DIY小发明：重力感应式智能闹钟的软硬件实现

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一、项目概述
        1.1 引言
        普通的闹钟只具有时间显示和语音提醒功能，若设想一种闹钟不仅可以进行时间显示，而且到达设定的闹钟时间时可以在表盘上显示相关的事务提醒，那么闹钟的功能可以得以极大的丰富。
         
        1.2 项目背景/选题动机
        第一，参照PSoC Rocks例程所演示的效果，拓展到可以用一系列的LED灯来进行文字显示；
         
        第二，曾看过有人用一个马达带动一系列LED灯，并施以一定的控制来完成表盘时钟的显示，觉得既有趣又具有观赏性，所以会想到将其功能复杂化，尝试完成文字显示；
         
        第三，考虑到PSoC开发板集成有重力感应器，可以用来对闹钟的功能进行扩展，当器件处于不同的放置状态时进行不同的内容显示；
         
        二、需求分析
        2.1 功能要求
        1、时钟显示功能：这是系统最基本的功能，通过控制器控制LED灯的点亮与熄灭，在人的视觉暂留效应下，就会在视线里出现表盘和走动的指针；该功能比普通时钟更具观赏性和趣味性。
         
        2、温度显示功能：这是时钟系统的一个附加功能，主要是为了扩展时钟功能并进一步利用PSoC芯片的资源。
         
        3、闹钟功能：这是该系统较大的亮点所在，将闹钟的语音提醒与文字提醒相结合，从更好更准确地完成提醒功能。
         
        2.2 性能要求
        1、时钟的准确度要求：这是时钟必须具备的性能之一，不准确的时钟基本没用。
         
        2、温度的精度要求：温度检测允许存在一定的误差，由于不涉及高精度测量，所以1~2度以内的误差都是可以接受的。
         
        3、显示系统的清晰度要求：LED显示系统的视觉效果应足够清晰易于辨认。
         
        三、方案设计
        3.1 系统功能实现原理（除图片外需有文字介绍）
         

       

        系统硬件结构框图

         
        系统功能说明：该系统通过马达带动一系列的LED灯旋转，加之人的视觉暂留效应从而完成一个简单的显示系统。重力感应传感器用以检测闹钟放置状态，并反馈给控制器从而控制LED显示系统进行不同模式下的内容显示（时钟模式、温度模式、设置模式）；温度传感器只在温度模式下启用，用来检测环境温度，继而通过LED显示系统显示；时钟模式时，在控制器作用下，控制各LED灯的闪烁从而实现表盘时钟的显示。
         
        3.2 硬件平台选用及资源配置
        硬件平台选用基于PSoC的自制平台，因为考虑到系统功能的实现原理，无法采用大赛提供的开发板来完成，且开发板所集成的各模块并未全部用上，所以我们选择自主设计硬件结构。简单来说，硬件主要包括有PSoC芯片、加速度感应器、温度感应器及数十个LED灯外加一个直流马达（需配备减速器），硬件结构选用易于做旋转运动的长条状结构，如下图所示。
         

       

        简易的硬件结构示意图

         
        3.3系统软件架构
        构建系统的元件主要有检测元件、控制器和显示元件，这些元件搭建的系统架构可用下图进行简单的说明。

       

        系统软件架构

         

        由于构建的系统并不复杂，故其架构相对简单明了，下面对各模块进行简单的介绍。检测元件：相当于是信号采集元件，负责搜集周围环境的信息并反馈给控制器分析，继而是控制器发出相应指令控制其他元件。信号采集阶段的关键是对采集信号的处理，如AD转换，PSoC所集成的Delta-Sigma ADC完全能够满足我们的高精度信号采集的需求。
         
        控制器：是系统的核心部分，外围设备所有的功能实现基本上都由控制器发出指令并加以控制，系统的功能实现关键在于控制器能够正确控制LED灯的闪烁，从而完成显示。
         
        显示系统：由马达和一系列LED灯组成，显示功能的实现主要依赖于控制器的控制指令及马达的转动。
         
        3.4 系统软件流程（除图片外需有文字介绍）

       

        主程序流程图

       

        中断服务程序流程图

         
        3.5 系统预计实现结果
        时钟模式下，LED显示系统显示表盘式时钟，即带有转动时针、分针、秒针的时钟，到达设定的闹钟时间，如早上7点时发出声音且表盘显示“get up”，提示起床；下午1点时表盘上发出声音显示“rest”提示午休等；将闹钟旋转90度放置进入温度显示模式，根据温度传感器的测量值显示环境的温度；继续将闹钟旋转90度放置进入设置模式，可用来设置闹钟时间。