磁悬浮控制的手势感知梦幻彩色光立方

【摘要】本作品主要由3D彩色LED CUBE8、磁悬浮控制及无线供电系统、手势感知功能模块3部分组成。图案、动画立体显示且可由用户自行定义。变换颜色的发光立方体悬浮在光立方下方倍添神秘感。利用手势感知，实现各种立体图案及动画显示、音乐电平指示模式等功能之间的切换。

【关键词】磁悬浮 光立方 手势感知 音乐电平指示 无线供电

一、背景及整体功能设计

目前市面上已有一些光立方的家居装饰产品，能显示酷炫的立体图案及动画，受到消费者的喜爱。但其存在明显不足，如：显示内容及效果预先固化，用户无法简单自行设计、改变；功能相对简单，主要是单纯的显示，尤其缺乏与人的互动等。

课题组提出设计一种把3D LED显示技术、磁悬浮技术、红外感知技术、无线供电技术四者整合于一体的产品，作为美化家居及商务环境的工艺品和装饰品。其图案、动画立体显示且可由用户简单自行设置，变换颜色的发光立方体悬浮在光立方下方以平添高科技神秘感，利用手势感知，实现各种立体图案及动画显示、音乐电平指示模式等功能之间的切换，具有很强的人机互动效果、高科技神秘感。其整体框图如图1。

二、硬件设计

磁悬浮控制系统模块。本模块由一悬浮浮子和控制模块组成，其主要功能一是增加产品的神秘感，二是控制CUBE8显示模块电源的启动与关闭。控制模块电路以霍尔传感器3503作为感应器，两级LM4558放大，TIP41C作末级驱动，通过负反馈使浮子（磁铁）悬停。当浮子（磁铁）放置控制模块下时，3503感应的信号放大后通过继电器启动LED CUBE8显示模块的电源。

彩色3D LED光立方显示模块。本设计采用红、蓝两色LED，间隔排列。采用8片HC573+1片ULN2803+STC15F2K61S2单片机的方案。CUBE8按纵向分8层，每层64个LED，每8个负极接到一起，分别接到ULN2803上；每层的64个的LED正极接到8个74HC573的输出。

数据由主控芯片的P2口输入ULN2803，由其控制每一层。8个HC573的数据输入连一起接主控芯片的P0口，锁存脚接主控芯片P1口作为，控制一竖面LED的亮灭。

音频采集模块。该模块麦克风采集的音频信号经LM358放大器放大后，由主控制芯片自带的10位AD进行转换后，送3D CUBE8作音频电平指示。

手势感知功能模块。本模块在底座上装了多个红外发射和一体化接收头。当手指滑动时反射的红外线被接收头接收后，接收头输出低电平。单片机根据点阵接收头低电平的先后变化规律，决定LED光柱随手指相应移动，并切换至相应的显示模式。发送电路采用了NE555产生38KHZ调制信号，由红外发光二极管发射。接收采用0038红外一体头接收、放大并解调输出。

无线供电电路。磁悬浮的浮子上带有高亮LED，为减少其重量及免除更换电池的的麻烦，该LED采用无线供电。

采用NE555构成振荡频率约为500KHZ的激励信号。谐振功率放大器由LC并联谐振回路和开关管IRF640构成。当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，能量传输效率高，传送间距大。

用户自定义动画显示内容数据的存储。用户自定义动画显示内容数据存储在SD卡中，本设计中由上位机界面操作。单片机负责读出SD卡内部的显示内容并送至CUBE8显示。单片机P3口与SD卡的连接采用模拟SPI总线方式。

三、软件设计

上位机控制软件均采用JAVA编写，主要是动画用户自行设计界面。下位机程序采用C语言编写，主要包括3D CUBE8显示模块、SD卡的读取模块、红外手势感应模块等。

四、总结

图2为作品全貌。本作品的磁悬浮及红外感应切换功能独具特色，市面上尚未发现有此同类功能产品。作为美化家居、商务环境的创意家居饰品，本作品具有广阔的市场前景。

参考文献：

[1]张全福.红外传感器技术应用[J].机电工程，2005，（06）.

[2]文哲雄.用单片机控制LED显示屏[D].佛山：佛山科学技术学院，1995，（05）.

[3]王晓光，姜奎，戴迎宏等.磁悬浮盘片支承原理的研究[J].湖北工业大学学报，2007.