1、 Beijing Jiao Tong University 基于視覺暫留的電子時鐘設(shè)計學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院班 級：姓 名：指導(dǎo)教師：時 間：2013.12.15基于視覺暫留的電子時鐘設(shè)計摘 要隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對精神生活的追求也愈加強(qiáng)烈，對信息的渴求已成為了人們必不可少的需要，更加簡捷與新穎的信息傳遞方式無疑會給人們帶來耳目一新的感受。而現(xiàn)代工具務(wù)求簡捷化、便攜化，因此，搖動顯示裝置的到來，必將會給人們帶來一種新的方便的文化傳遞方式。電子時鐘主要是利用電子技術(shù)將時鐘電子化、數(shù)字化，擁有時鐘精確、體積小、界面友好、可擴(kuò)展性能強(qiáng)等特點，被廣泛應(yīng)用于生活和工作當(dāng)中。本設(shè)計基于人的視

2、覺暫留原理，通過分時刷新8個發(fā)光二極管來顯示時鐘信號。輸出信號頻率的控制通過單片機(jī)來實現(xiàn)，用水銀開關(guān)來檢測當(dāng)前搖動狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行搖動時，由于人的視覺暫留原理，會在發(fā)光二極管搖動區(qū)域產(chǎn)生一個視覺平面，在視覺平面內(nèi)的二極管通過不同頻率的刷新，會在搖動區(qū)域內(nèi)顯示從DS1302讀取好的時鐘信息，從而達(dá)到在該視覺平面上傳達(dá)信息的作用。關(guān)鍵詞：電子時鐘；搖動顯示；AT89C51；DS1302基于單片機(jī)的電子時鐘一、引 言時間是人類生活必不可少的重要元素，如果沒有時間的概念，社會將不會有所發(fā)展和進(jìn)步。從古代的水漏、十二天干地支，到后來的機(jī)械鐘表以及當(dāng)今的石英鐘，都充分顯現(xiàn)出了時間的重要，同時也代表著科技的進(jìn)步

3、。致力于計時器的研究和充分發(fā)揮時鐘的作用，將有著重要的意義。1.1系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計一個基于DS1302的電子時鐘，要求不會因掉電影響走時的準(zhǔn)確性。顯示部分需要基于視覺暫留原理，通過左右搖動LED線陣來顯示當(dāng)前時間。 1.2系統(tǒng)設(shè)計思路及特點該LED顯示棒搖動時顯現(xiàn)時間由LED燈顯示，LED燈成線狀排列，每個瞬間線陣只能顯示數(shù)字編碼后的文字或圖形的一列，利用人眼的視覺暫留原理，將需要顯示的字符或圖形分成N列（N8），一般人手左右擺動的頻率為幾赫茲到十幾赫茲，因此，通過單片機(jī)控制LED線陣以一較低頻率掃描需要顯示數(shù)字的每一列，擺動顯示棒時即可因視覺暫留看出需要顯示的時間；左右擺動一次通過端口電平變

4、化，調(diào)用相應(yīng)的顯示子程序，通過外部中斷實現(xiàn)，該系統(tǒng)設(shè)計對程序設(shè)計的要求較硬件電路要高。 二、基于單片機(jī)的電子時鐘硬件選擇分析考慮單片機(jī)貨源充足、價格低廉，可軟硬件結(jié)合使用，能夠較方便的實現(xiàn)系統(tǒng)的多功能性，故采用單片機(jī)作為本設(shè)計的硬件基礎(chǔ)。2.1主要IC芯片選擇2.1.1微處理器選擇目前在單片機(jī)系統(tǒng)中，應(yīng)用比較廣泛的微處理器芯片主要為8XC5X系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)均采用標(biāo)準(zhǔn)MCS-52內(nèi)核，硬件資源相互兼容，品類齊全，功能完善，性能穩(wěn)定，體積小，價格低廉，貨源充足，調(diào)試和編程方便，所以應(yīng)用極為廣泛。例如比較常用的AT89C2052單片機(jī)，帶有2KB Flash可編程、可擦除只讀存儲器（E2P

5、ROM）的低壓、高性能8位CMOS微型計算機(jī)。擁有15條可編程I/O引腳，2個16位定時器/計數(shù)器，6個中斷源，可編程串行UART通道，并能直接驅(qū)動LED輸出。僅僅是為了完成時鐘設(shè)計或者是環(huán)境溫度采集設(shè)計，應(yīng)用AT89C2052單片機(jī)完全可以實現(xiàn)。但是將兩種功能結(jié)合在一片單片機(jī)上，就需要更多的I/O引腳，故本設(shè)計采用具有32根I/O引腳的AT89C52單片機(jī)。AT89C52單片機(jī)是一款低功耗，低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB（可經(jīng)受1000次擦寫周期）的FLASH可編程可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（EPROM），器件采用CMOS工藝和ATMEI公司的高密度、非易失性存儲器（NUR

6、AM）技術(shù)制造，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-52兼容。片內(nèi)的FLASH存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此，AT89C52是一種功能強(qiáng)，靈活性高且價格合理的單片機(jī)，可方便的應(yīng)用在各個控制領(lǐng)域6。AT89C52具有以下主要性能：1. 4KB可改編程序Flash存儲器；2. 全靜態(tài)工作：024Hz；3. 128×8字節(jié)內(nèi)部RAM；4. 32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口；5. 6個中斷優(yōu)先級； 2個16位可編程定時計數(shù)器；6. 可編程串行通道；7. 片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89C52是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計的，其工作頻率可下降到0Hz，并提供兩種可用軟

7、件來選擇的省電方式空閑方式（Idle Mode）和掉電方式（Power Down Mode）。在空閑方式中，CPU停止工作，而RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。圖2.1 AT89C52芯片PDIP封裝引腳圖AT89C51為適應(yīng)不同的產(chǎn)品需求，采用PDIP、TQFP、PLCC三種封裝形式，本系統(tǒng)采用雙列直插PDIP封裝形式。2.1.2 DS1302簡介DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘日歷芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用S

8、PI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓寬達(dá)2.55.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。有主電源和備份電源雙引腳，而且備份電源可由大容量電容（1F）來替代。需要強(qiáng)調(diào)的是，DS1302需要使用32.768KHz的晶振。2.1.3 DS1302引腳說明圖2.2 DS1302芯片引腳圖其的引腳功能參照表2.1。表2.1 DS1302引腳功能說明引腳號名稱功能1VCC1備份電源輸

9、入2X132.768KHz晶振輸入3X232.768KHz晶振輸出4GND地5RST控制移位寄存器/復(fù)位6I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出7SCLK串行時鐘8VCC2主電源輸入2.2硬件電路設(shè)計該系統(tǒng)使用AT89C51單片機(jī)作為核心，通過讀取時鐘日歷芯片DS1302數(shù)據(jù)，完成此電子時鐘的主要功能時鐘。整個電路使用了兩種電源，+5V電源將為整個電路供電。而+3V電源僅作為DS1302的備用電源。當(dāng)+5V電源被切斷后，DS1302啟用+3V電源，可以保持DS1302繼續(xù)工作。當(dāng)+5V電源恢復(fù)供電，程序依然顯示當(dāng)前時間，而不會因為斷電使系統(tǒng)復(fù)位到初始化時間，避免了重新校時的麻煩。2.2.1 STC89C51最小

10、系統(tǒng)板設(shè)計2.2.2時鐘電路設(shè)計系統(tǒng)時鐘應(yīng)用了實時時鐘日歷芯片DS1302，其連接如下圖。該硬件電路設(shè)計簡單，抗干擾能力強(qiáng)。如圖，STC89C51單片機(jī)P3.7直接接DS1302的RST端，上電后，AT89C51的P3.7腳自動輸出高電平。P3.4作為串行時鐘接口，P3.5作為時鐘數(shù)據(jù)的I/O。DS1302采用雙電源供電，平時由+5V電源供電，當(dāng)+5V掉電之后，由圖中BT1（+3V備用電池）供電。特別需要注意X1和X2兩端連接的晶振Y1，該晶振頻率為32.768KHz。2.2.3 LED模塊設(shè)計系統(tǒng)電源VCC為5V，下載程序和調(diào)試時一定要保證5V電壓，MCS-51單片機(jī)作為控制器，在它的P1口

11、接有8只以共陽的方式連接的高亮度LED,由單片機(jī)輸出低電平點亮。P1口的上拉電阻不能少。串在LED公共端的二極管D1會產(chǎn)生一定的壓降，用來保護(hù)LED,經(jīng)試驗測試LED點亮?xí)r兩端電壓為3V左右，在LED的安全承受范圍之內(nèi)。三、基于視覺暫留的電子時鐘軟件分析3.1軟件設(shè)計思路在搖動LED棒的時候單片機(jī)必須單程傳送數(shù)據(jù)否則顯示的圖形會產(chǎn)生重影，影響視覺效果。因此當(dāng)系統(tǒng)開始工作后通過慣性開關(guān)的位置來使單片機(jī)實現(xiàn)單程傳送數(shù)據(jù)給LED。如果慣性開關(guān)位于右邊，則進(jìn)入外部中斷1并將一變量置1。在變量為1期間讓單片機(jī)以一定的頻率將數(shù)據(jù)傳送給LED。如果慣性開關(guān)位于左邊，則進(jìn)入外部中斷0并將變量置0,。在這期間單

12、片機(jī)不會傳送數(shù)據(jù)給LED。在送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)送完后應(yīng)延時一段時間來使搖動時顯示的每個字不會太擁擠。之后再立刻熄滅LED并開始重新判斷慣性開關(guān)的位置。3.2主程序流程圖通過軟件設(shè)計思路分析，得到該系統(tǒng)的主程序流程圖如下：開始系統(tǒng)初始化開關(guān)在左邊嗎？外部中斷T0置標(biāo)志位讀DS1302判斷標(biāo)志位LED燈熄滅YN顯示并清標(biāo)志位系統(tǒng)開始運行，內(nèi)部進(jìn)行初始化后，等待外部中斷。當(dāng)搖動到指定位置時，由滾珠開關(guān)出觸發(fā)外部中斷，再經(jīng)過一段時間延時后開始顯示。顯示完成返回主程序，等待下一個搖動周期的到來。四、課設(shè)心得隨著科技進(jìn)步和生活水平的提高，越來越多的高科技的電子產(chǎn)品逐漸融入日常生活中，該種顯示棒操作簡易、效果新奇，深具吸引力，市場潛力巨大。當(dāng)然，本文的設(shè)計還存在著一些缺陷，由于設(shè)計時間緊迫，數(shù)字編碼設(shè)計時，水平分格較少，導(dǎo)致顯示的水平幅度較低；由于掃描時間間隔設(shè)定