基于POV原理的LED旋轉(zhuǎn)時鐘的設(shè)計(jì)與制作

摘 要：本設(shè)計(jì)利用視覺暫留原理設(shè)計(jì)并制作了一個發(fā)光旋轉(zhuǎn)時鐘，設(shè)計(jì)簡單實(shí)用，演示效果較好，具有一定的參考與推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：POV；LED；旋轉(zhuǎn)時鐘

POV 即 Persistence of Vision（視覺殘留）。物體在快速運(yùn)動時，當(dāng)人眼所看到的影像消失后，人眼仍能繼續(xù)保留其影像 0.1-0.4 秒左右的圖像，這種現(xiàn)象被稱為視覺暫留現(xiàn)象。一般旋轉(zhuǎn)時鐘是依靠一個電機(jī)帶動，在快速轉(zhuǎn)動的下，控制 LED 燈的亮滅，從而形成一個穩(wěn)定的表盤和指針，同時還要保證指針的位置正好對應(yīng)所要顯示的時間，電機(jī)所帶動旋轉(zhuǎn)的板子叫做指針板，固定電機(jī)的板子叫做基板。

圖1 總體硬件架構(gòu)

本設(shè)計(jì)使用小型直流電機(jī)帶動電路板轉(zhuǎn)動，電路板并列32個LED燈，使用單片機(jī)進(jìn)行控制，計(jì)時方式使用外部芯片獨(dú)立計(jì)時，并且有小型電池與之供電，一旦初始化，不會因系統(tǒng)重啟而改變計(jì)時。

控制芯片可以讀取時鐘芯片的計(jì)時信息，做以處理，然后通過控制 LED 燈閃爍來顯現(xiàn)出來。同時MCU也可以給時鐘芯片輸入初始化信息，可以用來實(shí)現(xiàn)調(diào)時等功能。調(diào)時的命令要通過無線的方式的發(fā)送到指針板上，MCU 讀取無線接收器件的命令，從而更改 LED 的顯示規(guī)律以及時鐘芯片的計(jì)時時間。為做到方便控制，計(jì)時準(zhǔn)確，控制部件采用無線收發(fā)模塊，計(jì)時不使用單片機(jī)計(jì)時，而采用獨(dú)立供電的計(jì)時芯片。計(jì)時芯片獨(dú)立供電的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng) MCU掉電時，時鐘芯片并不受其影響，而可以繼續(xù)準(zhǔn)確的跑動。指針板的結(jié)構(gòu)框圖 如圖 2 所示。

電源給各個部件供以電能，位置檢測部件每轉(zhuǎn)會到標(biāo)志位置就會產(chǎn)生一個信號，MUC 檢測到后，此時指針板正好轉(zhuǎn)動一周，MUC 便可根據(jù)規(guī)律控制 LED亮滅。位置檢測可以使用光電耦合開關(guān)或霍爾感應(yīng)器。

圖2 指針板的結(jié)構(gòu)框圖

計(jì)時方式也是本設(shè)計(jì)比較重要的一部分，要做旋轉(zhuǎn)時鐘，必須要有時鐘的信號，單片機(jī)將以某種方式產(chǎn)生的時鐘信號加以處理，送至 LED 陣列，從而做到旋轉(zhuǎn)時鐘的顯示。

本設(shè)計(jì)要顯示數(shù)字和指針式的鐘表以及中文和英文的文字，要顯示中文文字，做到比較清晰可見，一般需要13個 LED 燈，而且里圓周最近的LED，不能過近，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，至少也要在十個間距以上。若可以顯示中文文字，則英文文字以及數(shù)字就不成問題。

電機(jī)帶動指針板快速旋轉(zhuǎn)，不具備位置控制的能力，又不能保證電機(jī)穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速絕對平穩(wěn)，在每圈的同一位置都會產(chǎn)生由上一周相同的 LED 狀態(tài)。我們只需要一個器件能夠在指針板每轉(zhuǎn)到此位置處，產(chǎn)生一個指示信號即可，因?yàn)橹灰_定了這個位置，就可以根據(jù)轉(zhuǎn)速確定所有位置了，從而顯示出穩(wěn)定的、在確定位置的圖案了。

一旦電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，指針板上的所用器件都在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，是無法通過指針板上的按鈕對其進(jìn)行控制的，我們希望圖像顯示穩(wěn)定后，可以進(jìn)行一些圖像改變的操作，最主要的是調(diào)節(jié)時間。

程序如何下載到單片機(jī)中也是需要深入討論的問題，這也牽扯到單片機(jī)的選擇，本設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)是在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下的，同時要就行不斷地調(diào)試，而且完全不能使用仿真完成，所以，下載方式一定要簡單快速。

軟件設(shè)計(jì)使用 C 語言編程，使用 KEIL V4 編程環(huán)境。分步調(diào)試實(shí)現(xiàn)以下功能：

1.首先可以顯示靜態(tài)和運(yùn)動的字體，成為一個可以顯示的旋轉(zhuǎn)屏幕，初步設(shè)計(jì)在上方顯示“I□U”，在下方滾動顯示“POV LED Revolving Clock”字樣。

2.可以顯示數(shù)字式的時鐘，上方顯示“時：分：秒”并以此格式顯示，在下方屏幕顯示的是“年/月/ 日”的時間格式，秒位跑動和進(jìn)位正常。

3.顯示指針式的時鐘，指針式時鐘由于其固有的特點(diǎn)，只能顯示時分秒，并且只能以 12 時計(jì)時方式。但是其編程與調(diào)試難度遠(yuǎn)高于數(shù)字式的時鐘。

本設(shè)計(jì)做到各指針位置的正常顯示，做到與電子表基本類似的效果。

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