基于單片機旋轉(zhuǎn)時鐘的設(shè)計

摘要：目前，社會、家庭普遍使用的是機械表盤時鐘，而一款打破傳統(tǒng)的電子旋轉(zhuǎn)時鐘如果推出就能夠以其新穎的創(chuàng)意來吸引人們，于是文章就研究并設(shè)計了一個基于單片機的電子旋轉(zhuǎn)時鐘。該設(shè)計主要依據(jù)人眼視覺暫留(Persistence of Vision)原理，使用電機帶動一定數(shù)量的發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)，讓單片機控制發(fā)光二極管在相應(yīng)的位置點亮，只要點亮?xí)r間間隔小于人眼視覺暫留時間，就算不是同時點亮的，也能完整的呈現(xiàn)出一個模擬時鐘。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)時鐘;STC12C5A60S2芯片;無線供電;DS1302芯片;紅外遙控

1 前言

目前，時鐘的種類是越來越多樣，功能是越來越豐富了，但大多時鐘還是傳統(tǒng)上的時鐘，即固定的表盤與指針，其形式與功能都比較單一，故難以吸引人。而一款旋轉(zhuǎn)時鐘不僅在創(chuàng)意上擺脫了傳統(tǒng)時鐘的設(shè)計而且也能迎合人們獵奇的心理，并且功能也可以多樣化，不僅可以顯示時間、日期，甚至連文字都能夠顯示。文章基于單片機設(shè)計了一款跟傳統(tǒng)機械時鐘一樣具有秒針、分針、時針和表盤刻度的旋轉(zhuǎn)時鐘，并且具有準確顯示即時時間和校準時間功能，且均可由紅外遙控器方便完成。

2 總體設(shè)計思想及方案

文章擬采用16個發(fā)光二極管的亮滅來模擬時鐘表盤，其旋轉(zhuǎn)用一個直流電機轉(zhuǎn)動來實現(xiàn);時鐘的1s源信號用DS1302時鐘芯片產(chǎn)生;為了保證時鐘盤面顯示的穩(wěn)定采用紅外對管來實現(xiàn);為了對旋轉(zhuǎn)起來的電路板供電方便，采用無線供電;為了能夠方便地調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)時鐘的時間，擬采用紅外遙控。故該系統(tǒng)的硬件模塊主要由以下幾部分組成：顯示模塊、無線供電模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊、紅外遙控模塊、時鐘模塊、校準模塊、電機驅(qū)動模塊。其系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示。其中無線供電模塊利用線圈耦合將能量傳輸給單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)就能正常工作了。電機帶動單片機系統(tǒng)快速旋轉(zhuǎn);然后單片機再快速讀取時鐘模塊的時間，并將這些時間信息送給顯示模塊;顯示模塊就能根據(jù)這些時間信息控制相應(yīng)的發(fā)光二極管亮滅，再配合電機的旋轉(zhuǎn)就能實現(xiàn)時鐘的顯示了。由于整個時鐘是高速旋轉(zhuǎn)的，所以對時間、位置等參數(shù)的設(shè)置采用紅外遙控模塊來實現(xiàn)比較方便。時鐘模塊就是為整個系統(tǒng)提供準確的時間，而校準模塊是用來對時鐘顯示的起點進行檢測。

3 單元模塊電路分析與設(shè)計

3.1 單片機最小系統(tǒng)模塊分析與設(shè)計

單片機最小系統(tǒng)模塊是由單片機芯片(STC12C5A60S2)、時鐘晶振電路和復(fù)位電路組成。其中復(fù)位電路能夠?qū)崿F(xiàn)按鍵復(fù)位和上電即復(fù)位的兩個功能。時鐘晶振電路使用12MHz的晶振，給單片機提供時鐘信號。STC12C5A60S2芯片的31腳(/EA端)接高電平，使其從內(nèi)部的程序存儲器讀取指令，為了防止31腳意外輸出低電平而將單片機燒壞，需要在31腳外接一個10K的電阻。

3.2 無線供電模塊分析與設(shè)計

無線供電模塊由發(fā)送模塊和接收模塊組成。其中無線發(fā)送模塊主要由三極管B772和9013以及初級線圈等組成。其中B772工作時發(fā)熱會很厲害，所以要外加散熱片。電路主要工作原理是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，先將直流電變成交流電，然后通過初級線圈將能量發(fā)送出去，次級線圈最終感應(yīng)得電，在經(jīng)過相應(yīng)的電路從而完成對單片機供電。其中，直流電轉(zhuǎn)交流電部分采用的是一個自激震蕩電路。

無線接收模塊原理主要如下：首先次級線圈用來接收發(fā)送模塊的初級線圈發(fā)送出來的能量，因為發(fā)送模塊采用的是直流變交流將能量傳送出去，所以次級線圈最總感應(yīng)到的是交流電，而單片機的供電要求是直流電，所以必須經(jīng)過整流才能變成直流電，最后再經(jīng)7805穩(wěn)壓芯片，用來輸出穩(wěn)定的5V電源，用來給單片機供電。

3.3 電機驅(qū)動模塊分析與設(shè)計

電機驅(qū)動模塊使用的電機是RF370電機，當其工作電壓選在5V時它的轉(zhuǎn)速在2500～3100轉(zhuǎn)/分，電流也只需20mA，非常省電，并且轉(zhuǎn)速能滿足設(shè)計要求，旋轉(zhuǎn)時噪音也小，所以很適合用來完成設(shè)計。電機是通過一個2腳插針連接到無線供電發(fā)送模塊中的，此時5V電源給電機供電。由于電機工作的時候會儲存能量，當停止工作的時候就會釋放掉，為了避免電機釋放的電流可能會燒壞其它電路，故需在電機兩端并聯(lián)一個限流二極管1N4148起保護電路作用。

3.4 時鐘模塊分析與設(shè)計

時鐘模塊就由時鐘芯片DS1302與其外圍硬件電路組成。DS1302芯片在2腳和3腳之間接一個32.768KHz的晶振，DS1302芯片內(nèi)部經(jīng)過分頻就能得到1Hz的標準信號，為時鐘提供精準的時間信號。8腳的Vcc1外接3V紐扣電池，當模塊斷電后，它能讓DS1302繼續(xù)工作來保存時間數(shù)據(jù);1 腳的VCC2也是要外接電源5V，當雙電源時VCC2作為主電源給模塊供電;5腳(/RST)是復(fù)位/片選端，用來控制DS1302與外通信，接單片機 P3.5引腳;7腳(SCLK)是串行時鐘輸入端，為數(shù)據(jù)傳輸提供時鐘，該腳與單片機的P3.7腳連接;6腳(I/ O)是串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端(雙向)，為通信時數(shù)據(jù)傳輸引腳，與單片機的P3.6腳連接。

3.5 校準模塊分析與設(shè)計

由于旋轉(zhuǎn)時鐘要讓LED旋轉(zhuǎn)起來要有圓形的效果，那么就要借助傳感器或紅外對管來幫助判斷出起點位置，也能讓時鐘的盤面顯示固定。本設(shè)計采用的是紅外對管，其中紅外發(fā)射管是焊接在無線供電發(fā)送模塊中的，紅外接收管與單片機的P3.3引腳相連，當接收管收到發(fā)射管信號時，電阻值會變得很小，此時P3.3處輸出低電平;當沒接收到信號時，接收管的阻值就變的很大，此時P3.3處就輸出高電平，即產(chǎn)生了一個下降沿。P3.3腳是單片機外部中斷1的輸入引腳，如果將該中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)，則來了下降沿就立馬觸發(fā)中斷，讓單片機轉(zhuǎn)去執(zhí)行起點檢測程序，以實現(xiàn)時鐘能夠正常準確顯示。

3.6 顯示模塊分析與設(shè)計

顯示模塊就利用一排LED燈來實現(xiàn)顯示時鐘效果。在該設(shè)計中，借助16個LED燈與單片機的P1、P0引腳相連來完成，其中D1～D4是綠色LED 燈，D5～D16是紅色LED燈。D1用來顯示時鐘圓盤邊框，D2～D4用來顯示表盤刻度，如果時間是12點、3點、6點、9點時就亮3個燈，如果是其他時刻時就亮兩個燈。D5～D16是用來實現(xiàn)表盤指針的顯示，讓顯示效果跟實際的時鐘指針一樣。由于時鐘中，秒針最長，所以顯示秒針時D5～D16要全部點亮;分針的長度居中，所以顯示時就D8～D16要全部點亮;時針的長度最短，所以顯示時就只點亮D11～D16。

3.7 紅外遙控模塊分析與設(shè)計

紅外遙控模塊由遙控器和接收模塊組成，使用的遙控器采用的是NEC協(xié)議，許多家電的紅外遙控就是采用這種協(xié)議。接收模塊用到了紅外一體化接收頭 VS1838B，其中它的3引腳接電源5V，2腳接地，1腳把接收頭解調(diào)后的信號傳送到單片機的外部中斷0引腳(即P3.2)，利用中斷未讓單片機實現(xiàn)紅外解碼。

4 軟件程序分析與設(shè)計

程序設(shè)計的主要思想是：先用一個定時器產(chǎn)生固定的時間中斷，中斷執(zhí)行的主要任務(wù)是讓一個變量(就取名為Count)自加1。這個變量Count很重要的，因為就是根據(jù)它的值來決定顯示的。比如電機每旋轉(zhuǎn)一圈，Count就從0加到180，一個表盤有60個刻度(即因秒和分都是60)，那Count每加 15，單片機就要驅(qū)動LED顯示相應(yīng)的時刻點，一直加到180，那12個時刻度點就顯示出來了。所以Count的最大值最好與60成倍數(shù)關(guān)系。

解決時鐘指針的顯示就只要讀取DS1302的時間然后分別判斷Count是否到達秒、分、時相應(yīng)的Count值，如果到達了就分別顯示出秒針、分針、時針。比如讀取DS1302的秒值等于20，由于旋轉(zhuǎn)一圈Count最大180，而一圈共60秒，因180/60=3，那么當Count從0加到180的過程中，當加到20*3=60時，此時單片機就要將秒針對應(yīng)的LED點亮。分針顯示原理與此類似，因為一個表盤上分也是有60個刻度。而時針的算法就有區(qū)別了，因為一個表盤上，時才有12個刻度。時的算法是這樣的，(Hour*15)+(Minu/4)。因為表盤一圈，Count加到180，而表盤上時只有 12個點，所以180/12=15，再加上分的移動會影響時針的走動，之間的換算關(guān)系是：(Minu*3)/12，Minu*3是此時分對應(yīng)的Count 值，而分走360度時只走30度，所以360/30=12。綜合顯示時所對應(yīng)的Count值就是(Hour*15)+(Minu/4)。這樣做的要求就是定時器的中斷時間要密切配合電機旋轉(zhuǎn)周期，并且電機的轉(zhuǎn)速要穩(wěn)定。

5 系統(tǒng)功能測試分析

實物焊接電路如圖5.1和5.2所示。圖5.1是電路板正面，這上面能看到的模塊分別有單片機最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、時鐘模塊、紅外遙控接收模塊和無線供電接收模塊。圖5.2是電路板反面，這上面有紅外對管接收模塊，無線供電接收線圈。2個螺絲是用來配重的。

功能測試效果如圖5.3、5.4、5.5和5.6所示。其中圖5.3是系統(tǒng)上電后顯示的即時時間10：43：12;圖5.4表示時鐘正常走動9秒后的時間 10：43：21;圖5.5是調(diào)整時針效果圖，由剛才的10點調(diào)整到了1點;圖5.6是調(diào)整分針效果圖，由剛才的39分調(diào)整到50分。由測試結(jié)果可以看出，電子旋轉(zhuǎn)時鐘運行正常，時間顯示準確、表盤顯示穩(wěn)定、調(diào)整時間功能亦能實現(xiàn)，所以設(shè)計功能達到了預(yù)期要求。

6 結(jié)束語

測試結(jié)果表明，文中設(shè)計的旋轉(zhuǎn)時鐘相比于市場上其他的方案，具有以下優(yōu)點：①表盤(包括刻度和指針)顯示穩(wěn)定，不會出現(xiàn)顫動現(xiàn)象;②時間走動能夠一直準確正常，不會出現(xiàn)運行一段時間后跑時錯誤，指針亂指等現(xiàn)象;③顯示的亮度一致，不會出現(xiàn)顯示亮度不勻稱現(xiàn)象。當然，該設(shè)計也存在功能需要進一步提升的地方，比如可以加入顯示日期和文字等，使表盤顯示的內(nèi)容增多，并且通過按鍵來切換顯示模式等。