單片機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘的總體設(shè)計(jì)及方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 單片機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘的總體設(shè)計(jì)及方案 1、前言 目前，時(shí)鐘的種類是越來越多樣，功能是越來越豐富了，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)光二極管的亮滅來模擬時(shí)鐘表盤，其旋轉(zhuǎn)用一個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)

2、動(dòng)來實(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)管來實(shí)現(xiàn);為了對(duì)旋轉(zhuǎn)起來的電路板供電方便，采用無線供電;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、無線供電模塊、單片機(jī)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

3、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)模塊是用來對(duì)時(shí)鐘顯示的起點(diǎn)開展檢測。 3、單元模塊電路分析與設(shè)計(jì) 3.1單片機(jī)系統(tǒng)模塊分析與設(shè)計(jì) 單片機(jī)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

4、的電阻。 3.2無線供電模塊分析與設(shè)計(jì) 無線供電模塊由發(fā)送模塊和接收模塊組成。其中無線發(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，然后通過初級(jí)線圈將能量發(fā)送出去，次級(jí)線圈終感應(yīng)得電，在經(jīng)過相應(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。 無線接收模塊原理主要如下：首先次級(jí)線圈用來接收發(fā)送模塊的初級(jí)線圈發(fā)送出來的能量，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)過整

5、流才能變成直流電，再經(jīng)7805穩(wěn)壓芯片，用來輸出穩(wěn)定的5V電源，用來給單片機(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25003100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，所以很適合用來完成設(shè)計(jì)。電機(jī)是通過一個(gè)2腳插針連接到無線供電發(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，為了防止電機(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

6、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)

7、模塊分析與設(shè)計(jì) 由于旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘要讓LED旋轉(zhuǎn)起來要有圓形的效果，那么就要借助傳感器或紅外對(duì)管來幫助判斷出起點(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

8、用一排LED燈來實(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引腳相連來完成，其中D1D4是綠色LED燈，D5D16是紅色LED燈。D1用來顯示時(shí)鐘圓盤邊框，D2D4用來顯示表盤刻度，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。D5D16是用來實(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，秒針長，所以顯示秒針時(shí)D5D16要全部點(diǎn)亮;分針的長度居中，所以顯示時(shí)就D8D16要全部點(diǎn)亮;時(shí)針的長度短，所以顯示時(shí)就只點(diǎn)亮D11D16。 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

9、，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)它的值來決定顯示的。比方電機(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)

10、刻度點(diǎn)就顯示出來了。所以Count的值與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。比方讀取DS1302的秒值等于20，由于旋轉(zhuǎn)一圈Count180，而一圈共60秒，因180/60=3，那么當(dāng)Count從0加到180的過程中，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，Coun

11、t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)系統(tǒng)模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊、紅外遙控接收模塊和無線供電接收模塊。圖5.2是電路板反面，這上面有紅外對(duì)管接收模塊，無線供電接收線圈。2個(gè)螺絲是用來配重的。 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(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，由剛剛的10點(diǎn)調(diào)整到了1點(diǎn);圖5.6是調(diào)整分針效果圖，由剛剛的39分調(diào)整到50分。由測試結(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)功能到達(dá)了預(yù)期要求。 6、結(jié)