纯手工打造摇摆LED 时钟

接线图 2023年11月07日 18:43 150 admin

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)。
纯手工打造摇摆LED 时钟第1张纯手工打造摇摆LED 时钟第2张
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)
纯手工打造摇摆LED 时钟第3张纯手工打造摇摆LED 时钟第4张
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）。
纯手工打造摇摆LED 时钟第5张纯手工打造摇摆LED 时钟第6张
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。
纯手工打造摇摆LED 时钟第7张纯手工打造摇摆LED 时钟第8张
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）
纯手工打造摇摆LED 时钟第9张纯手工打造摇摆LED 时钟第10张
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。
纯手工打造摇摆LED 时钟第11张
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。
纯手工打造摇摆LED 时钟第12张
图12 电机驱动IC
纯手工打造摇摆LED 时钟第13张
图13 M56544AL 各脚定义
6．电原理图见图14。
纯手工打造摇摆LED 时钟第14张
图14 电原理图
7．完成图见图15。
纯手工打造摇摆LED 时钟第15张
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。
纯手工打造摇摆LED 时钟第16张
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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