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【摘要】旋转LED时钟是指，借助人的视觉暂留，通过少量LED灯的高速旋转，以机械扫描的方式来显示各种字符或图像。本文详细分析了旋转LED时钟的制作原理和制作过程，以8位单片机STC89C52RC作为主控芯片，时钟部件采用DS1302，并使用数字化温度传感器DS18B20对温度进行采集。系统工作时，通过互感线圈进行无线供电，采用红外遥控技术，对系统进行实时控制。实验结果表明，旋转LED时钟系统的设计可靠，具有成本低、功耗小、实用性强等特点，而其显示的新颖性往往更能吸引人们的眼球，因此该设计有着十分广阔的实用价值和商業前景。
【关键词】旋转LED时钟；视觉暂留；单片机；时钟芯片；温度传感器；无线供电；红外遥控
1.引言
目前人们看到的绝大多数显示屏都是传统显示屏，它是由无数个LED组成的点阵集合。这种显示屏的优点是原理简单、控制方便，在生活中被广泛使用。但随着经济发展，市场需求日益丰富，在很多情况下，传统LED显示屏已经无法满足实际需要。这主要表现在以下几个方面：第一，传统显示屏整个显示面积全由LED组成，器件数量多，硬件连接复杂，成本高；第二，由于显示屏是一个平面，有一定的视角限制；第三，传统显示屏显示画面单调，缺乏吸引力，容易使人产生审美疲劳。
本设计针对以上传统LED显示屏的不足，研究并设计了采用旋转LED的方案，成功解决了传统平面LED显示屏器件数量多并且无法全方位显示的问题。系统的特点是一次投入较小，能以少量的LED灯实现甚至超越传统方式下大量LED灯才能实现的显示功能，符合现阶段倡导的低碳理念、节约能源。其全方位的显示功能使处于不同角度人都拥有相同的视觉感受，可呈现出炫丽缤纷、流光溢彩的多层图文画面，极具吸引力。
2.系统整体设计
本旋转LED时钟设计的主要思路是，由电机带动显示屏做高速旋转，通过单片机控制LED旋转到不同位置的亮灭，利用人眼的视觉暂留从而看到完整的显示内容。采用时钟芯片记录时间数据，从而节省了单片机的资源，提高工作效率，并可在系统掉电后正常计时，不需要重新设定时间，因此在实际使用中更加便捷。温度传感器负责测温，并将结果实时显示出来，这使系统功能多样化，满足市场需求。为了解决向旋转中的单片机传送数据的问题，本设计采用了红外通信传输的方式，利用商场上常用的编码格式为UPD6121的遥控器发送红外信号，一体化红外接收头接收数据并解调给旋转中的单片机，然后由单片机进行解码处理，最后控制显示。由于传统的有线供电方式无法满足本设计的需要，系统采用了无线供电方式，利用变压器的磁耦合原理，为整个系统供电。
2.1 旋转LED时钟的原理分析
3.系统硬件设计
本系统硬件主要有以下几个模块组成：STC89C52RC单片机最小系统、电源模块、时钟模块、温度传感器、显示模块、位置检测装置、红外发送、接收模块。系统总体框图如图3所示。
3.1 控制器简介
本系统采用宏晶科技公司的8位单片机STC89C52RC作为主控芯片，工作电压为5V，其I/O口资源和片上外设满足本设计的要求，且在市场上具有广泛的应用，有利于后期的维护和升级。
3.2 电源设计思想
由于本设计对电源的特殊要求，供电方式必须为无线供电，经过方案验证，最终选择用无线供电线圈模块进行供电。该模块由输入、输出两部分组成，其输入端接5~12V直流电源，输出端能输出稳定的5V直流电源，输入线圈和输出线圈之间的距离会影响输出电流的大小，通过实际测试，当输入线圈和输出线圈之间的距离为2mm时，输出电流最大，为500mA。图3.2为供电模块图。
3.3 时钟和温度检测
3.4 红外遥控设计
3.5 位置检测
3.6 显示电路
本设计采用的是旋转扫描显示方法，即显示器件只有一列，由电机带动其进行旋转，运行到某一位置时就显示该位置的状态，到下一位置后又显示下一位置的状态。由于人眼具有视觉暂留的特性，当画面以一定速率刷新时，人眼看到的就是连续的图像。在本设计中一列显示器件要完成全部内容的显示，扫描过程由机械转动更换位置来实现，原理示意图如图3.6所示。
4.系统软件设计
4.1 LED显示程序设计
另外程序一定要与指针板旋转周期联系起来。根据视觉暂留的原理，一列发光二级管在同一位置出现的时间间隔应该不大于0.1秒，即旋转周期T≤100ms。为方便计算，取周期为90ms，则发光二级管每到一列位置上点亮并熄灭相应LED灯的时间t=90ms÷180=0.5ms。可用软件设置为点亮并延时0.4ms后熄灭，而剩下的0.1ms时间则留给单片机读程序用。这样程序处理完一列位置所用的时间差不多是0.5ms，之后又去处理下一列的LED灯的点亮情况。而硬件上指针板经过0.5ms，也正好转到了下一列位置上，这样软件程序就能和硬件很好地配合。
4.2 温度的采集与处理
测温程序和时钟程序很相似，其软件的思想也是一个循环扫描（启动温度转换、读取和显示）的过程，首先是DS18B20初始化，初始化包括启动DS18B20以及产生应答脉冲；接下来就是启动温度转换，然后就是读取采集到的温度值，这是测温程序编写的难点，其包括如何把采集到值正确的转换成需要显示的值，最后就是把采集并转换完的温度值显示出来。
4.3 红外接收软件设计
5.系统调试
5.1 硬件调试
1）发光二极管的调试。检查所有LED焊接正确，给系统上电，分别使每个LED的阴极接地，发现都能正常点亮和熄灭。
2）红外对管的调试。给发射管接限流电阻并上电后，对准板上的红外接收管，用电压表测试其阴极，为低电平；移开发射管后为高电平，红外对管工作正常。 3）电源驱动调试。电刷制作完成后，将LED灯都接地，并给电机和电刷都上电。指针板开始旋转，并且LED灯都能点亮，电刷供电成功。
5.2 软件调试
5.3 综合调试
系统综合调试主要验证各个模块之间是否能协调工作，以及测试其在不同工作环境下的适应能力，直至系统能在较长时间内处于稳定的工作状态。最终调试效果如图5.3所示。
6.总结
本设计是基于51单片机的旋转LED时钟的显示系统，设计的独特之处在于LED显示屏不是传统的平面LED点阵显示屏，而是安装在支架上的一列34只LED，支架由电动机带动快速旋转，由单片机控制这一列LED旋转到不同位置时的亮灭，利用人眼的视觉暂留现象，看到显示的内容。
本设计中要解决的核心内容是如何精确的控制LED在不同位置的亮灭，通过加入位置检测装置，成功的解决了这一问题，实际显现效果良好。采用红外遥控的方式，可方便、直观的控制系统的运行或切换要显示的内容，操作十分简单。而且本设计的独到之处在于它新颖的显示方式—旋转显示，这种新颖独特的东西往往更能吸引人们的眼球，对于信息发布以及广告宣传能起到非常好的效果。作品的特点是一次投入成本低，可开发性、宣传性强，极具吸引力，因此相信本系统的设计思想具有很大的实用价值和广阔的市场前景。
参考文献
[1]关积珍,陆家和.LED显示屏的技术及其市场和产业发展[J].激光与红外,2003(33):466-470.
[2]张毅刚,彭喜元.单片机原理与应用设计[M].北京:电子工业出版社,2008.10-28.
[3]沈新创,钱平.基于视觉暂留原理的旋转式线阵LED显示屏开发[J].上海应用技术学院学报,2007(7):150-153.
[4]周江.旋转LED显示屏[J].电脑学习,2009(5):91-93.
[5]夏增林,陳启军.简易无线供电系统设计[J].微计算机信息,2005(21):1-2.
[6]吴爱萍,朱晓春.基于AT89S51的多功能红外遥控器设计[J].仪表技术与传感器,2008(8):78-80.
基金项目：江苏省大学生实践创新训练计划项目“多功能旋转LED时钟的研究与开发”（JX110152012）。
作者简介：徐伟（1990—），男，江苏淮安人，现就读于常熟理工学院电气与自动化工程学院。
通讯作者：李鑫（1983—），男，安徽亳州人，硕士，实验师，主要从事智能控制技术与现代检测技术等方面的教学与科研工作。
【关键词】旋转LED时钟；视觉暂留；单片机；时钟芯片；温度传感器；无线供电；红外遥控
1.引言
目前人们看到的绝大多数显示屏都是传统显示屏，它是由无数个LED组成的点阵集合。这种显示屏的优点是原理简单、控制方便，在生活中被广泛使用。但随着经济发展，市场需求日益丰富，在很多情况下，传统LED显示屏已经无法满足实际需要。这主要表现在以下几个方面：第一，传统显示屏整个显示面积全由LED组成，器件数量多，硬件连接复杂，成本高；第二，由于显示屏是一个平面，有一定的视角限制；第三，传统显示屏显示画面单调，缺乏吸引力，容易使人产生审美疲劳。
本设计针对以上传统LED显示屏的不足，研究并设计了采用旋转LED的方案，成功解决了传统平面LED显示屏器件数量多并且无法全方位显示的问题。系统的特点是一次投入较小，能以少量的LED灯实现甚至超越传统方式下大量LED灯才能实现的显示功能，符合现阶段倡导的低碳理念、节约能源。其全方位的显示功能使处于不同角度人都拥有相同的视觉感受，可呈现出炫丽缤纷、流光溢彩的多层图文画面，极具吸引力。
2.系统整体设计
本旋转LED时钟设计的主要思路是，由电机带动显示屏做高速旋转，通过单片机控制LED旋转到不同位置的亮灭，利用人眼的视觉暂留从而看到完整的显示内容。采用时钟芯片记录时间数据，从而节省了单片机的资源，提高工作效率，并可在系统掉电后正常计时，不需要重新设定时间，因此在实际使用中更加便捷。温度传感器负责测温，并将结果实时显示出来，这使系统功能多样化，满足市场需求。为了解决向旋转中的单片机传送数据的问题，本设计采用了红外通信传输的方式，利用商场上常用的编码格式为UPD6121的遥控器发送红外信号，一体化红外接收头接收数据并解调给旋转中的单片机，然后由单片机进行解码处理，最后控制显示。由于传统的有线供电方式无法满足本设计的需要，系统采用了无线供电方式，利用变压器的磁耦合原理，为整个系统供电。
2.1 旋转LED时钟的原理分析
3.系统硬件设计
本系统硬件主要有以下几个模块组成：STC89C52RC单片机最小系统、电源模块、时钟模块、温度传感器、显示模块、位置检测装置、红外发送、接收模块。系统总体框图如图3所示。
3.1 控制器简介
本系统采用宏晶科技公司的8位单片机STC89C52RC作为主控芯片，工作电压为5V，其I/O口资源和片上外设满足本设计的要求，且在市场上具有广泛的应用，有利于后期的维护和升级。
3.2 电源设计思想
由于本设计对电源的特殊要求，供电方式必须为无线供电，经过方案验证，最终选择用无线供电线圈模块进行供电。该模块由输入、输出两部分组成，其输入端接5~12V直流电源，输出端能输出稳定的5V直流电源，输入线圈和输出线圈之间的距离会影响输出电流的大小，通过实际测试，当输入线圈和输出线圈之间的距离为2mm时，输出电流最大，为500mA。图3.2为供电模块图。
3.3 时钟和温度检测
3.4 红外遥控设计
3.5 位置检测
3.6 显示电路
本设计采用的是旋转扫描显示方法，即显示器件只有一列，由电机带动其进行旋转，运行到某一位置时就显示该位置的状态，到下一位置后又显示下一位置的状态。由于人眼具有视觉暂留的特性，当画面以一定速率刷新时，人眼看到的就是连续的图像。在本设计中一列显示器件要完成全部内容的显示，扫描过程由机械转动更换位置来实现，原理示意图如图3.6所示。
4.系统软件设计
4.1 LED显示程序设计
另外程序一定要与指针板旋转周期联系起来。根据视觉暂留的原理，一列发光二级管在同一位置出现的时间间隔应该不大于0.1秒，即旋转周期T≤100ms。为方便计算，取周期为90ms，则发光二级管每到一列位置上点亮并熄灭相应LED灯的时间t=90ms÷180=0.5ms。可用软件设置为点亮并延时0.4ms后熄灭，而剩下的0.1ms时间则留给单片机读程序用。这样程序处理完一列位置所用的时间差不多是0.5ms，之后又去处理下一列的LED灯的点亮情况。而硬件上指针板经过0.5ms，也正好转到了下一列位置上，这样软件程序就能和硬件很好地配合。
4.2 温度的采集与处理
测温程序和时钟程序很相似，其软件的思想也是一个循环扫描（启动温度转换、读取和显示）的过程，首先是DS18B20初始化，初始化包括启动DS18B20以及产生应答脉冲；接下来就是启动温度转换，然后就是读取采集到的温度值，这是测温程序编写的难点，其包括如何把采集到值正确的转换成需要显示的值，最后就是把采集并转换完的温度值显示出来。
4.3 红外接收软件设计
5.系统调试
5.1 硬件调试
1）发光二极管的调试。检查所有LED焊接正确，给系统上电，分别使每个LED的阴极接地，发现都能正常点亮和熄灭。
2）红外对管的调试。给发射管接限流电阻并上电后，对准板上的红外接收管，用电压表测试其阴极，为低电平；移开发射管后为高电平，红外对管工作正常。 3）电源驱动调试。电刷制作完成后，将LED灯都接地，并给电机和电刷都上电。指针板开始旋转，并且LED灯都能点亮，电刷供电成功。
5.2 软件调试
5.3 综合调试
系统综合调试主要验证各个模块之间是否能协调工作，以及测试其在不同工作环境下的适应能力，直至系统能在较长时间内处于稳定的工作状态。最终调试效果如图5.3所示。
6.总结
本设计是基于51单片机的旋转LED时钟的显示系统，设计的独特之处在于LED显示屏不是传统的平面LED点阵显示屏，而是安装在支架上的一列34只LED，支架由电动机带动快速旋转，由单片机控制这一列LED旋转到不同位置时的亮灭，利用人眼的视觉暂留现象，看到显示的内容。
本设计中要解决的核心内容是如何精确的控制LED在不同位置的亮灭，通过加入位置检测装置，成功的解决了这一问题，实际显现效果良好。采用红外遥控的方式，可方便、直观的控制系统的运行或切换要显示的内容，操作十分简单。而且本设计的独到之处在于它新颖的显示方式—旋转显示，这种新颖独特的东西往往更能吸引人们的眼球，对于信息发布以及广告宣传能起到非常好的效果。作品的特点是一次投入成本低，可开发性、宣传性强，极具吸引力，因此相信本系统的设计思想具有很大的实用价值和广阔的市场前景。
参考文献
[1]关积珍,陆家和.LED显示屏的技术及其市场和产业发展[J].激光与红外,2003(33):466-470.
[2]张毅刚,彭喜元.单片机原理与应用设计[M].北京:电子工业出版社,2008.10-28.
[3]沈新创,钱平.基于视觉暂留原理的旋转式线阵LED显示屏开发[J].上海应用技术学院学报,2007(7):150-153.
[4]周江.旋转LED显示屏[J].电脑学习,2009(5):91-93.
[5]夏增林,陳启军.简易无线供电系统设计[J].微计算机信息,2005(21):1-2.
[6]吴爱萍,朱晓春.基于AT89S51的多功能红外遥控器设计[J].仪表技术与传感器,2008(8):78-80.
基金项目：江苏省大学生实践创新训练计划项目“多功能旋转LED时钟的研究与开发”（JX110152012）。
作者简介：徐伟（1990—），男，江苏淮安人，现就读于常熟理工学院电气与自动化工程学院。
通讯作者：李鑫（1983—），男，安徽亳州人，硕士，实验师，主要从事智能控制技术与现代检测技术等方面的教学与科研工作。