可以直觀地理解 POV 的實(shí)現(xiàn)和效果：

你肯定在網(wǎng)上看到過(guò)很多這樣的項(xiàng)目，但它們大多分辨率很低，只能顯示一些文字和幾何圖形。而這位印度小哥創(chuàng)建的 POV 顯示屏不僅限于文本或簡(jiǎn)單的形狀，他的 POV 顯示器可以顯示分辨率為 128 像素的圖像和動(dòng)畫(huà)，而且很容易制作。
項(xiàng)目概覽項(xiàng)目選擇了 ESP32 模塊作為顯示器的大腦，因?yàn)樗�便宜、容易獲得，而且功能強(qiáng)大。顯示器將有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂，每個(gè)旋轉(zhuǎn)臂裝有 64 個(gè) LED，總分辨率為 128 像素。在 ESP32 的控制下，旋轉(zhuǎn)臂將以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，LED 燈以精心安排的模式閃爍。通過(guò)這種同步方式，顯示屏可以生成懸浮在半空中的圖像或文字，帶來(lái)流暢、連續(xù)的視覺(jué)體驗(yàn)。
POV 顯示器項(xiàng)目特點(diǎn)：

128 像素分辨率。

幀頻為 20 FPS。

易于制造。

易于控制。

基于 ESP32。

完全開(kāi)源。

配套網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，可輕松轉(zhuǎn)換圖像。
元器件 BOM

ESP32 WROOM 模塊 - x1

74HC595D 移位寄存器 - x16

CH340K USB - UART 控制器 - x1

TP4056 鋰離子充電器 IC - x1

AMS1117 3.3v LDO - x1

AO3401 P - MOSFET - x1

2N7002DW 雙 N - MOSFET - x1

霍爾效應(yīng)傳感器 - x2

SS34 二極管 - x1

Typc C USB 連接器 16 針 - x1

SMD LED 藍(lán)色 0603 - x128

775 電機(jī) - x1

直流電機(jī)速度控制器 - x1

SMD 電阻和電容

SMD LED

SMD 輕觸開(kāi)關(guān)

SDM 滑動(dòng)開(kāi)關(guān)

連接器

3D 打印部件和安裝螺釘。

其他工具和耗材。
原理圖
完整的原理圖如下所示：

讓我們看一下原理圖的細(xì)節(jié)，以便更好地理解。USB Type C 端口用于充電和編程。USB 端口的電源連接到 P 溝道 MOSFET U7 和二極管 D67 構(gòu)成的電源控制電路。連接器 J4 可用于提供外部 5V 電壓。同一端口還可用于連接無(wú)線(xiàn)充電器模塊，以備在不充電的情況下連續(xù)運(yùn)行。在電壓調(diào)節(jié)方面，使用了常用的 AMS1117 3.3V LDO，它能夠提供高達(dá) 1A 的電流，滿(mǎn)載時(shí)的壓降約為 1.1V。連接器 J3 用于連接外部開(kāi)關(guān)，以打開(kāi)和關(guān)閉整個(gè)電路。為了給內(nèi)部電池充電，我們使用了 TP4056 充電控制器，其最大充電電流為 1A�，F(xiàn)在我們來(lái)看看編程電路，它是圍繞 WCH 的 CH340K 芯片構(gòu)建的。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位，我們使用了雙 MOSFET 2N7002DW�，F(xiàn)在，整個(gè)電路的大腦是一個(gè) ESP32-WROOM 模塊。我們之所以選擇這個(gè) SoC，是因?yàn)樗鼉r(jià)格便宜、易于獲得，而且功能強(qiáng)大，能夠以足夠的幀速率驅(qū)動(dòng)顯示屏。LED（像素點(diǎn)）分別位于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂，每個(gè)旋轉(zhuǎn)臂有 64 個(gè) LED（像素）。因此，我們總共有 128 個(gè)像素的分辨率。我們還使用了兩個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量和位置感應(yīng)。在PCB中，我們?cè)�本設(shè)計(jì)了 SMD 封裝，但后來(lái)決定使用 TO-92 封裝的普通 A3144 傳感器，因?yàn)樗鼈兏�容易采�?gòu)，而且易于安裝到當(dāng)前的支架設(shè)計(jì)中。



下一部分是 LED 及其驅(qū)動(dòng)。我們使用 74HC595D 移位寄存器來(lái)驅(qū)動(dòng) LED。由于單個(gè) s74HC595 最多可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LED，因此總共使用了 16 個(gè)這樣的芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)全部 128 個(gè) LED。我們使用了一個(gè) 1KOhms 電阻器來(lái)限制電流，但您可以根據(jù)自己需要的亮度來(lái)改變電阻值。由于有兩只旋轉(zhuǎn)臂，因此只需要轉(zhuǎn)半圈就能繪制整個(gè)畫(huà)面或圖像。一只旋轉(zhuǎn)臂繪制圖像的一半，另一只旋轉(zhuǎn)臂繪制圖像的另一半。通過(guò)這種方法，我們可以將幀頻提高一倍。顯示屏可以提供大約 20FPS 的幀頻。


PCB
PCB 的尺寸約為 210 毫米 x 60 毫米。下面是 PCB 的頂層和底層。







裝配完成后的樣子：





工作原理
現(xiàn)在讓我們來(lái)看看 POV 顯示屏是如何工作的。請(qǐng)看下圖，我們將一個(gè)圓平均分成 32 塊。如果用這樣分割來(lái)的方式完成一幅圖像，必須在每次旋轉(zhuǎn)就繪制 32 行像素。在顯示每一行像素時(shí)時(shí)，必須根據(jù)像素?cái)?shù)據(jù)來(lái)決定每個(gè)LED（像素）是點(diǎn)亮還是熄滅。通過(guò)快速旋轉(zhuǎn)和逐行點(diǎn)亮像素，就可以在觀察者眼中形成一幅連續(xù)的圖像。

圖像分割
在實(shí)際項(xiàng)目中，我們將每個(gè)圖像徑向分成 360 塊。也就是說(shuō)必須在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)畫(huà) 360 條相距 1 度的線(xiàn)來(lái)繪制圖像。
線(xiàn)條和像素
每條線(xiàn)上將有 64 個(gè)像素或 LED 燈（兩條手臂上共有 128 個(gè) LED 燈），這些像素或LED需要根據(jù)像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行操作。坐標(biāo)系統(tǒng)問(wèn)題
一般圖像使用的是笛卡爾坐標(biāo)系。但為了在旋轉(zhuǎn) POV 顯示器上顯示圖像，我們必須使用極坐標(biāo)。在笛卡爾坐標(biāo)系中，位置由水平距離（x）和垂直距離（y）指定。而極坐標(biāo)則基于圓形網(wǎng)格，位置由半徑（r）和水平角度（θ）指定。因此，像素并不均勻：隨著與原點(diǎn)距離的增加，像素的面積也會(huì)增加，形狀也會(huì)改變。

要從圖像中獲取像素?cái)?shù)據(jù)，我們必須使用一些三角函數(shù)計(jì)算和插值法。然而，對(duì)每幅圖像的每個(gè)像素都進(jìn)行這樣的計(jì)算將耗費(fèi)大量時(shí)間，并會(huì)減慢像素的響應(yīng)時(shí)間。為了避免這種情況，并獲得極短的像素響應(yīng)時(shí)間和最高的刷新率，我們決定使用預(yù)計(jì)算值來(lái)處理圖像，這將在編碼部分進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)我們目前的設(shè)置，繪制一幀或一幅分辨率為 128 像素、360 段的圖像大約需要 50 毫秒，因此有效幀頻為 20fps。

下一個(gè)挑戰(zhàn)是優(yōu)化圖像的存儲(chǔ)方式。使用傳統(tǒng)工具轉(zhuǎn)換的普通圖像陣列，每個(gè)像素也會(huì)占用 1 個(gè)字節(jié)的空間。也就是說(shuō)，128x128 的圖像需要 16384 字節(jié)的空間。但這樣一來(lái)，我們?cè)诖�碼空間內(nèi)存儲(chǔ)的圖像數(shù)量就會(huì)受到限制。為了克服這個(gè)問(wèn)題，并獲得更好的優(yōu)化效果，我們采用了一種新方法。每行圖像像素將存儲(chǔ)在 16 個(gè)字節(jié)中。每個(gè)字節(jié)將包含 8 個(gè)像素的數(shù)據(jù)，即黑色或白色。然后使用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，得到實(shí)際的像素?cái)?shù)據(jù)。使用這種方法，一幅 128x128 像素的圖像只需要 2048 (128x16) 個(gè)字節(jié)空間。使用這種方法，我們可以將圖像的大小縮小 8 倍。
代碼 & 倉(cāng)庫(kù)
所有的代碼及 KiCad 設(shè)計(jì)文件都可以在以下倉(cāng)庫(kù)找到，這里就不再贅述：
https://github.com/Circuit-Digest/POV-Display
結(jié)束語(yǔ)
今天的分享就到這兒，感興趣的小伙伴趕緊動(dòng)手實(shí)踐吧！
部分內(nèi)容引用自：https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/diy-pov-display-using-ESP32-Arduino

注意：如果想第一時(shí)間收到 KiCad 內(nèi)容推送，請(qǐng)點(diǎn)擊下方的名片，按關(guān)注，再設(shè)為星標(biāo)。
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