多功能旋轉LED時鐘技術的研究與開發

常熟理工學院電氣與自動化工程學院 徐 偉 李 鑫 張 強 朱雪冬

1.引言

目前人們看到的絕大多數顯示屏都是傳統顯示屏，它是由無數個LED組成的點陣集合。這種顯示屏的優點是原理簡單、控制方便，在生活中被廣泛使用。但隨著經濟發展，市場需求日益豐富，在很多情況下，傳統LED顯示屏已經無法滿足實際需要。這主要表現在以下幾個方面：第一，傳統顯示屏整個顯示面積全由LED組成，器件數量多，硬件連接復雜，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，傳統顯示屏顯示畫面單調，缺乏吸引力，容易使人產生審美疲勞。

本設計針對以上傳統LED顯示屏的不足，研究并設計了采用旋轉LED的方案，成功解決了傳統平面LED顯示屏器件數量多并且無法全方位顯示的問題。系統的特點是一次投入較小，能以少量的LED燈實現甚至超越傳統方式下大量LED燈才能實現的顯示功能，符合現階段倡導的低碳理念、節約能源。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，可呈現出炫麗繽紛、流光溢彩的多層圖文畫面，極具吸引力。

2.系統整體設計

本旋轉LED時鐘設計的主要思路是，由電機帶動顯示屏做高速旋轉，通過單片機控制LED旋轉到不同位置的亮滅，利用人眼的視覺暫留從而看到完整的顯示內容。采用時鐘芯片記錄時間數據，從而節省了單片機的資源，提高工作效率，并可在系統掉電后正常計時，不需要重新設定時間，因此在實際使用中更加便捷。溫度傳感器負責測溫，并將結果實時顯示出來，這使系統功能多樣化，滿足市場需求。為了解決向旋轉中的單片機傳送數據的問題，本設計采用了紅外通信傳輸的方式，利用商場上常用的編碼格式為UPD6121的遙控器發送紅外信號，一體化紅外接收頭接收數據并解調給旋轉中的單片機，然后由單片機進行解碼處理，最后控制顯示。由于傳統的有線供電方式無法滿足本設計的需要，系統采用了無線供電方式，利用變壓器的磁耦合原理，為整個系統供電。

此外，在顯示屏高速旋轉時，顯示內容的穩定與否取決于轉動的位置與LED亮滅的配合，所以還需要一個校準器件來判斷顯示屏的轉動是否到達準確位置并根據結果做出校正處理，本設計選用了紅外對管進行位置檢查并完成校正功能，使LED的亮滅與旋轉保持同步，總體設計示意圖如圖1所示。

2.1 旋轉LED時鐘的原理分析

旋轉LED時鐘是利用人眼視覺暫留的原理。如圖2.1(a)所示，最內側的一個發光二極管和最外側的一個發光二極管在點亮并繞電機軸高速旋轉后就形成了圖2.1(b)所示的內框和外框。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12點那個刻度為0，那么每個小時時針之間的角度為360°÷12=30°，于是當一列發光二極管每旋轉30°，該LED燈就點亮一個瞬間以呈現出時間刻度。如果在小于0.1秒的時間內這列LED燈能旋轉完一圈，人眼就會誤認為先后產生的12個刻度是同一時刻顯示出來的。

圖1 系統總體結構示意圖

圖2 .1 旋轉LED時鐘原理圖

圖3 系統總體設計框圖

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 系統軟件設計流程圖

圖4 .1 旋轉平面劃分圖

圖4 .3 信號的解調與解碼

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。假設用10個發光二級管來顯示秒針，10個里面靠內部的9個來顯示分針，再靠內的7個作為時針的顯示燈，如圖2.1(a)所示。若要顯示3點0分5秒，在時間刻度的顯示基礎上，控制整列發光二極管在0時點亮9個LED以顯示分針在12點位置上；緊接著整列發光二極管又轉過30°，即到了1點的位置，此時點亮10個LED燈，用以顯示秒針在5秒的位置上；當發光二極管再轉過60°時，再點亮5個LED燈來顯示時針指在3點的位置上，如圖2.1(c)所示。因為發光二極管在不斷高速旋轉，在1秒內已經重復點亮12點位置上的9個LED燈，1點位置上的10個LED燈和3點位置上的7個LED燈10次以上，所以人眼就會產生圖2.1(c)所示的畫面。時鐘畫面是由一列發光二極管繞圓心按順時針方向逐列高速掃描過去，每到一列單片機控制相應的LED燈點亮或者熄滅，要在0.1秒內掃描完一圈，然后再重復執行這樣的掃描，人眼看上去就形成了一幅時鐘的畫面。轉速越高，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，比較方便實現，而現實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據需要隨著時間的推移而不斷更新。單片機本身是具有計時功能，可在設定好的時間一到（比如1秒），就刷新驅動LED燈的I/O口的數據，這樣每秒鐘的畫面都在變，指針就仿佛在“走”了。

3.系統硬件設計

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

3.1 控制器簡介

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

3.2 電源設計思想

由于本設計對電源的特殊要求，供電方式必須為無線供電，經過方案驗證，最終選擇用無線供電線圈模塊進行供電。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，通過實際測試，當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、低功耗的實時時鐘芯片DS1302，采用SPI方式與單片機進行通信，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天時可以自動調整，且具有閏年補償功能。如圖3.3.1為該芯片與單片機接口原理圖。

溫度模塊同為該公司生產的一種“單總線”數字化溫度傳感器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，精度為±0.5℃?，F場溫度直接以“單總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性，適合于惡劣環境的溫度測量。其原理圖如圖3.3.2所示。

3.4 紅外遙控設計

紅外遙控電路由發送電路和接收電路兩部分組成，由于本設計的重點不是紅外發送這部分，因此紅外發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，同時能對信號進行放大、檢波、整形，并且輸出可以讓單片機識別的TTL信號，大大簡化了接收電路的復雜程度，方便使用。

3.5 位置檢測

旋轉LED時鐘顯示時，顯示內容的穩定與否取決于轉動的位置與LED亮滅的配合情況，所以還需要一個校準器件來判斷顯示屏的轉動是否到達準確位置并在下一次顯示時根據結果做出校正處理。本設計選用了紅外對管進行位置檢查并完成校正功能，使LED的亮滅與旋轉保持同步。設計在電動機底座部分安裝紅外發射管，將紅外接收管及單片機一同放入旋轉框架上，這樣在高速運行的過程中，紅外接收管每次接收到信號都能及時反饋給單片機，旋轉部分的檢測電路如圖3.5所示。

3.6 顯示電路

本設計采用的是旋轉掃描顯示方法，即顯示器件只有一列，由電機帶動其進行旋轉，運行到某一位置時就顯示該位置的狀態，到下一位置后又顯示下一位置的狀態。由于人眼具有視覺暫留的特性，當畫面以一定速率刷新時，人眼看到的就是連續的圖像。在本設計中一列顯示器件要完成全部內容的顯示，掃描過程由機械轉動更換位置來實現，原理示意圖如圖3.6所示。

4.系統軟件設計

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

4.1 LED顯示程序設計

旋轉時鐘能否準確顯示時鐘的畫面關鍵在于指針板每到一個位置單片機是否能正確點亮相應的LED燈，這是掃描顯示程序的核心內容。為了方便程序的計算，我把連續的旋轉平面離散化，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周期聯系起來。根據視覺暫留的原理，一列發光二級管在同一位置出現的時間間隔應該不大于0.1秒，即旋轉周期T≤100ms。為方便計算，取周期為90ms，則發光二級管每到一列位置上點亮并熄滅相應LED燈的時間t=90ms÷180=0.5ms?？捎密浖O置為點亮并延時0.4ms后熄滅，而剩下的0.1ms時間則留給單片機讀程序用。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燈的點亮情況。而硬件上指針板經過0.5ms，也正好轉到了下一列位置上，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掃描（啟動溫度轉換、讀取和顯示）的過程，首先是DS18B20初始化，初始化包括啟動DS18B20以及產生應答脈沖；接下來就是啟動溫度轉換，然后就是讀取采集到的溫度值，這是測溫程序編寫的難點，其包括如何把采集到值正確的轉換成需要顯示的值，最后就是把采集并轉換完的溫度值顯示出來。

4.3 紅外接收軟件設計

紅外接收主要有兩部分組成：信號的解調與解碼。解調由一體化紅外接收頭HX1838來完成，信號解調示意圖如圖4.3(a)所示，把接收到的信號（圖4.3(a)中的波形D）經內部處理并解調復原，輸出圖4.3(a)中的波形E。二進制的解碼由單片機來完成，把紅外接收頭送來的二進制編碼波形通過解碼，還原成發送端發送的數據。如圖4.3(b)，把波形E解碼還原成數據信息。

5.系統調試

5.1 硬件調試

1）發光二極管的調試。檢查所有LED焊接正確，給系統上電，分別使每個LED的陰極接地，發現都能正常點亮和熄滅。

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

3）電源驅動調試。電刷制作完成后，將LED燈都接地，并給電機和電刷都上電。指針板開始旋轉，并且LED燈都能點亮，電刷供電成功。

5.2 軟件調試

本系統軟件調試主要分為四塊：LED掃描顯示、單片機讀寫DS1302、單片機對DS18B20溫度數據讀取和對紅外遙控編碼的解碼。先對每個模塊進行單獨調試，全部通過后進行整合，在實際調試時所有模塊都能成功運行。

5.3 綜合調試

系統綜合調試主要驗證各個模塊之間是否能協調工作，以及測試其在不同工作環境下的適應能力，直至系統能在較長時間內處于穩定的工作狀態。最終調試效果如圖5.3所示。

6.總結

本設計是基于51單片機的旋轉LED時鐘的顯示系統，設計的獨特之處在于LED顯示屏不是傳統的平面LED點陣顯示屏，而是安裝在支架上的一列34只LED，支架由電動機帶動快速旋轉，由單片機控制這一列LED旋轉到不同位置時的亮滅，利用人眼的視覺暫留現象，看到顯示的內容。

本設計中要解決的核心內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，實際顯現效果良好。采用紅外遙控的方式，可方便、直觀的控制系統的運行或切換要顯示的內容，操作十分簡單。而且本設計的獨到之處在于它新穎的顯示方式—旋轉顯示，這種新穎獨特的東西往往更能吸引人們的眼球，對于信息發布以及廣告宣傳能起到非常好的效果。作品的特點是一次投入成本低，可開發性、宣傳性強，極具吸引力，因此相信本系統的設計思想具有很大的實用價值和廣闊的市場前景。

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