[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025] 如图1和图2所示，一种基于LED数码管的成像装置包括包括显示臂1、显示控制器2、转速传感器3、信号源4、控制箱5、支撑架6、旋转装置7、水流驱动装置8、传动装置9、机电转换装置10、机电控制器11、整流/逆变电路12和蓄电池13，其中：显示臂1为装有多个LED的直臂结构，在旋转状态下三个相隔120°的显示臂1能够显示出色彩、文字和图案，显示控制器2为圆形结构布置在显示臂1的中间，显示臂1和显示控制器2可拆卸安装在旋转装置7的旋转杆上，旋转装置7的带动是依靠水流驱动装置8或传动装置9，具体工作方式参见后面的机电控制器11的具体工作流程。
[0026] 图3中，控制箱5为空心壳体，空心壳体由内部隔板分割成上、下两个空间，上部空间用于安装机电转换装置10、机电控制器11、整流/逆变电路12和蓄电池13，下部空间用于安装传动装置9，支撑架6安装在所述控制箱5和/或水流驱动装置8的底部用于支撑成像装置，图1中，支撑架6只安装在控制箱5的底部用于支撑成像装置，图2中，支撑架6安装在控制箱5和水流驱动装置8的底部用于支撑成像装置。图3中，旋转装置7安装在控制箱5的一侧、用于带动显示臂1和显示控制器2旋转，水流驱动装置8安装在控制箱5的另一侧、用于获取水能。
[0027] 需要说明的是，这种上下布局的空心壳体能够防止控制电路和蓄电池进水，因为，用电设备布局在上部空间，机械部分设置在下部空间，普通的溅水、泼水都无法进入空心壳体内部，即使万一进入也会在重力作用下流入下部空间。
[0028] 具体的，旋转装置7包括3个旋转杆、安装旋转杆的圆盘和固定圆盘用的旋转轴，旋转轴由控制箱5的一侧插入控制箱5的内部；水流驱动装置8包括多个旋转水轮、安装旋转水轮的圆头和固定圆头用的驱动轴，驱动轴由控制箱5的另一侧插入控制箱5的内部，传动装置9安装在控制箱5内部，传动装置9一方面用于将水流驱动装置8获取的动能传递给旋转装置7，传动装置9另一方面用于将水流驱动装置8获取的动能传递给机电转换装置10，传动装置9包括大齿轮901、小齿轮902、第一锥齿轮903、第二锥齿轮904和传动杆905，大齿轮901套设在驱动轴上，小齿轮902套设在旋转轴上，第一锥齿轮903套设在旋转轴上，第二锥齿轮904套设在传动杆905的底部，传动杆905通过多个滚动轴承安装在控制箱5内部，传动杆905的顶部机械连接有机电转换装置10。
[0029] 需要说明的是，大齿轮901和小齿轮902的作用是：降低驱动轴的扭矩、增加驱动轴传输的转速，因为旋转轴工作时必须高于最低转速，因此，针对获取的水能需要降扭增速。同时，第一锥齿轮903和第二锥齿轮904的作用是：改变动能传递方向，将水平方向的动能传递至垂直方向，使得机电转换装置10工作，机电转换装置10一方面将机械能转换成电能，机电转换装置10另一方面也能将电能转换成机械能；机电控制器11控制机电转换装置10和整流/逆变电路12，以实现显示臂1所需要的转速范围；蓄电池13用于储存或释放电能。
[0030] 需要进一步说明的是，大齿轮901和小齿轮902可以是普通齿轮，也可以是单向传动齿轮，即只可以大齿轮901向小齿轮902传递动能，小齿轮902向大齿轮901传递时，会出现打滑情况，这种单向传递是为了在低水流情况下，机电控制器11控制机电转换装置10将蓄电池13的电能转换成旋转装置的动能时，不必浪费能量带动水流驱动装置8运动。
[0031] 具体的，本实施例中，机电转换装置10包括一个永磁铁转子101和多组围绕永磁铁转子101布置的线圈102，永磁铁转子101设置在传动杆905的底部顶部，线圈102的数量为3至12中任意自然数，每组线圈102的接入和断开均由机电控制器11控制，整流/逆变电路12包括整流电路和逆变电路，整流/逆变电路12的工作由机电控制器11控制，蓄电池13连接整流/逆变电路12。本实施例中，线圈102的数量为12，12组线圈102均匀布置。
[0032] 显示臂1的结构如图4所示，显示控制器2的结构如图5所示，一般情况下，显示臂1的数量应能平分360°，这种对称布局可以简化控制程序，本方案3个显示臂。
[0033] 图4中，显示臂1包括条形壳体101、均布在条形壳体1正面的多个LED102、设置在条形壳体101的末端且用于连接显示控制器2的连接件103、设置在条形壳体101两侧且用于固定显示臂1与旋转装置的固定件104、设置在LED102上方的透明灯罩105以及用于传输信号的连接软线106，具体的，为了进一步增加显示效果本实例中的LED102采用全彩LED灯珠。
[0034] 图5中，显示控制器2包括圆形连接座201、安装在圆形连接座201上的电路壳体202、设置在电路壳体202内部的圆形电路板203，圆形电路板203的布局如图4所示，电路壳体202的侧壁上设置有多个与连接软线106匹配工作的通讯接口204，其中，圆形电路板203基于显示臂1数目、LED102数目以及当前转速产生LED102的控制信号，以控制基于LED数码管的成像装置展示不同的色彩、数字、文字或图案。
[0035] 需要说明的是，显示控制器2的圆形连接座201、电路壳体202和圆形电路板203的中心分别设置有同心安装孔，3个安装孔通过安装件205固定，安装件205为螺丝、螺栓、铆钉或定位轴中的一种。
[0036] 需要进一步说的是，还包括用于测量转速的转速传感器3，转速传感器包括霍尔传感器、红外管传感器或电容式传感器，其中，转速传感器3安装在显示臂1的后面，转速传感器3的待检测信号源固定在非旋转的物体上，如控制箱5上，通过计算转速传感器3的信号脉冲周期获取当前转速，具体的，当采用霍尔传感器时，磁条可以固定在控制箱5上；当红外管传感器时，红外源同理可以布置上述位置。当然，也可以通过无线传输的方式获取当前转速。在不考虑成本的情况，为了提升控制精度可以在每个显示臂1上都安装转速传感器3。
[0037] 本实施中的显示臂1、显示控制器2之间为可拆卸连接，能够灵活的调整夹角，方便显示臂1的扩充和减少。为了实现上述目的，采用了如图8所示的连接件103，其中，显示臂1的连接件103为U型接口1031，U型接口1031的底部设置有安装螺丝1032，U型接口1031的两竖臂上垂直设置有可拆卸的定位件1033，定位件1033为螺丝、螺栓、铆钉或定位轴中的一种，同时，也采用了圆形连接座201的结构，显示控制器2的圆形连接座201包括圆盘2011、设置在圆盘2011上三组弧形腰槽2012，弧形腰槽2012对称布置且与圆盘2011同心。
[0038] 为了便于显示臂1的固定，固定件104可以为绑带或伸缩夹，如图9所示，伸缩夹包括夹壳1041、设置在夹壳1041两侧的固定螺丝1042、设置在夹壳1041背面的后盖1043、设置在夹壳1041内部的伸缩杆1044、夹壳1041外侧的夹头1045以及设置在夹头1045上的弹性摩擦体1048，其中：后盖1043通过侧面的螺纹与夹壳1041可拆卸连接，夹壳1041设置有容纳伸缩杆1044的伸缩腔，伸缩杆1044靠近后盖1043的一端固定有限位块，伸缩杆的另一端连接夹头1045，伸缩杆1044上套设有压簧1046，压簧1046的两端分别由限位块1047和伸缩腔的缩口限位，弹性摩擦体1048可以采用不同的弧度以满足不同需求，例如采用叶片、渐变轮毂等等。
[0039] 显示臂1和显示控制器2装配好之后，如图10所示。本实施中，展示三臂对称方案，当转速稳定时，即可以展示文字和数字，这种展示具有一定的娱乐功能，也具有一定的积极意义，例如可以展示指示路牌、时间、演出时间等有用信息；当转速不稳定时，可以展示纯粹的色彩或者简单图形信息。
[0040] 为了实现上述信息的展示，对于圆形电路板203和控制程序提出了较高的要求，本实施例中的圆形电路板203上设置有处理器、以及与处理器相连的无线传输电路、接口通讯电路、传感器电路、存储电路和整流/逆变电路，如图11所示，其中：处理器为FPGA、DSP或MCU中的一种，处理器基于显示臂1数目、LED102数目以及当前转速产生LED102的控制信号，以控制基于LED数码管的成像装置展示不同的色彩、数字、文字或图案；无线传输电路用于处理器与上位机、手机或单片机之间的无线通讯；接口通讯电路用于上位机与处理器之间的通讯；传感器电路用于传感器信号的转换；整流/逆变电路用于蓄电池的充、放电管理工作；处理器通过连接软线106将控制信号发送至显示臂1上驱动电路。
[0041] 具体的，处理器可以采用STM32F722RET6处理器、STM32 系列 MCU或STC15W408AS处理器，具体的外围芯片设置布局可以参考芯片资料，无线传输电路可以采用NRF2401芯片、HX1838芯片或HM-06芯片，接口通讯电路可以采用SWD通讯接口；传感器电路可以采用霍尔传感器或红外传感器；存储电路可以采用Flash；驱动电路可以采用74HC164、DM164或TH5024驱动芯片。
[0042] 需要说明的是，TH5024 是专门为 LED 显示臂设计的驱动 IC，内建 CMOS 移位寄存器与锁存功能，是串行输入并行输出的数据传输方式。具有 16 位并行输出，串行输入是通过 SPI 输入，数据传输速率高达 35MHz，保证了数据的传输速率，达到设计要求。
[0043] 需要说明的是，HM-06模块采用CSRBlueCore芯片，配置256Kb、6-8Mbit的软件存储空间，支持AT指令，采用最小的封装，只有13.5mm*18.5mm*2.3mm大小。
[0044] 针对上述硬件，显示控制器2的具体工作流程如图12所示：1开始；
2初始化；
3无线通讯程序：显示控制器2通过无线通讯方式与上位机、手机或单片机之间建立通讯，显示控制器2获得显示臂1数目、LED102数目、数据间隔角度Δα和待显示信息；
需要说明的是，本实施的LED的数目为112个，LED的密度越多显示分辨率越高，LED的数目取决于驱动电路的驱动能力。
[0045] 4转速检测程序：显示控制器2通过无线通讯程序或转速传感器3获取当前测量转速；5转速判断程序：显示控制器2基于当前测量转速和X个历史测量转速信息，采用移动平均算法或者指数平滑算法估算未来转速w；
6显示控制程序：显示控制器2基于未来转速w、待显示信息、显示臂1数目N、LED102数目M和和每列数据间隔的角度Δα，产生工作信号，以控制LED102实现明暗、色彩变换，展示出相应的色彩、数字、文字或图案；
7判断是否关闭；
8当系统确认未关闭时，执行步骤3；
9当系统确认关闭时；
10程序结束。
[0046] 需要说明的是，转速判断程序还包括：显示控制器2基于当前测量转速和X个历史转速信息，采用移动平均算法或者指数平滑算法估算未来转速w，并判断未来转速w是否处于稳定状态：
当未来转速w处于稳定状态时，显示控制程序能够显示色彩、数字、文字或图案信息，具体的，此时未来转速w恒定、或其趋势的波动范围不超过±5%。
[0047] 当未来转速w处于非稳定状态时，显示控制程序能够显示色彩或简单图案信息，具体的，此时未来转速w的趋势处于加速或减速状态。
[0048] 需要说明的是，X的数值一般取5-10个。
[0049] 具体的，显示控制程序具体包括如下步骤：1基于显示臂1的数量N、单个显示臂1的LED102数量M和每列数据间隔的角度Δα，构建基于LED数码管的成像装置的平面极坐标系，其中，Δα的取值范围0.1-2°，Δα为2°时的平面极坐标系示意图。
[0050] 2从上位机或手机中获取需要显示色彩、数字、文字或图案信息；3将上述步骤中的信息利用坐标转换，从笛卡尔直角坐标系转换成平面极坐标系；
具体的，上述取模过程可以在处理器中完成，也可以通过无线通讯在手机或上位机中完成。
[0051] 4基于数据间隔角度Δα和当前转速w计算出LED102的间隔点亮时间Δt，Δt=Δα/w；5基于间隔点亮时间Δt和平面极坐标系信息，产生相应的PWM信号，不同负载周期的PWM信号能够实现LED102的调光。
[0052] 具体的，为了进行PWM调光，字信号处理器或微显示控制器会传送不同负载周期的PWM讯号。因此，通过LED串行的平均.电流等于负载周期乘以最大电流。由于通过LED的最大电流都相同，因此PWM调光结果会呈现出相当线性的亮度变化。另外，由于LED发光的光谱会因电压降幅而产生变化，而电压降幅会因维持最大值的而产生变化，因此LED背光的色度(亦即色彩、色相或实际达到白光的程度)在采用PWM调光时可达到绝佳效果。
[0053] 参考图13，机电控制器11的具体工作流程如下：1开始；
2初始化；
3机电控制器11通过转速传感器3获取显示臂1的当前转速w’；
4基于当前转速w’和最低转速w*，判断当前水流情况：
具体的，最低转速w*=（2π）/(0.2*3)，其中，0.2为200ms，3为显示臂的数目。
[0054] 需要一步说明的是，在转速判断程序启动后，还应该加入最低转速的判断，因为采用视觉暂留原理现实一整幅图案和文字需要一定的时间，图像在视网膜上暂留50-200ms，因此，显示臂1数目3乘以未来转速w应至少小于200ms，确保能在视网膜上构建一整幅图。
[0055] 当w’＜ w*时，机电控制器11判断为微流情况，机电控制器11控制整流/逆变电路12中的逆变电路启动，机电控制器11控制相隔90°的三个线圈102接入，通过控制逆变电路将蓄电池13的直流电转换为交流电供线圈102带动永磁铁转子101运动，驱动显示臂1以最低转速w*运动，此时，永磁铁转子101的旋转通过传动装置9驱动旋转装置7和显示臂1运动，由于采用单向传动齿轮，此时水流驱动装置8自由运动。
[0056] 当w*＜w’ ≤2w*时，机电控制器11判断为中流情况，机电控制器11控制所有线圈102断开，由水流驱动装置8直接驱动旋转装置7，由于所有线圈102断开，未接入电路，此时，水流驱动装置8带动旋转装置7自由旋转，没有受到任何发电阻力。
[0057] 当2w*＜w’ 时，机电控制器11判断为强流情况，机电控制器11控制整流/逆变电路12中的整流电路启动，机电控制器11控制线圈102分阶段接入，通过控制整流电路将交流电供线圈102中的电流整流后存储在蓄电池13中，通过控制接入线圈102的数量实现发电阻力的调整，以实现显示臂1稳定运转。
[0058] 具体的，开始接入4组相互对称线圈102，然后再接入8个，再接入12个，逐渐增加接入电路线圈102的数量，可以逐渐增加发电阻力，以实现转速的稳定可控。
[0059] 5判断是否关闭；6当系统确认未关闭时，执行步骤3；
7当系统确认关闭时；
8程序结束。
[0060] 本发明提供的基于LED数码管的成像装置采用视觉暂留原理，仅仅使用三根显示臂便能够显示丰富的色彩、数字、文字或图案等信息，克服了传统整屏LED数量巨大、成本高、显示形状固定等缺点，同时，该装置的驱动装置基于水能，不依赖外部电机和电源，适合应用于公园、娱乐场、景区等户外环境，能够作为广告牌、炫彩成像装置等。
[0061] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
