搖擺LED時鐘的設計及制作方法

本電路制作簡單，其原理就是LED流水燈，很適合剛入門的單片機愛好者制作。

1. 添加時鐘 IC，使顯時更精準，而且不怕掉電；
2. 加裝位置傳感器，增加顯示的穩定性；
3. 增添搖控功能，使調整更方便。

一. 整體方案
??? 本制作是根據視覺暫留原理, 讓一排8 只LED作往復運動, 在空中呈現八個字符的顯示屏，可顯示數字或英文字符。開機后先顯示“Welcome!”歡迎字符(見圖1), 再進入時鐘顯示狀態。顯示屏同時顯示“時” 、“分” 、“秒”信息，用“：”分隔(見圖2)。
?
圖1 開機畫面?????????????????????????????圖2 運行狀態
??? 顯示分“正常運行”、“調分”和“調時” 三種狀態。當處于調整狀態時，調整的項會閃現，以便識別。為此，設置三個調整按鍵，一個為“狀態鍵”，一個為“加法鍵”，一個為“減法鍵”。

(見圖3)
?
圖3 按鍵的設置??????????????????????????? 圖4 音圈電機組件
??? 搖棒的動力部分采用從廢舊硬盤拆下的音圈電機（見圖4），驅動采用直流電機驅動方式。
??? 結構方面，將音圈電機直接安裝在萬用板上，將萬用板的四周用四根螺柱與一透明有機板結合成一體，構成支撐搖棒底座。（見圖5, 圖6）。
?
圖5 萬用板與有機板構成底座???

二. 實作要點
1．主板的結構布局見圖7。
?
圖7 主板布局???????????? 圖8 搖棒上的LED
2．LED 的焊接，將LED 兩腳跨接在電路板兩端的方式進行焊接。使LED 緊密排列在一起。
3．搖棒上的LED 與主板上的信號用柔性排線連接，音圈電機供電占2 位，LED 信號傳輸占9 位，所以至少要11 位的排線。（見圖9）
?
圖9 排線與拉簧?????????????????????? 圖10 拉簧
4．為保持搖棒的平衡, 在搖棒接近旋轉軸的兩端加裝兩只拉簧，這兩只拉簧的規格盡量保持一致，彈性強弱要適中，最好可多找幾種規格的試試。（圖9，圖10）
5．采用驅動直流電機正反轉的方式，驅動音圈電機來回擺動。讓電機正、反轉的方法很多，最典型的是H 橋電路驅動，H 橋電路原理見圖11，常見的是用三級管代替圖中的開關。
?
圖11 H 橋驅動原理
??? 為了簡化電路，最好采用H 橋功能的集成電路。這種IC 很多，比如象TA7257，TA8429H，L6203 等，這里用的是三菱公司的M54544AL(見圖12)。IC 各腳定義見圖13。
?
圖12 電機驅動IC
?
圖13 M56544AL 各腳定義
6．電原理圖見圖14。
?
圖14 電原理圖
7．完成圖見圖15。
?
圖15 完成圖?

三. 軟件設計
1．搖棒的啟動
??? 為了使搖棒從靜止狀態過度到正常運行狀態，在正式顯示前加一啟動程序。其實質就是逐漸加快驅動的頻率，一直到搖棒正常擺動為止。通過下面的代碼實現
do {
mm++;
Delay(120+mm);
put1=~put1; put2=~put2;
}while(mm<60);
Delay(20); //根據實際情況確定延時值
2．秒閃現的實現：數字或字符的閃現是通過變量Ms 和數組w[]實現的，如需要八位字符中的間的第4 位閃現，則w[3]=1。這是通過全局變量Ms 在void timer0(void)函數中每隔一秒改變一次狀態（0 或1），打開或關閉顯示。
if(Ms*w[ii-3]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[ii]*6+jj]; //正向顯示
if(Ms*w[10-ii]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[13-ii]*6+5-jj]; //反向顯示
3．調試中發現，顯示屏上的字符并不是一樣寬的（見圖16），仔細分析是由于搖棒在運動中，一直受力，而且所受的力是隨時變化的。為方便精確調整顯示，特別作了一個顯示中斷表Tr[]，改變顯示LED 的時間段，協調顯示效果。
?
圖16 調整前的顯示
4．按鍵去抖程序
??? 按鍵的去抖采用軟件編程實現，其方法是當檢測到按鍵的接口出現低電平后，隔一段時間再檢測，如還是低電平，則確認為有效，否則無效。具體的程序是通過函數unsigned char ChKey(bit Key)完成的。
5．顯示同步
??? 因沒有位置傳感器，顯示同步完全靠時鐘中斷來確定。這樣就有一個問題，音圈電機的驅動信號在什么時刻改變，顯示才能保持在中間，并能保證正反顯示能很好地重合。經實際觀察, 音圈電機的驅動信號在顯示中部, 要根據具體情況細調。由程序中的變量Ta 調試確定。
6．完整C51 程序代碼
/*
POV 搖擺顯示LED 鐘C51 程序
周正華編
2008.3.19
*/
#include
/*硬件端口定義*/
sbit set0=P0^1;
sbit set1=P0^0;
sbit set2=P0^2;
sbit put1=P3^6;
sbit put2=P3^7;
/*時鐘用數組*/
unsigned char BUFFER[]={0,0,0,0};
unsigned char maxnum[]={59,23};
/*顯示數組*/
unsigned int v[14];
unsigned int w[8];
/*顯示中斷表*/
int code Tr[]={
2000,2000,2000,2000,2000,2000,
2000,2000,2000,2000,2000,2000,
2000,2000,2000,2000,2000,2000,
2550,2500,2450,2400,2350,2300,
2250,2200,2150,2100,2050,2000,
1950,1900,1850,1800,1750,1700,
1650,1600,1550,1500,1450,1400,
1400,1450,1500,1550,1600,1650,
1700,1750,1800,1850,1900,1950,
2000,2050,2100,2150,2200,2250,
2300,2350,2400,2450,2500,2550,
2000,2000,2000,2000,2000,2000,
2000,2000,2000,2000,2000,2000,
2000,2000,2000,2000,2000,2000,
};
/*字符字模*/
unsigned char code ASCIIDOC[] = // ASCII
{
0x7C,0x8A,0x92,0xA2,0x7C,0x00, // -0-00
0x00,0x42,0xFE,0x02,0x00,0x00, // -1-01
0x46,0x8A,0x92,0x92,0x62,0x00, // -2-02
0x84,0x82,0x92,0xB2,0xCC,0x00, // -3-03
0x18,0x28,0x48,0xFE,0x08,0x00, // -4-04
0xE4,0xA2,0xA2,0xA2,0x9C,0x00, // -5-05
0x3C,0x52,0x92,0x92,0x8C,0x00, // -6-06
0x80,0x8E,0x90,0xA0,0xC0,0x00, // -7-07
0x6C,0x92,0x92,0x92,0x6C,0x00, // -8-08
0x62,0x92,0x92,0x94,0x78,0x00, // -9-09
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, // - -10
0x00,0x00,0xFA,0x00,0x00,0x00, // -!-11
0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x00, // -/-12
0x00,0x6C,0x6C,0x00,0x00,0x00, // -:-13
0x3E,0x48,0x88,0x48,0x3E,0x00, // -A-14
0xFE,0x92,0x92,0x92,0x6C,0x00, // -B-15
0x7C,0x82,0x82,0x82,0x44,0x00, // -C-16
0xFE,0x82,0x82,0x82,0x7C,0x00, // -D-17
0xFE,0x92,0x92,0x92,0x82,0x00, // -E-18
0xFE,0x90,0x90,0x90,0x80,0x00, // -F-19
0x7C,0x82,0x8A,0x8A,0x4E,0x00, // -G-20
0xFE,0x10,0x10,0x10,0xFE,0x00, // -H-21
0x00,0x82,0xFE,0x82,0x00,0x00, // -I-22
0x04,0x02,0x82,0xFC,0x80,0x00, // -J-23
0xFE,0x10,0x28,0x44,0x82,0x00, // -K-24
0xFE,0x02,0x02,0x02,0x02,0x00, // -L-25
0xFE,0x40,0x30,0x40,0xFE,0x00, // -M-26
0xFE,0x20,0x10,0x08,0xFE,0x00, // -N-27
0x7C,0x82,0x82,0x82,0x7C,0x00, // -O-28
0xFE,0x90,0x90,0x90,0x60,0x00, // -P-29
0x7C,0x82,0x8A,0x84,0x7A,0x00, // -Q-30
0xFE,0x90,0x98,0x94,0x62,0x00, // -R-31
0x64,0x92,0x92,0x92,0x4C,0x00, // -S-32
0x80,0x80,0xFE,0x80,0x80,0x00, // -T-33
0xFC,0x02,0x02,0x02,0xFC,0x00, // -U-34
0xF8,0x04,0x02,0x04,0xF8,0x00, // -V-35
0xFE,0x04,0x18,0x04,0xFE,0x00, // -W-36
0xC6,0x28,0x10,0x28,0xC6,0x00, // -X-37
0xC0,0x20,0x1E,0x20,0xC0,0x00, // -Y-38
0x86,0x8A,0x92,0xA2,0xC2,0x00, // -Z-39
0x24,0x2A,0x2A,0x1C,0x02,0x00, // -a-40
0xFE,0x14,0x22,0x22,0x1C,0x00, // -b-41
0x1C,0x22,0x22,0x22,0x10,0x00, // -c-42
0x1C,0x22,0x22,0x14,0xFE,0x00, // -d-43
0x1C,0x2A,0x2A,0x2A,0x10,0x00, // -e-44
0x10,0x7E,0x90,0x90,0x40,0x00, // -f-45
0x19,0x25,0x25,0x25,0x1E,0x00, // -g-46
0xFE,0x10,0x20,0x20,0x1E,0x00, // -h-47
0x00,0x00,0x9E,0x00,0x00,0x00, // -i-48
0x00,0x01,0x11,0x9E,0x00,0x00, // -j-49
0xFE,0x08,0x14,0x22,0x02,0x00, // -k-50
0x00,0x82,0xFE,0x02,0x00,0x00, // -l-51
0x1E,0x20,0x1E,0x20,0x1E,0x00, // -m-52
0x20,0x1E,0x20,0x20,0x1E,0x00, // -n-53
0x1C,0x22,0x22,0x22,0x1C,0x00, // -o-54
0x3F,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00, // -p-55
0x18,0x24,0x24,0x24,0x3F,0x00, // -q-56
0x20,0x1E,0x20,0x20,0x10,0x00, // -r-57
0x12,0x2A,0x2A,0x2A,0x24,0x00, // -s-58
0x20,0xFC,0x22,0x22,0x24,0x00, // -t-59
0x3C,0x02,0x02,0x3C,0x02,0x00, // -u-60
0x38,0x04,0x02,0x04,0x38,0x00, // -v-61
0x3C,0x02,0x3C,0x02,0x3C,0x00, // -w-62
0x22,0x14,0x08,0x14,0x22,0x00, // -x-63
0x39,0x05,0x05,0x09,0x3E,0x00, // -y-64
0x22,0x26,0x2A,0x32,0x22,0x00, // -z-65
};
unsigned int Ti;
unsigned char ii,jj,mm, ff ,TZ ,Ms ,Ta;
/*延時程序*/
void Delay(unsigned int msec)
{
unsigned int x,y;
for(x=0; x<=msec;x++)
{
for(y=0;y<=110;y++);
}
}
/*鍵盤去抖處理函數*/
unsigned char ChKey(bit Key)
{
if(Key==0){
Delay(100);
if(Key==0) return(1);
}
}
/*定時中斷1 處理(時鐘)函數*/
void timer0(void) interrupt 1 using 1
{
TH0=-(50000/256);
TL0=-(50000%256);
TR0=1;
BUFFER[0]=BUFFER[0]+1;
}
/*定時中斷2 處理(LED 驅動和音圈驅動)函數*/
void timer1(void) interrupt 3 using 1
{
TH1=Ti/256; TL1=Ti%256;
if((ii*6+jj)==Ta) {put1=~put1;put2=~put2;}; //音圈電機驅動輸出
if(ff==1){
if(Ms*w[ii-3]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[ii]*6+jj]; //正向顯示
}
else {
if(Ms*w[10-ii]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[13-ii]*6+5-jj]; //反向顯示
}
jj++;
if(jj>5) {ii++; jj=0;}
if(ii>13) {ii=0;ff=!ff;}
Ti=-Tr[ii*6+jj]; //讀顯示中斷表
}
/*主程序*/
void main(void)
{
//變量初始化
Ms=0;
ff=0;
Ta=46; //正反顯一致性調整, 取值范圍在42~50 之間, 根據實際確定
put1=0;put2=1;
//中斷初始化
TMOD=0x11;
TH0=-5000/256; TL0=-5000%256;
TR0=1;ET0=1;
TH1=-2000/256; TL1=-2000%256;
TR1=1;ET1=1;
//十四個字符中前三個和后三個不顯(不用)
v[0]=10;
v[1]=10;
v[2]=10;
v[11]=10;
v[12]=10;
v[13]=10;
/*搖擺棒初始啟動*/
do {
mm++;
Delay(120+mm);
put1=~put1; put2=~put2;
}while(mm<60);
Delay(20);
/*啟動顯示*/
ii=0;jj=0;
EA=1;
/*正式運行*/
for(;;){
v[3]=36;v[4]=44;v[5]=51;v[6]=42;v[7]=54;v[8]=52;v[9]=44;v[10]=11; //顯示歡迎
Delay(6000);
v[3]=10;v[4]=10;v[5]=10;v[6]=10;v[7]=10;v[8]=10;v[9]=10;v[10]=10; //關閉顯示
Delay(600);
v[3]=0;v[4]=0;v[5]=13;v[6]=0;v[7]=0;v[8]=13;v[9]=0;v[10]=0; //顯示時鐘初始狀
態
/*進入時鐘狀態*/
while(1){
//時鐘處理
if (BUFFER[0]>21){ //進位到秒
BUFFER[0]=0; BUFFER[1]=BUFFER[1]+1;
Ms=!Ms;
if (BUFFER[1]==60){ //進位到分
BUFFER[1]=0;BUFFER[2]=BUFFER[2]+1;
if (BUFFER[2]==60){
BUFFER[2]=0;BUFFER[3]=BUFFER[3]+1; //進位到時
if (BUFFER[3]==24) BUFFER[3]=0;
}
}
}
//將顯示內容送顯示緩沖區
v[9]=BUFFER[1]/10;
v[10]=BUFFER[1]-v[9]*10;
v[6]=BUFFER[2]/10;
v[7]=BUFFER[2]-v[6]*10;
v[3]=BUFFER[3]/10;
v[4]=BUFFER[3]-v[3]*10;
//鍵盤處理
if(ChKey(set0)==1){ //模式鍵
Ms=1; //秒閃開
if(TZ<2) TZ++; else TZ=0; //三種狀態循環轉換
switch(TZ){
case 0:w[0]=0;w[1]=0;w[2]=0;w[3]=0;w[4]=0;w[5]=0;w[6]=0;w[7]=0;break;
case 1:w[0]=0;w[1]=0;w[2]=0;w[3]=1;w[4]=1;w[5]=0;w[6]=0;w[7]=0;break;
case 2:w[0]=1;w[1]=1;w[2]=0;w[3]=0;w[4]=0;w[5]=0;w[6]=0;w[7]=0;break;
}
Ms=0; //秒閃關
};
Delay(80);
if(ChKey(set1)==1){ if(BUFFER[TZ+1]BUFFER[TZ+1]=0;Delay(300);};
//鍵盤"+"
if(ChKey(set2)==1){ if(BUFFER[TZ+1]>0) BUFFER[TZ+1]--; else
BUFFER[TZ+1]=maxnum[TZ-1];Delay(300);};
//鍵盤"-"
Delay(80);
}
}
}

四．調試方法
雖說是個機電一體的制作，但調試過程并不復雜。
1．機械部分的調整主要是兩只拉簧, 要盡量保證兩邊受力一致，讓搖棒靜態時保持在豎直狀態。
2．軟件部分，先將void timer1(void)函數中的“Ti=-Tr[ii*6+jj];”這段程序刪除，試著讓Ti 取一常數值（大約-2000 左右）看顯示效果（搖棒擺動的幅度），一直到滿意為止，這時正反顯示可能沒有重合，接著試Ta 的取值，范圍在42 到50 之間，使正反顯示重合為止。最后一步就是調整顯示的不均勻性，將“Ti=-Tr[ii*6+jj];”這段程序恢復回來，試著改變Tr[]表中數組元素的值，并保證表中的元素的平均值為開始Ti 取得的值，讓顯示的每個字符寬度一致為止。

閱讀全文