工程师电子制作故事：纯手工打造摇摆LED时钟

　　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。 制作要点

　　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

　　/*

　　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。