搖擺led時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

摘 要：搖擺led時(shí)鐘是通過(guò)較少的led燈高速搖擺，通過(guò)機(jī)械掃描的形式，在屏幕上表現(xiàn)各種各樣的圖像與文字，來(lái)吸引人們的視覺。筆者在文中詳盡分析解釋了搖擺led時(shí)鐘的設(shè)計(jì)原理與制作的全部過(guò)程。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：搖擺LED時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可信度高，花費(fèi)較小、消耗電能少、使用價(jià)值高等一些顯而易見的優(yōu)點(diǎn)；

關(guān)鍵詞：搖擺led時(shí)鐘；吸引；單片機(jī)；主控芯片

中圖分類號(hào)：TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2013） 24-0000-02

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們?nèi)罕姷奈镔|(zhì)需求越來(lái)越多，在大多數(shù)時(shí)候，傳統(tǒng)的led顯示屏已經(jīng)不能夠滿足人們的需求，傳統(tǒng)的led顯示屏已經(jīng)落伍于時(shí)代。本研究采用了搖擺時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案，很好的解決了傳統(tǒng)led顯示器各種不足。搖擺led時(shí)鐘設(shè)計(jì)的系統(tǒng)特點(diǎn)，一是一次性投入且投入代價(jià)較小；二是所需要的led燈大大的減少，可以用很少的led燈來(lái)表現(xiàn)功能；三是能源消耗低，低碳環(huán)保；四是人們觀看的視覺不受限制，從led顯示屏的各個(gè)角度，都能看到其顯示的字符與圖像；五是表現(xiàn)形式可以豐富多彩，不落俗套，極具表現(xiàn)力，也大大增加了其觀賞度，能夠有效的吸引人們視覺的暫住。

一、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本搖擺led時(shí)鐘設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)理念是，通過(guò)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)led顯示屏搖擺，借助單片機(jī)來(lái)控制LED搖擺，搖擺到不同位置的燈會(huì)亮或滅。時(shí)鐘芯片可以記錄下數(shù)據(jù)，以此節(jié)省單機(jī)片使用資源。這種設(shè)計(jì)機(jī)制能夠促進(jìn)單機(jī)片工作效率的提高，還能夠在供電系統(tǒng)斷電后正常運(yùn)行，不出現(xiàn)偏差，不用調(diào)整滯后時(shí)間。此種設(shè)計(jì)考慮到了現(xiàn)實(shí)中存在的影響因素，從工作機(jī)制上避免了系統(tǒng)掉電因素的影響。溫度傳感器的職責(zé)是測(cè)量溫度，且將測(cè)量數(shù)據(jù)在led顯示屏顯示處理。這樣就增加了系統(tǒng)功能，能夠更好的滿足人們的需求。向在搖擺中的單機(jī)片傳輸時(shí)間數(shù)據(jù)是需要解決的一個(gè)問(wèn)題。本設(shè)計(jì)使用了紅外通信傳輸數(shù)據(jù)的形式，使用了商城里常見的編碼格式（UPD6121）的遙控器。用其來(lái)發(fā)送遙控信號(hào)，聯(lián)結(jié)的信號(hào)接收處，接收到遙控器發(fā)射的紅外信號(hào)解調(diào)給搖擺中的單片機(jī)；再使用單片機(jī)來(lái)解碼處理，已達(dá)到操控顯示屏的目的。因?yàn)槔鲜焦╇姺绞剑枰獙?shí)體電線連接，無(wú)法滿足現(xiàn)代市場(chǎng)的需求，本設(shè)計(jì)使用的是無(wú)線供電方式。利用變壓器的磁耦合原理，為整個(gè)系統(tǒng)供電[1]。除此之外，在led顯示屏快速搖擺時(shí)，led顯示的內(nèi)容是否正常，影響因素是搖擺的位置與led燈亮滅的秩序是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)校準(zhǔn)設(shè)備，以監(jiān)測(cè)顯示屏的搖擺是否遵循規(guī)律，是否存在偏差；校準(zhǔn)設(shè)備能夠依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)led進(jìn)行調(diào)整，讓其正常運(yùn)行。監(jiān)測(cè)設(shè)備是運(yùn)用了紅外對(duì)管來(lái)完成led顯示屏的調(diào)整，讓led燈亮滅和搖擺保持一致。

（一）搖擺led時(shí)鐘的原理分析

搖擺led時(shí)鐘是通過(guò)較少的led燈高速搖擺，通過(guò)機(jī)械掃描的形式，在屏幕上表現(xiàn)各種各樣的圖像與文字，來(lái)吸引人們的視覺。參照?qǐng)D1（a），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。

緊密靠近外框的led燈用以顯現(xiàn)時(shí)間刻度，參照1（b）圖。假使十二點(diǎn)的時(shí)鐘刻度為零，則把圓盤分為十二分，每份的圓心角為30°，也就是每30°代表一個(gè)小時(shí)。所以如果只要發(fā)光二極管每擺動(dòng)30°，那么led燈就會(huì)變亮，以使時(shí)間刻度顯示出來(lái)。假設(shè)在不到零點(diǎn)一秒的時(shí)間全部led燈就能搖擺一周期，那么人的肉眼就出無(wú)法分辨出來(lái)，人們就會(huì)以為十二個(gè)時(shí)間刻度在同一時(shí)間顯現(xiàn)出的。秒針、分針、時(shí)針的顯示時(shí)間刻度的原理是一樣。例如：如果將十個(gè)發(fā)光二級(jí)管顯示秒針，臨近內(nèi)部的九個(gè)用作顯示分針，再將臨近內(nèi)部的七個(gè)用作時(shí)針的顯示燈，可參照1（a）圖。假如要在led上顯示三時(shí)零分五秒，要使全部發(fā)光二極管在零時(shí)讓九個(gè)led燈用來(lái)表現(xiàn)分針處于十二點(diǎn)處；緊接著全部發(fā)光二極管搖擺過(guò)一個(gè)小時(shí)的角度；此時(shí)發(fā)光二極管位于一點(diǎn)處，十個(gè)led處于發(fā)亮的狀態(tài)，來(lái)表現(xiàn)秒針在五秒的處。發(fā)光二極管又搖擺了60°，使五個(gè)led燈處于發(fā)亮狀態(tài)來(lái)表現(xiàn)時(shí)針在三點(diǎn)處，可參照?qǐng)D2（c）。

由于發(fā)光二極管快速持續(xù)的搖擺，其在一秒鐘的時(shí)間內(nèi)就同時(shí)使得十二點(diǎn)處的九個(gè)led燈處于發(fā)亮狀態(tài)。一點(diǎn)鐘方位的十個(gè)led燈與三點(diǎn)方位的七個(gè)led大于十次，因?yàn)榘l(fā)光二極管的搖擺速度過(guò)快，人的肉眼在很短的時(shí)間內(nèi)不能看清l發(fā)光二極管的最終狀態(tài)，所以人們就看到了圖2（c）所示的畫面。全部的發(fā)光二極管圍著時(shí)鐘的中心依照一定的順序快速的掃過(guò)，當(dāng)經(jīng)過(guò)led燈時(shí)，led燈會(huì)變亮或變暗，要求其瞬間完成一圈的掃描；這個(gè)時(shí)間大概是零點(diǎn)一秒，發(fā)光二極管會(huì)終而復(fù)始進(jìn)行掃描，此時(shí)在人眼中就呈現(xiàn)出時(shí)鐘畫面。畫面的分辨率決定著清晰度，而搖擺速度決定著畫面分辨率；當(dāng)擺的速度越高，畫面的分辨率就越高，畫面的品質(zhì)也就越高。在圖1（a）（b）和圖2（c）中的時(shí)鐘指針是固定的，很容易做到；然而在實(shí)際中，時(shí)鐘的指針不可能是固定不動(dòng)的，時(shí)時(shí)刻刻都會(huì)變化，因此時(shí)間的數(shù)據(jù)要在顯示屏上更新。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框架圖可參照?qǐng)D3。

（一）控制器簡(jiǎn)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。系統(tǒng)的運(yùn)行電壓等于5V，它的I/O口資源能夠在搖擺時(shí)鐘led中發(fā)揮重要作用。它在led時(shí)鐘控制器市場(chǎng)上的占有率高，便于在時(shí)鐘控制系統(tǒng)更新?lián)Q代后維護(hù)。

（二）電源設(shè)計(jì)思想本搖擺led時(shí)鐘在電源方面設(shè)計(jì)采用無(wú)線方式供電。經(jīng)過(guò)對(duì)搖擺led時(shí)鐘供電研究，最后確定電線圈模塊以無(wú)線的方式進(jìn)行供電。此種電線圈模塊有兩部分構(gòu)成。輸入端與輸出端，在輸入端接電源，在輸出端輸出電源，兩部分的間距會(huì)直接影響電壓大小。經(jīng)過(guò)本次試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩部分的間距為兩毫米，輸出的電流最強(qiáng)，達(dá)五百毫安。供電模塊有五部分構(gòu)成：直流電源（小于12V），發(fā)射線圈，接收線圈，穩(wěn)壓模塊，直流輸出（5V），可參照?qǐng)D4。

（三）時(shí)鐘和溫度檢測(cè)。時(shí)鐘模塊為美國(guó)DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)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。它有兩個(gè)供電系統(tǒng)，一個(gè)是工作電源系統(tǒng)，另一個(gè)備用電源系統(tǒng)。此種時(shí)鐘芯片還能夠顯示各類時(shí)間單位的時(shí)間，當(dāng)遇到平月、小月以及閏年，時(shí)鐘芯片會(huì)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，使時(shí)間表現(xiàn)準(zhǔn)確。DS1302芯片和單片機(jī)接口工作原理示意圖5。

（四）紅外遙控電路。紅外遙控電路由發(fā)送電路和接收電路兩部分組成。因?yàn)榇舜蔚脑O(shè)計(jì)的關(guān)鍵不在于紅外線的控制部分，所以這部分使用普遍運(yùn)用的適合UPD6121G解碼格式的遙控裝置。其作用主要表現(xiàn)為：對(duì)接收信號(hào)的擴(kuò)大、信號(hào)的檢查，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電路變的簡(jiǎn)單易懂，也跟有利于人們的使用。

（五）位置檢測(cè)。搖擺led時(shí)鐘的信息顯示是否平穩(wěn)，是受搖擺的位置和led燈亮滅是否一致影響，顯示內(nèi)容的穩(wěn)定。有必要設(shè)計(jì)一個(gè)校準(zhǔn)設(shè)備，以監(jiān)測(cè)顯示屏的搖擺是否遵循規(guī)律，是否存在偏差；校準(zhǔn)設(shè)備能夠依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)led進(jìn)行調(diào)整，讓其正常運(yùn)行。監(jiān)測(cè)設(shè)備是運(yùn)用了紅外對(duì)管來(lái)完成led顯示屏的調(diào)整，讓led燈亮滅和搖擺保持一致。位置檢測(cè)電路的工作機(jī)制：為檢測(cè)電路的底座部分負(fù)責(zé)紅外線的發(fā)送，旋轉(zhuǎn)部分負(fù)責(zé)紅外線的接收。

（六）顯示電路。顯示電路設(shè)計(jì)使用的是搖擺掃描的方式來(lái)顯示，顯示設(shè)備僅有一部，依靠電動(dòng)機(jī)來(lái)使其搖擺。當(dāng)它搖擺到相應(yīng)的位置，它可以表現(xiàn)出此處的狀態(tài)，搖擺到下一處之后就會(huì)顯示出該處的狀態(tài)。如果只要發(fā)光二極管每擺動(dòng)30°，那么led燈就會(huì)變亮，以使時(shí)間刻度顯示出來(lái)。假設(shè)在不到零點(diǎn)一秒的時(shí)間全部led燈就能搖擺一周期，那么人的肉眼就出無(wú)法分辨出來(lái)，人們就會(huì)以為十二個(gè)時(shí)間刻度是在同一時(shí)間顯現(xiàn)出來(lái)的。在這個(gè)顯示電路的設(shè)計(jì)中，掃描的機(jī)制是通過(guò)機(jī)械搖擺來(lái)實(shí)現(xiàn)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：led顯示程序設(shè)計(jì)、溫度的采集與處理、紅外接收的軟件設(shè)計(jì)。

（一）led顯示程序設(shè)計(jì)。Led搖擺時(shí)鐘是否能夠精確的展現(xiàn)時(shí)鐘的畫面，取決于指針板每次搖擺到一處，單片機(jī)是不是準(zhǔn)確的把對(duì)應(yīng)的led點(diǎn)亮，這是系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的部分。為了便于led顯示程序的設(shè)計(jì)，筆者把持續(xù)的搖擺的平面分散，把平面的分十二部分，每部位30°。

（二）溫度的采集與處理。第一步：要啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換裝置；第二步：觀察led顯示器接收到的溫度數(shù)據(jù)。第二步驟是測(cè)量溫度溫程序最為關(guān)鍵的部分，它需要把把收集到的溫度值精確無(wú)誤顯示到顯示屏上。

四、系統(tǒng)調(diào)試

（一）硬件調(diào)試。硬件的調(diào)試可分為三部分，第一部分是對(duì)發(fā)光二極管的調(diào)試。要確認(rèn)全部的led顯示管的焊接無(wú)誤，再打開中心控制系統(tǒng)的電源。逐個(gè)給led的陰極接地，結(jié)果所以的led燈都能正常工作。第二部是對(duì)紅外對(duì)管進(jìn)行調(diào)試。需要發(fā)射管接限流電阻并上電后，對(duì)準(zhǔn)板上的紅外接收管，用電壓表測(cè)試其陰極，為低電平；第三步是對(duì)電源驅(qū)動(dòng)調(diào)試。在電刷制作結(jié)束以后，把全部的LED燈接地，并給電機(jī)和電刷都上電。

（二）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(duì)DS18B20溫度數(shù)據(jù)讀取和對(duì)紅外遙控編碼的解碼。首先要逐個(gè)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)整，逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試，所有模塊都合格后再進(jìn)行整體調(diào)整，本次實(shí)驗(yàn)中的所有調(diào)試模塊，經(jīng)檢測(cè)均全部通過(guò)，都能夠正常運(yùn)行。

（三）綜合調(diào)試。對(duì)整體進(jìn)行全面調(diào)試，其最重要的是檢測(cè)各模塊之間工作的配合情況，各模塊的是否正常工作以及工作是否協(xié)調(diào)一致。另一方面是是檢測(cè)各個(gè)模塊在各種環(huán)境中的使用能力，其會(huì)受到何種外在因素影響，在環(huán)境中能否長(zhǎng)期而又穩(wěn)定的工作。

五、結(jié)束語(yǔ)

本搖擺的led時(shí)鐘設(shè)計(jì)是在51單片機(jī)的搖擺led時(shí)鐘顯示的基礎(chǔ)上的。本設(shè)計(jì)的特色在突破了傳統(tǒng)的led顯示屏面化的排列。使用紅外遙控技術(shù)，對(duì)工作系統(tǒng)進(jìn)行全實(shí)時(shí)操控。經(jīng)過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可以證明，搖擺LED時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可信度高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、消耗電能少；搖擺led時(shí)鐘設(shè)計(jì)的核心是控制led燈的明暗情況，為保證led能夠按設(shè)定的程序準(zhǔn)確運(yùn)行。需要加入一個(gè)監(jiān)控裝置，以監(jiān)測(cè)顯示屏的搖擺是否遵循規(guī)律，是否存在偏差；其還具有校準(zhǔn)功能，能夠依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)led進(jìn)行調(diào)整，讓其正常運(yùn)行。監(jiān)測(cè)設(shè)備是運(yùn)用了紅外對(duì)管來(lái)完成led顯示屏的調(diào)整，讓led燈亮滅和搖擺保持一致。本搖擺led時(shí)鐘設(shè)計(jì)在遙控上選中的是紅外遙控，是市場(chǎng)上普遍運(yùn)用的適合UPD6121G解碼格式的遙控裝置。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)積珍，陸家和.LED顯示屏的技術(shù)及其市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].激光與紅外，2003（33）：466-470.

[2]張毅剛，彭喜元.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008（10）.

[3]沈新創(chuàng)，錢平.基于視覺暫留原理的旋轉(zhuǎn)式線陣LED顯示屏開發(fā)[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（07）：150-153.