POV-LED計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)*

陳一函，黃慧雯，衛(wèi) 宏

(南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

1 原理分析

人眼在觀察景物時(shí)，光信號傳入大腦神經(jīng)，需經(jīng)過一段短暫的時(shí)間，光的作用結(jié)束后，視覺形象并不立即消失，這種殘留的視覺稱“后像”，視覺的這一現(xiàn)象則被稱為“視覺暫留”。視覺暫留(Persistence of vision)現(xiàn)象是光對視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍保留一段時(shí)間的現(xiàn)象，對于中等亮度的光刺激，視覺暫留時(shí)間約為0.1～0.4 s[1]。

本設(shè)計(jì)就是利用了此原理。在此，以比較常見的時(shí)鐘顯示為例，進(jìn)行原理的簡要說明。如圖1(a)為一列共12個(gè)排序整齊的LED，以最下方LED為圓心高速旋轉(zhuǎn)，從下至上將LED分別編號為1-12，則當(dāng)LED12點(diǎn)亮?xí)r，則肉眼可見如圖1(b)所示的圓環(huán)，如果將余下11個(gè)LED全部點(diǎn)亮，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)實(shí)心圓，為了達(dá)到圖1(c)的效果，即出現(xiàn)穩(wěn)定的指針，則需要在點(diǎn)亮LED后瞬間熄滅，在旋轉(zhuǎn)一周或幾周回到同一位置時(shí)再次點(diǎn)亮。只要LED熄滅的時(shí)間小于人肉眼所能反應(yīng)光信號變化的時(shí)間，那么即使LED位置發(fā)生變化或者閃爍，在人的感知中，它仍舊在同一個(gè)位置被點(diǎn)亮。1-11號LED作為秒針，每過1 s，將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°÷60=6°，所以，為了展現(xiàn)指針的運(yùn)動(dòng)，只需在同一秒內(nèi)使之在同一位置點(diǎn)亮，然后在下一秒，使之在順時(shí)針的位置點(diǎn)亮即可。同理，我們將1-9號LED作為分針，1-6號LED作為時(shí)針，分針每分鐘順時(shí)針轉(zhuǎn)過360°÷60=6°，時(shí)針每小時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)過360°÷12=30°。這樣，在某一時(shí)刻，就能形成圖1(d)所示的簡單表面。當(dāng)然，轉(zhuǎn)速越快，LED越多，形成的圖像分辨率就越高。

圖1 指針經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的成像過程

至于計(jì)時(shí)器，相似地，首先使時(shí)針停留在預(yù)設(shè)的時(shí)間處，比如圖1(d)所示位置，計(jì)時(shí)開始后，使指針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至0時(shí)0分0秒的位置(即為圖1 (c)所示位置)，即完成一次計(jì)時(shí)。

2 方案設(shè)計(jì)

如圖2所示，本設(shè)計(jì)共有電源、單片機(jī)模塊、LED模塊、紅外模塊、定時(shí)模塊共5部分。其中，供電部分因單機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將導(dǎo)致供電的不便，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)線帶來轉(zhuǎn)動(dòng)不便，因此無法使用一般的供電方式，選擇無線供電或者電池供電。LED模塊負(fù)責(zé)對LED的閃爍進(jìn)行控制與旋轉(zhuǎn)物體進(jìn)行配合從而達(dá)到成像效果。定時(shí)模塊則完成定時(shí)的功能。紅外模塊負(fù)責(zé)校準(zhǔn)以及模式切換功能[2]。作為一款計(jì)時(shí)器，運(yùn)用紅外進(jìn)行定時(shí)(調(diào)整指針位置使之停留在需要的定時(shí)時(shí)間，如需要定時(shí)1分30秒，則紅外遙控指針顯示1分30秒)后，與顯示時(shí)鐘不同的是，使指針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)顯示，直至轉(zhuǎn)至初始位置即為定時(shí)結(jié)束。

圖2 程序框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)與LED模塊

本設(shè)計(jì)采用12個(gè)LED，其中，LED1(P0.0控制常亮)和LED12(P0.4控制常亮)分別為表盤圓心和圓周，R2～R6為時(shí)針，R2～R9為分針，R2～R11為秒針，P0.3控制秒針的顯示，P0.2同時(shí)控制分針和秒針的顯示，P0.1同時(shí)控制時(shí)針、分針和秒針的顯示。

3.2 定時(shí)模塊和紅外模塊

增加DS1302時(shí)鐘芯片可以提高定時(shí)的可靠性，節(jié)省單片機(jī)空間，提高單片機(jī)的效率，在掉電時(shí)仍然正常計(jì)時(shí)，不需要重新設(shè)定時(shí)間。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，可增加時(shí)鐘功能。在定時(shí)開始時(shí)，蜂鳴器長鳴1聲以提示，定時(shí)結(jié)束時(shí)，蜂鳴器蜂鳴2聲以提示，暫停定時(shí)和再次啟動(dòng)則均以一聲蜂鳴為提示。原理圖如圖4(a)所示。

單片機(jī)P3.2口接紅外接收器作為外部中斷，作為起始位置的定位(圖4(b))；P3.3口接一體化紅外接頭，作為高優(yōu)先級外部中斷(圖4(c))，用于模式切換以及定時(shí)的時(shí)間設(shè)定[3]。

圖3 單片機(jī)與LED模塊

圖4 定時(shí)模塊和紅外模塊

3.3 供電方式

供電方式可以考慮無線供電，但考慮到成本問題，可直接使用電池為單片機(jī)供電，電池盒隱藏在旋轉(zhuǎn)面板背后以保證美觀，雖然需要定期更換電池，但在無電源情況下十分便利。

4 軟件設(shè)計(jì)

流程圖如圖5所示。首先進(jìn)行各初始化設(shè)定以及DS1302的初始時(shí)間設(shè)定，查詢P3.2是否接收到中斷信號(即是否處于起始位置)。如是，則顯示初始時(shí)間(即0點(diǎn)整)，然后查詢是否設(shè)定定時(shí)時(shí)間，如是，則在接收到開始計(jì)時(shí)信號時(shí)，控制蜂鳴器長鳴一聲，同時(shí)指針逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)顯示并計(jì)時(shí)，在計(jì)時(shí)完成后發(fā)出兩聲蜂鳴表示計(jì)時(shí)結(jié)束。當(dāng)紅外遙控調(diào)整時(shí)間或暫停計(jì)時(shí)時(shí)，紅外接收頭會(huì)收到紅外遙控器發(fā)出的紅外脈沖，給單片機(jī)一組下降沿脈沖中斷信號，通過脈沖的不同脈寬實(shí)現(xiàn)對各種信號的識別，以達(dá)到調(diào)整的效果。

圖5 流程圖

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通過12只LED在旋轉(zhuǎn)表面上閃爍形成穩(wěn)定圖案來進(jìn)行計(jì)時(shí)，替代了傳統(tǒng)LED點(diǎn)陣屏，大大減少了使用LED的數(shù)量，采用電池供電，減少了機(jī)械磨損，紅外遙感，使用便捷。整體設(shè)計(jì)成本較低，且時(shí)尚新穎，具有一定的實(shí)用價(jià)值。