万年历农历安装：LED旋转显示技术与无线供电的创新结合
我们日常生活中所见的万年历，或许已经不能满足我们对技术与美学的追求。今天，我将引领大家走进一个全新的领域，如何将LED旋转技术与无线供电系统相结合，打造出一款独特的万年历。
图7.1展示了这款LED旋转显示万年历的实际效果。通过无线供电系统驱动的一列LED灯旋转，当它们转动到不同位置时，单片机控制相应的LED灯亮起或熄灭。由于人眼的视觉暂留现象，形成了我们所看到的图形或文字。这种显示方式不仅信息丰富，而且电路原理简单，非常适合手工制作。
关于如何为这款高速旋转的系统供电，我们了三种供电方式：电池供电、电刷供电和无线供电。电池供电虽然方便，但重量大、寿命短，不适合长时间运行的装置。电刷供电虽然简单有效，但在高速旋转时会产生较大噪声。我们选择了无线供电方式，它为无接触方式供电，寿命长、无新增噪声，虽然传送电流强度有限，但完全能满足单片机系统的需要。
对于这款LED旋转万年历，我们需要计算其消耗的电能。假设采用16个高亮度LED，每个LED工作时耗电10mA，而单片机的自身耗电较少，可以忽略不计。那么电路所耗电流的更大值为160mA，电压取5V，所以更大总功耗约为0.8W。
无线供电的基本原理与变压器的原理相同，通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。图7.2演示了通过无线供电方式驱动发光二极管发光的过程。而图7.3则展示了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。电路中使用74HC4060产生多谐振荡波，通过大功率场效应管IRF530给发送端线圈提供交变电流。当选用特定频率的晶体振荡器时，可以得到适合LED旋转的频率。次级接收电路中的谐振电容C4是提高传输效率的关键元件。
在测试这款无线供电系统时，我们发现当不加任何负载时，电流较小；当L2与L1紧密耦合时，电流增加，负载电阻上的电压达到6.5V，此时电能传输效率相当可观。这样的输出功率基本能满足LED旋转的要求。
关于线圈的制作与安装，可谓是此项目的核心所在。发射线圈采用Φ0.5的电磁线（漆包线），在直径为1cm的骨架上紧密绕制48匝，确保固定无误；而接收线圈则采用Φ0.2的电磁线，巧妙编织成内径约4mm的空心线圈12匝。安装过程中需特别小心，避免两个线圈相互触碰。
在此，为对此有兴趣的朋友们分享几点个人的心得体会。L1之所以选择较多的匝数，是为了产生足够的感抗。感抗与电感量及频率密切相关，过多的电流可能会损坏电路。实际上，L1也可以设计约10匝，但必须配合适当大小的谐振电容，使其处于谐振状态，这样可以大大提高传输距离、输出功率和电能传输效率。同样的道理也适用于L2的谐振电容。谐振电容的选择过程可以在示波器的帮助下进行，推荐使用涤纶电容或聚乙烯电容，尽量避免使用瓷介电容。
在传输能量的过程中，波形质量至关重要。如果波形失真过大，功率管会工作在线性区而非开关状态，这会大幅度降低电能的传输效率。为解决这一问题，可以在功率管前增加一级射极跟随器，以优化波形质量，进而提升电能传输效率。无线供电电路的工作频率选择也十分重要。频率过高对VMOS管的要求更高，目前满足这种要求的VMOS管并不易找到；频率过低则要求L1的电感量增大。通常选择电路的工作频率在200kHz～1MHz之间为宜。
关于L2电压的处理，经过整流、滤波后，必须配备稳压电路，以确保单片机工作的稳定性。
要保证LED显示信息的稳定显示，就需要确保单片机控制总是在电路板转到特定位置时开始播放显示内容。这通常通过传感器来实现，检测电路板的位置并通过中断方式通知单片机进行显示。传感器可以选择霍尔元件或光电传感器，其中光电传感器工艺简单、安装方便。
本万年历电路原理图如图7.4所示。该电路采用无线供电方式为旋转部分提供电力，因此包括无线供电部分电路和旋转部分电路两部分。无线供电部分采用了如图7.3所示的精妙电路设计。
旋转部分由电动机带动进行高速旋转，其电路简洁高效。接收端线圈产生的电动势经过二极管VD19整流、电容C4滤波以及稳压二极管VD20稳压后，得到5V电源为整个电路供电。单片机的16个I/O口线分别控制16个发光二极管，以展示各种信息。为了方便程序修改，电路中还配备了ISP接口。电动机可选用5V长轴直流电机。
作为万年历，它应具备显示公历、农历、星期、时间及环境温度的功能，即使在掉电情况下，所有信息也不应丢失，时钟仍应正常走时。为此，我们采用了时钟芯片DS1302和数字温度传感器DS18B20。
电路中增加了一体化遥控接收头，方便通过遥控调整时间和其他参数。值得一提的是，电路中并未具体指明单片机的型号，你可以选择你最熟悉的单片机，只要I/O口够用即可。在I/O口足够的情况下，优选体积小、重量轻的单片机。
为了实现更智能的控制，可以在无线供电电路板和旋转电路板之间安装一对光电传感器，将电路板的位置状态送到单片机的外部中断请求输入端，以精准控制显示内容。
至于电路组装与调试，本系统的电路并不复杂。两块电路均可插在万用电路板上（或进行PCB制作）。在布局时需注意合理的元件排列，然后按照布局图插装元件并连接线路。尤其要注意避免短路和错误的线路连接。装配好的无线供电电路及底座实物图如图7.5所示。
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，并将发射线圈套在电机转轴上，以电机转轴为中心。发光二极管和限流电阻均采用贴片元器件，使像素排列更紧凑，显示更清晰。如图7.6所示为装配好的旋转主板正反面实物图。
单片机选用STC12C5616AD，采用28脚窄体DIP封装。LED与单片机引脚的连接使用电磁线相连，这样的走线既整齐美观又能减小整个电路板的体积。接收线圈固定在旋转主板的底面，随主板一起插到电机转轴上，形成变压器的形式。为了确保电路板的平衡性，可以在适当位置加焊锡进行配重。完成安装后进行全面测试，确保一切正常即可投入使用了。电路装配完成后，调试硬件电路是不可或缺的一环。通过ISP线接口为主板供电，我们逐一测试每个发光二极管，确保它们正常发光。我们还会通过向单片机烧入流水灯等简单程序，来观察电路的整体运行情况。
值得一提的是，DS1302这款由美国DALLAS公司推出的实时时钟电路，具备高性能和低功耗特点，同时带有RAM。它不仅能对年、月、日、星期、时、分、秒进行精确计时，还具有闰年补偿功能。工作电压范围为2.5～5.5V，采用三线接口与CPU同步通信，可一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，采用TO-92封装，小巧且接线方便。它支持“一线总线”接口传输温度数据，测量范围达-55～+125℃，抗干扰性强，适用于恶劣环境。该传感器可设定9～12位分辨率，精度为±0.5℃。DS18B20的性能卓越，价格实惠，让我们能灵活构建经济的测温系统。
在程序设计方面，万年历的单片机程序流程图如图7.7所示。主程序主要负责初始化外部中断控制寄存器。外部中断0用于控制光电传感器的接收二极管，每当电路板转动到特定位置时，会发出中断请求信号，调用显示子函数，确保显示内容正常稳定。外部中断1则响应一体化遥控接收头，处理遥控信号并进行相应按键操作。为保证信号及时准确，外部中断1被设置为高优先级。
显示程序的编写需关注字或汉字的取模方式。正序和倒序调整灵活。显示时，依次取出字模表中的数据，按时间顺序输出到发光二极管上。若要显示正立字效，可编写字节倒序子函数，对字模数据做倒序处理。数字温度传感器DS18B20和时钟芯片DS1302的读写程序需注意严格遵循时序要求，一旦被打断可能导致读写错误。这些程序可放在外部中断0的中断服务程序中，作为显示程序的一部分。
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