自制日晷时钟

　　能够被提起年份的玩意儿往往被证明是比较有文化和品味的，比如1907年的干红、祖传X代的翡翠……家中要有个慈禧时代的挂钟，晚上光顾的“客人”就要多很多。不过相比今天要带给各位Geek的日晷时钟，谈历史可就浅了去了，这东西说来大约有1500年了。故宫里面有一枚石质的，全手工打造的，虽然只有一根指针，但工作精度也不含糊。最近一个美国的哥们自制了一台用LED照射来显示时间的电子日晷，外形是有点山寨，不过效果相当酷，全球目前还找不出第二款，绝对限量版，实乃是居家装13的理想选择，咱们一起来鉴赏一下吧。

　　思路篇

　　日晷是世界上最早的计时装置，六千年前的巴比伦王国就有了。它的本意是指日影，后来指使用太阳位置来测量时间的一种设备，主要由一根投射太阳阴影的标杆、承受指标投影的投影面（即晷面）和晷面上的刻度线组成。其实，日晷可以设计在任何物体的表面上，只要能够让固定的指针产生阴影来测量时间就行。因此日晷有许多种不同的形式，基本上可以分为地平式日晷、赤道式日晷和后来的投影式日晷。

　　了解了日晷的结构，那要怎么做日晷钟我们也该大体了解了：只需要分别制作出投影面板、日晷针和光源就可以了。

　　Step 1 制作日晷轨道及面板

　　要完成这件融合现代科技与古文化韵味的作品，还真不是件容易事。首先制作这个日晷轨道和面板并没有标准的尺寸限制，全在于你想把它做得有多大。为了让它与普通挂钟具有可比性，轨道的内直径可以考虑在100mm～150mm之间，轨道面宽度25mm左右。底部面板宽度较轨道外径宽30mm～40mm，以便完全容纳整个轨道，长度则视个人喜好，以能够容纳所购买的电池盒和安放控制电路为最小尺寸。统计完后，我们就知道了这个日晷时钟的主要组件包括：日晷针（直径和高度均约20mm高的一个圆柱体）、楔形定位销×4、圆环轨道×3，这样算下来，基本上一块400mm×400mm的左右的胶合板就足够了。也许有朋友会问，为什么需要三个圆环轨道呢？是的，真正的日晷都是用太阳投射的影子来指示时间，我们现代人可不能那么原始，因此作者要用三种不同颜色和长短的投影来分别指示时、分和秒。至于是怎么做到的？请继续往下看。

　　关于如何制作轨道和面板，比较山寨的办法是先用木工笔在胶合板上画出尺寸图样，然后用锯条加工。但为了保证精度，《Geek》建议大家用CAD软件设计，然后到工艺店借用激光切割机定位切割。日晷通过测量日晷针在太阳下的投影来计量时间，咱这设计原理相同：通过在一个圆形轨道上布置多盏LED灯来模拟一天中太阳的不同位置，不过为了同时得到时、分、秒的投影，就需要有“时太阳”、“分太阳”、“秒太阳”运行在不同的轨道上且同时照射日晷针，因此，日晷轨道的加工最复杂。三个轨道的尺寸完全一致，但它们相对日晷针的高度不同，为保证装配时能互相保持平行状态，使用了4个楔形定位销来固定轨道—通过控制轨道上定位孔的大小使其刚好能相互平行地“串”在定位销上。每个轨道上还要均匀布局12对安装孔，以便安插LED灯。为了看上去更有时钟的味道，作者还在面板上刻了时间刻度。

　　Step 2 安装LED阵列

　　前面的设计和施工如果没有较大失误的话，整个时钟的主体应该是很牢靠的，接下来就可以在上面装配LED灯了。为便于更好地区分时、分、秒指针，同时也为了让整个时钟能在运行中变幻出五彩缤纷的色彩，作者专门使用了红、绿、蓝色LED灯各12支，这玩意儿在电子商店有售，考虑到驱动和功耗问题，建议选择低功耗型。其中蓝色LED安装在自下而上的第一层轨道上，指示秒；绿色LED居于第二轨道，指示分；红色LED在最上层轨道，指示时。将对应颜色的LED插在相应的轨道上，注意LED的角度和高度排列要尽量保持一致，使其在同一平面上，并且灯头都指向面板中央的日晷针。

　　Step 3 系统组装及线路连接

　　插上了LED还只是第一步，接下来要将同一轨道中的所有LED负极（负极很好区分，它的引脚较正极短）用一根金属导线连接在一起。再对安装了LED阵列的轨道进行组装，此时一定要保持三个轨道平面上的负极引线不要短路碰在一起，分别用三根导线引出至控制电路板。三个轨道处在对应位置的LED正极则进行并联，即上层轨道的LED正极与下层对应LED轨道的正极连通。最终在底层轨道获得12个LED正极引线，用导线连接引至控制电路板。

　　Step 4 控制电路制作

　　由前面的线路连接方式可知，要分别点亮36支LED并不需要36对引线，事实上只要15条就够了。你可以将其看成是一个每层拥有12个房间的三层建筑，当需要找到其中的某个房间时，一般的思路是先问层数（3条负极引线），然后找房号（对应12条LED的正极引线）。即咱们这套时钟同一时间其实只有一支LED发光，只能获得日晷针的一个影子，不过可以利用人眼的视觉暂停效应，通过快速点亮不同层数的LED（可编程设定，一般设置在2ms左右），让整个时钟看起来就如同3支LED同时在发光，从而在面板上获得三个影子指针。

　　控制电路使用了AVR开发板+ATmega328单片机，搭配16MHz晶体振荡器。这听起来有点头大，所谓的AVR开发板其实就类似电脑主板，ATmega328相当于CPU，晶体振荡器就是各位玩超频的时候起实际作用的元件—控制ATmega328的运行速率。另外还配置了一个3键“键盘”—两个用于调校时间，一个用于切换LED灯的工作状态（开启/停止，但不关闭单片机），以节约电能。剩下的工作就是按照此方案编制控制程序了，此时你就需要一位熟悉AVR ATmega168单片机编程的哥们，当然自己会更好，因为可以省下请吃饭的钱。程序编好以后写入ATmega328的存储区了，控制电路部分的制作便大功告成了。

　　Step 5 调试收工

　　全部完工后就可以接通电源进行调试了，若一切正常，就可以在时钟面板上看到不停走动的“影子指针”了，指针的外缘还会因为三种基色的叠加而产生不同的色彩，够酷吧？

　　《Geek》粗略估算了一下，整机的工作电流只有26mA，关闭LED状态下只有11mA，已经相当环保了，还可以通过增加分压电阻的阻值和选择频率更低的晶体振荡器来进一步降低功耗，更多的开发就留待各位Geek潜心研究吧，日晷时钟至此制作完成了！

　　Tips 关于AVR开发板

　　AVR开发板是针对AVR单片机应用开发而设计的一块电路板。其作用是可灵活地在此板上搭配各种电气元件，直接用导线连通各元件实现相应的应用。好处是可批量生产，价格便宜，不用针对不同的方案定制不同的电路板，费时费力。

　　本例中的开发板为单层PCB设计，是一款整合了ATmega328单片机，并具备所有可能应用方案布线的电路板。开发板使用了标准2“×3.5”尺寸，支持28脚双列直插式(DIP封装)ATmega328芯片，可以在其上安插各种接插件实现与外部电路的电器连接，自身也具备多种方案的灵活组合能力，使用的时候按自己的需求用飞线连起来就行了。《Geek》照例为大家提供了开发板设计图，请移步咱们的官方博客www.mcgeek.com.cn下载吧。