【正文】 課 程 設(shè) 計(jì) 題 目 旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘 系 別 機(jī)械工程系 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 2022年 1 月 8 日 1 機(jī)電控制創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作任務(wù)書 一、 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)旋轉(zhuǎn) LED時(shí)鐘，使用單片機(jī)控制一排旋轉(zhuǎn)的 LED燈的亮滅和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，動(dòng)態(tài)顯示出時(shí)鐘、溫度、速度、圖像的信息。 二、 提供元器件 直流電機(jī)（ 20r/s）；貼片單片機(jī)；貼片 led；電阻、電容等。 電路板自行設(shè)計(jì)，統(tǒng)一雕刻 三、設(shè)計(jì)要求 基本要求： （ 1）顯示方式為指針式，旋轉(zhuǎn)顯示時(shí)鐘的 12 個(gè)刻度和 3個(gè)指針。時(shí)間設(shè)置可手動(dòng)調(diào)節(jié)； （ 2） 利用單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)； （ 3）制作一個(gè) 鍵盤來實(shí)現(xiàn)上述控制。 發(fā)揮部分： （ 1）數(shù)字式顯示，旋轉(zhuǎn)顯示出時(shí)間的數(shù)字值，顯示方式可切換； （ 2）顯示出漢字和任意圖形； （ 3）使用時(shí)鐘芯片來控制時(shí)間； （ 4）自制為系統(tǒng)供電的電源。 提高創(chuàng)新部分： （ 1）設(shè)計(jì)立體回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) LED，顯示時(shí)鐘、漢字和任意圖形； （ 2）利用無線供電技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作無線供電模塊為旋轉(zhuǎn)電路板供電； （ 3）將旋轉(zhuǎn) LED 應(yīng)用于生活中的產(chǎn)品。 2 摘 要 旋轉(zhuǎn) LED 顯示 是利用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)態(tài)掃描代替?zhèn)鹘y(tǒng)逐行掃描方式，顯示屏其實(shí)質(zhì)就是與機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)配合起來的動(dòng)態(tài)掃描顯示技術(shù)。本設(shè)計(jì)利用高速旋轉(zhuǎn)中控制 LED燈的亮滅，進(jìn)行字符的顯示控制器采用 STC89C52 單片機(jī)借助人的視覺暫留效果通過 led 燈的機(jī)械掃描方式來顯示各種字符和圖像，單片機(jī)控制各個(gè) led燈在旋轉(zhuǎn)平面上相應(yīng)的位置上點(diǎn)亮但由于人的視覺暫留會(huì)誤認(rèn)為每個(gè)點(diǎn)都是同時(shí)點(diǎn)亮的。 Led 旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘正是基于機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)以及人的視覺暫留效果做成的它主要包括單片機(jī)STC89C52 、時(shí)鐘芯片 DS1302 等。 效果奇特。加入了現(xiàn)代科技的元素，利用人眼的視覺暫留特性。用單片機(jī)作為主控芯片，采用電機(jī)帶動(dòng)發(fā)光二極管高速旋轉(zhuǎn)，霍爾傳感器進(jìn)行定位利用刷屏顯示原理呈現(xiàn)時(shí)鐘畫面及DS18B20溫度顯示。造型及顯示效果個(gè)性、新穎，解決了傳統(tǒng)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)單一，顯示效果固定的缺陷，更好了滿足了人們對(duì)美的追求。 現(xiàn)今人們家庭用的時(shí)鐘主要還是傳統(tǒng)意義上的時(shí)鐘，固定的表盤與表針，顯示效果單一，不能滿足時(shí)鐘不但用來看時(shí)間還是一件很好的裝飾品的要求。隨著科技的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了以 DIY為主要形式的旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘作品。 但是隨著單片機(jī)技術(shù)、高亮發(fā)光二極 管制造技術(shù)和高速穩(wěn)定電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，這種千奇百怪、創(chuàng)意無限的電子旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘必將走進(jìn)千家萬戶。 關(guān)鍵詞： 旋轉(zhuǎn) LED,電子鐘，單片機(jī) 3 目 錄 一、 旋轉(zhuǎn) LED 顯示的發(fā)展趨勢 ........................................4 旋轉(zhuǎn) LED顯示特點(diǎn) ...............................................4 2. 旋轉(zhuǎn) LED顯示需求分析 ...........................................5 二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) ...............................................6 方案論證 .......................................................6 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) ...............................................6 電路結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì) ...............................................7 電路原理圖的設(shè)計(jì) ...............................................7 三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ....................................................8 單片機(jī)及芯片元器件的原理及設(shè)計(jì) .................................8 電機(jī)及各芯片元器件的選擇 ......................................14 電路板的設(shè)計(jì)及制作 ............................................15 四、電路板及各元器件的焊接與安裝 ................................16 電路板的焊接 ..................................................16 電機(jī)底座支架設(shè)計(jì) ..............................................17 電機(jī)和電路板安裝組合 ..........................................18 五、程序設(shè)計(jì)與調(diào)試 .................................................19 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) ................................................19 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì) ..............................................19 六、系統(tǒng)調(diào)試 ........................................................20 在 Keil中的調(diào)試 ...............................................20 系統(tǒng)程序源代碼 ................................................22 硬件故障檢查 ..................................................22 旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘總體運(yùn)行顯示 ..........................................23 七、結(jié)論 ............................................................24 八、參考文獻(xiàn) .......................................................25 九、附錄 ............................................................26 4 一、 旋轉(zhuǎn) LED 顯示的發(fā)展趨勢 旋轉(zhuǎn) LED 顯示特點(diǎn)： 旋轉(zhuǎn) LED時(shí)鐘主要利用了人眼的視覺暫留現(xiàn)象來顯示時(shí)鐘的鐘面。 視覺暫留現(xiàn)象（ Visual staying phenomenon， duration of vision）：人眼在觀察景物時(shí)，光信號(hào)傳人大腦神經(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”，其原因是由視神經(jīng)的反應(yīng)速度造成的，其時(shí)值是二十四分之一秒，通常情況下，視覺殘留會(huì)保持 ~ 秒，也就是說以 ~ 秒間隔閃爍的圖像，被人眼觀察，會(huì)被認(rèn)為是連續(xù)的圖像。視覺殘留是動(dòng)畫、電影等視覺媒體形成和傳播的根據(jù)。 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已明顯地朝巨型化、單片化、網(wǎng)絡(luò)化三個(gè)方向發(fā)展。巨型 化發(fā)展的目的在于不斷提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和處理能力，以解決復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)處理，比如系統(tǒng)仿真和模擬、實(shí)時(shí)運(yùn)算和處理。單片化是把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)盡可能集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，其目的在于計(jì)算機(jī)微型化和提高系統(tǒng)的可靠性，這種單片計(jì)算簡稱單片機(jī)。單片機(jī)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)主要是針對(duì)自動(dòng)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的所以單片機(jī)又稱微控制器 MCU（ Micro Controller Unit）。用它可以很容易地將計(jì)算機(jī)嵌入到各種儀器和現(xiàn)場控制設(shè)備中，因此單片機(jī)又叫做嵌入式微控制器（ Embedded MCU）。單片機(jī)自 20世紀(jì) 70年 代問世以來，以其鮮明的特點(diǎn)得到迅猛發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于家用電器、智能玩具、智能儀器儀表、工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，性能不斷提高，品種不斷豐富，已經(jīng)形成自動(dòng)控制的一支中堅(jiān)力量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的單片機(jī)年容量已達(dá) 1～ 3億片，且每年以大約 16％的速度增長，但相對(duì)于國際市場我國的占有率還不到 1％。這說明單片機(jī)應(yīng)用在我國有著廣闊的前景。對(duì)于從事自動(dòng)控制的技術(shù)人員來講，掌握單片機(jī)原理及其應(yīng)用已經(jīng)成為必不可少的學(xué)習(xí)任務(wù)。 單片機(jī)經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，已經(jīng)形成一個(gè)規(guī)格齊全、品種繁多的大家族，用戶有非常大的選擇余 地。下面為讀者簡單介紹目前市面上常見的主流單片機(jī)。 單片機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)控制領(lǐng)域、家電產(chǎn)品、智能化儀器儀表、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，特別是機(jī)電一體化產(chǎn)品中，都有重要的用途。其主要的用途可以分為以下方面。 顯示：通過單片機(jī)控制發(fā)光二極管或是液晶，顯示特定的圖形和字符。 5 機(jī)電控制：用單片機(jī)控制機(jī)電產(chǎn)品做定時(shí)或定向的動(dòng)作。 檢測：通過單片機(jī)和傳感器的聯(lián)合使用，用來檢測產(chǎn)品或者工況的意外 發(fā)生。 通信：通過 RS232串行通信或者是 USB通信，傳輸數(shù)據(jù)和信號(hào)。 科學(xué)計(jì)算：用來實(shí)現(xiàn)簡單的算法。 那么單片機(jī)是不 是解決上述應(yīng)用的唯一選擇呢？當(dāng)然不是！目前，在自動(dòng)控制中，一般有三種選擇，分別是嵌入式微機(jī)、 DSP和單片機(jī)。 單片機(jī)最明顯的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，從幾元人民幣到幾十元人民幣。這是因?yàn)檫@類芯片的生產(chǎn)量很大，技術(shù)也很成熟。 其次，單片機(jī)的體積也遠(yuǎn)小于其他兩種方案。單片機(jī)本身一般用 40 引腳封裝，當(dāng)然功能多一些的單片機(jī)也有引腳比較多的，如 68 引腳，功能少的只有 10 多個(gè)或20多個(gè)引腳，有的甚至只有 8只引腳。 當(dāng)然，單片機(jī)無論在速度還是容量方面都小于其他兩種方案，但是在實(shí)際工作中并不是任何需要計(jì)算機(jī)的場合都要求計(jì)算機(jī)有很高的 性能。例如，控制電冰箱的控制器就不需要使用嵌入式系統(tǒng)，用一片 51 就可以輕松實(shí)現(xiàn)。所以應(yīng)用的關(guān)鍵是看能否夠用，是否有很好的性能價(jià)格比。 51 系列的單片機(jī)已經(jīng)面世十多年，依然沒有被淘汰，還在不斷發(fā)展中，這就說明是他有廣闊的應(yīng)用前景。 旋轉(zhuǎn) LED 顯示需求分析： 目前市場上提供的無論是機(jī)械鐘還是石英鐘在晚上無照明的情況下都是不可見的。要知道當(dāng)前的時(shí)間，必須先開燈，故較為不便。而我所設(shè)計(jì)的電子鐘在晚上完全可以看見，不用開燈就能看見。這個(gè)新穎 LED 旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘是以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的，本設(shè)計(jì)采用的是 ATMEL 公司的 STC89C52 芯片，美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 2K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置用 8位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。 在這里，我們?cè)O(shè)計(jì)的是一個(gè)可以平面顯示時(shí)間、轉(zhuǎn)速、制作人的新穎旋轉(zhuǎn)電子鐘。 6 二、 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 方案論證 人眼在觀察景物時(shí)，光信號(hào)傳人大腦神經(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”，其原因是由視神經(jīng)的反應(yīng)速度造成的，其時(shí)值是二十四分之一秒，通常情況下，視覺殘留會(huì)保持 ~，也就是說以 ~，被人眼觀察，會(huì)被認(rèn)為是連續(xù)的圖像。視覺殘留是動(dòng)畫、電影等視覺媒體形成和傳播的根據(jù)。本次旋轉(zhuǎn) LED 可以歸納為動(dòng)態(tài)掃描和機(jī)械旋轉(zhuǎn)兩部分，其實(shí)質(zhì)就是與機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)配合起來的動(dòng)態(tài)掃描顯示技術(shù)。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn) LED 顯示屏是通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電路板，電路板上排列的 24 個(gè) LED 燈受單片機(jī)控制在特定的位置（傳感器感應(yīng)位置）亮或滅，從而顯示出特定的字符或圖形。本作品主要是根據(jù)人的視覺暫留原理設(shè)計(jì)的。采用高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)帶動(dòng)電路板高速旋轉(zhuǎn)