自己动手做一个好玩的 POV 显示设备

美男子玩编程

“ 读大学的时候就很喜欢这些开脑洞的小玩意儿。看到一个印度小哥用ESP32 做了个高分辨率的 POV，而且开源了全部的硬件和代码，忍不住想分享给大家。”


什么是 POV?POV（Persistence of Vision）中文翻译为“视觉暂留”，它的基本原理是使我们的眼睛能够从独立的图像中感知连续的运动，这也是电影中运动错觉的关键概念。实现原理其实也很简单，就是把一定数量的 LED 安装可以旋转或者摇晃的杆子上，通过 MCU 对 LED 编程，结合杆子摇晃和旋转的特定频率，就会在视觉上产生动态的效果。下面的视频可以直观地理解 POV 的实现和效果：

你肯定在网上看到过很多这样的项目，但它们大多分辨率很低，只能显示一些文字和几何图形。而这位印度小哥创建的 POV 显示屏不仅限于文本或简单的形状，他的 POV 显示器可以显示分辨率为 128 像素的图像和动画，而且很容易制作。
项目概览项目选择了 ESP32 模块作为显示器的大脑，因为它便宜、容易获得，而且功能强大。显示器将有两个旋转臂，每个旋转臂装有 64 个 LED，总分辨率为 128 像素。在 ESP32 的控制下，旋转臂将以恒定的速度旋转，LED 灯以精心安排的模式闪烁。通过这种同步方式，显示屏可以生成悬浮在半空中的图像或文字，带来流畅、连续的视觉体验。
POV 显示器项目特点：

128 像素分辨率。

帧频为 20 FPS。

易于制造。

易于控制。

基于 ESP32。

完全开源。

配套网络应用程序，可轻松转换图像。
元器件 BOM

ESP32 WROOM 模块 - x1

74HC595D 移位寄存器 - x16

CH340K USB - UART 控制器 - x1

TP4056 锂离子充电器 IC - x1

AMS1117 3.3v LDO - x1

AO3401 P - MOSFET - x1

2N7002DW 双 N - MOSFET - x1

霍尔效应传感器 - x2

SS34 二极管 - x1

Typc C USB 连接器 16 针 - x1

SMD LED 蓝色 0603 - x128

775 电机 - x1

直流电机速度控制器 - x1

SMD 电阻和电容

SMD LED

SMD 轻触开关

SDM 滑动开关

连接器

3D 打印部件和安装螺钉。

其他工具和耗材。
原理图
完整的原理图如下所示：

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让我们看一下原理图的细节，以便更好地理解。USB Type C 端口用于充电和编程。USB 端口的电源连接到 P 沟道 MOSFET U7 和二极管 D67 构成的电源控制电路。连接器 J4 可用于提供外部 5V 电压。同一端口还可用于连接无线充电器模块，以备在不充电的情况下连续运行。在电压调节方面，使用了常用的 AMS1117 3.3V LDO，它能够提供高达 1A 的电流，满载时的压降约为 1.1V。连接器 J3 用于连接外部开关，以打开和关闭整个电路。为了给内部电池充电，我们使用了 TP4056 充电控制器，其最大充电电流为 1A。现在我们来看看编程电路，它是围绕 WCH 的 CH340K 芯片构建的。为了实现自动复位，我们使用了双 MOSFET 2N7002DW。现在，整个电路的大脑是一个 ESP32-WROOM 模块。我们之所以选择这个 SoC，是因为它价格便宜、易于获得，而且功能强大，能够以足够的帧速率驱动显示屏。LED（像素点）分别位于两个旋转臂，每个旋转臂有 64 个 LED（像素）。因此，我们总共有 128 个像素的分辨率。我们还使用了两个霍尔效应传感器进行转速测量和位置感应。在PCB中，我们原本设计了 SMD 封装，但后来决定使用 TO-92 封装的普通 A3144 传感器，因为它们更容易采购，而且易于安装到当前的支架设计中。

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下一部分是 LED 及其驱动。我们使用 74HC595D 移位寄存器来驱动 LED。由于单个 s74HC595 最多可以驱动 8 个 LED，因此总共使用了 16 个这样的芯片来驱动全部 128 个 LED。我们使用了一个 1KOhms 电阻器来限制电流，但您可以根据自己需要的亮度来改变电阻值。由于有两只旋转臂，因此只需要转半圈就能绘制整个画面或图像。一只旋转臂绘制图像的一半，另一只旋转臂绘制图像的另一半。通过这种方法，我们可以将帧频提高一倍。显示屏可以提供大约 20FPS 的帧频。

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PCB
PCB 的尺寸约为 210 毫米 x 60 毫米。下面是 PCB 的顶层和底层。

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装配完成后的样子：

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工作原理
现在让我们来看看 POV 显示屏是如何工作的。请看下图，我们将一个圆平均分成 32 块。如果用这样分割来的方式完成一幅图像，必须在每次旋转就绘制 32 行像素。在显示每一行像素时时，必须根据像素数据来决定每个LED（像素）是点亮还是熄灭。通过快速旋转和逐行点亮像素，就可以在观察者眼中形成一幅连续的图像。

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图像分割
在实际项目中，我们将每个图像径向分成 360 块。也就是说必须在每次旋转时画 360 条相距 1 度的线来绘制图像。
线条和像素
每条线上将有 64 个像素或 LED 灯（两条手臂上共有 128 个 LED 灯），这些像素或LED需要根据像素数据进行操作。坐标系统问题
一般图像使用的是笛卡尔坐标系。但为了在旋转 POV 显示器上显示图像，我们必须使用极坐标。在笛卡尔坐标系中，位置由水平距离（x）和垂直距离（y）指定。而极坐标则基于圆形网格，位置由半径（r）和水平角度（θ）指定。因此，像素并不均匀：随着与原点距离的增加，像素的面积也会增加，形状也会改变。

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要从图像中获取像素数据，我们必须使用一些三角函数计算和插值法。然而，对每幅图像的每个像素都进行这样的计算将耗费大量时间，并会减慢像素的响应时间。为了避免这种情况，并获得极短的像素响应时间和最高的刷新率，我们决定使用预计算值来处理图像，这将在编码部分进行说明。根据我们目前的设置，绘制一帧或一幅分辨率为 128 像素、360 段的图像大约需要 50 毫秒，因此有效帧频为 20fps。

下一个挑战是优化图像的存储方式。使用传统工具转换的普通图像阵列，每个像素也会占用 1 个字节的空间。也就是说，128x128 的图像需要 16384 字节的空间。但这样一来，我们在代码空间内存储的图像数量就会受到限制。为了克服这个问题，并获得更好的优化效果，我们采用了一种新方法。每行图像像素将存储在 16 个字节中。每个字节将包含 8 个像素的数据，即黑色或白色。然后使用一个简单的函数对这些数据进行解码，得到实际的像素数据。使用这种方法，一幅 128x128 像素的图像只需要 2048 (128x16) 个字节空间。使用这种方法，我们可以将图像的大小缩小 8 倍。
代码 & 仓库
所有的代码及 KiCad 设计文件都可以在以下仓库找到，这里就不再赘述：
https://github.com/Circuit-Digest/POV-Display
结束语
今天的分享就到这儿，感兴趣的小伙伴赶紧动手实践吧！
部分内容引用自：https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/diy-pov-display-using-ESP32-Arduino

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