基于單片機旋轉時(shí)鐘的設計

摘要：目前，社會(huì )、家庭普遍使用的是機械表盤(pán)時(shí)鐘，而一款打破傳統的電子旋轉時(shí)鐘如果推出就能夠以其新穎的創(chuàng )意來(lái)吸引人們，于是文章就研究并設計了一個(gè)基于單片機的電子旋轉時(shí)鐘。該設計主要依據人眼視覺(jué)暫留(Persistence of Vision)原理，使用電機帶動(dòng)一定數量的發(fā)光二極管旋轉，讓單片機控制發(fā)光二極管在相應的位置點(diǎn)亮，只要點(diǎn)亮時(shí)間間隔小于人眼視覺(jué)暫留時(shí)間，就算不是同時(shí)點(diǎn)亮的，也能完整的呈現出一個(gè)模擬時(shí)鐘。

關(guān)鍵詞：旋轉時(shí)鐘;STC12C5A60S2芯片;無(wú)線(xiàn)供電;DS1302芯片;紅外遙控

1 前言

目前，時(shí)鐘的種類(lèi)是越來(lái)越多樣，功能是越來(lái)越豐富了，但大多時(shí)鐘還是傳統上的時(shí)鐘，即固定的表盤(pán)與指針，其形式與功能都比較單一，故難以吸引人。而一款旋轉時(shí)鐘不僅在創(chuàng )意上擺脫了傳統時(shí)鐘的設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(shí)間、日期，甚至連文字都能夠顯示。文章基于單片機設計了一款跟傳統機械時(shí)鐘一樣具有秒針、分針、時(shí)針和表盤(pán)刻度的旋轉時(shí)鐘，并且具有準確顯示即時(shí)時(shí)間和校準時(shí)間功能，且均可由紅外遙控器方便完成。

2 總體設計思想及方案

文章擬采用16個(gè)發(fā)光二極管的亮滅來(lái)模擬時(shí)鐘表盤(pán)，其旋轉用一個(gè)直流電機轉動(dòng)來(lái)實(shí)現;時(shí)鐘的1s源信號用DS1302時(shí)鐘芯片產(chǎn)生;為了保證時(shí)鐘盤(pán)面顯示的穩定采用紅外對管來(lái)實(shí)現;為了對旋轉起來(lái)的電路板供電方便，采用無(wú)線(xiàn)供電;為了能夠方便地調節旋轉時(shí)鐘的時(shí)間，擬采用紅外遙控。故該系統的硬件模塊主要由以下幾部分組成：顯示模塊、無(wú)線(xiàn)供電模塊、單片機最小系統模塊、紅外遙控模塊、時(shí)鐘模塊、校準模塊、電機驅動(dòng)模塊。其系統原理框圖如圖2.1所示。其中無(wú)線(xiàn)供電模塊利用線(xiàn)圈耦合將能量傳輸給單片機系統，單片機系統就能正常工作了。電機帶動(dòng)單片機系統快速旋轉;然后單片機再快速讀取時(shí)鐘模塊的時(shí)間，并將這些時(shí)間信息送給顯示模塊;顯示模塊就能根據這些時(shí)間信息控制相應的發(fā)光二極管亮滅，再配合電機的旋轉就能實(shí)現時(shí)鐘的顯示了。由于整個(gè)時(shí)鐘是高速旋轉的，所以對時(shí)間、位置等參數的設置采用紅外遙控模塊來(lái)實(shí)現比較方便。時(shí)鐘模塊就是為整個(gè)系統提供準確的時(shí)間，而校準模塊是用來(lái)對時(shí)鐘顯示的起點(diǎn)進(jìn)行檢測。

3 單元模塊電路分析與設計

3.1 單片機最小系統模塊分析與設計

單片機最小系統模塊是由單片機芯片(STC12C5A60S2)、時(shí)鐘晶振電路和復位電路組成。其中復位電路能夠實(shí)現按鍵復位和上電即復位的兩個(gè)功能。時(shí)鐘晶振電路使用12MHz的晶振，給單片機提供時(shí)鐘信號。STC12C5A60S2芯片的31腳(/EA端)接高電平，使其從內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(gè)10K的電阻。

3.2 無(wú)線(xiàn)供電模塊分析與設計

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

無(wú)線(xiàn)接收模塊原理主要如下：首先次級線(xiàn)圈用來(lái)接收發(fā)送模塊的初級線(xiàn)圈發(fā)送出來(lái)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(xiàn)圈最總感應到的是交流電，而單片機的供電要求是直流電，所以必須經(jīng)過(guò)整流才能變成直流電，最后再經(jīng)7805穩壓芯片，用來(lái)輸出穩定的5V電源，用來(lái)給單片機供電。

3.3 電機驅動(dòng)模塊分析與設計

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

3.4 時(shí)鐘模塊分析與設計

時(shí)鐘模塊就由時(shí)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(gè)32.768KHz的晶振，DS1302芯片內部經(jīng)過(guò)分頻就能得到1Hz的標準信號，為時(shí)鐘提供精準的時(shí)間信號。8腳的Vcc1外接3V紐扣電池，當模塊斷電后，它能讓DS1302繼續工作來(lái)保存時(shí)間數據;1 腳的VCC2也是要外接電源5V，當雙電源時(shí)VCC2作為主電源給模塊供電;5腳(/RST)是復位/片選端，用來(lái)控制DS1302與外通信，接單片機 P3.5引腳;7腳(SCLK)是串行時(shí)鐘輸入端，為數據傳輸提供時(shí)鐘，該腳與單片機的P3.7腳連接;6腳(I/ O)是串行數據輸入/輸出端(雙向)，為通信時(shí)數據傳輸引腳，與單片機的P3.6腳連接。

3.5 校準模塊分析與設計

由于旋轉時(shí)鐘要讓LED旋轉起來(lái)要有圓形的效果，那么就要借助傳感器或紅外對管來(lái)幫助判斷出起點(diǎn)位置，也能讓時(shí)鐘的盤(pán)面顯示固定。本設計采用的是紅外對管，其中紅外發(fā)射管是焊接在無(wú)線(xiàn)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(shí)，電阻值會(huì )變得很小，此時(shí)P3.3處輸出低電平;當沒(méi)接收到信號時(shí)，接收管的阻值就變的很大，此時(shí)P3.3處就輸出高電平，即產(chǎn)生了一個(gè)下降沿。P3.3腳是單片機外部中斷1的輸入引腳，如果將該中斷設置為下降沿觸發(fā)，則來(lái)了下降沿就立馬觸發(fā)中斷，讓單片機轉去執行起點(diǎn)檢測程序，以實(shí)現時(shí)鐘能夠正常準確顯示。

3.6 顯示模塊分析與設計

顯示模塊就利用一排LED燈來(lái)實(shí)現顯示時(shí)鐘效果。在該設計中，借助16個(gè)LED燈與單片機的P1、P0引腳相連來(lái)完成，其中D1～D4是綠色LED 燈，D5～D16是紅色LED燈。D1用來(lái)顯示時(shí)鐘圓盤(pán)邊框，D2～D4用來(lái)顯示表盤(pán)刻度，如果時(shí)間是12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)時(shí)就亮3個(gè)燈，如果是其他時(shí)刻時(shí)就亮兩個(gè)燈。D5～D16是用來(lái)實(shí)現表盤(pán)指針的顯示，讓顯示效果跟實(shí)際的時(shí)鐘指針一樣。由于時(shí)鐘中，秒針最長(cháng)，所以顯示秒針時(shí)D5～D16要全部點(diǎn)亮;分針的長(cháng)度居中，所以顯示時(shí)就D8～D16要全部點(diǎn)亮;時(shí)針的長(cháng)度最短，所以顯示時(shí)就只點(diǎn)亮D11～D16。

3.7 紅外遙控模塊分析與設計

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(shí)現紅外解碼。

4 軟件程序分析與設計

程序設計的主要思想是：先用一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生固定的時(shí)間中斷，中斷執行的主要任務(wù)是讓一個(gè)變量(就取名為Count)自加1。這個(gè)變量Count很重要的，因為就是根據它的值來(lái)決定顯示的。比如電機每旋轉一圈，Count就從0加到180，一個(gè)表盤(pán)有60個(gè)刻度(即因秒和分都是60)，那Count每加 15，單片機就要驅動(dòng)LED顯示相應的時(shí)刻點(diǎn)，一直加到180，那12個(gè)時(shí)刻度點(diǎn)就顯示出來(lái)了。所以Count的最大值最好與60成倍數關(guān)系。

解決時(shí)鐘指針的顯示就只要讀取DS1302的時(shí)間然后分別判斷Count是否到達秒、分、時(shí)相應的Count值，如果到達了就分別顯示出秒針、分針、時(shí)針。比如讀取DS1302的秒值等于20，由于旋轉一圈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(guò)程中，當加到20*3=60時(shí)，此時(shí)單片機就要將秒針對應的LED點(diǎn)亮。分針顯示原理與此類(lèi)似，因為一個(gè)表盤(pán)上分也是有60個(gè)刻度。而時(shí)針的算法就有區別了，因為一個(gè)表盤(pán)上，時(shí)才有12個(gè)刻度。時(shí)的算法是這樣的，(Hour*15)+(Minu/4)。因為表盤(pán)一圈，Count加到180，而表盤(pán)上時(shí)只有 12個(gè)點(diǎn)，所以180/12=15，再加上分的移動(dòng)會(huì )影響時(shí)針的走動(dòng)，之間的換算關(guān)系是：(Minu*3)/12，Minu*3是此時(shí)分對應的Count 值，而分走360度時(shí)只走30度，所以360/30=12。綜合顯示時(shí)所對應的Count值就是(Hour*15)+(Minu/4)。這樣做的要求就是定時(shí)器的中斷時(shí)間要密切配合電機旋轉周期，并且電機的轉速要穩定。

5 系統功能測試分析

實(shí)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模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊、紅外遙控接收模塊和無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)供電接收線(xiàn)圈。2個(gè)螺絲是用來(lái)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是系統上電后顯示的即時(shí)時(shí)間10：43：12;圖5.4表示時(shí)鐘正常走動(dòng)9秒后的時(shí)間 10：43：21;圖5.5是調整時(shí)針效果圖，由剛才的10點(diǎn)調整到了1點(diǎn);圖5.6是調整分針效果圖，由剛才的39分調整到50分。由測試結果可以看出，電子旋轉時(shí)鐘運行正常，時(shí)間顯示準確、表盤(pán)顯示穩定、調整時(shí)間功能亦能實(shí)現，所以設計功能達到了預期要求。

6 結束語(yǔ)

測試結果表明，文中設計的旋轉時(shí)鐘相比于市場(chǎng)上其他的方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①表盤(pán)(包括刻度和指針)顯示穩定，不會(huì )出現顫動(dòng)現象;②時(shí)間走動(dòng)能夠一直準確正常，不會(huì )出現運行一段時(shí)間后跑時(shí)錯誤，指針亂指等現象;③顯示的亮度一致，不會(huì )出現顯示亮度不勻稱(chēng)現象。當然，該設計也存在功能需要進(jìn)一步提升的地方，比如可以加入顯示日期和文字等，使表盤(pán)顯示的內容增多，并且通過(guò)按鍵來(lái)切換顯示模式等。