基于單片機旋轉時鐘的總體設計及方案

　　1、前言

　　目前，時鐘的種類是越來越多樣，功能是越來越豐富了，但大多時鐘還是傳統上的時鐘，即固定的表盤與指針，其形式與功能都比較單一，故難以吸引人。而一款旋轉時鐘不僅在創意上擺脫了傳統時鐘的設計而且也能迎合人們獵奇的心理，并且功能也可以多樣化，不僅可以顯示時間、日期，甚至連文字都能夠顯示。文章基于單片機設計了一款跟傳統機械時鐘一樣具有秒針、分針、時針和表盤刻度的旋轉時鐘，并且具有準確顯示即時時間和校準時間功能，且均可由紅外遙控器方便完成。

　　2、總體設計思想及方案

　　文章擬采用16個發光二極管的亮滅來模擬時鐘表盤，其旋轉用一個直流電機轉動來實現;時鐘的1s源信號用DS1302時鐘芯片產生;為了保證時鐘盤面顯示的穩定采用紅外對管來實現;為了對旋轉起來的電路板供電方便，采用無線供電;為了能夠方便地調節旋轉時鐘的時間，擬采用紅外遙控。故該系統的硬件模塊主要由以下幾部分組成：顯示模塊、無線供電模塊、單片機最小系統模塊、紅外遙控模塊、時鐘模塊、校準模塊、電機驅動模塊。其系統原理框圖如圖2.1所示。其中無線供電模塊利用線圈耦合將能量傳輸給單片機系統，單片機系統就能正常工作了。電機帶動單片機系統快速旋轉;然后單片機再快速讀取時鐘模塊的時間，并將這些時間信息送給顯示模塊;顯示模塊就能根據這些時間信息控制相應的發光二極管亮滅，再配合電機的旋轉就能實現時鐘的顯示了。由于整個時鐘是高速旋轉的，所以對時間、位置等參數的設置采用紅外遙控模塊來實現比較方便。時鐘模塊就是為整個系統提供準確的時間，而校準模塊是用來對時鐘顯示的起點進行檢測。

　　3、單元模塊電路分析與設計

　　3.1單片機最小系統模塊分析與設計

　　單片機最小系統模塊是由單片機芯片（STC12C5A60S2）、時鐘晶振電路和復位電路組成。其中復位電路能夠實現按鍵復位和上電即復位的兩個功能。時鐘晶振電路使用12MHz的晶振，給單片機提供時鐘信號。STC12C5A60S2芯片的31腳（/EA端）接高電平，使其從內部的程序存儲器讀取指令，為了防止31腳意外輸出低電平而將單片機燒壞，需要在31腳外接一個10K的電阻。

　　3.2無線供電模塊分析與設計

　　無線供電模塊由發送模塊和接收模塊組成。其中無線發送模塊主要由三極管B772和9013以及初級線圈等組成。其中B772工作時發熱會很厲害，所以要外加散熱片。電路主要工作原理是根據法拉第電磁感應定律，先將直流電變成交流電，然后通過初級線圈將能量發送出去，次級線圈最終感應得電，在經過相應的電路從而完成對單片機供電。其中，直流電轉交流電部分采用的是一個自激震蕩電路。

　　無線接收模塊原理主要如下：首先次級線圈用來接收發送模塊的初級線圈發送出來的能量，因為發送模塊采用的是直流變交流將能量傳送出去，所以次級線圈最總感應到的是交流電，而單片機的供電要求是直流電，所以必須經過整流才能變成直流電，最后再經7805穩壓芯片，用來輸出穩定的5V電源，用來給單片機供電。

　　3.3電機驅動模塊分析與設計

　　電機驅動模塊使用的電機是RF370電機，當其工作電壓選在5V時它的轉速在2500～3100轉/分，電流也只需20mA，非常省電，并且轉速能滿足設計要求，旋轉時噪音也小，所以很適合用來完成設計。電機是通過一個2腳插針連接到無線供電發送模塊中的，此時5V電源給電機供電。由于電機工作的時候會儲存能量，當停止工作的時候就會釋放掉，為了避免電機釋放的電流可能會燒壞其它電路，故需在電機兩端并聯一個限流二極管1N4148起保護電路作用。

　　3.4時鐘模塊分析與設計

　　時鐘模塊就由時鐘芯片DS1302與其外圍硬件電路組成。DS1302芯片在2腳和3腳之間接一個32.768KHz的晶振，DS1302芯片內部經過分頻就能得到1Hz的標準信號，為時鐘提供精準的時間信號。8腳的Vcc1外接3V紐扣電池，當模塊斷電后，它能讓DS1302繼續工作來保存時間數據;1腳的VCC2也是要外接電源5V，當雙電源時VCC2作為主電源給模塊供電;5腳（/RST）是復位/片選端，用來控制DS1302與外通信，接單片機P3.5引腳;7腳（SCLK）是串行時鐘輸入端，為數據傳輸提供時鐘，該腳與單片機的P3.7腳連接;6腳（I/O）是串行數據輸入/輸出端（雙向），為通信時數據傳輸引腳，與單片機的P3.6腳連接。

　　3.5校準模塊分析與設計

　　由于旋轉時鐘要讓LED旋轉起來要有圓形的效果，那么就要借助傳感器或紅外對管來幫助判斷出起點位置，也能讓時鐘的盤面顯示固定。本設計采用的是紅外對管，其中紅外發射管是焊接在無線供電發送模塊中的，紅外接收管與單片機的P3.3引腳相連，當接收管收到發射管信號時，電阻值會變得很小，此時P3.3處輸出低電平;當沒接收到信號時，接收管的阻值就變的很大，此時P3.3處就輸出高電平，即產生了一個下降沿。P3.3腳是單片機外部中斷1的輸入引腳，如果將該中斷設置為下降沿觸發，則來了下降沿就立馬觸發中斷，讓單片機轉去執行起點檢測程序，以實現時鐘能夠正常準確顯示。

　　3.6顯示模塊分析與設計

　　顯示模塊就利用一排LED燈來實現顯示時鐘效果。在該設計中，借助16個LED燈與單片機的P1、P0引腳相連來完成，其中D1～D4是綠色LED燈，D5～D16是紅色LED燈。D1用來顯示時鐘圓盤邊框，D2～D4用來顯示表盤刻度，如果時間是12點、3點、6點、9點時就亮3個燈，如果是其他時刻時就亮兩個燈。D5～D16是用來實現表盤指針的顯示，讓顯示效果跟實際的時鐘指針一樣。由于時鐘中，秒針最長，所以顯示秒針時D5～D16要全部點亮;分針的長度居中，所以顯示時就D8～D16要全部點亮;時針的長度最短，所以顯示時就只點亮D11～D16。

　　3.7紅外遙控模塊分析與設計

　　紅外遙控模塊由遙控器和接收模塊組成，使用的遙控器采用的是NEC協議，許多家電的紅外遙控就是采用這種協議。接收模塊用到了紅外一體化接收頭VS1838B，其中它的3引腳接電源5V，2腳接地，1腳把接收頭解調后的信號傳送到單片機的外部中斷0引腳（即P3.2），利用中斷未讓單片機實現紅外解碼。

　　4、軟件程序分析與設計

　　程序設計的主要思想是：先用一個定時器產生固定的時間中斷，中斷執行的主要任務是讓一個變量（就取名為Count）自加1。這個變量Count很重要的，因為就是根據它的值來決定顯示的。比如電機每旋轉一圈，Count就從0加到180，一個表盤有60個刻度（即因秒和分都是60），那Count每加15，單片機就要驅動LED顯示相應的時刻點，一直加到180，那12個時刻度點就顯示出來了。所以Count的最大值最好與60成倍數關系。

　　解決時鐘指針的顯示就只要讀取DS1302的時間然后分別判斷Count是否到達秒、分、時相應的Count值，如果到達了就分別顯示出秒針、分針、時針。比如讀取DS1302的秒值等于20，由于旋轉一圈Count最大180，而一圈共60秒，因180/60=3，那么當Count從0加到180的過程中，當加到20*3=60時，此時單片機就要將秒針對應的LED點亮。分針顯示原理與此類似，因為一個表盤上分也是有60個刻度。而時針的算法就有區別了，因為一個表盤上，時才有12個刻度。時的算法是這樣的，（Hour*15）+（Minu/4）。因為表盤一圈，Count加到180，而表盤上時只有12個點，所以180/12=15，再加上分的移動會影響時針的走動，之間的換算關系是：（Minu*3）/12，Minu*3是此時分對應的Count值，而分走360度時只走30度，所以360/30=12。綜合顯示時所對應的Count值就是（Hour*15）+（Minu/4）。這樣做的要求就是定時器的中斷時間要密切配合電機旋轉周期，并且電機的轉速要穩定。

　　5、系統功能測試分析

　　實物焊接電路如圖5.1和5.2所示。圖5.1是電路板正面，這上面能看到的模塊分別有單片機最小系統模塊、顯示模塊、時鐘模塊、紅外遙控接收模塊和無線供電接收模塊。圖5.2是電路板反面，這上面有紅外對管接收模塊，無線供電接收線圈。2個螺絲是用來配重的。

　　功能測試效果如圖5.3、5.4、5.5和5.6所示。其中圖5.3是系統上電后顯示的即時時間10：43：12;圖5.4表示時鐘正常走動9秒后的時間10：43：21;圖5.5是調整時針效果圖，由剛才的10點調整到了1點;圖5.6是調整分針效果圖，由剛才的39分調整到50分。由測試結果可以看出，電子旋轉時鐘運行正常，時間顯示準確、表盤顯示穩定、調整時間功能亦能實現，所以設計功能達到了預期要求。

　　6、結束語

　　測試結果表明，文中設計的旋轉時鐘相比于市場上其他的方案，具有以下優點：①表盤（包括刻度和指針）顯示穩定，不會出現顫動現象;②時間走動能夠一直準確正常，不會出現運行一段時間后跑時錯誤，指針亂指等現象;③顯示的亮度一致，不會出現顯示亮度不勻稱現象。當然，該設計也存在功能需要進一步提升的地方，比如可以加入顯示日期和文字等，使表盤顯示的內容增多，并且通過按鍵來切換顯示模式等。