POV LED時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的LED時(shí)鐘，將一排LED燈組安裝在指針旋轉(zhuǎn)板上，利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，使用單片機(jī)I／O端口控制LED的點(diǎn)亮和熄滅形成圖像從而顯示出時(shí)鐘畫(huà)面。在介紹旋轉(zhuǎn)LED時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)原理和方案的同時(shí)，給出了其硬件電路設(shè)計(jì)和軟件流程。
關(guān)鍵詞：視覺(jué)暫留；LED；DS1302；掃描顯示

1 旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘原理分析
    物體在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)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(chēng)為視覺(jué)暫留現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘就是利用了視覺(jué)暫留效應(yīng)，原理如圖1所示。圖1(a)中最內(nèi)側(cè)的一個(gè)發(fā)光二極管和最外側(cè)的一個(gè)發(fā)光二極管在點(diǎn)亮并繞電機(jī)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(gè)LED燈用來(lái)顯示時(shí)間刻度。假設(shè)12點(diǎn)那個(gè)刻度為0°，則每個(gè)小時(shí)時(shí)針之間的角度為360°÷12=30°，于是當(dāng)整一列發(fā)光二極管每旋轉(zhuǎn)30°，該LED燈就點(diǎn)亮一個(gè)瞬間以呈現(xiàn)出時(shí)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(huì)誤認(rèn)為先后產(chǎn)生的12個(gè)刻度是同一時(shí)間顯示出來(lái)的。

    顯示秒針、分針和時(shí)針的方法跟顯示時(shí)間刻度的原理一樣。假設(shè)用10支發(fā)光二極管來(lái)顯示秒針，10支里面靠?jī)?nèi)部的9支用來(lái)顯示分針，再靠?jī)?nèi)的7支作為時(shí)針的顯示燈，如圖1(a)所示。若要顯示3點(diǎn)零5秒，在時(shí)問(wèn)刻度的顯示基礎(chǔ)上，控制整列發(fā)光二極管在0°時(shí)點(diǎn)亮9支LED燈以顯示分針在12點(diǎn)位置上；緊接著整列發(fā)光二極管又轉(zhuǎn)過(guò)30°即到了1點(diǎn)的位置，此時(shí)點(diǎn)亮10支LED燈，用以顯示秒針在5秒的位置上；當(dāng)發(fā)光二極管再轉(zhuǎn)過(guò)60°時(shí)，再點(diǎn)亮5支來(lái)顯示時(shí)針指在3點(diǎn)的位置上，如圖1(c)所示。因?yàn)榘l(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(diǎn)亮12點(diǎn)位置上的9支、1點(diǎn)位置上的10支和3點(diǎn)位置上的7支LED燈10次以上，人眼就會(huì)產(chǎn)生圖1(c)所示的畫(huà)面。時(shí)鐘畫(huà)面是由一列發(fā)光二極管繞圓心按順時(shí)針?lè)较蛑鹆懈咚賿呙柽^(guò)去，每到一列單片機(jī)控制相應(yīng)的LED燈點(diǎn)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(shí)鐘的畫(huà)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(shí)鐘方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)框圖如圖2：?jiǎn)纹瑱C(jī)負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)處理紅外遙控器發(fā)出的調(diào)時(shí)信號(hào)和識(shí)別旋轉(zhuǎn)的起始位置的作用；時(shí)鐘模塊負(fù)責(zé)記錄時(shí)間數(shù)據(jù)，節(jié)省單片機(jī)的資源，提高其工作效率，可在系統(tǒng)掉電后正常計(jì)時(shí)，不需重新設(shè)定時(shí)鐘時(shí)間。

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    結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3，將單片機(jī)、時(shí)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(yùn)作。電路板中心鉆一個(gè)電機(jī)軸插孔，電機(jī)軸插入其中帶動(dòng)指針板旋轉(zhuǎn)。電源采用無(wú)線供電模塊則裝在底座上，無(wú)線供電的初次級(jí)線圈放在電機(jī)與單片機(jī)之間，中心線圈隨著PCB旋轉(zhuǎn)，外線圈和電機(jī)一起固定。

3 旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 電源設(shè)計(jì)
    供電電路如圖4所示，采用無(wú)線供電模塊，具有無(wú)觸點(diǎn)、噪聲小、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。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(gè)接收線圈，經(jīng)整流穩(wěn)壓后接入指針板的單片機(jī)和時(shí)鐘芯片。

3．2 指針板的硬件設(shè)計(jì)
    為使指針板輕巧，采用貼片式LED。本時(shí)鐘需要能顯示“12、3、6、9”這四個(gè)整點(diǎn)數(shù)字和秒針、分針、時(shí)針，用7支LED燈顯示數(shù)字，21支用來(lái)顯示秒、分、時(shí)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(jī)I／O管腳，并不是每支LED燈都由一個(gè)I／O管腳控制的。為了滿足驅(qū)動(dòng)電流，加一支三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)。為使顯示穩(wěn)定，在指針板上加裝一個(gè)紅外接收管，當(dāng)接收到與之配對(duì)的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線后，就會(huì)反向?qū)?，接到單片機(jī)外部中斷。有了這個(gè)信號(hào)，單片機(jī)就可以在指針板旋轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)計(jì)算指針板的角度位置，并根據(jù)指針板所處的不同位置，點(diǎn)亮相應(yīng)的LED。
    單片機(jī)主要用于對(duì)紅外遙控代碼的譯碼、讀寫(xiě)DS1302的時(shí)間數(shù)據(jù)以及控制LED顯示熄滅。本設(shè)計(jì)充分運(yùn)用89C52的各個(gè)接口：首先是28支LED燈，由于有13支LED燈只用來(lái)顯示時(shí)針，所以它們是同時(shí)點(diǎn)亮或者熄滅的，可以接在同一個(gè)I／O接口上，取P2.7口。P0．0-P0．7和P2．0-P2．7這16個(gè)引腳分別與16支LED燈連接，可以用來(lái)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(jí)的外部中斷；P3．3口接紅外接收管，作為低優(yōu)先級(jí)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。

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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(lái)給旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘調(diào)時(shí)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(zhuān)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(jì)
    旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘軟件設(shè)計(jì)首先是各種初始化及DS1302的初始時(shí)間設(shè)定，然后單片機(jī)采用查詢(xún)方式查詢(xún)P3．3是否接收到了中斷信號(hào)。接收到中斷說(shuō)明指針板已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到起點(diǎn)。查詢(xún)到之后先讀取DS1302的時(shí)間，然后顯示到LED。當(dāng)有紅外遙控信號(hào)調(diào)整時(shí)間時(shí)，紅外接收頭HS0038將接收到紅外遙控器發(fā)出的紅外脈沖，會(huì)以下降沿的方式給單片機(jī)一組下降沿脈沖中斷信號(hào)，單片機(jī)接收到脈沖后，通過(guò)編程和定時(shí)器，記錄每一個(gè)脈沖的脈寬，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信號(hào)的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘時(shí)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(shí)現(xiàn)了用30支LED燈旋轉(zhuǎn)掃描顯示的形式來(lái)取代大量的LED點(diǎn)陣矩陣板來(lái)顯示時(shí)鐘信息。貼片LED的設(shè)計(jì)，體積小；采用紅外對(duì)管來(lái)同步轉(zhuǎn)速，使顯示的畫(huà)面穩(wěn)定；無(wú)線供電，無(wú)機(jī)械磨損，噪聲??；紅外遙控，調(diào)時(shí)方便。本設(shè)計(jì)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(shí)用價(jià)值。