旋转时钟

旋转时钟摘要：时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们不仅对时间计量的精度要求越来越高，还想出很多办法来做出许多出乎意料的时钟来。

时钟的设计方法有多种，本次给大家介绍一种旋转LED指针时钟。

本次设计是以stc11f08和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个靠电路板旋转来显示时间的旋转时钟。

关键词：stc11f08芯片 74hc595 单片机 C语言Abstract：Clock, since it was invented the day, became the friend of mankind, but as time goes by, the continuous development of science and technology, people not only the accuracy of time measurement have become increasingly demanding, want a lot of ways to make a number of unexpected clock. There are several ways the design of the clock, this time to introduce a rotating LED indicator clock. The design is based on stc11f08 and LED digital tube as the core, supplemented by the necessary circuitry to form a circuit board by the time the rotation of spin to show the clock.Keyword：stc11f08 chip 74hc595 singlechip C language一、功能概述：旋转时钟系统，由基板、指针板、直流电机、电源以及上位机（PC）控制软件等部分组成。

（如图1.1旋转时钟系统框图）图1：旋转时钟系统框图1、基板基板负责红外解码、按键检测、声控信号检测，并解析这些控制信号，去控制电机的转动，或者把控制信号转换为串口控制命令发送给指针板。

基板的主控芯片采用了stc11f08。

指针板的电源由基板提供，该电源通过电机轴上的导电环传递到指针板上。

同时，导电环也是串口信号的传递路径。

指针板根据来自串口的控制命令，切换显示状态，或者调整运行参数。

2、电机电机采用的是普通直流电机，负责带动指针板旋转。

电机可以安装在基板上，也可以根据实际需要脱离基板安装在外壳上。

电机的启动或停止，由基板上的CPU 负责控制。

由于没有采用转速匀速控制，因此驱动电路和控制程序就比较简单。

电机轴是金属的，所以被同时充当了电源和串口通讯的地线。

另外在电机轴上套了一个导电环，在转动时导电环与电刷保持接触，构成电源的正极和串口通讯的信号线。

3、指针板指针板负责显示功能，是旋转时钟的主要部件，。

指针板的主控芯片就是-----------。

指针板上有一排超高亮LED。

它们就是显示部件了，亮点所在。

指针板上有一个霍尔传感器，在外壳的对应位置安装了一个磁钢。

指针板每旋转一周，霍尔传感器就会经过一次磁钢位置，并感应到信号。

这个信号被称为“过零信号”。

有了这个信号，CPU 就可以在旋转的过程中实时检测计算指针板的角度位置。

并根据指针板所处的不同位置，点亮相应的LED，利用人眼的视觉暂留效应，形成完整的显示画面。

通过检测两次过零信号的时间间隔，就可以计算出电机转速，或者指针旋转一周的时间。

把该时间等分为180 份，即可求得每个显示列的位置。

这样，就不必再去对电机进行匀速控制了。

为了便于程序的计算，把整个指针板旋转的圆周等分为180 个等分位置。

每个位置被称为一列（）。

匠人也曾经考虑过整个圆周等分为360 份。

后来感觉无此必要，因为那样做并不能提高多少显示精细程度。

另外，360 这个数字超过了单字节所能代表的范围，势必增加程序的复杂程度，得不偿失。

指针板上有一个蜂鸣器，在执行按键等控制命令时鸣叫。

另外，还有闹钟鸣叫功能和整点鸣叫报时功能。

指针板上有温度传感器NTC，负责采集温度，并可以显示出来。

图2：指针板转动轨迹划分示意图4、上位机上位机程序是本项目的高端应用。

上位机软件采用C语言编程，通过串口发送串行控制名令给指针板。

其功能涵盖了基板上所有的串行控制功能，并有所加强和扩展。

二、、指针板的供电方式旋转时钟项目的成败，不是取决于电路和程序，而是取决于结构。

或者说，取决于如何实现对指针板的供电和传递控制信息。

1、常见的供电方式根据调查的结果，指针板的供电方式一般有以下三种：（1）自感应发电这种方法，就是从指针板上引出导线，接入到电机内部绕在转子上，电机旋转时该导线切割磁场产生感应电动势，经过整流后作为指针板上的电源。

A、这种方式的优点是：设计很巧妙，无机械磨损。

更巧妙的是，由于感应出来的电动势是交流的，所以可以利用该过零信号来定位，不必另外准备定位信号了。

B、这种方式的缺点是：提供的电流有限，只能适合LED 较少的旋转时钟，当LED 数量较多时，需要更多的电流，这种方式就不能满足了。

其次，这种方式要对电机本身进行改造，也有一定的难度。

并不是所有的电机都适合这种改造。

而且这种改造可能会给电机带来损害。

另外还有一个问题，就是这种方式，只有在电机旋转时才能发电给指针板供电，一旦停止转动，供电也就无以为继了，这样要实现旋转时钟的不间断走时，还得另加备用电池并采用低功耗设计。

（2）自备电池这种方式，就是在指针板上安装电池，由电池供电。

一般是用两到三节7 号电池。

A、这种方式的优点是：Ⅰ.不用担心电压波动。

Ⅱ.也不存在机械磨损，不用担心接触不良之类问题的困扰。

B、这种方式的缺点是：Ⅰ.很费电池，三天两头换电池，既不经济也不环保，还很麻烦！Ⅱ.电池很重，一般的电机带不动，必须用很大很大的电机哦。

这也意味了成本的上升。

（3）机械传导供电也就是采用滑环和电刷，通过机械接触传导电流。

A、这种方式的优点是：能够提供比较大的工作电流。

B、这种方式的缺点是：Ⅰ.有机械摩擦，会产生磨损。

因此要求滑环和电刷材料要耐磨，经得起折腾。

另外，还得有足够的弹性，并且要耐锈，否则会导致接触不良。

Ⅱ.有机械阻力，因此要求电机有比较大一点的功率。

Ⅲ.有机械噪音。

综合以上三种：第一种，虽然优点多，但难度很大，并且成本很高；第二种，没有太多的担心，可是使用起来相当的麻烦，可能还会因为更换电池不及时而导致其中其他的零件受损；第三种，虽然会产生些摩擦，但是能提供较大电流，而摩擦的问题可以采用其他方法来弥补。

所以我们采用的是第三种机械传导供电。

不过，有所改进的是，把串口控制信号与电源实现了复用。

同一个电路通路，既能传导电源，也能传递控制信号。

2、电源与串口信号的电路通路的复用电路原理图（图1.3：供电与通讯电路）。

供电与通讯控制工作时序的配合（图 1.4：供电与通讯工作时序）。

图3：供电与通讯电路图4：供电与通讯工作时序在空闲（不发送控制命令）状态，基板CPU 的串口发送端口（TX）保持高电平，Q5和Q3 导通，电刷上的电平为高电平，用于给指针板供电。

在通讯（发送控制命令）状态，基板CPU 的TX 口发送串口命令，并通过电刷传递给指针板，送至指针板CPU 的串口接收端口（RX）。

在通讯状态下，如果发送的是数据“1”（高电平），则照样可以给指针板供电；如果发送的是数据“0”（低电平），则指针板依靠自身的电容（C3 和C4 ）储存的电荷工作。

为了保证指针板的供电，必须合理设计通讯命令的内容。

例如，要避免出现连续2 个以上的“0X00”字节，因为连续发送数据“0”（低电平）的话，指针板电容里的电荷会被消耗光，导致掉电。

三、显示处理1、显示内容旋转时钟的显示内容规划如下：（1）电机停止的时候，不显示。

（2）当电机启动但未进入稳态，则显示不确定状态的画面。

（3）在电机转动进入稳态后，指针板可以接收串口控制命令，显示模拟时钟画面。

（见附表1.1：显示状态真值表）2、驱动电路显示电路参见（图 1.4：显示电路），CPU 的引脚分配参见（图 1.5：CPU 引脚安排）。

图5：显示电路图6：CPU 引脚安排LED 正端接到电源，负端经过限流电阻接到CPU 的IO 口。

之所以采用负端控制，原因有三点：首先，从CPU 的IO 口带载能力方面来看，灌电流一般都比拉电流大，所以采用LED负端控制能够提供更大的驱动能力。

当然，这不是主要的原因。

我们采用了stc11f08芯片（图1.6：stc11f08芯片引脚）图7：stc11f08芯片引脚3、显示程序显示主要由后台和前台两部分程序来负责。

首先，是在后台，由主程序调用“刷新显示缓冲区程序”，该程序负责根据系统的工作状态，将不同的待显示内容进行加工处理，送入显示缓冲区。

这部分程序基本上就是一个状态机。

其次，是在前台，由定时器（TMR1）中断中定时刷新每一列LED 的内容。

由于大部分耗时较长的计算处理已经在后台程序预先准备好了，所以，在中断中的执行速度是有保障的。

TMR1 中断周期的计算：TMR1 中断周期=指针转动一周时间/180。

4、模拟钟面的实现模拟钟面，主要由一个12 个整点刻度的表盘，和 3 根指针（时针、分针、秒针）构成。

整点刻度的位置计算比较简单，把整个圆周（180 列）等分为12 份即可，而指针的位置会随着当前时间的变化而实时变化。

四、基板1、硬件框图图8：基板系统框图框图说明：（1）基板CPU：采用——。

（2）电机驱动：平时输出低，当接收到信号时，输出高电平启动电机。

如果在连续一段时间（设为15 妙）内，没有接收到任何新信号，则重新输出低电平关闭电机。

（3）串口控制：采用单工方式，只发不收。

必要时，也可由外接串口提供控制命令。

串口控制模块同时也承担了向指针板供电的职能，也就是说，供电和串口通讯是复用同一个回路的。

2、串口控制命令（1）串口协议基板为发送方，指针板为接收方。

通讯命令以帧为单位。

前面已经介绍过了，此处从略。

（2）串口控制命令字：基板的串口控制，遵循本项目的串口通讯协议，每个控制命令字（1 帧）由３个字节组成。

由于基板上只有4 个按键，因此，也只支持对应的 4 个串口控制命令字。

五、指针板源程序指针板源程序采用C 语言编写主程序流程图（图9：主程序流程图）六、、硬件电路1、指针板原理图指针板使用的主芯片——原理图见图10：指针板原理图2、基板原理图基板使用的主芯片——原理图见图11：指针板原理图七、后记参考资料：附录：附表1.1：显示状态真值表。