投稿類別：工程技術類

篇名：

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

作者：

林唯薰。國立羅東高級工業職業學校。電子三乙

鄭楷宏。國立羅東高級工業職業學校。電子三乙

指導老師：

張瑞源老師

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

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壹、前言

一、研究動機

人生猶如跑馬燈一般，現代人每天都匆忙的來往不停、忙碌不休，似乎難以暫時歇

息。人生也是一分一秒累積而成，且生活中嚐盡了種種如意、失意等人生經驗，細細咀嚼，

慢慢品味起來，希望藉由環形的跑馬燈時鐘，提醒著我們要把握當下的每分每秒，指引我們

繼續向前。

二、研究目的

(一)研究 LED 快數掃描的視覺暫留現象。

(二)學習單晶片的控制及 C 語言的編寫。

(三)可以編寫字型或圖案並加以顯示出來。

(四)可由四面八方看到顯示的時間。

(五)提升專業技術的能力。

(六)希望可以幫助立定人生方向。

三、研究方法

透過課本上提到的知識、網路上尋找的資料，突如其來的想法，加上老師的指導，

進行實作後完成成品。

四、研究流程

提出構想

完成作品

製作電路

設計電路

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

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貳、正文

一、材料介紹

(一)高亮度 LED

1、介紹

發光二極體，如同它的名子一樣能夠發光。給予一個順向偏壓，PN 接面處就會

產生結合作用進而產生能量以光的形式放射出來。

圖一：高亮度 LED 藍燈測試

(圖一資料來源：研究者自行拍攝)

2、材質與顏色

LED 略分為可見及不可見兩類。如下表：

光的顏色 可見光 不可見光

藍 綠 黃 橙 紅 紅外線

波長 400~490 490~575 575~600 600~620 620~800 800~940

材料 氮化鎵 磷化鎵 磷化砷鎵 磷化鋁鎵銦 砷化鎵鋁 砷化鎵

表一

(表一資料來源：陳清良（2015）。電子學 I（初版）。)

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

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(二)AT89S51 單晶片

出自 Intel 公司 MCS-51 系列，現行所使用的晶片由其他公司如 Atmel 所生產。AT89S51

是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位元單晶片內部有 4 個 8 位元雙向 I/O 阜，其中的 PORT3 除

了可以當作 I/O 以外，也兼具其他功能如：計數計時等。

圖二：單晶片腳位

（圖二資料來源：AT89S51 - Atmel Corporation。http://www.atmel.com/images/doc2487.pdf）

(三)74244

74244 為一顆三態緩衝器其中有八組三態緩衝器，是由一個輸入，一個控制閘，及一

個輸出所組成當控制閘是高電位 時，輸出腳位的信號會等於輸入信號當控制閘是低電位 時，

輸出腳位會輸出高組抗。圖三、圖四為 74244 內部結構圖及其真值表

圖三 圖四

（圖三、圖四資料來源：DM74LS244 Octal 3-STATE Buffer。

http://www.6502.org/users/alexis/DM74LS244.pdf）

(四)74154

IC 74154 為一個解碼電路。主要原理是透過內部的 4 對 16 的解碼器，輸入一組 BCD

碼，對應的腳位會輸出一組值。

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

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圖五：74154 之真值表

（圖五資料來源：Electrical Engineering。https：

//electronics.stackexchange.com/questions/208060/why-is-the-output-in-the-truth-table-inverted-in-a-ic-7

4154-used-as-a-demux）

二、視覺暫留原理

由於我們使用相當多的 LED，單晶片控制接腳不夠多，因此我們使用掃瞄方式來減

少接腳，讓 LED 輪流顯示，再利用人類眼睛視覺暫留現象來呈現圖像，而視覺暫留原理是一

種光對眼睛所產生的視覺在光停止作用後，仍保留一段時間的現象。而要顯示出圖案的原理

是運用快速的亮暗切換使人產生視覺暫留。下圖為視覺暫留示意圖。

圖六

（圖六資料來源：科學玩具柑仔店 Darling の優。http://kingdarling.blogspot.tw/2013/01/led8870.html）

三、系統架構及原理

圖七：系統架構圖

（圖七資料來源：實驗者自行繪製）

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

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(一)調整按鈕電路

我們設計了兩個按鈕來調整小時和分鐘，由於按鈕會產生機械彈跳問題，而程式

部份採用外部中斷方式來改變小時和分鐘，無法使用軟體方式防彈跳，因此使用硬體防彈跳，

電路及原理如下圖八～圖十：

圖八：有彈跳問題之按鈕電路

（圖八資料來源：研究者自行繪製）

圖九：並聯電容來改善彈跳之按鈕電路

（圖九資料來源：研究者自行繪製）

圖十：再加樞密特反相器來整形之防彈跳按鈕電路

（圖十資料來源：研究者自行繪製）

(二)單晶片控制電路

由於我們採用三色 8×32 的 LED 陣列，需要控制的接腳相當多，因此使用 2 顆

74154 解多工器來掃瞄 32 行 LED，再利用 3 顆 74244 三態滙流排緩衝器來控制輸出不同顏色

的字型碼。

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

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圖十一：顏色控制電路 圖十二：掃描控制電路

（圖十一資料來源:：研究者自行拍攝） （圖十二資料來源：研究者自行拍攝）

(三)環形 LED 顯示電路

圖十三：焊接過程圖

（圖十三資料來源:：研究者自行拍攝）

圖十四：成品正面 圖十五：成品背面

（圖十四資料來源:：研究者自行拍攝） （圖十五資料來源:：研究者自行拍攝）

圖十六 圖十七

圖十六：藍燈控制測試 圖十七：紅燈控制測試

圖十八

圖十八：綠燈控制測試

（圖十六～圖十八資料來源:：研究者自行拍攝）

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

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(四)程式設計

限於篇幅關係，只呈現部份程式如下：

void display(void) //掃瞄顯示的副程式

{

unsigned char i;

for(i=0;i<32;i++) //掃瞄 32 行 LED

{

P2=i; //輸出掃瞄碼

P1=buf[i]; //輸出字型碼

DelayX1ms(1); //延時 1ms

P1=0xff; //避免殘影

}

}

四、成果測試

(一)調分及調時

當按鈕 1 按下時，小時的部分加一；當按鈕二按下的時候，分鐘的部分加一。

圖十九：按鈕電路圖

（圖十九資料來源:：研究者自行拍攝）

(二)平放時顯示時間

圖二十、圖二十一中數字１２藍色燈顯示小時，數字０２紅色燈顯示分鐘，冒

號綠色燈閃爍一下為一秒。

圖二十：綠色燈消失 圖二十一：綠色燈出現

（圖二十、二十一資料來源：研究者自行拍攝）

按鈕 1 按鈕 2

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

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(三)捲成環形時不同方向顯示時間

圖二十二：成品俯視圖

（圖二十二資料來源:：研究者自行拍攝）

圖二十三～圖二十四中同一個角度拍攝下先看到藍色數字燈顯示小時１５，經

跑馬燈旋轉接著看到紅色數字燈顯示分鐘２５。

圖二十三：目前時間為 15 時 圖二十四：目前時間為 25 分

（圖二十三、二十四資料來源：研究者自行拍攝）

參、結論

人生就像是我們設計的這個跑馬燈，不停的奔跑。跑馬燈對於我們的意含深重，提醒著

我們要把握當下的每分每秒，不輕易浪費時間且珍惜周圍的事物。過程中多多少少會遇到一

些問題或是困難的地方，多虧在老師的幫助下，能夠找到方法解決我們遇到的阻礙，成功地

完成我們想做的作品。其中過程中最大的問題還是我們的電路太龐大，常常會有幾顆燈接觸

不良導致幾排燈無法正常顯示，必須要一次又一次地使用三用電表測量找出問題的地方加以

修正，當全部的燈都完美地顯示時，那瞬間的感覺就像是父母看到小孩健康長大的感覺一樣。

肆、引註資料

一、張義和、王閔男、許宏昌、余春長（2015）。例說 89S51:C 語言（第五版）。新北市：

新文京開發。

跑馬人生—LED 燈的環形時鐘

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二、陳清良（2015）。電子學 I（初版）。台北市：龍騰文化事業股份有限公司。

三、LED inside。2017 年 9 月 26 日取自

http://www.ledinside.com.tw/knowledge/20070809-536.html

四、AT89S51 - Atmel Corporation。2017 年 9 月 26 日取自

http://www.atmel.com/images/doc2487.pdf

五、科學玩具柑仔店(Darling の優)。2017 年 9 月 26 日取自

http://kingdarling.blogspot.tw/2013/01/led8870.html

六、Electronic Enginneering Glossary Terms。2017 年 9 月 26 日取自

http://www.interfacebus.com/ic-8-bit-buffer-chip-74244-description.html

七、DM74LS244 Octal 3-STATE Buffer。2017 年 9 月 26 日取自

http://www.6502.org/users/alexis/DM74LS244.pdf