旋转LED电子钟毕业设计.docx

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旋转LED电子钟毕业设计

本科毕业设计说明书

旋转式单排LED电子钟的设计

ROTARYSINGLEROWLEDELECTRONICCLOCKDESIGN

学院（部）：

电气与信息工程学院

专业班级：

电子信息工程11-1

学生姓名：

指导教师：

2015年5月30日

旋转式单排LED电子钟的设计

摘要

POV（视觉暂留）即视觉暂停现象（Visualstayingphenomenon，durationofvision）又称“余晖效应”，1824年由英国伦敦大学教授皮特‘马克’罗葛特在他的研究报告《移动物体的视觉暂留现象》中最先提出。

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”。

旋转式LED电子钟是基于POV（视觉暂留）效应而设计实现的。

通过电机带动一排由MCU控制的一排LED，LED在MCU的控制下形成时钟的时针，分针，秒针和刻度，并像普通时钟一样计时。

关键词：

POV，直流电机，LED显示，无线供电

ROTARYSINGLEROWLEDELECTRONICCLOCK

ABSTRACT

POVisVisualstayingphenomenon,durationofvision,alsocalled“Aftergloweffect”,In1824bytheBritishUniversityofLondonProfessorPeter'Mark'LuoGeinthepersistenceof,visionphenomenonofmovingobjectsinhisresearchreportfirstproposed.Thehumaneyeintheobservationscene,lightsignalsintothebrain,afterashortperiodoftime,theendoftheactionoflight,thevisualimageisnotimmediatelydisappear,theresidual,visioncalled"like”,thisphenomenoniscalled"visualvisual".

RotarytypeLEDelectronicclockisbasedonPOV（visualpersistenceeffect）designandimplementation.ThemotordrivesarowofarowofLEDcontrolledbyMCULED,theformationoftheclock,underthecontrolofMCUminutehand,secondhandandscale,andthesameasordinaryclocktiming.

KEYWORDS：

POV,DCmotor,LEDdisplay,wirelesspowersupply

1绪论

在全球能源紧缺的忧虑再三升高的背景下，节约能源是未来人类面临的主要问题。

在照明领域，LED发光产品的应用领域正吸引着众人的目光。

LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的主流趋势。

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体发光器件，它可以直接把电能转化为光能。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个只架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

LED优点

1、体积小

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。

2、耗电量低

LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近30%。

一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。

3、使用寿命长

有人称LED光源为长寿灯。

它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

4、高亮度、低热量

LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

5、环保

LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源

6、坚固耐用

LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，使得LED不易

7、多变幻

LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

8、技术先进

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。

它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

另外在不久前刚结束的世界移动通信大会（MWC）上，三星发布的两款新机GalaxyS6与S6Edge可谓是赚足了眼球，风头一时无二。

在续航性方面，除了充电速度得到明显的提升，三星更是对外宣称S6机型将同时只持两大无线充电标准，加上刚刚发布的AppleWatch，无线充电的发展无疑将迎来一场新的契机。

当前市面上主要的无线充电标准包括无线充电联盟的Qi、A4WP以及PMA三大标准，而后两者近日宣布合并，共同开发新型的标准。

以技术而言，PMA与Qi标准均基于磁感应技术，A4WP则为磁共振，但PMA与A4WP寻求互通，等于同时具备两种技术，而WPC也宣布发展自己的磁共振技术，使得新形成的两阵营，都不再单独采用单一技术，而是开始走双模路线。

事实上，磁感应与磁共振各有其优缺点，相比磁感应同时间只能为一个设备充电，方位必须要对准，且距离尽可能贴近的方式而言，磁共振技术的好处是能够实现隔空充电，并且随意放置设备与充电板间的位置，一个充电板可同时为多个设备充电。

那么相对应的，磁共振在实现的技术难度上要大得多。

据悉，基于磁共振技术的无线充电方案并不是采用一般电力传输常用的低频率，而是选用较适合通信频段的高频率。

由于通信用频段通常无须乘载大电流，而适用于电力传输的元件也鲜少针对高频率设计，因而使磁共振无线充电方案无论是在元件的设计上或供应上，都为制造商增添了新的挑战。

为了避免受到其它通信频段的干扰，磁共振无线充电方案就必须采用材质较为特殊的高频元件，这样一来方案的价格自然难以压低，在这一点上磁感应的优势就要明显得多，技术瓶颈也要小的多，综合下来，同时只持两种标准的双模路线或许才是当下最佳的解决方案。

本设计结合了LED显示技术和无线充电技术，接下来就将具体介绍我的设计。

2旋转时钟的原理及方案

2.1旋转时钟的显示原理分析

图2-1a）中最内侧的一个LED发光二极管和最外侧的一个LED发光二极管保持常亮并在绕电机轴高速旋转后就形成了图2-1（b）所示的内框和外框。

图2-1（b）紧挨着外框的那个几个LED灯用来显示时间刻度。

假设12点那个刻度为0°，则每个小时时针之间的角度为360°÷12=30°，于是当整一列发光二极管每旋转30°，该LED灯就点亮一个瞬间以呈现出时间刻度。

如果在小于0.1秒内这列LED灯能旋转完一圈，人眼就会误认为先后产生的12个刻度是同一时间显示出来的。

图2-1时，分，秒针刻度

秒针、分针和时针的显示方法跟时间刻度的显示原理一样。

假设用10只发光二极管来显示秒针，9只里面靠内部的7只用来显示分针，再靠内的5只作为时针的显示灯，如图2-1（a）所示。

若要显示3点零5秒，在时间刻度的显示基础上，控制整列发光二极管在0°时点亮7只LED灯以显示分针在12点位置上;紧接着整列发光二极管又转过30°即到了1点的位置，此时点亮10只LED灯，用以显示秒针在5秒的位置上;当发光二极管再转过60°时，再点亮5只来显示时针指在3点的位置上，如图2-1（c）所示。

因为发光二极管在不断高速旋转，在1秒内已经重复点亮12点位置上的7只、1点位置上的9只和3点位置上的5只LED灯10次以上，人眼就会产生图2-1（c）所示的画面。

时钟画面是由一列发光二极管绕圆心按顺时针方向逐列高速扫描过去，每到一列单片机控制相应的LED灯点亮或者熄灭，要在0．1秒内扫描完一圈，重复执行这样的扫描，人的眼睛看上去就形成了一幅时钟的画面。

转速越高，LED灯越多，分辨率就越高，看上去就越逼真。

2.2方案选择

通过在网上查阅大量资料，发现旋转时钟大体都是由电机模块，LED控制显示模块和供电模块。

其中电机模块和LED控制显示模块大同小异，主要区别在LED板的供电部分。

而供电部分主要有三种方案：

方案一：

单独电池供电。

这种方法的优点在于电路设计简单，只需两节干电池和简单的驱动电路就能完成LED板的供电。

但缺点也非常明显，干电池大大增加了LED板的重量，电机带动它旋转就需要较大的功率。

方案二：

电刷传导供电。

这种方法有效的避免了电池供电的缺点同时还能提供较大的电流。

但缺点是有机械摩擦，容易磨损，制作时需要耐磨的材料。

另外由于摩擦还会产生噪声。

方案三：

无线供电。

这种供电方式是通过线圈感应来完成供电的。

这种方式最大的缺点是难以提供大的电流。

随着科技的不断发展，无线技术的缺点再不但的被克服，因此它的应用将越来越普遍

通过理论与实际的分析，决定采用无线供电的方案。

旋转时钟的结构框图如下：

图2-2旋转时钟系统结构框图

3硬件电路的设计

3.1无线供电设计

用没有通电的其他线圈接近该磁场，线圈中就会产生电流，由此点亮灯泡。

1831年，英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现了这个可从线圈向线圈供电的物理现象，并称之为电磁感应现象。

无线供电电模块就是基于法拉第电磁感应现象设计而来的。

所谓的无线供电或充电技术，简单地说，就是用电不用线，即电力的传输不是通过电线，而是其它的方式来传导，重要的就是摆脱电线这条最后的尾巴。

为什么说是最后的尾巴呢？

在被称为电信时代的如今，所有的信息技术和电气化设备在最初都是通过线缆的连接来进行传输的，无线数据在近几年的发展，让计算机摆脱掉了多余的有线设计，但始终丢不掉的就是电源线的供应需求，这也是交流电自诞生以来的必要条件。

说到无线充电技术，或许很多朋友都非常陌生或感到不可思议。

其实无线输电的概念本身并不新鲜。

早在19世纪90年代，鬼才发明家、交流电之父特斯拉就提出了这一设想-----可以利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，从而实现电能的高效传输，并着手研究不用电线就可以传输电力的方法。

1891年，他成功点亮了一盏没有连接电线的灯泡，从而证明了无线的电力传输并非空想。

基于特斯拉的理念，无线充电技术经过多年的发展已经经衍生出多种研究方向，目前主要有电磁感应式、磁场共振式两大流派。

其中电磁感应是目前最常见的无线充电方案。

离我们最近的电磁感技术电磁感应主要是利用与变压器相同的原理，实现并不复杂，在初级线圈产生一定频率的交流电后，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。

既然电磁感应方式实现并不复杂，为什么使用该类技术的无线充电器普及这么困难呢？

简单地说，最大障碍就在“传输距离”方面。

众所周知，传输电力即便通过金属线路传输，距离远了也会产生相当大的线路损耗，更别提通过空气传输了——实现传输距离最远只有10cm左右，对于是否能大范围应用这是一个很大的问题，而且需要考虑很多的散热问题，比如线圈之间的发热。

不过，电磁感应式充电技术的拥有结构简单、成本低、电磁辐射问题低等优点，极容易实现产品小型化。

由于小型数码设备的功耗通常不超过100W，充电距离没有太多的要求，因此大多数支持无线充电的数码大多采用电磁感应方案，比如无线充电手机、无线充电板、充电垫都是基于这一技术。

图3-1所示就是无线充电的发射模块，图3-2是无线充电的接收模块。

图3-1发射模块

图3-2接收模块

3.1.1发射模块电路

图3-3发射模块电路

图3-3CN1是四脚插座，提供12V的电压输入，为图中12V的电压端供电。

图中的78L05是集成三端稳压芯片，将12V的电压输入转换成5V的稳定电压输出，为图中的红外发射模块供电。

发射模块最核心的部分是图3-3中XKT-412芯片与T5336构成的电路。

电路原理说明：

电路在12V的直流电压输入下，通过一个4.7uf的电容整流之后，保持输入电压稳定。

在XKT-412的控制下，通过T5336输出一个可控的低电压。

直流电压与T5336的输出电压差控制C6，C7，L1的LC振荡电路，发射出高频电磁波。

3.1.278L05介绍

78L05是一种固定电压（5V）三端集成稳压器,其适用于很多应用场合.象牵涉到单点稳压场合需要限制噪声和解决分布问题的在-卡调节.此外它们还可以和其它功率转移器件一起构成大电流的稳压电源,如可驱动输出电流高达100毫安的稳压器.　其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况.当用于替代传统的齐纳二极管-电阻组的时候,其输出阻抗得到有效的改善,其偏置电流大大减少.

特性：

*输入电压可达30-35V

*输出电流可达到100mA

*无需外接元件

*内部热过载保护

*内部短路电流限制

图3-4为其主要的三种封装类型

图3-4封装图

3.1.3XKT-412芯片介绍

XKT-412是芯科泰最新开发的高频大功率集成电路，体积小输出功率强大，可工作在较高频率范围内使用可大大减少发送线圈的体积和尺寸增强发射功率，降低线圈成本，由于对线圈电感量要求小也可直接采用PCB作为发射使生产应用更加简便；芯片采用最先进的宽电压自适应技术芯片设计工艺，同样的发射电路可以在任意工作范围内电压使用而不改变任何器件使用极为方便，电路极为简单，具有精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。

XKT-412负责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控；负责各项电池的快速充电智能控制，XKT-412只需配合极少的外部元件就可以做成高可靠的无线快速充电器、无线电源供电。

其引脚图见图3-5，引脚功能见表3-1。

图3-5SKT-412引脚图

表3-1SKT-412引脚功能表

特点：

*自动适应供电电压调节功能

使之能够在较宽的电压下均能工作

*自动频率锁定

*自动负检测负载

*自动功率控制

*高速能量输电传送

*高效电磁能量转换

*智能检测系统，免调试

*工作电压：

DC5~12V

*工作频率：

0~2MHZ

*高度集成化，仅需几只普通外围元件

3.1.4接收模块电路

图3-6接收模块

图3-6中的U1使用的是芯科泰的T3168集成芯片，作为接收端的主控芯片。

3.2直流电机设计

由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。

其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。

由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。

经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。

上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

电机是带动LED板转动的动力原件。

市场上电机主要有步进电机，伺服电机，交流电机，直流电机等。

考虑到电路主要是直流供电和电路的简便性本设计采用12v的直流电机来带动LED显示板。

电机电路如图3-7

图3-7电机电路

图3-7中M1为直流电机，R9为电位器，用于调整电机的转速。

3.3LED显示模块

由于LED显示模块需要在电机的带动下高速的旋转，所以在设计它是要尽可能的轻巧，因此采用贴片LED来显示，这样不仅使LED模块变得轻巧，同时也降低了它的功耗，LED显示电路如图3-8所示。

图3-8显示模块

3.3.1LED显示

图3-9LED显示驱动电路

本时钟需要能显示“1，2,3,4,5,6,7,8,9,10,11，12”这十二个整点数字和秒针、分针、时针，用7只LED灯显示数字，21只用来分别显示秒针，分针，时针，另外再加一只内框一只外框灯，总共30只LED灯。

为了节省单片机I/O管脚，并不是每只LED灯都由一个I/O管脚控制的。

为了满足电流能驱动所有的LED灯，加一只三极管用来驱动。

3.3.2红外接收和时钟

图3-10红外接收与时钟电路

为使LED显示稳定，在指针板上加装一个红外接收管，当红外接收管接收到与之配对的红外发光二极管发出的红外线后，就会反向导通，给接到单片机外部中断的引脚一个电位信号。

有了这个信号，单片机就可以在LED显示板旋转过程中实时检测计算显示板的角度位置，并根据显示板所处的不同位置，点亮相应的LED。

单片机主要用于对红外接收管的信号进行处理、读写DS1302的时间数据以及控制LED显示熄灭。

本设计充分运用89C52单片机的各个接口:

首先是28只LED灯，由于有13只LED灯只用来显示时针，所以它们是同时点亮或者熄灭的，可以接在同一个I/O接口上，取P2.7口。

P0.0－P0.7和P2.0－P2.7这16个引脚分别与16只LED灯连接，可以用来显示不同的字符;其次X1、X2引脚接12MHz晶振;P3．2口接一体化红外接收头，作为高优先级的外部中断;P3.3口接红外接收管，作为低优先级外部中断;P1.5－P1.7分别接DS1302的SLCK、I/O及CE引脚。

3.3.389C51单片机介绍

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除一百多次次。

该器件采用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互兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。

89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

引脚图及各引脚说明

图3-11单片机控制系统

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/

地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间为外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器读取外部ROM数据。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，单片机读取内部程序存储器。

（扩展有外部ROM时读取完内部RO