摘要：設計一個旋轉的LED時鐘，將一排LED燈組安裝在指針旋轉板上，利用人眼的視覺暫留效應，使用單片機I／O端口控制LED的點亮和熄滅形成圖像從而顯示出時鐘畫面。在介紹旋轉LED時鐘的實現(xiàn)原理和方案的同時，給出了其硬件電路設計和軟件流程。
關鍵詞：視覺暫留；LED；DS1302；掃描顯示

1 旋轉時鐘原理分析
    物體在快速運動時，當人眼看到的影像消失后，人眼仍能繼續(xù)保留其影像，約0．1秒左右，這種現(xiàn)象稱為視覺暫留現(xiàn)象。旋轉時鐘就是利用了視覺暫留效應，原理如圖1所示。圖1(a)中最內側的一個發(fā)光二極管和最外側的一個發(fā)光二極管在點亮并繞電機軸高速旋轉后就形成了圖1(b)所示的內框和外框。圖1(b)緊挨著外框的那個LED燈用來顯示時間刻度。假設12點那個刻度為0°，則每個小時時針之間的角度為360°÷12=30°，于是當整一列發(fā)光二極管每旋轉30°，該LED燈就點亮一個瞬間以呈現(xiàn)出時間刻度。如果在小于0．1秒內這列LED燈能旋轉完一圈，人眼就會誤認為先后產生的12個刻度是同一時間顯示出來的。

    顯示秒針、分針和時針的方法跟顯示時間刻度的原理一樣。假設用10支發(fā)光二極管來顯示秒針，10支里面靠內部的9支用來顯示分針，再靠內的7支作為時針的顯示燈，如圖1(a)所示。若要顯示3點零5秒，在時問刻度的顯示基礎上，控制整列發(fā)光二極管在0°時點亮9支LED燈以顯示分針在12點位置上；緊接著整列發(fā)光二極管又轉過30°即到了1點的位置，此時點亮10支LED燈，用以顯示秒針在5秒的位置上；當發(fā)光二極管再轉過60°時，再點亮5支來顯示時針指在3點的位置上，如圖1(c)所示。因為發(fā)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支、1點位置上的10支和3點位置上的7支LED燈10次以上，人眼就會產生圖1(c)所示的畫面。時鐘畫面是由一列發(fā)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，重復執(zhí)行這樣的掃描，人的眼睛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。

2 旋轉時鐘方案設計
    系統(tǒng)框圖如圖2：單片機負責數據的處理并控制LED的顯示；紅外接收模塊由一體化紅外接收頭和紅外接收管組成，分別負責處理紅外遙控器發(fā)出的調時信號和識別旋轉的起始位置的作用；時鐘模塊負責記錄時間數據，節(jié)省單片機的資源，提高其工作效率，可在系統(tǒng)掉電后正常計時，不需重新設定時鐘時間。

    結構設計如圖3，將單片機、時鐘芯片、LED燈組、一體化紅外接收頭、紅外接收管等器件焊接在一塊指針板上，只需要外部送電就可以正常運作。電路板中心鉆一個電機軸插孔，電機軸插入其中帶動指針板旋轉。電源采用無線供電模塊則裝在底座上，無線供電的初次級線圈放在電機與單片機之間，中心線圈隨著PCB旋轉，外線圈和電機一起固定。

3 旋轉時鐘硬件電路設計
3．1 電源設計
    供電電路如圖4所示，采用無線供電模塊，具有無觸點、噪聲小、壽命長的特點。在線圈距離很近的情況下，輸出效率很高。其中L1是發(fā)射線圈，接收端需要一個接收線圈，經整流穩(wěn)壓后接入指針板的單片機和時鐘芯片。

3．2 指針板的硬件設計
    為使指針板輕巧，采用貼片式LED。本時鐘需要能顯示“12、3、6、9”這四個整點數字和秒針、分針、時針，用7支LED燈顯示數字，21支用來顯示秒、分、時三針，另外再加一支內框一支外框燈，總共30支LED燈。為了節(jié)省單片機I／O管腳，并不是每支LED燈都由一個I／O管腳控制的。為了滿足驅動電流，加一支三極管來驅動。為使顯示穩(wěn)定，在指針板上加裝一個紅外接收管，當接收到與之配對的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線后，就會反向導通，接到單片機外部中斷。有了這個信號，單片機就可以在指針板旋轉過程中實時檢測計算指針板的角度位置，并根據指針板所處的不同位置，點亮相應的LED。
    單片機主要用于對紅外遙控代碼的譯碼、讀寫DS1302的時間數據以及控制LED顯示熄滅。本設計充分運用89C52的各個接口：首先是28支LED燈，由于有13支LED燈只用來顯示時針，所以它們是同時點亮或者熄滅的，可以接在同一個I／O接口上，取P2.7口。P0．0-P0．7和P2．0-P2．7這16個引腳分別與16支LED燈連接，可以用來顯示不同的字符；其次X1、X2引腳接12MHz晶振；P3．2口接一體化紅外接收頭，作為高優(yōu)先級的外部中斷；P3．3口接紅外接收管，作為低優(yōu)先級外部中斷；P1．5-P1．7分別接DS1302的SICK、I／O及CE引腳。電路原理如圖5所示。

3．3 紅外接收／發(fā)射控制單元
    在指針板旋轉工作狀態(tài)中，可利用紅外遙控器來給旋轉時鐘調時間。發(fā)射電路采用TC9012遙控芯片自制遙控器，TC9012是一塊用于東芝系列紅外遙控系統(tǒng)中的專用發(fā)射集成電路，接收部分直接采用了紅外一體化接收頭HS0038。

4 軟件設計
    旋轉時鐘軟件設計首先是各種初始化及DS1302的初始時間設定，然后單片機采用查詢方式查詢P3．3是否接收到了中斷信號。接收到中斷說明指針板已經旋轉到起點。查詢到之后先讀取DS1302的時間，然后顯示到LED。當有紅外遙控信號調整時間時，紅外接收頭HS0038將接收到紅外遙控器發(fā)出的紅外脈沖，會以下降沿的方式給單片機一組下降沿脈沖中斷信號，單片機接收到脈沖后，通過編程和定時器，記錄每一個脈沖的脈寬，實現(xiàn)對各種信號的識別，實現(xiàn)時鐘時間的調整。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

5 結論
    本文實現(xiàn)了用30支LED燈旋轉掃描顯示的形式來取代大量的LED點陣矩陣板來顯示時鐘信息。貼片LED的設計，體積?。徊捎眉t外對管來同步轉速，使顯示的畫面穩(wěn)定；無線供電，無機械磨損，噪聲??；紅外遙控，調時方便。本設計能夠實現(xiàn)低成本、高質量的顯示宣傳效果，具有一定的實用價值。