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1、 旋转时钟设计1 绪论1.1 旋转时钟的发展背景如果你在网上用 google 搜索“POV led”一词(POV 即 persistance of vision） ，会找到世界各地的各种 LED 旋转屏的制作介绍。那些摇晃出的空中图案，漂浮在车轮上的动画，以及形态各异的时钟，一定给你留下深刻印象。看到这些千奇百怪、创意无限的电子作品，除了羡慕、敬佩、感叹外，你是否想过拥有一个，做一个属于你自己的 LED 旋转屏呢？1.2 旋转时钟的特点旋转时钟的主要特点就是结构新颖，效果奇特。加入了现代科技的元素，利用人眼的视觉暂留特性，用单片机作为主控芯片，采用电机带动发光二极管高速旋转，霍尔传感器进行定位
2、，利用刷屏显示原理呈现时钟画面及 DS18B20 温度显示。造型及显示效果个性、新颖，解决了传统时钟结构单一，显示效果固定的缺陷，更好了满足了人们对美的追求。1.3 旋转时钟的发展趋势现今人们家庭用的时钟主要还是传统意义上的时钟，固定的表盘与表针，显示效果单一，不能满足时钟不但用来看时间还是一件很好的装饰品的要求。随着科技的发展网络上出现了以 DIY 为主要形式的旋转时钟作品。但是随着单片机技术、高亮发光二极管制造技术和高速稳定电机制造技术的发展，这种千奇百怪、创意无限的电子旋转时钟必将走进千家万户。2 系统的总体设计2.1 方案可行性论证2.1.1 需求分析随着科技的发展和人们对创新事物和美
3、感的追求，传统的固定的电子时钟无法满足现代人们的物质和文化生活的需要，必将被淘汰。这种新兴的，创意无限的，视觉效果好的创意电子旋转时钟必将越来越多的走进人们的生活。这种新兴的旋转时钟将会倍受人们的青睐，成为人们装饰、送人的首选佳品。2.1.1 方案论证旋转时钟是一种利用人眼的视觉惰性，让 LED 高速旋转形成 LED 屏，显示文字、数字及图形的 LED 屏显示的电子产品。主要构成：在 AT89S52 单片机的 P0、P2 口上接上 16 个贴片的 LED；在分别用 P1.0、P1.1 和 P1.2 上接上一个三极管 9013，分别用三极管驱动 8 个贴片 LED，总共 40 个贴片。用霍尔传感
4、器 CS3144 来测定转速，用 DS18B20 温度传感器来测温。采用取字模软件将字符和图案自动生成扫描码。系统采用两节 3V 电子供电，旋转由一个电机带动。2.2 系统总体方案系统总体分为软件部分和硬件部分两部分构成。硬件部分由主控芯片部分、测速定位部分、温度测试部分、信息采集传输部分、显示部分、电机部分组成。总体框图如下：图 2-1 系统总体框图2.2.1 系统的硬件构成系统的硬件部分主要有单片机（AT89S52）及其最小系统，霍尔传感器（CS3144）测速定位系统 DS18B20 数字温度传感器测温系统及 LED 显示部分组成。单片机是系统的核心，是系统的主控单元。单片机及其构成的最小
5、系统单元控制系统信息的采集，及测速定位系统的各项数据，来调节系统。霍尔传感器是用来测定电机转速，根据转速来定扫描时间。LED 显示部分是通过电机带动高速旋转利用人眼的视觉暂留特性来呈现时钟画面。2.2.2 系统的软件构成系统软件组成主要分为测定电机速度、温度测定、中断定位和显示三部分组成。具体详细程序见附录。主控部分（单片机）电机部分带动主控部分显示部分信息采集测速定位系统控制测温系统控制3 系统的硬件系统的整体电路图如下：图 3-1 系统总体电路图3.1 系统的主控单元构成系统的主控单元由 AT89S52 及其最小工作系统构成，主要功能是控制系统的总体，是系统的核心，相当于系统的大脑和心脏。
6、其电路图如下：3.1.1 单片机 AT89S52简介AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。图 3-2 系统主控单元3.1.2 主要功能及特性AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数
7、据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz33Hz三级加密程序存储器32个可编程I/O口线三个16位定时器/计数器八个中断源全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒看门狗定时器双
8、数据指针掉电标识符3.1.3 管脚图管脚说明图3-3 AT89S52引脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口
9、拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表3-1 P1口的第二功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻
10、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
11、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 口作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如表 3-2 所示：表 3-2 P3 的特殊功能口管脚备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（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。RS
12、T：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
13、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，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。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，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.4 复位电路为确保微机
14、系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V5%，即 4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当 VCC 超过 4.75V 低于 5.25V 以及晶体振荡器 稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。电路图如下：图3-4 复位电路3.1.5 震荡电路电路图如下：图3-5 晶振电路晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个
15、电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低 的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶 振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄， 所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（
16、注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般 IC 的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。3.1.6 芯片擦除整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE 管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此 外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计 数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所有其它芯片功能。3.2 显示单元部分 显示部分主要由40个贴片发光二极管和三个9013三极管组成。3.2.1 LED 特性导体发光二极管(LED)作为第三代半导体照明光源。这种产品具有很多梦幻般优点：(1)光效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到 80
