关键字:纯手工打造摇摆LED 时钟
看到市场上正在流行的时尚商品——摇摆LED 时钟,感觉非常新颖独特,正在玩单片机的我,激起了自己也想DIY 一个的冲动。不就是一个流水灯吗?有什么难的?! 于是,一个单片机项目就这样开始了。然而动手以后才知道问题并非想象那样简单,因没有任何现成的资料,机械的、电子的和编程的问题一大堆,一个一个需要自己来解决。经历二十多天的苦战和无数次的修改与调试,作品终于完成,基本达到预先要求。 现将制作资料整理出来,与广大DIY 爱好者分享。
一. 整体方案 本制作是根据视觉暂留原理, 让一排8 只LED作往复运动, 在空中呈现八个字符的显示屏,可显示数字或英文字符。开机后先显示“Welcome!”欢迎字符(见图1), 再进入时钟显示状态。显示屏同时显示“时” 、“分” 、“秒”信息,用“:”分隔(见图2)。 图1 开机画面 图2 运行状态 显示分“正常运行”、“调分”和“调时” 三种状态。当处于调整状态时,调整的项会闪现,以便识别。为此,设置三个调整按键,一个为“状态键”,一个为“加法键”,一个为“减法键”。(见图3) 图3 按键的设置 图4 音圈电机组件 摇棒的动力部分采用从废旧硬盘拆下的音圈电机(见图4),驱动采用直流电机驱动方式。 结构方面,将音圈电机直接安装在万用板上,将万用板的四周用四根螺柱与一透明有机板结合成一体,构成支撑摇棒底座。(见图5, 图6)。 图5 万用板与有机板构成底座 图6 底座侧面
二. 实作要点 1. 主板的结构布局见图7。 图7 主板布局 图8 摇棒上的LED 2.LED 的焊接,将LED 两脚跨接在电路板两端的方式进行焊接。使LED 紧密排列在一起。 3.摇棒上的LED 与主板上的信号用柔性排线连接,音圈电机供电占2 位,LED 信号传输占9 位,所以至少要11 位的排线。(见图9) 图9 排线与拉簧 图10 拉簧 4.为保持摇棒的平衡, 在摇棒接近旋转轴的两端加装两只拉簧,这两只拉簧的规格尽量保持一致,弹性强弱要适中,最好可多找几种规格的试试。(图9,图10) 5.采用驱动直流电机正反转的方式,驱动音圈电机来回摆动。让电机正、反转的方法很多,最典型的是H 桥电路驱动,H 桥电路原理见图11,常见的是用三级管代替图中的开关。 图11 H 桥驱动原理 为了简化电路,最好采用H 桥功能的集成电路。这种IC 很多,比如象TA7257,TA8429H,L6203 等,这里用的是三菱公司的M54544AL(见图12)。IC 各脚定义见图13。 图12 电机驱动IC 图13 M56544AL 各脚定义 6.电原理图见图14。 图14 电原理图 7.完成图见图15。 图15 完成图
三. 软件设计 1. 摇棒的启动 为了使摇棒从静止状态过度到正常运行状态,在正式显示前加一启动程序。其实质就是逐渐加快驱动的频率,一直到摇棒正常摆动为止。通过下面的代码实现 do { mm++; Delay(120+mm); put1=~put1; put2=~put2; }while(mm<60); Delay(20); //根据实际情况确定延时值 2. 秒闪现的实现:数字或字符的闪现是通过变量Ms 和数组w[]实现的,如需要八位字符中的间的第4 位闪现,则w[3]=1。这是通过全局变量Ms 在void timer0(void)函数中每隔一秒改变一次状态(0 或1),打开或关闭显示。 if(Ms*w[ii-3]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[ii]*6+jj]; //正向显示 if(Ms*w[10-ii]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[13-ii]*6+5-jj]; //反向显示 3. 调试中发现,显示屏上的字符并不是一样宽的(见图16),仔细分析是由于摇棒在运动中,一直受力,而且所受的力是随时变化的。为方便精确调整显示,特别作了一个显示中断表Tr[],改变显示LED 的时间段,协调显示效果。 图16 调整前的显示 4. 按键去抖程序 按键的去抖采用软件编程实现,其方法是当检测到按键的接口出现低电平后,隔一段时间再检测,如还是低电平,则确认为有效,否则无效。具体的程序是通过函数unsigned char ChKey(bit Key)完成的。 5. 显示同步 因没有位置传感器,显示同步完全靠时钟中断来确定。这样就有一个问题,音圈电机的驱动信号在什么时刻改变,显示才能保持在中间,并能保证正反显示能很好地重合。经实际观察, 音圈电机的驱动信号在显示中部, 要根据具体情况细调。由程序中的变量Ta 调试确定。 6. 完整C51 程序代码 /* POV 摇摆显示LED 钟C51 程序 周正华编 2008.3.19 */ #include /*硬件端口定义*/ sbit set0=P0^1; sbit set1=P0^0; sbit set2=P0^2; sbit put1=P3^6; sbit put2=P3^7; /*时钟用数组*/ unsigned char BUFFER[]={0,0,0,0}; unsigned char maxnum[]={59,23}; /*显示数组*/ unsigned int v[14]; unsigned int w[8]; /*显示中断表*/ int code Tr[]={ 2000,2000,2000,2000,2000,2000, 2000,2000,2000,2000,2000,2000, 2000,2000,2000,2000,2000,2000, 2550,2500,2450,2400,2350,2300, 2250,2200,2150,2100,2050,2000, 1950,1900,1850,1800,1750,1700, 1650,1600,1550,1500,1450,1400, 1400,1450,1500,1550,1600,1650, 1700,1750,1800,1850,1900,1950, 2000,2050,2100,2150,2200,2250, 2300,2350,2400,2450,2500,2550, 2000,2000,2000,2000,2000,2000, 2000,2000,2000,2000,2000,2000, 2000,2000,2000,2000,2000,2000, }; /*字符字模*/ unsigned char code ASCIIDOC[] = // ASCII { 0x7C,0x8A,0x92,0xA2,0x7C,0x00, // -0-00 0x00,0x42,0xFE,0x02,0x00,0x00, // -1-01 0x46,0x8A,0x92,0x92,0x62,0x00, // -2-02 0x84,0x82,0x92,0xB2,0xCC,0x00, // -3-03 0x18,0x28,0x48,0xFE,0x08,0x00, // -4-04 0xE4,0xA2,0xA2,0xA2,0x9C,0x00, // -5-05 0x3C,0x52,0x92,0x92,0x8C,0x00, // -6-06 0x80,0x8E,0x90,0xA0,0xC0,0x00, // -7-07 0x6C,0x92,0x92,0x92,0x6C,0x00, // -8-08 0x62,0x92,0x92,0x94,0x78,0x00, // -9-09 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, // - -10 0x00,0x00,0xFA,0x00,0x00,0x00, // -!-11 0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x00, // -/-12 0x00,0x6C,0x6C,0x00,0x00,0x00, // -:-13 0x3E,0x48,0x88,0x48,0x3E,0x00, // -A-14 0xFE,0x92,0x92,0x92,0x6C,0x00, // -B-15 0x7C,0x82,0x82,0x82,0x44,0x00, // -C-16 0xFE,0x82,0x82,0x82,0x7C,0x00, // -D-17 0xFE,0x92,0x92,0x92,0x82,0x00, // -E-18 0xFE,0x90,0x90,0x90,0x80,0x00, // -F-19 0x7C,0x82,0x8A,0x8A,0x4E,0x00, // -G-20 0xFE,0x10,0x10,0x10,0xFE,0x00, // -H-21 0x00,0x82,0xFE,0x82,0x00,0x00, // -I-22 0x04,0x02,0x82,0xFC,0x80,0x00, // -J-23 0xFE,0x10,0x28,0x44,0x82,0x00, // -K-24 0xFE,0x02,0x02,0x02,0x02,0x00, // -L-25 0xFE,0x40,0x30,0x40,0xFE,0x00, // -M-26 0xFE,0x20,0x10,0x08,0xFE,0x00, // -N-27 0x7C,0x82,0x82,0x82,0x7C,0x00, // -O-28 0xFE,0x90,0x90,0x90,0x60,0x00, // -P-29 0x7C,0x82,0x8A,0x84,0x7A,0x00, // -Q-30 0xFE,0x90,0x98,0x94,0x62,0x00, // -R-31 0x64,0x92,0x92,0x92,0x4C,0x00, // -S-32 0x80,0x80,0xFE,0x80,0x80,0x00, // -T-33 0xFC,0x02,0x02,0x02,0xFC,0x00, // -U-34 0xF8,0x04,0x02,0x04,0xF8,0x00, // -V-35 0xFE,0x04,0x18,0x04,0xFE,0x00, // -W-36 0xC6,0x28,0x10,0x28,0xC6,0x00, // -X-37 0xC0,0x20,0x1E,0x20,0xC0,0x00, // -Y-38 0x86,0x8A,0x92,0xA2,0xC2,0x00, // -Z-39 0x24,0x2A,0x2A,0x1C,0x02,0x00, // -a-40 0xFE,0x14,0x22,0x22,0x1C,0x00, // -b-41 0x1C,0x22,0x22,0x22,0x10,0x00, // -c-42 0x1C,0x22,0x22,0x14,0xFE,0x00, // -d-43 0x1C,0x2A,0x2A,0x2A,0x10,0x00, // -e-44 0x10,0x7E,0x90,0x90,0x40,0x00, // -f-45 0x19,0x25,0x25,0x25,0x1E,0x00, // -g-46 0xFE,0x10,0x20,0x20,0x1E,0x00, // -h-47 0x00,0x00,0x9E,0x00,0x00,0x00, // -i-48 0x00,0x01,0x11,0x9E,0x00,0x00, // -j-49 0xFE,0x08,0x14,0x22,0x02,0x00, // -k-50 0x00,0x82,0xFE,0x02,0x00,0x00, // -l-51 0x1E,0x20,0x1E,0x20,0x1E,0x00, // -m-52 0x20,0x1E,0x20,0x20,0x1E,0x00, // -n-53 0x1C,0x22,0x22,0x22,0x1C,0x00, // -o-54 0x3F,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00, // -p-55 0x18,0x24,0x24,0x24,0x3F,0x00, // -q-56 0x20,0x1E,0x20,0x20,0x10,0x00, // -r-57 0x12,0x2A,0x2A,0x2A,0x24,0x00, // -s-58 0x20,0xFC,0x22,0x22,0x24,0x00, // -t-59 0x3C,0x02,0x02,0x3C,0x02,0x00, // -u-60 0x38,0x04,0x02,0x04,0x38,0x00, // -v-61 0x3C,0x02,0x3C,0x02,0x3C,0x00, // -w-62 0x22,0x14,0x08,0x14,0x22,0x00, // -x-63 0x39,0x05,0x05,0x09,0x3E,0x00, // -y-64 0x22,0x26,0x2A,0x32,0x22,0x00, // -z-65 }; unsigned int Ti; unsigned char ii,jj,mm, ff ,TZ ,Ms ,Ta; /*延时程序*/ void Delay(unsigned int msec) { unsigned int x,y; for(x=0; x<=msec;x++) { for(y=0;y<=110;y++); } } /*键盘去抖处理函数*/ unsigned char ChKey(bit Key) { if(Key==0){ Delay(100); if(Key==0) return(1); } } /*定时中断1 处理(时钟)函数*/ void timer0(void) interrupt 1 using 1 { TH0=-(50000/256); TL0=-(50000%256); TR0=1; BUFFER[0]=BUFFER[0]+1; } /*定时中断2 处理(LED 驱动和音圈驱动)函数*/ void timer1(void) interrupt 3 using 1 { TH1=Ti/256; TL1=Ti%256; if((ii*6+jj)==Ta) {put1=~put1;put2=~put2;}; //音圈电机驱动输出 if(ff==1){ if(Ms*w[ii-3]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[ii]*6+jj]; //正向显示 } else { if(Ms*w[10-ii]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[13-ii]*6+5-jj]; //反向显示 } jj++; if(jj>5) {ii++; jj=0;} if(ii>13) {ii=0;ff=!ff;} Ti=-Tr[ii*6+jj]; //读显示中断表 } /*主程序*/ void main(void) { //变量初始化 Ms=0; ff=0; Ta=46; //正反显一致性调整, 取值范围在42~50 之间, 根据实际确定 put1=0;put2=1; //中断初始化 TMOD=0x11; TH0=-5000/256; TL0=-5000%256; TR0=1;ET0=1; TH1=-2000/256; TL1=-2000%256; TR1=1;ET1=1; //十四个字符中前三个和后三个不显(不用) v[0]=10; v[1]=10; v[2]=10; v[11]=10; v[12]=10; v[13]=10; /*摇摆棒初始启动*/ do { mm++; Delay(120+mm); put1=~put1; put2=~put2; }while(mm<60); Delay(20); /*启动显示*/ ii=0;jj=0; EA=1; /*正式运行*/ for(;;){ v[3]=36;v[4]=44;v[5]=51;v[6]=42;v[7]=54;v[8]=52;v[9]=44;v[10]=11; //显示欢迎 Delay(6000); v[3]=10;v[4]=10;v[5]=10;v[6]=10;v[7]=10;v[8]=10;v[9]=10;v[10]=10; //关闭显示 Delay(600); v[3]=0;v[4]=0;v[5]=13;v[6]=0;v[7]=0;v[8]=13;v[9]=0;v[10]=0; //显示时钟初始状 态 /*进入时钟状态*/ while(1){ //时钟处理 if (BUFFER[0]>21){ //进位到秒 BUFFER[0]=0; BUFFER[1]=BUFFER[1]+1; Ms=!Ms; if (BUFFER[1]==60){ //进位到分 BUFFER[1]=0;BUFFER[2]=BUFFER[2]+1; if (BUFFER[2]==60){ BUFFER[2]=0;BUFFER[3]=BUFFER[3]+1; //进位到时 if (BUFFER[3]==24) BUFFER[3]=0; } } } //将显示内容送显示缓冲区 v[9]=BUFFER[1]/10; v[10]=BUFFER[1]-v[9]*10; v[6]=BUFFER[2]/10; v[7]=BUFFER[2]-v[6]*10; v[3]=BUFFER[3]/10; v[4]=BUFFER[3]-v[3]*10; //键盘处理 if(ChKey(set0)==1){ //模式键 Ms=1; //秒闪开 if(TZ<2) TZ++; else TZ=0; //三种状态循环转换 switch(TZ){ case 0:w[0]=0;w[1]=0;w[2]=0;w[3]=0;w[4]=0;w[5]=0;w[6]=0;w[7]=0;break; case 1:w[0]=0;w[1]=0;w[2]=0;w[3]=1;w[4]=1;w[5]=0;w[6]=0;w[7]=0;break; case 2:w[0]=1;w[1]=1;w[2]=0;w[3]=0;w[4]=0;w[5]=0;w[6]=0;w[7]=0;break; } Ms=0; //秒闪关 }; Delay(80); if(ChKey(set1)==1){ if(BUFFER[TZ+1]BUFFER[TZ+1]=0;Delay(300);}; //键盘"+" if(ChKey(set2)==1){ if(BUFFER[TZ+1]>0) BUFFER[TZ+1]--; else BUFFER[TZ+1]=maxnum[TZ-1];Delay(300);}; //键盘"-" Delay(80); } } }
四.调试方法 虽说是个机电一体的制作,但调试过程并不复杂。 1. 机械部分的调整主要是两只拉簧, 要尽量保证两边受力一致,让摇棒静态时保持在竖直状态。 2. 软件部分,先将void timer1(void)函数中的“Ti=-Tr[ii*6+jj];”这段程序删除,试着让Ti 取一常数值(大约-2000 左右)看显示效果(摇棒摆动的幅度),一直到满意为止,这时正反显示可能没有重合,接着试Ta 的取值,范围在42 到50 之间,使正反显示重合为止。最后一步就是调整显示的不均匀性,将“Ti=-Tr[ii*6+jj];”这段程序恢复回来,试着改变Tr[]表中数组元素的值,并保证表中的元素的平均值为开始Ti 取得的值,让显示的每个字符宽度一致为止。
五.结语 本制作电路简单,其原理实质就是LED 流水灯,而关键的音圈电机也很容易找到,很适合刚入门的单片机爱好者制作。制作还有发挥的地方, 1. 添加时钟IC,使显时更精准,而且不怕掉电; 2. 加装位置传感器,增加显示的稳定性; 3. 增添摇控功能,使调整更方便。
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