摘要：設(shè)計一個旋轉(zhuǎn)的LED時鐘，將一排LED燈組安裝在指針旋轉(zhuǎn)板上，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)，使用單片機I／O端口控制LED的點亮和熄滅形成圖像從而顯示出時鐘畫面。在介紹旋轉(zhuǎn)LED時鐘的實現(xiàn)原理和方案的同時，給出了其硬件電路設(shè)計和軟件流程。
關(guān)鍵詞：視覺暫留；LED；DS1302；掃描顯示
1 旋轉(zhuǎn)時鐘原理分析
物體在快速運動時，當人眼看到的影像消失后，人眼仍能繼續(xù)保留其影像，約0．1秒左右，這種現(xiàn)象稱為視覺暫留現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)時鐘就是利用了視覺暫留效應(yīng)，原理如圖1所示。圖1(a)中最內(nèi)側(cè)的一個發(fā)光二極管和最外側(cè)的一個發(fā)光二極管在點亮并繞電機軸高速旋轉(zhuǎn)后就形成了圖1(b)所示的內(nèi)框和外框。圖1(b)緊挨著外框的那個LED燈用來顯示時間刻度。假設(shè)12點那個刻度為0°，則每個小時時針之間的角度為360°÷12=30°，于是當整一列發(fā)光二極管每旋轉(zhuǎn)30°，該LED燈就點亮一個瞬間以呈現(xiàn)出時間刻度。如果在小于0．1秒內(nèi)這列LED燈能旋轉(zhuǎn)完一圈，人眼就會誤認為先后產(chǎn)生的12個刻度是同一時間顯示出來的。
顯示秒針、分針和時針的方法跟顯示時間刻度的原理一樣。假設(shè)用10支發(fā)光二極管來顯示秒針，10支里面靠內(nèi)部的9支用來顯示分針，再靠內(nèi)的7支作為時針的顯示燈，如圖1(a)所示。若要顯示3點零5秒，在時問刻度的顯示基礎(chǔ)上，控制整列發(fā)光二極管在0°時點亮9支LED燈以顯示分針在12點位置上；緊接著整列發(fā)光二極管又轉(zhuǎn)過30°即到了1點的位置，此時點亮10支LED燈，用以顯示秒針在5秒的位置上；當發(fā)光二極管再轉(zhuǎn)過60°時，再點亮5支來顯示時針指在3點的位置上，如圖1(c)所示。因為發(fā)光二極管在不斷高速旋轉(zhuǎn)，在1秒內(nèi)已經(jīng)重復(fù)點亮12點位置上的9支、1點位置上的10支和3點位置上的7支LED燈10次以上，人眼就會產(chǎn)生圖1(c)所示的畫面。時鐘畫面是由一列發(fā)光二極管繞圓心按順時針方向逐列高速掃描過去，每到一列單片機控制相應(yīng)的LED燈點亮或者熄滅，要在0．1秒內(nèi)掃描完一圈，重復(fù)執(zhí)行這樣的掃描，人的眼睛看上去就形成了一幅時鐘的畫面。轉(zhuǎn)速越高，LED燈越多，分辨率就越高，看上去就越逼真。
2 旋轉(zhuǎn)時鐘方案設(shè)計
系統(tǒng)框圖如圖2：單片機負責數(shù)據(jù)的處理并控制LED的顯示；紅外接收模塊由一體化紅外接收頭和紅外接收管組成，分別負責處理紅外遙控器發(fā)出的調(diào)時信號和識別旋轉(zhuǎn)的起始位置的作用；時鐘模塊負責記錄時間數(shù)據(jù)，節(jié)省單片機的資源，提高其工作效率，可在系統(tǒng)掉電后正常計時，不需重新設(shè)定時鐘時間。
結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3，將單片機、時鐘芯片、LED燈組、一體化紅外接收頭、紅外接收管等器件焊接在一塊指針板上，只需要外部送電就可以正常運作。電路板中心鉆一個電機軸插孔，電機軸插入其中帶動指針板旋轉(zhuǎn)。電源采用無線供電模塊則裝在底座上，無線供電的初次級線圈放在電機與單片機之間，中心線圈隨著PCB旋轉(zhuǎn)，外線圈和電機一起固定。
3 旋轉(zhuǎn)時鐘硬件電路設(shè)計
3．1 電源設(shè)計
供電電路如圖4所示，采用無線供電模塊，具有無觸點、噪聲小、壽命長的特點。在線圈距離很近的情況下，輸出效率很高。其中L1是發(fā)射線圈，接收端需要一個接收線圈，經(jīng)整流穩(wěn)壓后接入指針板的單片機和時鐘芯片。
3．2 指針板的硬件設(shè)計
為使指針板輕巧，采用貼片式LED。本時鐘需要能顯示“12、3、6、9”這四個整點數(shù)字和秒針、分針、時針，用7支LED燈顯示數(shù)字，21支用來顯示秒、分、時三針，另外再加一支內(nèi)框一支外框燈，總共30支LED燈。為了節(jié)省單片機I／O管腳，并不是每支LED燈都由一個I／O管腳控制的。為了滿足驅(qū)動電流，加一支三極管來驅(qū)動。為使顯示穩(wěn)定，在指針板上加裝一個紅外接收管，當接收到與之配對的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線后，就會反向?qū)?，接到單片機外部中斷。有了這個信號，單片機就可以在指針板旋轉(zhuǎn)過程中實時檢測計算指針板的角度位置，并根據(jù)指針板所處的不同位置，點亮相應(yīng)的LED。
單片機主要用于對紅外遙控代碼的譯碼、讀寫DS1302的時間數(shù)據(jù)以及控制LED顯示熄滅。本設(shè)計充分運用89C52的各個接口：首先是28支LED燈，由于有13支LED燈只用來顯示時針，所以它們是同時點亮或者熄滅的，可以接在同一個I／O接口上，取P2.7口。P0．0-P0．7和P2．0-P2．7這16個引腳分別與16支LED燈連接，可以用來顯示不同的字符；其次X1、X2引腳接12MHz晶振；P3．2口接一體化紅外接收頭，作為高優(yōu)先級的外部中斷；P3．3口接紅外接收管，作為低優(yōu)先級外部中斷；P1．5-P1．7分別接DS1302的SICK、I／O及CE引腳。電路原理如圖5所示。
3．3 紅外接收／發(fā)射控制單元
在指針板旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)中，可利用紅外遙控器來給旋轉(zhuǎn)時鐘調(diào)時間。發(fā)射電路采用TC9012遙控芯片自制遙控器，TC9012是一塊用于東芝系列紅外遙控系統(tǒng)中的專用發(fā)射集成電路，接收部分直接采用了紅外一體化接收頭HS0038。
4 軟件設(shè)計
旋轉(zhuǎn)時鐘軟件設(shè)計首先是各種初始化及DS1302的初始時間設(shè)定，然后單片機采用查詢方式查詢P3．3是否接收到了中斷信號。接收到中斷說明指針板已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到起點。查詢到之后先讀取DS1302的時間，然后顯示到LED。當有紅外遙控信號調(diào)整時間時，紅外接收頭HS0038將接收到紅外遙控器發(fā)出的紅外脈沖，會以下降沿的方式給單片機一組下降沿脈沖中斷信號，單片機接收到脈沖后，通過編程和定時器，記錄每一個脈沖的脈寬，實現(xiàn)對各種信號的識別，實現(xiàn)時鐘時間的調(diào)整。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。
5 結(jié)論
本文實現(xiàn)了用30支LED燈旋轉(zhuǎn)掃描顯示的形式來取代大量的LED點陣矩陣板來顯示時鐘信息。貼片LED的設(shè)計，體積??；采用紅外對管來同步轉(zhuǎn)速，使顯示的畫面穩(wěn)定；無線供電，無機械磨損，噪聲?。患t外遙控，調(diào)時方便。本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高質(zhì)量的顯示宣傳效果，具有一定的實用價值。
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