POV-LED计时器的设计*

2021-12-24陈一函黄慧雯

山西电子技术 2021年6期

陈一函，黄慧雯，卫宏

(南京林业大学，江苏南京 210037)

1 原理分析

人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。视觉暂留(Persistence of vision)现象是光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍保留一段时间的现象，对于中等亮度的光刺激，视觉暂留时间约为0.1～0.4 s[1]。

本设计就是利用了此原理。在此，以比较常见的时钟显示为例，进行原理的简要说明。如图1(a)为一列共12个排序整齐的LED，以最下方LED为圆心高速旋转，从下至上将LED分别编号为1-12，则当LED12点亮时，则肉眼可见如图1(b)所示的圆环，如果将余下11个LED全部点亮，则会出现一个实心圆，为了达到图1(c)的效果，即出现稳定的指针，则需要在点亮LED后瞬间熄灭，在旋转一周或几周回到同一位置时再次点亮。只要LED熄灭的时间小于人肉眼所能反应光信号变化的时间，那么即使LED位置发生变化或者闪烁，在人的感知中，它仍旧在同一个位置被点亮。1-11号LED作为秒针，每过1 s，将顺时针旋转360°÷60=6°，所以，为了展现指针的运动，只需在同一秒内使之在同一位置点亮，然后在下一秒，使之在顺时针的位置点亮即可。同理，我们将1-9号LED作为分针，1-6号LED作为时针，分针每分钟顺时针转过360°÷60=6°，时针每小时顺时针转过360°÷12=30°。这样，在某一时刻，就能形成图1(d)所示的简单表面。当然，转速越快，LED越多，形成的图像分辨率就越高。

图1 指针经高速旋转的成像过程

至于计时器，相似地，首先使时针停留在预设的时间处，比如图1(d)所示位置，计时开始后，使指针逆时针旋转至0时0分0秒的位置(即为图1 (c)所示位置)，即完成一次计时。

2 方案设计

如图2所示，本设计共有电源、单片机模块、LED模块、红外模块、定时模块共5部分。其中，供电部分因单机转动将导致供电的不便，以及电机驱动线带来转动不便，因此无法使用一般的供电方式，选择无线供电或者电池供电。LED模块负责对LED的闪烁进行控制与旋转物体进行配合从而达到成像效果。定时模块则完成定时的功能。红外模块负责校准以及模式切换功能[2]。作为一款计时器，运用红外进行定时(调整指针位置使之停留在需要的定时时间，如需要定时1分30秒，则红外遥控指针显示1分30秒)后，与显示时钟不同的是，使指针逆时针旋转显示，直至转至初始位置即为定时结束。

图2 程序框图

3 硬件电路设计

3.1 单片机与LED模块

本设计采用12个LED，其中，LED1(P0.0控制常亮)和LED12(P0.4控制常亮)分别为表盘圆心和圆周，R2～R6为时针，R2～R9为分针，R2～R11为秒针，P0.3控制秒针的显示，P0.2同时控制分针和秒针的显示，P0.1同时控制时针、分针和秒针的显示。

3.2 定时模块和红外模块

增加DS1302时钟芯片可以提高定时的可靠性，节省单片机空间，提高单片机的效率，在掉电时仍然正常计时，不需要重新设定时间。同时，在此基础上，可增加时钟功能。在定时开始时，蜂鸣器长鸣1声以提示，定时结束时，蜂鸣器蜂鸣2声以提示，暂停定时和再次启动则均以一声蜂鸣为提示。原理图如图4(a)所示。

单片机P3.2口接红外接收器作为外部中断，作为起始位置的定位(图4(b))；P3.3口接一体化红外接头，作为高优先级外部中断(图4(c))，用于模式切换以及定时的时间设定[3]。

图3 单片机与LED模块

图4 定时模块和红外模块

3.3 供电方式

供电方式可以考虑无线供电，但考虑到成本问题，可直接使用电池为单片机供电，电池盒隐藏在旋转面板背后以保证美观，虽然需要定期更换电池，但在无电源情况下十分便利。

4 软件设计

流程图如图5所示。首先进行各初始化设定以及DS1302的初始时间设定，查询P3.2是否接收到中断信号(即是否处于起始位置)。如是，则显示初始时间(即0点整)，然后查询是否设定定时时间，如是，则在接收到开始计时信号时，控制蜂鸣器长鸣一声，同时指针逆时针转动显示并计时，在计时完成后发出两声蜂鸣表示计时结束。当红外遥控调整时间或暂停计时时，红外接收头会收到红外遥控器发出的红外脉冲，给单片机一组下降沿脉冲中断信号，通过脉冲的不同脉宽实现对各种信号的识别，以达到调整的效果。