純手工打造搖擺LED時鐘—原理圖+程序

ID:140725 · 發表于 2016-10-11 21:27

看到市場上正在流行的時尚商品——搖擺LED 時鐘，感覺非常新穎獨特，正在玩單片機的我，激起了自己也想DIY 一個的沖動。不就是一個流水燈嗎？有什么難的？！于是，一個單片機項目就這樣開始了。然而動手以后才知道問題并非想象那樣簡單，因沒有任何現成的資料，機械的、電子的和編程的問題一大堆，一個一個需要自己來解決。經歷二十多天的苦戰和無數次的修改與調試，作品終于完成，基本達到預先要求。
現將制作資料整理出來，與廣大DIY 愛好者分享。
一. 整體方案
本制作是根據視覺暫留原理, 讓一排8 只LED作往復運動, 在空中呈現八個字符的顯示屏，可顯示數字或英文字符。開機后先顯示“Welcome!”歡迎字符(見圖1), 再進入時鐘顯示狀態。顯示屏同時顯示“時” 、“分” 、“秒”信息，用“：”分隔(見圖2)。

圖1 開機畫面圖2 運行狀態
顯示分“正常運行”、“調分”和“調時” 三種狀態。當處于調整狀態時，調整的項會閃現，以便識別。為此，設置三個調整按鍵，一個為“狀態鍵”，一個為“加法鍵”，一個為“減法鍵”。(見圖3)

圖3 按鍵的設置圖4 音圈電機組件
搖棒的動力部分采用從廢舊硬盤拆下的音圈電機（見圖4），驅動采用直流電機驅動方式。
結構方面，將音圈電機直接安裝在萬用板上，將萬用板的四周用四根螺柱與一透明有機板結合成一體，構成支撐搖棒底座。（見圖5, 圖6）。

圖5 萬用板與有機板構成底座圖6 底座側面
二. 實作要點
1．主板的結構布局見圖7。

圖7 主板布局圖8 搖棒上的LED
2．LED 的焊接，將LED 兩腳跨接在電路板兩端的方式進行焊接。使LED 緊密排列在一起。
3．搖棒上的LED 與主板上的信號用柔性排線連接，音圈電機供電占2 位，LED 信號傳輸占9 位，所以至少要11 位的排線。（見圖9）

圖9 排線與拉簧圖10 拉簧
4．為保持搖棒的平衡, 在搖棒接近旋轉軸的兩端加裝兩只拉簧，這兩只拉簧的規格盡量保持一致，彈性強弱要適中，最好可多找幾種規格的試試。（圖9，圖10）
5．采用驅動直流電機正反轉的方式，驅動音圈電機來回擺動。讓電機正、反轉的方法很多，最典型的是H 橋電路驅動，H 橋電路原理見圖11，常見的是用三級管代替圖中的開關。

圖11 H 橋驅動原理
為了簡化電路，最好采用H 橋功能的集成電路。這種IC 很多，比如象TA7257，TA8429H，L6203 等，這里用的是三菱公司的M54544AL(見圖12)。IC 各腳定義見圖13。

圖12 電機驅動IC

圖13 M56544AL 各腳定義
6．電原理圖見圖14。

圖14 電原理圖
7．完成圖見圖15。

圖15 完成圖
三. 軟件設計
1．搖棒的啟動
為了使搖棒從靜止狀態過度到正常運行狀態，在正式顯示前加一啟動程序。其實質就是逐漸加快驅動的頻率，一直到搖棒正常擺動為止。通過下面的代碼實現
do {
mm++;
Delay(120+mm);
put1=~put1; put2=~put2;
}while(mm<60);
Delay(20); //根據實際情況確定延時值
2．秒閃現的實現：數字或字符的閃現是通過變量Ms 和數組w[]實現的，如需要八位字符中的間的第4 位閃現，則w[3]=1。這是通過全局變量Ms 在void timer0(void)函數中每隔一秒改變一次狀態（0 或1），打開或關閉顯示。
if(Ms*w[ii-3]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[ii]*6+jj]; //正向顯示
if(Ms*w[10-ii]==1) P2=0xff; else P2=~ASCIIDOC[v[13-ii]*6+5-jj]; //反向顯示
3．調試中發現，顯示屏上的字符并不是一樣寬的（見圖16），仔細分析是由于搖棒在運動中，一直受力，而且所受的力是隨時變化的。為方便精確調整顯示，特別作了一個顯示中斷表Tr[]，改變顯示LED 的時間段，協調顯示效果。

圖16 調整前的顯示
4．按鍵去抖程序
按鍵的去抖采用軟件編程實現，其方法是當檢測到按鍵的接口出現低電平后，隔一段時間再檢測，如還是低電平，則確認為有效，否則無效。具體的程序是通過函數unsigned char ChKey(bit Key)完成的。
5．顯示同步
因沒有位置傳感器，顯示同步完全靠時鐘中斷來確定。這樣就有一個問題，音圈電機的驅動信號在什么時刻改變，顯示才能保持在中間，并能保證正反顯示能很好地重合。經實際觀察, 音圈電機的驅動信號在顯示中部, 要根據具體情況細調。由程序中的變量Ta 調試確定。
6．完整C51 程序代碼
請見附件
四．調試方法
雖說是個機電一體的制作，但調試過程并不復雜。
1．機械部分的調整主要是兩只拉簧, 要盡量保證兩邊受力一致，讓搖棒靜態時保持在豎直狀態。
2．軟件部分，先將void timer1(void)函數中的“Ti=-Tr[ii*6+jj];”這段程序刪除，試著讓Ti 取一常數值（大約-2000 左右）看顯示效果（搖棒擺動的幅度），一直到滿意為止，這時正反顯示可能沒有重合，接著試Ta 的取值，范圍在42 到50 之間，使正反顯示重合為止。最后一步就是調整顯示的不均勻性，將“Ti=-Tr[ii*6+jj];”這段程序恢復回來，試著改變Tr[]表中數組元素的值，并保證表中的元素的平均值為開始Ti 取得的值，讓顯示的每個字符寬度一致為止。
五．結語
本制作電路簡單，其原理實質就是LED 流水燈，而關鍵的音圈電機也很容易找到，很適合剛入門的單片機愛好者制作。制作還有發揮的地方，
1. 添加時鐘IC，使顯時更精準，而且不怕掉電；
2. 加裝位置傳感器，增加顯示的穩定性；
3. 增添搖控功能，使調整更方便。

程序：

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