用贴片LED制作的旋转屏数字钟有图精华版.docx

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用贴片LED制作的旋转屏数字钟有图精华版

基于单片机的贴片LED旋转屏数字钟

设计与制作

摘要

现在是一个知识爆炸的新时代。

新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。

可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。

近年来，随着电子产品的发展，人们对时钟的要求越来越高，而在对要求高之余，又要讲究有创意，新奇，所以在这个基础上设计一款既能满足人们的要求，又要有创意的时钟装置是很有必要的，贴片LED旋转屏数字钟在可以计时的基础上，又能够满足人们对事物要有创意的需求。

本次设计运用LED旋转屏采用一排贴片LED流水灯，令其高速旋转，利用视觉残留效应，形成高分辨率的点阵屏，能显示字符，汉字，甚至图案，而且图案看起来还有悬浮于空中的透明效果，非常炫目。

再加上单片机控制，又可成为一款独特的数字钟。

人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。

其具体应用是电影的拍摄和放映。

原因是由视神经的反应速度造成的，其时值是二十四分之一秒。

是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。

关键词：

数字钟LED流水灯红外接收单片机

BasedonSCMSMDLEDrotatingscreen

adigitalclockDesignandproduction

Contentabstract

Nowisaneweraofknowledgeexplosion.Newproducts,newtechnologiesemergeinendlessly,thedevelopmentofelectronictechnologyischanging.Canitisnoexaggerationtosay,electronictechnologyapplicationsareubiquitous,electronictechnologyischangingourlife,changeourworld.Inrecentyears,withthedevelopmentofelectronicproducts,peopleontheclockandtallertotherequirementofhighrequirements,attheoutside,alsowanttopayattentiontocreative,novelty,soonthisbasisdesignoneparagraphcanmeettherequirementofpeople,andcreativeclockdeviceisverybenecessary,SMDLEDrotatingscreenadigitalclockinMaytimeonthebasisof,andcansatisfypeopleforthingstocreativedemand.

ThisdesignUSESLEDbyarowrotatingscreenpatchLEDlamp,makeitswateruseofvisualremainhighrotationspeed,highresolution,formingtheeffectofdotmatrixdisplaycharacter,screen,candesignofChinesecharacters,even,anddesignlooksandthesuspendedintheairtransparency,verydazzleeye.Plussingle-chipmicrocomputercontrol,butalsobecomeauniquepieceofdigitalclock.Whenthehumaneye,lightobservedsceneryinbrainnerve,shouldbeintroducedintosignalsthroughashorttime,lighteffectends,thevisualimageisnotimmediatelydisappear,theresidueafterthevisualsays"as",visualthisphenomenoniscalled"visualtemporarilyleave".Theconcreteapplicationisfilmandscreened.Reasoniscausedbytheresponsespeedoftheopticnerve,itsdurationis24pointsofasecond.Isanimation,moviesandothervisualmediaaccordingtotheformationandtransmission.

Keywords：

DigitalClockLEDWaterLampNfraredReceiving

PowerManagementMCU

前言

现在计算机系统已明显地朝巨型化、单片化、网络化三个方向发展。

巨型化发展的目的在于不断提高计算机的运算速度和处理能力，以解决复杂系统计算和高速数据处理，比如系统仿真和模拟、实时运算和处理。

单片化是把计算机系统尽可能集成在一块半导体芯片上，其目的在于计算机微型化和提高系统的可靠性，这种单片计算简称单片机。

在这一个知识爆炸的新时代。

新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。

可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。

这说明单片机应用在我国有着广阔的前景。

对于从事自动控制的技术人员来讲，掌握单片机原理及其应用已经成为必不可少的学习任务。

单片机经过30多年的发展，已经形成一个规格齐全、品种繁多的大家族，用户有非常大的选择余地。

下面为读者简单介绍目前市面上常见的主流单片机。

单片机的应用十分广泛，在工业控制领域、家电产品、智能化仪器仪表、计算机外部设备，特别是机电一体化产品中，都有重要的用途。

其主要的用途可以分为以下方面。

显示：

通过单片机控制发光二极管或是液晶，显示特定的图形和字符。

机电控制：

用单片机控制机电产品做定时或定向的动作。

检测：

通过单片机和传感器的联合使用，用来检测产品或者工况的意外发生。

通信：

通过RS-232串行通信或者是USB通信，传输数据和信号。

科学计算：

用来实现简单的算法。

那么单片机是不是解决上述应用的唯一选择呢？

当然不是！

目前，在自动控制中，一般有三种选择，分别是嵌入式微机、DSP和单片机。

单片机最明显的优点是价格便宜，从几元人民币到几十元人民币。

这是因为这类芯片的生产量很大，技术也很成熟。

其次，单片机的体积也远小于其他两种方案。

单片机本身一般用40引脚封装，当然功能多一些的单片机也有引脚比较多的，如68引脚，功能少的只有10多个或20多个引脚，有的甚至只有8只引脚。

当然，单片机无论在速度还是容量方面都小于其他两种方案，但是在实际工作中并不是任何需要计算机的场合都要求计算机有很高的性能。

例如，控制电冰箱的控制器就不需要使用嵌入式系统，用一片52就可以轻松实现。

所以应用的关键是看能否够用，是否有很好的性能价格比。

52系列的单片机已经面世多年，依然没有被淘汰，还在不断发展中，这就说明是他有广阔的应用前景

本次这个贴片LED旋转屏数字钟是以单片机和LED旋转屏为核心设计，运用STC89C52RC芯片，具有高速、低功耗、超强抗干扰的单片，指令代码完全兼容传统8052单片机，12时钟、机器周期和6时钟、机器周期可以任意选择，HD版本和90C版本内部集成MAX810专用复位电路，功能强大，而LED旋转屏采用一排贴片LED流水灯，令其高速旋转，利用视觉残留效应，形成高分辨率的点阵屏，能显示字符，汉字，甚至图案，而且图案看起来还有悬浮于空中的透明效果，非常炫目。

再加上单片机控制，又可成为一款独特的数字钟。

其具体应用是电影的拍摄和放映。

原因是由视神经的反应速度造成的，其时值是二十四分之一秒。

是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。

1总体方案设计

1.1系统框图

按照设计要求，本贴片LED旋转屏数字钟需要由单片机STC89C52RC、LED流水灯、同步光电门、接收电路、电源等组成。

如图1.1所示

图1.1系统框图

1.2系统功能介绍

数字钟由一排LED流水灯通过旋转显示时间，然而显示中文，至少需要一个12X16的点阵，这意味至少需要12个LED。

以此类推，点阵的垂直分辨率越高。

所需的LED数目就越多，受I/O口等因素的限制，故采用12个LED是最佳选择，这样恰好占用2组I/O口。

12个LED通过旋转能形成超过12X100分辨率的点阵，显示ASCII码时用5X8点阵，只使用其中的8个LED，显示汉字用12X16点阵，所有LED全部使用（如图1.2）。

图1.2LED流水灯

其主要功能有：

闹钟功能，可设置在任何时间的闹钟；12只LED通过旋转显示当前时分秒，星期；显示中英文，图案，数字（因垂直分辨率不够多，只可显示普通的小图标，如：

显示开闹钟的符号

和静音符号

）；

1.3计时控制方案

利用单片机内部的定时器/计数器进行定时，配合软件延时实现到计时。

该方案节省硬件成本，这使我在定时器/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高。

1.4显示控制方案

普通的LED点阵屏，以16X16点阵为例，显示字符时进行快速行扫描或列扫描，利用视觉残留而形成文字，扫描显示的一个特点就是任何时刻只有一列LED发光，从左边起，控制每一列的位选端，依次从首列逐列显示到末列。

旋转LED点阵屏充分利用这个特点，只采用一列LED，通过旋转改变LED的位置来模拟点阵的列扫描，而在电路上，LED旋转屏与流水灯十分相似。

LED旋转形成了一个等效点阵，控制方法与点阵十分相似。

LED旋转屏主要有2种，一种是平面型，另一种是圆柱型；平面型显示时会使字符变形，且显示的字符不是立体的，不符合设计要求，而圆柱型则没有这些问题，故本次设计是采用圆柱型的LED旋转屏。

1.5遥控控制方案

LED旋转屏显示时是无法使用按键对单片机进行控制的，需要控制功能时，只能采用遥控，无线遥控效果不错，但红外遥控会简单很多，而且可以采用市场上容易买到的成品遥控器，而省去制作控制器的麻烦，故本次设计采用红外遥控，遥控器为5Y-29遥控器，接收端为一体化红外接收头VS1838b捕捉空间的红外信号，占用单片机的外部中断1进行红外解码。

如图1.3所示

图1.3一体化红外接收头VS1838b

一体化红外接收头VS1838b比其它的红外接收头的整体外形小，所具有的特点有：

1、小型设计；

2、内置专用IC；

3、宽角度及长距离接收；

4、抗干扰能力强；

5、能抵御环境光线干扰；

6、低电压工作；

1.6软件总体设计方案

1，要有字符，字串子程序，使LED旋转屏显示年、月、日、星期、时间和闹钟符号。

2，要有定闹子程序，若设置闹钟时，则显示定闹的时间。

3，要有同步光电门子程序，要让旋转屏每一帧显示的内容都在相同的位置，使空间上看到的就是连续稳定的图案。

4，要有红外遥控解码子程序，进行红外解码。

5，要有键值处理子程序，控制时间修改；开启与关闭闹钟；闹钟时间修改；年、月、日、星期修改。

2硬件设计

2.1STC89C52RC单片机的介绍

STC89C52RC是新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，带8Kbytes闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）和512bytes的随机存取数据存储器（RAM）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，指令代码完全兼容传统8052单片机，并采用ATMEL高密度、非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，STC89C52R单片机可为用户提供许多高性价比的应用场合。

STC89C52RC单片机的主要性能参数有：

1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期

2.工作电压5.5V-3.4V/3.8V-2.0V

3.工作频率范围：

0-40MHz，相当于普通8052的0～80MHz.实际工作频率可达48MHz.

4.用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节

5.片上集成1280字节/512字节RAM

6.通用I/O口（32/36个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片

8.EEPROM功能

9.看门狗

10.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用

11.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

13.工作温度范围：

0-75℃/-40-85℃

14.封装：

LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44,PQFP-44

2.2STC89C52RC单片机引脚说明

本设计采用的是PLCC-44封装的STC89C52RC,是一个有44个引脚的芯片，引脚配置如图2.1所示。

与PDIP-40相比，PLCC-44封装多了4个NC引脚，4个NC引脚主要作用是增加单片机的抗干扰能力，并且PLCC-44封装与PDIP-40封装相比，芯片的尺寸小了很多，可以缩减整体电路的面积。

STC89C52RC芯片的44个引脚的功能为：

图2.1单片机STC89C52RC（PLCC-44封装）的引脚图

由图1.4所示，STC89C52RC单片机引脚大致可分为4类：

电源、时钟、控制和I/O引脚：

1.电源:

⑴VCC--芯片电源；

⑵VSS--接地端；

2.时钟:

XTAL1、XTAL2--晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3.控制线:

控制线共有4根：

⑴ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

1.ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

2.PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵PSEN:

外ROM读选通信号。

⑶RST/VPD:

复位/备用电源。

1.RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

2.VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

⑷EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

1.EA功能：

内外ROM选择端。

2.Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4.I/O线：

STC89C52RC共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

⑴P0口：

1.外部扩展存储器时，当数据总线。

2.外部扩展存储器时，当地址总线。

3.不扩展时，可做一般的i/o使用，但内部没有上拉电阻，做为输入输出时应在外部接上上拉电阻。

⑵P1口只做I/O口使用，其内部有上拉电阻。

⑶P2口：

1.展外部存储器时，当作地址总线使用。

2.做一般I/O口使用时，其内部有上拉电阻。

⑷P3口：

1.除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。

2.有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的。

2.3单片机硬件资源分配

LED流水灯旋转屏共由12个贴片LED组成（如图2.2），分别用来显示年、月、日、小时、分钟、秒、文字和小图标等。

图2.2LED流水灯

P0.0~P0.7分别接VD12~VD5

P2.4~P2.7分别接VD4~VD1

P1.4接蜂鸣器，起提示作用

P3.2接同步光电门，用于旋转屏在旋转时每一帧显示的内容都在相同的位置，这是空间上看到的就是连续稳定的图案

P3.3接一体化红外接收头VS1838b，用于控制时间的修改

2.4STC89C52RC单片机的附属电路

单片机附属电路主要有晶体振荡电路和复位电路。

2.4.1振荡电路

石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代LC谐振回路的晶体谐振元件。

晶体振荡电路如图2.3所示：

图2.3晶体振荡电路

此晶振电路所选用的石英晶振频率为22.1184MHz。

时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12MHz的晶振，它的时间周期就是（1/12μs），是计算机中最基本的、最小的时间单位。

在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。

对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1μs；若采用4MHz的时钟频率，则时钟周期为250μs。

由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。

显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。

但是，由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全相同，所以其所需要的时钟周期频率范围也不一定相同。

而我们平时比较常使用到的单片机的时钟是12MHz的晶振就可以了，但是设计中使用到的单片机的时钟是22.1184MHz的晶振，因为在旋转上实现了字符显示后，又利用单片机内部定时器编写了一个数字钟，这样一来单片机任务有点多，使用22.1184MHz的晶振可以加快单片机的运行速度，显示字符时的抖动现象就会减少，这些都是由于中断函数内部指令稍多，导致延时函数延时不准引起的一种普遍现象。

2.4.2复位电路

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。

无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以必须弄清楚STC89C51型单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。

单片机复位的条件是：

必须使RST/Vpd或RST引脚加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。

例如，若时钟频率为12MHz，每个机器周期为1μs，则只需2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。

单片机常用的复位电路如图2.4所示.

图2.4复位电路

2.5同步设计

所谓同步设计，就是要让旋转屏每一帧显示的内容都在相同的位置，这时空间上看到的就是连续稳定的图案。

电动机转速一般不会大范围波动，让每一帧的显示起点相同，也就是使每一帧图案处于相同位置，便可实现同步显示。

在电路中放置传感器，当LED旋转到某一个固定位置时传感器出发，从第一列开始把一整屏的信息完整显示出来，此时电动机仍然未转完一圈，程序上等待，直到下一个触发信号出现时再显示第二帧，这样做就保证了每一帧都从相同的起点开始显示，图案自然稳定。

只要电动机转速稳定，图案就稳定，并且与电动机的转速无关，转速快字符就变大，转速小字符就缩小，但图案始终保持稳定。

比较流行的做法是采用霍尔传感器，在电路板上放一个霍尔传感器，在电动机的外壳放一个小磁铁，当霍尔传感器转到磁铁上方时,便产生了一个触发信号。

不过根据设计的具体情况，故没有采取这种方法，而使用了槽型光电开关，把槽型光电门安装在电路板上，在电动机边上合适地放置一个挡光片，当光电门转动到挡光片所在的位置时，便产生了一个触发脉冲，由此也可以做同步检测。

结构如图2.5所示：

图2.5光电门的实物图

槽型光电门其工作原理是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧，发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电门便动作。

输出一个开关控制信号，切断或接通负载电源，从而完成一次控制动作。

但是槽型光电门的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

光电门电路部分如图2.6所示

图2.6光电门电路

2.6红外遥控设计

LED旋转屏显示时是采用红外遥控对单片机进行控制的，红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。

电路调试简单，若对发射信号进行编码，可实现多路遥控功能。

其电路部分如图2.7所示：

图2.7红外遥控的接收电路

红外遥控系统分为发射和接收两部分。

2.6.1红外接收部分

红外接收部分采用的是一体化红外接收头VS1838b，因为一体化红外接收头VS1838b是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定，可靠，且比其它的一体化红外接收头的整体外形小，符合此次设计需小型化的要求，其外形尺寸及引脚排列，

如图2.8所示：

图2.8红外接收头VS1838b

具体参数：

光电参数（T=25℃Vcc=5vf0=38KHZ）

符号

测试条件

Min

Typ

Mnx

单位

工作电压

Vcc

2.7

5.5

接收距离

L5IR=300MA

（测试信号）

载波频率

38K

接收角度

01/2

距离衰减1/2

+/-45

Deg

BMP宽度

FBW

-3Dbandwidth

3.3

kHz

静态电流

Icc

无信号输入时

----

0.4

1.5

低电平输出

VOL

Vin=0VVcc=5V

0.2

0.4

高电平输出

VOH

Vcc=5V

4.5

输出脉冲

宽度

TPWL

Vin=500uVp-p

500

600

700

TPWH

Vin=50mVp-p

500

600

700

在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达20m。

它能与TTL、COMS电路兼容。

一体化红外接收VS1838b为直立侧面收光型。

它接收红外信号频率为38kHz,周期约26μs，同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL电平的编码信号。

三个管脚分别是地、＋5V电源、解调信号输出端。

2.6.2

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