纯手工打造摇摆LED时钟—原理图+程序

ID:140725 · 发表于 2016-10-11 21:27

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
请见附件
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。

程序：

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