新型旋轉(zhuǎn)LED時(shí)鐘顯示屏的設(shè)計(jì)

谷金清

摘要：設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)STC12C5A60S2為核心的旋轉(zhuǎn)LED顯示屏。設(shè)計(jì)主要由STC12C5A60S2單片機(jī)，LED燈列，時(shí)鐘模塊，無線通信模塊，無線供電模塊組成，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘和指針時(shí)鐘的顯示，并且通過調(diào)整程序可以顯示文字或者圖像。系統(tǒng)成本低，功耗小，顯示穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；LED顯示；無線供電

中圖分類號(hào)：TP338 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）23-0134-03

The Design of New Rotating LED Clock

GU Jin-qing

（Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）

Abstract： A rotating LED clock was designed based on STC12C5A60S2 single-chip. This system is mainly composed of STC12C5A60S2 single-chip ， LED light column ， Clock module，Wireless power module ， which can realize the display of Digital clock and pointer clock ， and by adjusting the program to display text or images. The system has low cost， low power consumption， and reliable display.

Key words： single-chip；LED display；wireless power

1 概述

近幾年，LED顯示屏的應(yīng)用非常廣泛，商場(chǎng)、餐廳、酒店等場(chǎng)所的廣告宣傳牌，車站、公交車的顯示屏，工業(yè)控制中的溫度、濕度、壓力等的顯示。目前廣泛應(yīng)用的LED顯示屏是由多個(gè)LED陣列組成的傳統(tǒng)顯示屏，即要將需要顯示圖像的地方按陣列排滿LED，在顯示時(shí)每個(gè)LED顯示一個(gè)像素。這種顯示屏的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，顯示圖像方便，但是LED的使用量大，連接復(fù)雜，成本高，并且因?yàn)槭菃我黄矫嫠杂幸欢ǖ囊暯窍拗?。新型旋轉(zhuǎn)LED顯示屏利用人眼的視覺暫留效應(yīng)，在持續(xù)的視覺效果的幫助下，通過旋轉(zhuǎn)芯片掃描少量LED燈可以顯示時(shí)鐘、字符、圖案或文字，該系統(tǒng)LED量使用少，成本低，安裝應(yīng)用方便，沒有視角限制。

2顯示原理

人眼觀看物體時(shí)，成像于視網(wǎng)膜上，并由視神經(jīng)輸入人腦，感覺到物體的像。但當(dāng)物體移去時(shí)，視神經(jīng)對(duì)物體的印象不會(huì)立即消失，而要延續(xù)0.1 -0.4秒的時(shí)間，人眼的這種性質(zhì)被稱為“眼睛的視覺暫留”。旋轉(zhuǎn)LED顯示屏就是利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，利用機(jī)械掃描的方式，讓一列LED做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，控制LED的亮滅，只要LED旋轉(zhuǎn)一周的速度小于0.1秒，那么人眼感覺上去就好像整個(gè)旋轉(zhuǎn)軌道上的LED是同時(shí)亮滅，因此呈現(xiàn)出圖像。LED的旋轉(zhuǎn)方式一般有圓形和圓柱形，見圖1。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖見圖2。該設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為單片機(jī)控制模塊，時(shí)鐘模塊，LED顯示模塊，紅外通信模塊，無線供電模塊，電機(jī)模塊，起始位置檢測(cè)模塊。

系統(tǒng)電路分布在于兩個(gè)部分：底座和旋轉(zhuǎn)板。底座主要有電機(jī)，主電源部分，是整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，用于固定電機(jī)以保持能夠平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)；電機(jī)及系統(tǒng)供電則是提供動(dòng)力，使印刷版能夠高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生目標(biāo)圖樣。旋轉(zhuǎn)板部分是本設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵，單片機(jī)、時(shí)鐘模塊、LED、紅外通信模塊、位置檢測(cè)模塊均位于旋轉(zhuǎn)板上，LED燈依靠旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生圖樣，以達(dá)到視覺效果。系統(tǒng)單片機(jī)是核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理并控制LED的顯示，紅外通信模塊負(fù)責(zé)處理紅外遙控器發(fā)出的調(diào)時(shí)信號(hào)，時(shí)鐘模塊擔(dān)當(dāng)記錄時(shí)間數(shù)據(jù)的任務(wù)，節(jié)省單片機(jī)的內(nèi)存資源，提升工作效率，系統(tǒng)掉電后可以正常計(jì)時(shí)，無需重新設(shè)定，簡(jiǎn)單快捷。

3.2 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)采用STC12C5A60S2，貼片式減小旋轉(zhuǎn)板的重量，防止旋轉(zhuǎn)過程出現(xiàn)失衡。STC12C5A60S2單片機(jī)芯片有高速、高可靠、強(qiáng)抗靜電、強(qiáng)抗干擾、低功耗、超低價(jià)、無法解密等優(yōu)點(diǎn)，貼片式滿足指針板的要求。單片機(jī)的主要作用是控制時(shí)鐘芯片、紅外遙控代碼的譯碼和初始位置的設(shè)定，以及LED燈的亮滅。

3.3 無線供電電路設(shè)計(jì)

供電方式選擇是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，目前旋轉(zhuǎn)部件的供電方式主要有：

1）電池供電：該供電方式使用簡(jiǎn)單，電路連接方便，是目前小功率手持設(shè)備的常用供電方式，但是缺點(diǎn)是電池容量有限，不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)供電，對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間顯示的LED顯示屏來說不適用，并且電池重量較大，安裝在旋轉(zhuǎn)電路板上容易造成配重問題，造成旋轉(zhuǎn)過程中的失衡。

2）電刷供電：電刷供電是目前常用的滑動(dòng)或選擇部件的供電方式，在許多電器設(shè)備中得到了應(yīng)用，該供電方式可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間大功率供電，但是使用過程中存在電刷的磨損，需要定期維護(hù)更換，工藝復(fù)雜度較高。

3）無線供電：無線供電技術(shù)是近幾年興起的一種新型的供電方式，連接方便，無機(jī)械磨損，缺點(diǎn)是功率較低，考慮到本系統(tǒng)電壓低，功耗小，所以采用了無線供電方式。圖3是無線供電電路圖。

無線供電是利用電磁感應(yīng)原理，輸入部分是一個(gè)自激振蕩電路，它通過自激振蕩將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流，通過初級(jí)線圈發(fā)射出電磁波，輸出電路次級(jí)線圈將耦合到的電磁波轉(zhuǎn)換為電能，通過橋式整流和電容濾波后，輸出直流電壓，為了保證直流電壓的穩(wěn)定性，系統(tǒng)接入了5V的穩(wěn)壓管D2實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，輸出的+5V直流電壓為旋轉(zhuǎn)板上的各個(gè)模塊供電。目前無線供電電路技術(shù)不是特別成熟，供電效率較低，所以在安裝使用時(shí)，次級(jí)線圈和初級(jí)線圈必須保證有足夠近的距離。

3.4 起始位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)電機(jī)因轉(zhuǎn)速問題而不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)，有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)一圈所用時(shí)間或多或少于上一圈，導(dǎo)致顯示的數(shù)字會(huì)出現(xiàn)其左或右側(cè)，所以需要對(duì)旋轉(zhuǎn)的起始位置進(jìn)行檢測(cè)設(shè)定。起始位置的檢測(cè)有接觸式和非接觸式，本設(shè)計(jì)采用了非接觸式的紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)紅外接收管與發(fā)光二極管發(fā)射的紅外線匹配時(shí)，紅外接收二極管輸出一個(gè)低電平信號(hào)送單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，進(jìn)行位置修正。只要表盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，將產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)的角度數(shù)據(jù)，進(jìn)行校正消除誤差，在恰當(dāng)?shù)奈恢命c(diǎn)亮LED燈。

3.5時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

由于大多的單片機(jī)沒有時(shí)鐘部件，因此不支持掉電保護(hù)，本設(shè)計(jì)引入時(shí)鐘芯片DS1302，DS1302內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，具有掉電保護(hù)功能，實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷每天可以自動(dòng)調(diào)整，更新信息。時(shí)鐘芯片通過串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用少量貼片LED燈旋轉(zhuǎn)掃描顯示的方式來取代大量的LED點(diǎn)陣矩陣板來表現(xiàn)平面時(shí)鐘，可顯示數(shù)字時(shí)鐘和指針時(shí)鐘，并且可以實(shí)現(xiàn)兩者之間的切換，具備自動(dòng)校準(zhǔn)功能。系統(tǒng)具有屏幕顯示穩(wěn)定，噪音低，紅外遙控定時(shí)，自動(dòng)位置校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，成本低，顯示效果好，通過修改程序還可以顯示文字、圖像等，具有一定的實(shí)用價(jià)值。通過硬件與軟件的調(diào)試，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，證明了方案的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧亞峰. 無線供電技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013 .

[2] 無線供電式 LED 旋轉(zhuǎn)廣告牌設(shè)計(jì)[J].武夷學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（10）：72-75.

[3] 夏增林，陳啟軍.簡(jiǎn)易無線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005（21）：1-2.