1、前言

目前，时钟的种类是越来越多样，功能是越来越丰富了，但大多时钟还是传统上的时钟，即固定的表盘与指针，其形式与功能都比较单一，故难以吸引人。而一款旋转时钟不仅在创意上摆脱了传统时钟的设计而且也能迎合人们猎奇的心理，并且功能也可以多样化，不仅可以显示时间、日期，甚至连文字都能够显示。文章基于单片机设计了一款跟传统机械时钟一样具有秒针、分针、时针和表盘刻度的旋转时钟，并且具有准确显示即时时间和校准时间功能，且均可由红外遥控器方便完成。

2、总体设计思想及方案

文章拟采用16个发光二极管的亮灭来模拟时钟表盘，其旋转用一个直流电机转动来实现;时钟的1s源信号用DS1302时钟芯片产生;为了保证时钟盘面显示的稳定采用红外对管来实现;为了对旋转起来的电路板供电方便，采用无线供电;为了能够方便地调节旋转时钟的时间，拟采用红外遥控。故该系统的硬件模块主要由以下几部分组成：显示模块、无线供电模块、单片机最小系统模块、红外遥控模块、时钟模块、校准模块、电机驱动模块。其系统原理框图如图2.1所示。其中无线供电模块利用线圈耦合将能量传输给单片机系统，单片机系统就能正常工作了。电机带动单片机系统快速旋转;然后单片机再快速读取时钟模块的时间，并将这些时间信息送给显示模块;显示模块就能根据这些时间信息控制相应的发光二极管亮灭，再配合电机的旋转就能实现时钟的显示了。由于整个时钟是高速旋转的，所以对时间、位置等参数的设置采用红外遥控模块来实现比较方便。时钟模块就是为整个系统提供准确的时间，而校准模块是用来对时钟显示的起点进行检测。

3、单元模块电路分析与设计

3.1单片机最小系统模块分析与设计

单片机最小系统模块是由单片机芯片(STC12C5A60S2)、时钟晶振电路和复位电路组成。其中复位电路能够实现按键复位和上电即复位的两个功能。时钟晶振电路使用12MHz的晶振，给单片机提供时钟信号。STC12C5A60S2芯片的31脚(/EA端)接高电平，使其从内部的程序存储器读取指令，为了防止31脚意外输出低电平而将单片机烧坏，需要在31脚外接一个10K的电阻。

3.2无线供电模块分析与设计

无线供电模块由发送模块和接收模块组成。其中无线发送模块主要由三极管B772和9013以及初级线圈等组成。其中B772工作时发热会很厉害，所以要外加散热片。电路主要工作原理是根据法拉第电磁感应定律，先将直流电变成交流电，然后通过初级线圈将能量发送出去，次级线圈最终感应得电，在经过相应的电路从而完成对单片机供电。其中，直流电转交流电部分采用的是一个自激震荡电路。

无线接收模块原理主要如下：首先次级线圈用来接收发送模块的初级线圈发送出来的能量，因为发送模块采用的是直流变交流将能量传送出去，所以次级线圈最总感应到的是交流电，而单片机的供电要求是直流电，所以必须经过整流才能变成直流电，最后再经7805稳压芯片，用来输出稳定的5V电源，用来给单片机供电。

3.3电机驱动模块分析与设计

电机驱动模块使用的电机是RF370电机，当其工作电压选在5V时它的转速在2500～3100转/分，电流也只需20mA，非常省电，并且转速能满足设计要求，旋转时噪音也小，所以很适合用来完成设计。电机是通过一个2脚插针连接到无线供电发送模块中的，此时5V电源给电机供电。由于电机工作的时候会储存能量，当停止工作的时候就会释放掉，为了避免电机释放的电流可能会烧坏其它电路，故需在电机两端并联一个限流二极管1N4148起保护电路作用。

3.4时钟模块分析与设计

时钟模块就由时钟芯片DS1302与其外围硬件电路组成。DS1302芯片在2脚和3脚之间接一个32.768KHz的晶振，DS1302芯片内部经过分频就能得到1Hz的标准信号，为时钟提供精准的时间信号。8脚的Vcc1外接3V纽扣电池，当模块断电后，它能让DS1302继续工作来保存时间数据;1脚的VCC2也是要外接电源5V，当双电源时VCC2作为主电源给模块供电;5脚(/RST)是复位/片选端，用来控制DS1302与外通信，接单片机P3.5引脚;7脚(SCLK)是串行时钟输入端，为数据传输提供时钟，该脚与单片机的P3.7脚连接;6脚(I/O)是串行数据输入/输出端(双向)，为通信时数据传输引脚，与单片机的P3.6脚连接。

3.5校准模块分析与设计

由于旋转时钟要让LED旋转起来要有圆形的效果，那么就要借助传感器或红外对管来帮助判断出起点位置，也能让时钟的盘面显示固定。本设计采用的是红外对管，其中红外发射管是焊接在无线供电发送模块中的，红外接收管与单片机的P3.3引脚相连，当接收管收到发射管信号时，电阻值会变得很小，此时P3.3处输出低电平;当没接收到信号时，接收管的阻值就变的很大，此时P3.3处就输出高电平，即产生了一个下降沿。P3.3脚是单片机外部中断1的输入引脚，如果将该中断设置为下降沿触发，则来了下降沿就立马触发中断，让单片机转去执行起点检测程序，以实现时钟能够正常准确显示。

3.6显示模块分析与设计

显示模块就利用一排LED灯来实现显示时钟效果。在该设计中，借助16个LED灯与单片机的P1、P0引脚相连来完成，其中D1～D4是绿色LED灯，D5～D16是红色LED灯。D1用来显示时钟圆盘边框，D2～D4用来显示表盘刻度，如果时间是12点、3点、6点、9点时就亮3个灯，如果是其他时刻时就亮两个灯。D5～D16是用来实现表盘指针的显示，让显示效果跟实际的时钟指针一样。由于时钟中，秒针最长，所以显示秒针时D5～D16要全部点亮;分针的长度居中，所以显示时就D8～D16要全部点亮;时针的长度最短，所以显示时就只点亮D11～D16。

3.7红外遥控模块分析与设计

红外遥控模块由遥控器和接收模块组成，使用的遥控器采用的是NEC协议，许多家电的红外遥控就是采用这种协议。接收模块用到了红外一体化接收头VS1838B，其中它的3引脚接电源5V，2脚接地，1脚把接收头解调后的信号传送到单片机的外部中断0引脚(即P3.2)，利用中断未让单片机实现红外解码。

4、软件程序分析与设计

程序设计的主要思想是：先用一个定时器产生固定的时间中断，中断执行的主要任务是让一个变量(就取名为Count)自加1。这个变量Count很重要的，因为就是根据它的值来决定显示的。比如电机每旋转一圈，Count就从0加到180，一个表盘有60个刻度(即因秒和分都是60)，那Count每加15，单片机就要驱动LED显示相应的时刻点，一直加到180，那12个时刻度点就显示出来了。所以Count的最大值最好与60成倍数关系。

解决时钟指针的显示就只要读取DS1302的时间然后分别判断Count是否到达秒、分、时相应的Count值，如果到达了就分别显示出秒针、分针、时针。比如读取DS1302的秒值等于20，由于旋转一圈Count最大180，而一圈共60秒，因180/60=3，那么当Count从0加到180的过程中，当加到20*3=60时，此时单片机就要将秒针对应的LED点亮。分针显示原理与此类似，因为一个表盘上分也是有60个刻度。而时针的算法就有区别了，因为一个表盘上，时才有12个刻度。时的算法是这样的，(Hour*15)+(Minu/4)。因为表盘一圈，Count加到180，而表盘上时只有12个点，所以180/12=15，再加上分的移动会影响时针的走动，之间的换算关系是：(Minu*3)/12，Minu*3是此时分对应的Count值，而分走360度时只走30度，所以360/30=12。综合显示时所对应的Count值就是(Hour*15)+(Minu/4)。这样做的要求就是定时器的中断时间要密切配合电机旋转周期，并且电机的转速要稳定。

5、系统功能测试分析

实物焊接电路如图5.1和5.2所示。图5.1是电路板正面，这上面能看到的模块分别有单片机最小系统模块、显示模块、时钟模块、红外遥控接收模块和无线供电接收模块。图5.2是电路板反面，这上面有红外对管接收模块，无线供电接收线圈。2个螺丝是用来配重的。

功能测试效果如图5.3、5.4、5.5和5.6所示。其中图5.3是系统上电后显示的即时时间10：43：12;图5.4表示时钟正常走动9秒后的时间10：43：21;图5.5是调整时针效果图，由刚才的10点调整到了1点;图5.6是调整分针效果图，由刚才的39分调整到50分。由测试结果可以看出，电子旋转时钟运行正常，时间显示准确、表盘显示稳定、调整时间功能亦能实现，所以设计功能达到了预期要求。

6、结束语

测试结果表明，文中设计的旋转时钟相比于市场上其他的方案，具有以下优点：①表盘(包括刻度和指针)显示稳定，不会出现颤动现象;②时间走动能够一直准确正常，不会出现运行一段时间后跑时错误，指针乱指等现象;③显示的亮度一致，不会出现显示亮度不匀称现象。当然，该设计也存在功能需要进一步提升的地方，比如可以加入显示日期和文字等，使表盘显示的内容增多，并且通过按键来切换显示模式等。

STC12C5A60S2

STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机。它是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。

特点

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。

1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051;

2.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V(5V单片机)STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V(3V单片机);

3.工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0～420MHz;

4.用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节;

5.片上集成1280字节RAM;

6.通用I/O口(36/40/44个)，复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA;

7. ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片;

8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM);

9.内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地);

10.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为±5%,3.3V单片机为1.30V，误差为±3%;

11.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为±5%到±10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准;

12.共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器;

13. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟;

14.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块， Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3);

15. PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路)：

STC12C5A60S2管脚图

——也可用来当2路D/A使用

——也可用来再实现2个定时器

——也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持);

16.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)，通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口;

17. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3);

18.工作温度范围：-40 - +85℃(工业级) / 0 - 75℃(商业级)21.封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接 74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口, 还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。

STC12C5A60S2是8051系列单片机，与普通51单片机相比有以下特点：

1、同样晶振的情况下，速度是普通51的8~12倍

2、有8路10位AD

3、多了两个定时器，带PWM功能

4、有SPI接口

5、有EEPROM

6、有1K内部扩展RAM

7、有WATCH_DOG

8、多一个串口

9、IO口可以定义，有四种状态

10、中断优先级有四种状态可定义

引脚功能

VCC：供电电压;

GND：接地;

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高;

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收;

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号;

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：

P3.0 RXD(串行输入口)

P3.1 TXD(串行输出口)

P3.2 INT0(外部中断0)

P3.3 INT1(外部中断1)

P3.4 T0(记时器0外部输入)

P3.5 T1(记时器1外部输入)

P3.6 WR (外部数据存储器写选通)

P3.7 RD (外部数据存储器读选通)

同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号;

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高平时间;

ALE / PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效;

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现;

EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM;注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP);

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入;

XTAL2：来自反向振荡器的输出;

产品优势

在众多的51系列单片机中，要算国内STC公司的1T增强系列更具有竞争力，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASHROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

DS1302

DS1302是由美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。

现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。本文介绍的实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。

工作原理

DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.0V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

结构

DS1302的引脚排列,其中Vcc2为主电源，VCC1为后备电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器;其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。 下图为DS1302的引脚功能图：

DS1302封装图

控制字节

DS1302 的控制字如图2所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。

数据流

在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。

寄存器

DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表1。

此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作;另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。

软硬件

DS1302与CPU的连接需要三条线，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。

CPU连接

实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个32.768kHz 的晶振即可。只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。

问题说明

DS1302 与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位Write Protect(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护;D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据;D5～D1指定输入或输出的特定寄存器;最低位LSB(D0)为逻辑0，指定写操作(输入)， D0=1，指定读操作(输出)。

在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。

DS1302与RAM相关的寄存器分为两类:一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作;再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM的31个字节。

要特别说明的是备用电源B1，可以用电池或者超级电容器(0.1F以上)。虽然DS1302在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。可以用老式电脑主板上的3.6V充电电池。如果断电时间较短(几小时或几天)时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。100 μF就可以保证1小时的正常走时。DS1302在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。

结论

很多DS1302 存在时钟精度不高，是因为选用的晶振易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间;若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。但是，如果在系统中采用时钟芯片DS1302，则能很好地解决这个问题。