多功能旋轉(zhuǎn)LED時鐘技術(shù)的研究與開發(fā)

常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院 徐 偉 李 鑫 張 強(qiáng) 朱雪冬

1.引言

目前人們看到的絕大多數(shù)顯示屏都是傳統(tǒng)顯示屏，它是由無數(shù)個LED組成的點(diǎn)陣集合。這種顯示屏的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、控制方便，在生活中被廣泛使用。但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，市場需求日益豐富，在很多情況下，傳統(tǒng)LED顯示屏已經(jīng)無法滿足實(shí)際需要。這主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，傳統(tǒng)顯示屏整個顯示面積全由LED組成，器件數(shù)量多，硬件連接復(fù)雜，成本高；第二，由于顯示屏是一個平面，有一定的視角限制；第三，傳統(tǒng)顯示屏顯示畫面單調(diào)，缺乏吸引力，容易使人產(chǎn)生審美疲勞。

本設(shè)計針對以上傳統(tǒng)LED顯示屏的不足，研究并設(shè)計了采用旋轉(zhuǎn)LED的方案，成功解決了傳統(tǒng)平面LED顯示屏器件數(shù)量多并且無法全方位顯示的問題。系統(tǒng)的特點(diǎn)是一次投入較小，能以少量的LED燈實(shí)現(xiàn)甚至超越傳統(tǒng)方式下大量LED燈才能實(shí)現(xiàn)的顯示功能，符合現(xiàn)階段倡導(dǎo)的低碳理念、節(jié)約能源。其全方位的顯示功能使處于不同角度人都擁有相同的視覺感受，可呈現(xiàn)出炫麗繽紛、流光溢彩的多層圖文畫面，極具吸引力。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計

本旋轉(zhuǎn)LED時鐘設(shè)計的主要思路是，由電機(jī)帶動顯示屏做高速旋轉(zhuǎn)，通過單片機(jī)控制LED旋轉(zhuǎn)到不同位置的亮滅，利用人眼的視覺暫留從而看到完整的顯示內(nèi)容。采用時鐘芯片記錄時間數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了單片機(jī)的資源，提高工作效率，并可在系統(tǒng)掉電后正常計時，不需要重新設(shè)定時間，因此在實(shí)際使用中更加便捷。溫度傳感器負(fù)責(zé)測溫，并將結(jié)果實(shí)時顯示出來，這使系統(tǒng)功能多樣化，滿足市場需求。為了解決向旋轉(zhuǎn)中的單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)的問題，本設(shè)計采用了紅外通信傳輸?shù)姆绞剑蒙虉錾铣Ｓ玫木幋a格式為UPD6121的遙控器發(fā)送紅外信號，一體化紅外接收頭接收數(shù)據(jù)并解調(diào)給旋轉(zhuǎn)中的單片機(jī)，然后由單片機(jī)進(jìn)行解碼處理，最后控制顯示。由于傳統(tǒng)的有線供電方式無法滿足本設(shè)計的需要，系統(tǒng)采用了無線供電方式，利用變壓器的磁耦合原理，為整個系統(tǒng)供電。

此外，在顯示屏高速旋轉(zhuǎn)時，顯示內(nèi)容的穩(wěn)定與否取決于轉(zhuǎn)動的位置與LED亮滅的配合，所以還需要一個校準(zhǔn)器件來判斷顯示屏的轉(zhuǎn)動是否到達(dá)準(zhǔn)確位置并根據(jù)結(jié)果做出校正處理，本設(shè)計選用了紅外對管進(jìn)行位置檢查并完成校正功能，使LED的亮滅與旋轉(zhuǎn)保持同步，總體設(shè)計示意圖如圖1所示。

2.1 旋轉(zhuǎn)LED時鐘的原理分析

旋轉(zhuǎn)LED時鐘是利用人眼視覺暫留的原理。如圖2.1(a)所示，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(diǎn)亮并繞電機(jī)軸高速旋轉(zhuǎn)后就形成了圖2.1(b)所示的內(nèi)框和外框。緊挨著外框的那個LED燈用來顯示時間刻度，如圖2.1(b)所示。假設(shè)12點(diǎn)那個刻度為0，那么每個小時時針之間的角度為360°÷12=30°，于是當(dāng)一列發(fā)光二極管每旋轉(zhuǎn)30°，該LED燈就點(diǎn)亮一個瞬間以呈現(xiàn)出時間刻度。如果在小于0.1秒的時間內(nèi)這列LED燈能旋轉(zhuǎn)完一圈，人眼就會誤認(rèn)為先后產(chǎn)生的12個刻度是同一時刻顯示出來的。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 .1 旋轉(zhuǎn)LED時鐘原理圖

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖3 .2 供電模塊

圖3 .3.1 DS1302原理圖

圖3 .3.2 DS18B20原理圖

圖3 .5 位置檢測電路

圖3 .6 LED顯示控制電路

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

圖4 .1 旋轉(zhuǎn)平面劃分圖

圖4 .3 信號的解調(diào)與解碼

圖5 .3 最終顯示效果圖

顯示秒針、分針、時針的方法跟顯示時間刻度的原理一樣。假設(shè)用10個發(fā)光二級管來顯示秒針，10個里面靠內(nèi)部的9個來顯示分針，再靠內(nèi)的7個作為時針的顯示燈，如圖2.1(a)所示。若要顯示3點(diǎn)0分5秒，在時間刻度的顯示基礎(chǔ)上，控制整列發(fā)光二極管在0時點(diǎn)亮9個LED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30°，即到了1點(diǎn)的位置，此時點(diǎn)亮10個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60°時，再點(diǎn)亮5個LED燈來顯示時針指在3點(diǎn)的位置上，如圖2.1(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(diǎn)亮12點(diǎn)位置上的9個LED燈，1點(diǎn)位置上的10個LED燈和3點(diǎn)位置上的7個LED燈10次以上，所以人眼就會產(chǎn)生圖2.1(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(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，然后再重復(fù)執(zhí)行這樣的掃描，人眼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。

圖2.1中的時鐘指針是不變的，比較方便實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)實(shí)中時鐘的指針是會走的，每秒都在變，這就要求顯示指針用的數(shù)據(jù)需要隨著時間的推移而不斷更新。單片機(jī)本身是具有計時功能，可在設(shè)定好的時間一到（比如1秒），就刷新驅(qū)動LED燈的I/O口的數(shù)據(jù)，這樣每秒鐘的畫面都在變，指針就仿佛在“走”了。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件主要有以下幾個模塊組成：STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、時鐘模塊、溫度傳感器、顯示模塊、位置檢測裝置、紅外發(fā)送、接收模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

3.1 控制器簡介

本系統(tǒng)采用宏晶科技公司的8位單片機(jī)STC89C52RC作為主控芯片，工作電壓為5V，其I/O口資源和片上外設(shè)滿足本設(shè)計的要求，且在市場上具有廣泛的應(yīng)用，有利于后期的維護(hù)和升級。

3.2 電源設(shè)計思想

由于本設(shè)計對電源的特殊要求，供電方式必須為無線供電，經(jīng)過方案驗證，最終選擇用無線供電線圈模塊進(jìn)行供電。該模塊由輸入、輸出兩部分組成，其輸入端接5～12V直流電源，輸出端能輸出穩(wěn)定的5V直流電源，輸入線圈和輸出線圈之間的距離會影響輸出電流的大小，通過實(shí)際測試，當(dāng)輸入線圈和輸出線圈之間的距離為2mm時，輸出電流最大，為500mA。圖3.2為供電模塊圖。

3.3 時鐘和溫度檢測

時鐘模塊為美國DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的實(shí)時時鐘芯片DS1302，采用SPI方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，工作電壓2.5V～5.5V，采用雙電源供電（主電源和備用電源）。該芯片可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。如圖3.3.1為該芯片與單片機(jī)接口原理圖。

溫度模塊同為該公司生產(chǎn)的一種“單總線”數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，工作電壓范圍3V～5.5V，溫度測量范圍為“－55℃～＋125℃”，在“－10℃～＋85℃”范圍內(nèi)，精度為±0.5℃?，F(xiàn)場溫度直接以“單總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的溫度測量。其原理圖如圖3.3.2所示。

3.4 紅外遙控設(shè)計

紅外遙控電路由發(fā)送電路和接收電路兩部分組成，由于本設(shè)計的重點(diǎn)不是紅外發(fā)送這部分，因此紅外發(fā)送采用市場上常用的符合UPD6121G解碼格式的遙控器，紅外接收采用的是HX1838一體化紅外接收頭，接收紅外信號頻率為38kHz，周期約26μs，同時能對信號進(jìn)行放大、檢波、整形，并且輸出可以讓單片機(jī)識別的TTL信號，大大簡化了接收電路的復(fù)雜程度，方便使用。

3.5 位置檢測

旋轉(zhuǎn)LED時鐘顯示時，顯示內(nèi)容的穩(wěn)定與否取決于轉(zhuǎn)動的位置與LED亮滅的配合情況，所以還需要一個校準(zhǔn)器件來判斷顯示屏的轉(zhuǎn)動是否到達(dá)準(zhǔn)確位置并在下一次顯示時根據(jù)結(jié)果做出校正處理。本設(shè)計選用了紅外對管進(jìn)行位置檢查并完成校正功能，使LED的亮滅與旋轉(zhuǎn)保持同步。設(shè)計在電動機(jī)底座部分安裝紅外發(fā)射管，將紅外接收管及單片機(jī)一同放入旋轉(zhuǎn)框架上，這樣在高速運(yùn)行的過程中，紅外接收管每次接收到信號都能及時反饋給單片機(jī)，旋轉(zhuǎn)部分的檢測電路如圖3.5所示。

3.6 顯示電路

本設(shè)計采用的是旋轉(zhuǎn)掃描顯示方法，即顯示器件只有一列，由電機(jī)帶動其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行到某一位置時就顯示該位置的狀態(tài)，到下一位置后又顯示下一位置的狀態(tài)。由于人眼具有視覺暫留的特性，當(dāng)畫面以一定速率刷新時，人眼看到的就是連續(xù)的圖像。在本設(shè)計中一列顯示器件要完成全部內(nèi)容的顯示，掃描過程由機(jī)械轉(zhuǎn)動更換位置來實(shí)現(xiàn)，原理示意圖如圖3.6所示。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：LED顯示程序設(shè)計、溫度的采集與處理、紅外接收的軟件設(shè)計，如圖4是旋轉(zhuǎn)LED時鐘的總體軟件設(shè)計流程圖。

4.1 LED顯示程序設(shè)計

旋轉(zhuǎn)時鐘能否準(zhǔn)確顯示時鐘的畫面關(guān)鍵在于指針板每到一個位置單片機(jī)是否能正確點(diǎn)亮相應(yīng)的LED燈，這是掃描顯示程序的核心內(nèi)容。為了方便程序的計算，我把連續(xù)的旋轉(zhuǎn)平面離散化，劃分為180份，每一份為一列，如圖4.1所示。

另外程序一定要與指針板旋轉(zhuǎn)周期聯(lián)系起來。根據(jù)視覺暫留的原理，一列發(fā)光二級管在同一位置出現(xiàn)的時間間隔應(yīng)該不大于0.1秒，即旋轉(zhuǎn)周期T≤100ms。為方便計算，取周期為90ms，則發(fā)光二級管每到一列位置上點(diǎn)亮并熄滅相應(yīng)LED燈的時間t=90ms÷180=0.5ms?？捎密浖O(shè)置為點(diǎn)亮并延時0.4ms后熄滅，而剩下的0.1ms時間則留給單片機(jī)讀程序用。這樣程序處理完一列位置所用的時間差不多是0.5ms，之后又去處理下一列的LED燈的點(diǎn)亮情況。而硬件上指針板經(jīng)過0.5ms，也正好轉(zhuǎn)到了下一列位置上，這樣軟件程序就能和硬件很好地配合。

4.2 溫度的采集與處理

測溫程序和時鐘程序很相似，其軟件的思想也是一個循環(huán)掃描（啟動溫度轉(zhuǎn)換、讀取和顯示）的過程，首先是DS18B20初始化，初始化包括啟動DS18B20以及產(chǎn)生應(yīng)答脈沖；接下來就是啟動溫度轉(zhuǎn)換，然后就是讀取采集到的溫度值，這是測溫程序編寫的難點(diǎn)，其包括如何把采集到值正確的轉(zhuǎn)換成需要顯示的值，最后就是把采集并轉(zhuǎn)換完的溫度值顯示出來。

4.3 紅外接收軟件設(shè)計

紅外接收主要有兩部分組成：信號的解調(diào)與解碼。解調(diào)由一體化紅外接收頭HX1838來完成，信號解調(diào)示意圖如圖4.3(a)所示，把接收到的信號（圖4.3(a)中的波形D）經(jīng)內(nèi)部處理并解調(diào)復(fù)原，輸出圖4.3(a)中的波形E。二進(jìn)制的解碼由單片機(jī)來完成，把紅外接收頭送來的二進(jìn)制編碼波形通過解碼，還原成發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。如圖4.3(b)，把波形E解碼還原成數(shù)據(jù)信息。

5.系統(tǒng)調(diào)試

5.1 硬件調(diào)試

1）發(fā)光二極管的調(diào)試。檢查所有LED焊接正確，給系統(tǒng)上電，分別使每個LED的陰極接地，發(fā)現(xiàn)都能正常點(diǎn)亮和熄滅。

2）紅外對管的調(diào)試。給發(fā)射管接限流電阻并上電后，對準(zhǔn)板上的紅外接收管，用電壓表測試其陰極，為低電平；移開發(fā)射管后為高電平，紅外對管工作正常。

3）電源驅(qū)動調(diào)試。電刷制作完成后，將LED燈都接地，并給電機(jī)和電刷都上電。指針板開始旋轉(zhuǎn)，并且LED燈都能點(diǎn)亮，電刷供電成功。

5.2 軟件調(diào)試

本系統(tǒng)軟件調(diào)試主要分為四塊：LED掃描顯示、單片機(jī)讀寫DS1302、單片機(jī)對DS18B20溫度數(shù)據(jù)讀取和對紅外遙控編碼的解碼。先對每個模塊進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，全部通過后進(jìn)行整合，在實(shí)際調(diào)試時所有模塊都能成功運(yùn)行。

5.3 綜合調(diào)試

系統(tǒng)綜合調(diào)試主要驗證各個模塊之間是否能協(xié)調(diào)工作，以及測試其在不同工作環(huán)境下的適應(yīng)能力，直至系統(tǒng)能在較長時間內(nèi)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。最終調(diào)試效果如圖5.3所示。

6.總結(jié)

本設(shè)計是基于51單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)LED時鐘的顯示系統(tǒng)，設(shè)計的獨(dú)特之處在于LED顯示屏不是傳統(tǒng)的平面LED點(diǎn)陣顯示屏，而是安裝在支架上的一列34只LED，支架由電動機(jī)帶動快速旋轉(zhuǎn)，由單片機(jī)控制這一列LED旋轉(zhuǎn)到不同位置時的亮滅，利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，看到顯示的內(nèi)容。

本設(shè)計中要解決的核心內(nèi)容是如何精確的控制LED在不同位置的亮滅，通過加入位置檢測裝置，成功的解決了這一問題，實(shí)際顯現(xiàn)效果良好。采用紅外遙控的方式，可方便、直觀的控制系統(tǒng)的運(yùn)行或切換要顯示的內(nèi)容，操作十分簡單。而且本設(shè)計的獨(dú)到之處在于它新穎的顯示方式—旋轉(zhuǎn)顯示，這種新穎獨(dú)特的東西往往更能吸引人們的眼球，對于信息發(fā)布以及廣告宣傳能起到非常好的效果。作品的特點(diǎn)是一次投入成本低，可開發(fā)性、宣傳性強(qiáng)，極具吸引力，因此相信本系統(tǒng)的設(shè)計思想具有很大的實(shí)用價值和廣闊的市場前景。

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