基于單片機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

摘要：目前，社會(huì)、家庭普遍使用的是機(jī)械表盤時(shí)鐘，而一款打破傳統(tǒng)的電子旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的電子旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘。該設(shè)計(jì)主要依據(jù)人眼視覺(jué)暫留(Persistence of Vision)原理，使用電機(jī)帶動(dòng)一定數(shù)量的發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)，讓單片機(jī)控制發(fā)光二極管在相應(yīng)的位置點(diǎn)亮，只要點(diǎn)亮?xí)r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(xiàn)出一個(gè)模擬時(shí)鐘。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘;STC12C5A60S2芯片;無(wú)線供電;DS1302芯片;紅外遙控

1 前言

目前，時(shí)鐘的種類是越來(lái)越多樣，功能是越來(lái)越豐富了，但大多時(shí)鐘還是傳統(tǒng)上的時(shí)鐘，即固定的表盤與指針，其形式與功能都比較單一，故難以吸引人。而一款旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘不僅在創(chuàng)意上擺脫了傳統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)了一款跟傳統(tǒng)機(jī)械時(shí)鐘一樣具有秒針、分針、時(shí)針和表盤刻度的旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘，并且具有準(zhǔn)確顯示即時(shí)時(shí)間和校準(zhǔn)時(shí)間功能，且均可由紅外遙控器方便完成。

2 總體設(shè)計(jì)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，其旋轉(zhuǎn)用一個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn);時(shí)鐘的1s源信號(hào)用DS1302時(shí)鐘芯片產(chǎn)生;為了保證時(shí)鐘盤面顯示的穩(wěn)定采用紅外對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn);為了對(duì)旋轉(zhuǎn)起來(lái)的電路板供電方便，采用無(wú)線供電;為了能夠方便地調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘的時(shí)間，擬采用紅外遙控。故該系統(tǒng)的硬件模塊主要由以下幾部分組成：顯示模塊、無(wú)線供電模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、紅外遙控模塊、時(shí)鐘模塊、校準(zhǔn)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。其系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示。其中無(wú)線供電模塊利用線圈耦合將能量傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)就能正常工作了。電機(jī)帶動(dòng)單片機(jī)系統(tǒng)快速旋轉(zhuǎn);然后單片機(jī)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(jù)這些時(shí)間信息控制相應(yīng)的發(fā)光二極管亮滅，再配合電機(jī)的旋轉(zhuǎn)就能實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的顯示了。由于整個(gè)時(shí)鐘是高速旋轉(zhuǎn)的，所以對(duì)時(shí)間、位置等參數(shù)的設(shè)置采用紅外遙控模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)比較方便。時(shí)鐘模塊就是為整個(gè)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間，而校準(zhǔn)模塊是用來(lái)對(duì)時(shí)鐘顯示的起點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。

3 單元模塊電路分析與設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊分析與設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊是由單片機(jī)芯片(STC12C5A60S2)、時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路組成。其中復(fù)位電路能夠?qū)崿F(xiàn)按鍵復(fù)位和上電即復(fù)位的兩個(gè)功能。時(shí)鐘晶振電路使用12MHz的晶振，給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。STC12C5A60S2芯片的31腳(/EA端)接高電平，使其從內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器讀取指令，為了防止31腳意外輸出低電平而將單片機(jī)燒壞，需要在31腳外接一個(gè)10K的電阻。

3.2 無(wú)線供電模塊分析與設(shè)計(jì)

無(wú)線供電模塊由發(fā)送模塊和接收模塊組成。其中無(wú)線發(fā)送模塊主要由三極管B772和9013以及初級(jí)線圈等組成。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(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，先將直流電變成交流電，然后通過(guò)初級(jí)線圈將能量發(fā)送出去，次級(jí)線圈最終感應(yīng)得電，在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的電路從而完成對(duì)單片機(jī)供電。其中，直流電轉(zhuǎn)交流電部分采用的是一個(gè)自激震蕩電路。

無(wú)線接收模塊原理主要如下：首先次級(jí)線圈用來(lái)接收發(fā)送模塊的初級(jí)線圈發(fā)送出來(lái)的能量，因?yàn)榘l(fā)送模塊采用的是直流變交流將能量傳送出去，所以次級(jí)線圈最總感應(yīng)到的是交流電，而單片機(jī)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(wěn)壓芯片，用來(lái)輸出穩(wěn)定的5V電源，用來(lái)給單片機(jī)供電。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分析與設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用的電機(jī)是RF370電機(jī)，當(dāng)其工作電壓選在5V時(shí)它的轉(zhuǎn)速在2500～3100轉(zhuǎn)/分，電流也只需20mA，非常省電，并且轉(zhuǎn)速能滿足設(shè)計(jì)要求，旋轉(zhuǎn)時(shí)噪音也小，所以很適合用來(lái)完成設(shè)計(jì)。電機(jī)是通過(guò)一個(gè)2腳插針連接到無(wú)線供電發(fā)送模塊中的，此時(shí)5V電源給電機(jī)供電。由于電機(jī)工作的時(shí)候會(huì)儲(chǔ)存能量，當(dāng)停止工作的時(shí)候就會(huì)釋放掉，為了避免電機(jī)釋放的電流可能會(huì)燒壞其它電路，故需在電機(jī)兩端并聯(lián)一個(gè)限流二極管1N4148起保護(hù)電路作用。

3.4 時(shí)鐘模塊分析與設(shè)計(jì)

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(nèi)部經(jīng)過(guò)分頻就能得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，為時(shí)鐘提供精準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)。8腳的Vcc1外接3V紐扣電池，當(dāng)模塊斷電后，它能讓DS1302繼續(xù)工作來(lái)保存時(shí)間數(shù)據(jù);1 腳的VCC2也是要外接電源5V，當(dāng)雙電源時(shí)VCC2作為主電源給模塊供電;5腳(/RST)是復(fù)位/片選端，用來(lái)控制DS1302與外通信，接單片機(jī) P3.5引腳;7腳(SCLK)是串行時(shí)鐘輸入端，為數(shù)據(jù)傳輸提供時(shí)鐘，該腳與單片機(jī)的P3.7腳連接;6腳(I/ O)是串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端(雙向)，為通信時(shí)數(shù)據(jù)傳輸引腳，與單片機(jī)的P3.6腳連接。

3.5 校準(zhǔn)模塊分析與設(shè)計(jì)

由于旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘要讓LED旋轉(zhuǎn)起來(lái)要有圓形的效果，那么就要借助傳感器或紅外對(duì)管來(lái)幫助判斷出起點(diǎn)位置，也能讓時(shí)鐘的盤面顯示固定。本設(shè)計(jì)采用的是紅外對(duì)管，其中紅外發(fā)射管是焊接在無(wú)線供電發(fā)送模塊中的，紅外接收管與單片機(jī)的P3.3引腳相連，當(dāng)接收管收到發(fā)射管信號(hào)時(shí)，電阻值會(huì)變得很小，此時(shí)P3.3處輸出低電平;當(dāng)沒(méi)接收到信號(hào)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(jī)外部中斷1的輸入引腳，如果將該中斷設(shè)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(jī)轉(zhuǎn)去執(zhí)行起點(diǎn)檢測(cè)程序，以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘能夠正常準(zhǔn)確顯示。

3.6 顯示模塊分析與設(shè)計(jì)

顯示模塊就利用一排LED燈來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)鐘效果。在該設(shè)計(jì)中，借助16個(gè)LED燈與單片機(jī)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)鐘圓盤邊框，D2～D4用來(lái)顯示表盤刻度，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(xiàn)表盤指針的顯示，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(zhǎng)，所以顯示秒針時(shí)D5～D16要全部點(diǎn)亮;分針的長(zhǎng)度居中，所以顯示時(shí)就D8～D16要全部點(diǎn)亮;時(shí)針的長(zhǎng)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(shè)計(jì)

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(diào)后的信號(hào)傳送到單片機(jī)的外部中斷0引腳(即P3.2)，利用中斷未讓單片機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外解碼。

4 軟件程序分析與設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)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(zhí)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?yàn)榫褪歉鶕?jù)它的值來(lái)決定顯示的。比如電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈，Count就從0加到180，一個(gè)表盤有60個(gè)刻度(即因秒和分都是60)，那Count每加 15，單片機(jī)就要驅(qū)動(dòng)LED顯示相應(yīng)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(shù)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(dá)秒、分、時(shí)相應(yīng)的Count值，如果到達(dá)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(zhuǎn)一圈Count最大180，而一圈共60秒，因180/60=3，那么當(dāng)Count從0加到180的過(guò)程中，當(dāng)加到20*3=60時(shí)，此時(shí)單片機(jī)就要將秒針對(duì)應(yīng)的LED點(diǎn)亮。分針顯示原理與此類似，因?yàn)橐粋€(gè)表盤上分也是有60個(gè)刻度。而時(shí)針的算法就有區(qū)別了，因?yàn)橐粋€(gè)表盤上，時(shí)才有12個(gè)刻度。時(shí)的算法是這樣的，(Hour*15)+(Minu/4)。因?yàn)楸肀P一圈，Count加到180，而表盤上時(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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(jī)旋轉(zhuǎn)周期，并且電機(jī)的轉(zhuǎn)速要穩(wěn)定。

5 系統(tǒng)功能測(cè)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(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊、紅外遙控接收模塊和無(wú)線供電接收模塊。圖5.2是電路板反面，這上面有紅外對(duì)管接收模塊，無(wú)線供電接收線圈。2個(gè)螺絲是用來(lái)配重的。

功能測(cè)試效果如圖5.3、5.4、5.5和5.6所示。其中圖5.3是系統(tǒng)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(diào)整時(shí)針效果圖，由剛才的10點(diǎn)調(diào)整到了1點(diǎn);圖5.6是調(diào)整分針效果圖，由剛才的39分調(diào)整到50分。由測(cè)試結(jié)果可以看出，電子旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘運(yùn)行正常，時(shí)間顯示準(zhǔn)確、表盤顯示穩(wěn)定、調(diào)整時(shí)間功能亦能實(shí)現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)功能達(dá)到了預(yù)期要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)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(包括刻度和指針)顯示穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)顫動(dòng)現(xiàn)象;②時(shí)間走動(dòng)能夠一直準(zhǔn)確正常，不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行一段時(shí)間后跑時(shí)錯(cuò)誤，指針亂指等現(xiàn)象;③顯示的亮度一致，不會(huì)出現(xiàn)顯示亮度不勻稱現(xiàn)象。當(dāng)然，該設(shè)計(jì)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，使表盤顯示的內(nèi)容增多，并且通過(guò)按鍵來(lái)切換顯示模式等。