溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系 朱颯颯

1.引言

時鐘是在人們?nèi)粘Ｉ钪杏靡哉莆找惶鞎r間的一種器具，關(guān)乎人們一天生產(chǎn)勞動的作息調(diào)整。每家每戶、每所學(xué)校、每個公司等等都能找到時鐘的蹤跡，時鐘無處不在，人們無時無刻不在了解時間。在這快速發(fā)展的年代，時間對人們來說是越來越寶貴，在快節(jié)奏的生活中，人們往往忘記了時間，一旦遇到重要的事情而忘記了時間，這將會帶來很大的損失。因此時鐘是人們必不可少的。

傳統(tǒng)的時鐘絕大多數(shù)都是發(fā)條驅(qū)動式、電機(jī)傳動式或電鐘式等機(jī)械時鐘，部分電子器械中也有使用時間繼電器的。相對于傳統(tǒng)的時鐘，電子時鐘的體積小、重量輕、造價低、精度高、壽命長、而且安全可靠、調(diào)整方便、適于頻繁使用。所以電子時鐘的發(fā)展必定大有前途。同時隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電子時鐘也在不斷的進(jìn)步，朝著更多用途、更高精度、更小體積發(fā)展著。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款可正常顯示時鐘、帶有定時鬧鈴的多功能電子時鐘。本課題通過AT89S52單片機(jī)來設(shè)計(jì)電子時鐘，采用C語言進(jìn)行編程，可以實(shí)現(xiàn)以下一些功能：小時，分，秒和年，月，日的顯示、定時報警功能。本次設(shè)計(jì)的電子時鐘系統(tǒng)由時鐘電路，LCD顯示電路，定時報警電路，按鍵調(diào)整電路四部分組成。單片機(jī)通過軟件編程，在LCD12864液晶屏上實(shí)現(xiàn)小時，分，秒和年，月，日的顯示；利用時鐘芯片DS1302來實(shí)現(xiàn)計(jì)時，定時功能；通過三個按鍵聯(lián)合工作實(shí)現(xiàn)時間和鬧鐘的設(shè)置工作；到達(dá)設(shè)置的鬧鐘時間時，由蜂鳴器發(fā)聲，起報警作用。系統(tǒng)帶有液晶顯示器，配合按鍵向用戶提供友好的界面，操作簡單，具有一定的實(shí)用性和方便性；同時還具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)機(jī)械表相比，它具有走時精確，顯示直觀等特點(diǎn)。

圖1 單片機(jī)系統(tǒng)框圖

圖2 電源電路模塊

2.設(shè)計(jì)原理分析

2.1 控制電路選擇

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖4 DS1320芯片驅(qū)動電路

圖5 DS18B20芯片驅(qū)動電路

傳統(tǒng)的方案常采用數(shù)字控制電路，電路較簡單，成本較低，可實(shí)現(xiàn)電子時鐘的基本功能，但不能在原有基礎(chǔ)上再加個溫度顯示電路，而且會造成電路的不穩(wěn)定，系統(tǒng)性能差，電路容易損壞。本文采用單片機(jī)作為主控制器，硬件電路簡單，電路工作穩(wěn)定，系統(tǒng)性能好，通過編寫程序，經(jīng)單片機(jī)智能控制，更好地實(shí)現(xiàn)了LCD電子時鐘的功能。而且電源電路的設(shè)計(jì)比較完善。微控制器選用ATMAL公司生產(chǎn)的AT89S52，該芯片貨源充足，并且價格也比較便宜。其原理框圖如圖1所示。

2.2 顯示電路的設(shè)計(jì)

采用單片機(jī)動態(tài)掃描將時鐘數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時顯示，但數(shù)碼管的顯示功能具有局限性，不能達(dá)到預(yù)期效果，此外，數(shù)碼管驅(qū)動電路繁瑣，不易控制。

而作為一種輸出方式，液晶顯示最大的特點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)友好的人機(jī)界面，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制和智能化儀器儀表等領(lǐng)域，它已經(jīng)成為單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域典型模塊之一，能夠方便的顯示文字和數(shù)字。

本文使用LCD12864顯示器，12864是8位控制方式，內(nèi)置8192個16*16點(diǎn)陣字符，128個16*8個ASCII字符，可顯示8*4行16*16點(diǎn)漢字，4或8位并行控制，使其實(shí)時顯示時鐘與溫度數(shù)據(jù)。

2.3 時鐘電路的設(shè)計(jì)

利用52單片機(jī)的外部晶振，通過軟件的方式，編寫能夠準(zhǔn)確計(jì)時的程序。但由于要實(shí)現(xiàn)年、月、日、時、分、秒的計(jì)時，因此采用此種方式會加大程序的調(diào)試量。

本文考慮使用外部時鐘芯片，DS1302是一款具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時時鐘芯片，可以對年、月、日、周、時、分、秒進(jìn)行計(jì)時，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。DS1302與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個口線：(1)RES(復(fù)位)；(2)I/O(數(shù)據(jù)線)；(3)SCLK(串行時鐘)。單片機(jī)通過三個口線控制DS1302讀寫數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時。

3.系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1 電源電路模塊的設(shè)計(jì)

電源電路模塊如圖2所示，電源電路模塊通過變壓器降壓得到一個較小的交流電壓，此交流電壓經(jīng)4007組成的橋式整流以及7805穩(wěn)壓濾波得到系統(tǒng)所需要的+5V電源。

3.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。

3.1.3 時鐘頻率電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的定時元器件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率選擇12MHz，C1、C2的電容值取30pF，電容的大小可起頻率微調(diào)的作用。

單片機(jī)在工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，常用fosc表示。如時鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時鐘周期為1/12μs。

3.1.4 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)具有多種復(fù)位電路，本系統(tǒng)采用電平式開關(guān)復(fù)位與上電復(fù)位方式，具體電路如圖所示。當(dāng)上電時，C1相當(dāng)于短路，使單片機(jī)復(fù)位，在正常工作時，按下開關(guān)使單片機(jī)復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz時，C=22μF，R=10kΩ。其缺點(diǎn)是干擾易于串入復(fù)位端，在大多數(shù)條件下，不會造成單片機(jī)錯誤復(fù)位，但會引起內(nèi)部某些寄存器錯誤復(fù)位，這時可以在RESET端加一個去耦電容。

值得注意的是，在設(shè)計(jì)當(dāng)中使用到了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種功能，由上面的硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲器的值都恢復(fù)到了單片機(jī)程序設(shè)定的初始值。

3.1.5 時鐘DS1320及溫度傳感器DS18B20電路設(shè)計(jì)

時鐘芯片DS1320電路采用了外加電源可以在系統(tǒng)斷電時仍保持時鐘芯片的正常工作。DS1320、DS18B20芯片操作都需一個簡單的驅(qū)動程序。圖5是DS18B20芯片驅(qū)動電路。

3.2 軟件的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是由AT89S52單片機(jī)控制，系統(tǒng)分為主函數(shù)部分和各模塊子函數(shù)部分2個部分。系統(tǒng)主函數(shù)部分主要是調(diào)用各個模塊的子函數(shù)。本系統(tǒng)的時間是通過軟件進(jìn)行設(shè)置，使用定時器使電子鐘運(yùn)行，并將值送入主控芯片，通過液晶顯示器LCD12864來顯示，時間、日期的修改通過按鍵來控制的。所以要對定時器、液晶顯示器進(jìn)行初始化。而其他模塊的初始化在各模塊函數(shù)中初始化。

各模塊的子函數(shù)包括LCD12864顯示模塊、DS18B20測溫模塊、時鐘模塊、按鍵掃描模塊，鬧鐘設(shè)置模塊。

主程序通過調(diào)用其他函數(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能，其工作流程如下：

(1)系統(tǒng)啟動后，進(jìn)行定時器和LCD顯示初始化。

(2)LCD12864顯示日期、時間、溫度。

(3)可以通過按鍵進(jìn)行顯示模式設(shè)置，調(diào)整日期、時間。

(4)采用語音AK040電路模塊。

4.結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的電子鐘結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，有很好的實(shí)用價值，能完成時間的自動調(diào)整和掉電保護(hù)，年、月、日以及星期、時、分、秒全部信息用液晶顯示。通過按鍵的組合可以實(shí)現(xiàn)時間日期的調(diào)整以及時間溫度的語音播報。

[1]劉守義.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[2]樓然苗,李飛光.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[3]余修武.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2011.

[4]馬忠梅,等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[5]張毅剛.單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[6]譚浩強(qiáng).C語言設(shè)計(jì)(第二版)[M].清華大學(xué)出版社,1999.

[7]DS1302涓流充電時鐘保持芯片的原理與應(yīng)用[OL].海納電子資訊網(wǎng):www.fpga-arm.com.

[8]深圳亞斌顯示電子有限公司:12864ZA使用手冊[S].