单片机实例分享，无线供电的LED旋转显示万年历

大家一定见过各种各样的万年历吧?下面我就带领大家手工打造一台采用无线供电方式、以LED旋转显示屏作为显示器的万年历。图7.1所示就是这款LED旋转显示万年历的实际效果。所谓LED旋转显示屏，是指在电路中只有一列发光二极管，通过电动机带动发光二极管转动，当这列发光二极管转到不同位置时，用单片机控制相应的发光二极管点亮和熄灭，由于人眼的视觉暂留现象，形成了视觉上的图形或文字。

图7.1 基于LED旋转显示屏的万年历

由于显示屏是靠转动的发光二极管的残留影像显示信息的，其特点是显示信息丰富，而整个电路所需的发光二极管的数量却很少(本电路共使用16只发光二极管)，所以电路原理图非常简单，几乎和流水灯电路无异，很适合手工制作。但由于整个电路板处于高速旋转状态，所以我们首先要解决两问题：一是如何给运动的系统供电;二是如何保证显示信息稳定显示。

如何给运动的系统供电

给运动的系统供电，常用的供电方式有3种：电池供电、电刷供电、无线感应供电。电池供电方式简单方便、易于携带，但它会使系统重量增加，影响转速，而且它成本高、寿命短，因此只适用于摇摇棒等短时间使用的装置，长时间运行的装置就不合适了。比如能显示时间的LED旋转显示屏，每次电池用完，重换电池就够烦心了，换了电池还得重新调整日期、时间，那简直可以用“痛苦”二字来形容。第二种方式——电刷供电，这种供电方式简单有效，能传送较大电流强度的电能，但在业余制作时，很难找到合适的高质量的电刷，高速旋转时会产生较大的噪声。第三种方式——无线感应供电，这种方式为无接触方式供电，寿命长、无新增噪声，虽然传送电流强度有限，效率稍低，但完全可以满足单片机系统的需要，所以本电路采用无线供电方式。无线供电方式技术要求稍高一些，但能增加制作的挑战性和趣味性，因此，本文首先对无线供电电路的设计与电能传输效率进行一些介绍。

无线供电技术目前还在研究试验阶段，但其应用场合非常广泛，前景非常好，比如，已经出现了一些小功率无线充电器应用成品，只要手机或者电子产品具备无线接收装置，靠近无线充电器就可以充电了，除此之外，还有无线射频IC卡、通行证、缴费卡等。

一个LED旋转显示屏需要消耗多大的电能呢?我们来做一个简单的计算：假设我们采用16个高亮度LED，工作时每个LED耗电10mA，单片机的自身耗电较少，暂且忽略不计，则电路所耗电流的最大值为160mA，电压取5V，所以最大总功耗约0.8W。下面我们就按这个要求设计电路。

无线感应供电的基本原理与变压器的原理相同。它利用电磁感应现象，通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载，即在相距很近的两个线圈中，一个线圈作为电能的发送端，另一个线圈作为电能的接收端。通过振荡电路给发送端线圈提供交变电流，在相距很近的接收端线圈中就可以感应出交变电动势，再对这个交变电动势整流、滤波即可对负载供电。图7.2所示为通过无线感应供电方式驱动发光二极管发光的演示。

图7.2 以无线感应供电方式驱动发光二极管发光

图7.3所示是一个简易的近距离无线供电系统原理图。其中原线圈L1及其控制电路构成了发射端，副线圈L2及整流滤波电路构成了接收端，R5为负载电阻。

电路中使用74HC4060产生多谐振荡波，此多谐振荡波通过大功率场效应管IRF530给发送端线圈L1提供交变电流。本电路之所以使用74HC4060组成多谐振荡电路，主要是为了测试方便，74HC4060构成的振荡电路不但频率稳定，而且有10种输出频率可供选择，可以逐一测试每种频率所对应的输出功率和电能传输效率。当选用11.0592MHz的晶体振荡器时，QD端输出为经过16分频的频率——691.2kHz。

图7.3 简易无线供电系统原理图

次级接收电路中的谐振电容C4很重要，加上谐振电容后传输距离大大增加，输出功率和电能传输效率也明显提高。

按图3所示电路及元件参数搭好电路后接通电源，对电路进行测试。当不加任何负载时(L2远离L1)，VT1的漏极电流I1为45mA;当L2与L1紧耦合时，I1增加到110mA，此时负载电阻R5上的电压U2为6.5V的电压，折合功率为0.83W，U1实测电压为13V，电能传输效率为：

电路的输出功率基本能满足LED旋转显示屏的要求，对于小功率设备，电能传输效率应该说是相当不错了。

在无线供电电路的制作中，振荡电路可以采用任何一种形式的多谐振荡器，如三极管振荡电路、集成运放电路或者门电路构成的振荡电路，也可以采用74HC4060这种带振荡器的二进制异步计数器来实现，振荡频率在500kHz左右为宜。另外，比较重要的就是线圈的制作了，发射线圈用Φ0.5左右的电磁线(漆包线)在外径为1cm的骨架上绕48匝，然后固定好;接收线圈用Φ0.2左右的电磁线绕成内径为4mm左右的12匝空心线圈即可，关键是安装时不要使这两个线圈相碰。

最后，根据我的制作体会，给对此有兴趣的爱好者几点建议：

(1)L1匝数较多是为了有足够的感抗(感抗和电感量及交流频率有关)，避免流过的电流过大而发热。其实L1也可以只绕10匝左右，但一定要配上大小合适的谐振电容，使其工作在谐振状态，这样可以获得更好的传输距离、输出功率和电能传输效率，包括L2的谐振电容也是如此。谐振电容的选择可以在示波器监视下进行，谐振电容可以用涤纶电容、聚乙烯电容等，建议不要用瓷介电容。

(2)传输能量时，波形不是很重要，但是失真太大就会使功率管工作在线性区，而非工作在开关状态，这样将使电能的传输效率大幅度下降。如果在功率管的前面增加一级射极跟随器，可以提高波形的质量，从而提高电能的传输效率。

(3)无线供电电路的工作频率不可太高，频率越高对VMOS管的要求也就越高，目前高频特性满足这种要求的VMOS管还不容易找到;频率越低，就要求L1的电感量越大。所以我们通常选择电路的工作频率在200kHz～1MHz为宜。

(4)L2感应的电压经整流、滤波后一定要有稳压电路，以保证单片机工作稳定。

如何保证显示信息稳定显示

要保证LED旋转显示屏显示正常和稳定，就要求单片机控制显示屏总是从电路板转到某一位置时开始播放所要显示的内容。通常的做法就是通过传感器来检测电路板的位置，并通过中断的方式通知单片机进行显示。传感器可以使用霍尔元件或者光电传感器，其中光电传感器要求工艺简单，安装方便。

综上所述，本万年历的电路原理图如图7.4所示。

图7.4 LED旋转显示屏电路原理图

电路说明

本电路采用无线感应供电方式给旋转部分供电，所以电路包括无线供电部分电路和旋转部分电路两部分。

无线供电部分采用图7.3所示电路。

旋转部分是由电动机带动，进行高速旋转，其电路非常简单，首先由接收端线圈产生感应电动势，经二极管VD19整流、电容C4滤波、稳压二极管VD20稳压后得到5V电源给整个电路供电，单片机的16个I/O口线分别控制16个发光二极管。为了方便修改程序，我在电路中安装了ISP下载接口。电动机可以选用5V长轴直流电机。

作为万年历，应该具备显示公历、农历、星期、时间以及环境温度的功能，并且在掉电的情况下，所有信息不丢失，时钟正常走时，这里我们使用时钟芯片DS1302和数字温度传感器DS18B20。

同时在电路中还增加了一体化红外遥控接收头，它用于通过遥控调整时间和其他参数。

需要说明的是，在电路中并没有具体标明单片机的型号，你可以选用最熟悉的单片机，只要I/O口够用就可以了，当然，在I/O口够用的情况下，尽量选用体积小、重量轻的单片机为佳。

另外，在无线供电电路板和旋转电路板之间安装一对红外光电传感器，将电路板的位置状态送到单片机的外部中断请求输入端，用以对显示内容进行定位。

电路组装与调试

本系统电路不太复杂，两块电路都可以在万用电路板上插装、焊接(有条件的话也可制作PCB)而成。制作时首先按照原理图在万用电路板上规划出合理的元件布局，然后按布局图将元件依次插装并焊接，最后把需要连接的引脚用电磁线和镀锡裸铜线连接起来。注意不要短路，线路连接关系不要出错。图7.5所示是装配好的无线供电电路及底座实物图。

图7.5 装配好的无线供电电路及底座

安装时需要将直流电机和供电电路板固定在一个盒子里，使电机的转轴伸出盒外，将发射线圈套在电机转轴上，并以电机转轴为中心。图7.6所示是装配好的旋转主板正、反面的实物图，发光二极管和限流电阻均使用贴片元器件，这样会使得像素更紧凑，显示更清晰。

图7.6 装配好的旋转主板正反面

单片机使用STC12C5616AD，28脚窄体DIP封装。LED与单片机引脚的连接均用电磁线相连，这样走线整齐、美观，还能减小整个电路板的体积，其他引脚的连接使用镀锡裸铜线连接。接收线圈固定在旋转主板的底面，然后随旋转主板一起插到电机转轴上，使接收线圈套在发射线圈的内部，构成变压器的形式。全部安装好以后，需要插到电机轴上，测试一下电路板是否平衡，如果不平衡，可以通过在适当位置加焊锡进行配重。

电路装配好以后，需要对硬件电路进行调试，方法是通过ISP下载线接口对主板供电，依次测试每个发光二极管是否正常发光，或者通过下载器向单片机烧入流水灯等简单程序，观察电路整体运行情况。

Tips

DS1302是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V。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，具有主电源/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。

DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20采用TO-92封装，体积小巧、接线方便，是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。测量温度范围为-55～+125℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，支持3～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。DS18B20的性能是新一代产品中最好的，性能价格比也非常出色，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

程序设计

本万年历的单片机程序流程图如图7.7所示。

图7.7 程序流程图

由程序流程图可知，主程序主要是对外部中断的控制寄存器进行初始化设置。系统共用到两个外部中断源，外部中断0的中断请求信号来自红外光电传感器的红外接收二极管。每当电路板的红外接收二极管转到与之对应的红外发射二极管的位置时，就会向CPU发出中断请求信号，CPU响应中断，调用显示子函数，这样显示子函数总是在电路板转到同一个位置时被调用，保证显示的内容正常和稳定。外部中断1的中断请求信号来自一体化红外遥控接收头，当收到红外遥控信号时，就会转向中断服务程序，对红外遥控信号进行解码，并进行相应的按键操作。因为当接收到红外遥控信号时，对遥控编码中的“0”和“1”的识别完全是靠时间长短区分的，为保证红外信号解码及时和正确，外部中断1必须设置为高优先级。

显示程序在外部中断0的中断服务程序中。编写程序时需要注意的是，在对字符或汉字取模时要采用逐列式，正序和倒序都是可以的，在程序中都可以调整。显示程序其实就是依次取出字模表中的数据，按时间前后顺序均输出到同一列发光二极管上。比如要显示5个汉字，每个汉字16列，共扫描80列，可用如下程序。

unsigned int i;

for (i=0;i<80;i++)

{

P1=tab[2*i];

P2=tab[2*i+1];

delay(70);//延时时间的长短决定了字的宽度

}

P1=0xff;//扫描完所有列后要熄灭所有LED

P2=0xff;

如果想让显示的字符出现如图1所示的效果，上半部是正立的，下半部也是正立的，我们可以编写一个字节倒序的子函数，对取出的字模数据首先作倒序处理，然后，显示程序的i值是从80减小到的，参考程序如下。

unsigned int i;

for (i=80;i)0;i--)

{

P2=chg(tab[2*i]);//chg是对字模数据作倒序处理的子函数

P1=chg(tab[2*i+1]);

delay(70);//延时时间的长短决定了字的宽度

}

P1=0xff;//扫描完所有列后要熄灭所有LED

P2=0xff;

数字温度传感器DS18B20和时钟芯片DS1302的读写程序在这里不再详细列出，需要的读者可以到qq群657864614进行下载。但需要注意的是，温度传感器DS18B20的读写对时序要求非常严格，并且读写过程中一旦被打断，就会导致读写错误，所以DS18B20的读写程序也放在外部中断0的中断服务程序中，我们可以放在显示上半部分文字和显示下半部文字的程序之间，作为两段文字之间的空格。

所有硬件和软件完成之后，下面就可以坐下来慢慢欣赏自己的作品了。

51单片机自动壁障小车设计，附原理图程序全套制作资料

大家好，欢迎关注电气技术微课堂！

在科学探索及紧急抢险中经常要对一些危险或人类不能直接到达的地域进行探测，这就需要用机器人来完成。而机器人在复杂地形行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。避障功能在日常生活中也是比较常见的，像是风靡一时的自动清扫机器人，只需放在地上一会就可以将你的屋子打扫干净，这里面的最基本功能也是避障，当它检测到前方有障碍就会绕开。这样就可以躲避家具将你的地板清理干净了。因此，自动避障系统的研发就应运而生。

MCS-51《单片机原理及接口技术》是中职院校电气自动化专业开设的 一门必修课程，该课程主要是通过对单片机的内部结构、相关外围电路及编程语言的学习，使学生掌握用单片机进行开发设计一些实用电子电路的能力，自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。

一、本设计任务和主要内容

本设计是对以单片机STC89C52RC为核心的系统根据感测模块传输的前方路面信息，控制小车行驶走向的软、硬件设计开发。系统要能够做到准确及时监测前方路面信息并传输给主控模块，做到根据前方路面信息及时调整小车的走向，做到显示小车的走向和小车已经行驶过的路程。

壁障小车的主要功能是：

① 感测模块实时监测路面情况并及时将障碍物的位置传输给单片机；

② 单片机核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动；

③ 电机驱动模块驱动两电机转动，实现转向与行走。

二、系统主要硬件电路设计

根据设计要求，我们的自动避障小车主要由五个模块构成：车体框架、电源及稳压模块、主控模块、探测模块、电机驱动模块组成。 各模块分述如下：

图1 系统模块组成框图

2.1 小车避障原理分析

小车车头处装有三个红外探头，中间一个光电开关对向正前方，两侧的红外探头向两边各分开30度，（如图2所示）。小车在行进过程中由红外探头向前方发射出红外线，当红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。小车根据三个探头接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。

图2 自动避障小车车体及避障原理图

红外探头选用的是E12-D15NK型红外避障传感器，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。E12-D15NK光电开关平均有效探测距离0~30cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。我们小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在10~20cm左右，因而探测距离满足我们的小车需求示意图如下：

图4 红外避障传感器原理图

电气特性：

红色：VCC；黑色：GND；黄色：信号输出；白色：和红线一起外接电位器。

工作电压：5VDC

工作电流：10-15mA

驱动电流：100mA

感应距离：1-15CM

机械特性：

颜色：橙黄色

直径:12MM

长度:35MM

引线长度:25CM(不含接头)

2.2电源模块

方案一： 采用交流电经直流稳压处理后供电 采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。但由于需要电线对小车供电，极大影响了壁障小车行动的灵活性及地形的适应能力。而且壁障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍。故我放弃了这一方案。

方案二： 采用蓄电池供电 蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能，且成本低廉。可采用蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电，再经过降压接7805芯片给单片机及其他逻辑单元供电。但蓄电池体积相对庞大，且重量过大，造成电机负载过大，不适合我们采用的小车车架（玩具电动车车架）。故我放弃了这一方案。

方案三： 采用干电池组进行供电 采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。干电池用电池盒封装，体积和重量较小，同时玩具车底座可以安装四节干电池，正好可为单片机及其他逻辑单元供电。在稳压方面，起始时考虑使用7805芯片对6V的电池电压进行降压稳压。但考虑到这样使得7805芯片消耗大量能量，降低电池寿命；同时，由于STC89C51、光电开关、小车电机对于供电电压要求并不苛刻，故我们将6V电池电压接一个二极管降压后直接给单片机及其他逻辑单元供电。而电机和光电开关的电源不做稳压处理。这样只需在小车主板上加两个调速按钮，根据电池电量选择合适功率即可，甚至于可直接在软件里设置自动换挡。 综合考虑，我采用方案三。

2.3主控模块 3.1、STC89C52RC单片机最小系统

我采用的是STC公司的51内核单片机STC89C52RC，单片机最小系统及概述如下：STC89C52RC单片机介绍

STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

主要特性如下：

1. 增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.

2. 工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

3. 工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

4. 用户应用程序空间为8K字节

5. 片上集成512字节RAM

6. 通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

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（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

8. 具有EEPROM功能

9. 具有看门狗功能

10. 共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2

11. 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

12. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

13. 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

14. PDIP封装

在探测模块和单片机中断接口之间、独立按键与单片机中断接口之间，需要经过电平的逻辑处理进行连接。主要涉及到一个三输入或非门和一个二输入与门。这两个逻辑关系我们直接选用74HC系列的集成芯片实现。 由于三输入或非门在市场上很难购买到，我们采用了两个二输入或非门和一个二输入与门完成了三输入或非门。由于我们采用的74HC08（四二输入与门）、74HC02（四二输入或非门）均为四二输入的，各提供四个二输入与门和四个二输入或非门，我们用各用一片芯片即可实现所需逻辑功能。

2.4电机驱动模块

本系统采用了L298N芯片来驱动电机 ，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合我们小车两个二相电机的驱动要求。 综合考虑，我采用L298N芯片驱动小车电机。

最终方案如下： 使用干电池组对系统供电，改造玩具电动车作为小车底座，采用STC89C52RC作为主控芯片，采用E12-D15NK光电开关进行障碍物探测，使用L298N驱动直流电机。逻辑关系处理使用74HC系列芯片完成。

2.5 总电路图

图5 总电路图设计

三、系统软件设计

3.1程序流程图

本系统设计流程图如下

图6 系统软件主流程图

3.2系统程序清单

#include <reg51.h>

#define uchar unsigned char

#define uintunsigned int

/********************

端口定义

*********************/

sbit IN1=P1^0; //P10与电机驱动IN1相连

sbit IN2=P1^1 //P11与电机驱动IN2相连

sbit IN3=P1^2; //P12与电机驱动IN3相连

sbit IN4=P1^3; //P13与电机驱动IN4相连

uchar INS=P2; //P2端口的^0、P2^1、P2^2分别与左、中、右红外模块输出信号线线相连

uint D=200;//定义延迟函数的参数

/************************

各个子函数定义

***********************/

void Go(void)

{

IN1=0;

IN2=0;

IN3=1;

IN4=0;

}

void Back(void)

{

IN1=0;

IN2=0;

IN3=0;

IN4=1;

}

void Go_left(void)

{

IN1=1;

IN2=0;

IN3=1;

IN4=0;

}

void Go_right(void)

{

IN1=0;

IN2=1;

IN3=1;

IN4=0;

}

void Stop(void)

{

IN1=IN2=IN3=IN4=0;

}

/***

void Back_left(void)

{

IN1=1;

IN2=0;

IN3=0;

IN4=1;

}

void Back_right(void)

{

IN1=0;

IN2=1;

IN3=0;

IN4=1;

}

***/

void Delay(uint n)

{

uint i,j;

i=j=n;

for(;i>0;i--)

for(;j>0;j--);

}

void Be_move(void)

{

uchar temp;

temp=INS&0x07;

switch(temp)

{

case 0x01:Go_right();Go();Delay(D);break;

case 0x02:

case 0x03:

case 0x07:Back();Delay(D);Go_right();Go();Delay(D);break;

case 0x06:Back();Delay(D);Go_left();Go();Delay(D);break;

case 0x04:Go_left();Go();Delay();break;

case 0x05:Go();Delay();break;

default:Stop();Delay();break;

}

}

void main()

{

uchar temp;

while(1)

{

temp=INS&0x07;

if(temp==0x00) Go();

else Be_move();

}

}

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