冉秦翠，蒲利春，彭厚德，汪海軍

（1.重慶理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，重慶400054；2.長江師范學(xué)院，重慶400010；3.伍爾特電子（重慶）有限公司，重慶400010）

1 引 言

鐘表的發(fā)展歷史，大致可以分為3個演變階段：第一類，機(jī)械鐘，這種鐘表采用全機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過發(fā)條提供動力以維持鐘表運轉(zhuǎn)，需要隨時上發(fā)條，相對電子鐘而言，體積大、隨身攜帶不方便且走時不精確.第二類，半機(jī)械鐘，這種鐘表用電池代替了發(fā)條提供動力，由石英晶體電路提供時間，相比機(jī)械鐘走時更準(zhǔn)確，不需要上發(fā)條，體積也大大減小，日常生活中所見到的腕表都屬于這種.第三類，電子表，這種鐘表采用全電子結(jié)構(gòu)，采用電子電路或軟件程序提供時間，精確度大大提高，同時體積也大大減小，而且用數(shù)字顯示代替了指針顯示，更直觀，同時具有鬧鐘、日期或溫度顯示功能等.本文所介紹的多功能電子時鐘就屬于第三類.多功能電子時鐘是以單片機(jī)為核心的數(shù)字計時電路，利用液晶屏實現(xiàn)了時、分、秒計數(shù)顯示，除了具有讀取時間直觀、準(zhǔn)確的特點外，還具備鬧鐘、溫度檢測等功能.它與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘和半機(jī)械鐘相比，具有走時準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動裝置、電路結(jié)構(gòu)簡明、功耗小等優(yōu)點，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)時鐘.多功能電子時鐘的出現(xiàn)，給現(xiàn)代人生活帶來了革命性的變化，因而得到廣泛應(yīng)用.單片機(jī)編程實現(xiàn)的多功能電子時鐘具有編程靈活，電路結(jié)構(gòu)清晰、簡明、功率損耗小、容易實現(xiàn)功能擴(kuò)展等優(yōu)點［1］.其基本原理是由單片機(jī)作為電子時鐘的核心控制器，通過它的時鐘信號實現(xiàn)計時功能，將其時間數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)輸出，通過液晶顯示器顯示出來，且通過按鍵可實現(xiàn)定時、校時、設(shè)置鬧鐘等功能［2］.目前市場上以單片機(jī)為核心設(shè)計的“多功能電子時鐘”存在體積較大、成本較高等問題，而且多采用軟件延時或定時器的方式產(chǎn)生時間，不精確，系統(tǒng)一旦斷電時間就會消失.

針對以上不足，筆者設(shè)計了“多功能電子時鐘”.該時鐘采用STC89C52單片機(jī)讀取時鐘芯片DS1302內(nèi)部的時間并顯示在LCD1602液晶上，由于DS1302時鐘芯片可以用內(nèi)部備份電池供電，故采用USB接口為時鐘供電，系統(tǒng)時間并不會因外部斷電而消失，隨時接通電源都顯示的是當(dāng)前準(zhǔn)確的時間，實現(xiàn)在需要時才接通電源以達(dá)到省電的目的.在滿足時間精度的基礎(chǔ)上，設(shè)計還加入了定時鬧鐘和溫度顯示等功能.

2 多功能電子時鐘總體設(shè)計方案

2.1 功能框圖

硬件電路包括STC89C52最小系統(tǒng)電路、DS1302時鐘模塊、LCD1602液晶顯示模塊、按鍵模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、鬧鐘模塊.功能框圖如圖1所示.

圖1 多功能電子時鐘功能框圖

2.2 工作原理

基本原理：主要是在STC89C52單片機(jī)的控制下，調(diào)用各個功能模塊來采集日期、時間、溫度等信息，并通過LCD1602液晶顯示器顯示.

溫度讀?。合到y(tǒng)的溫度信息及其顯示主要通過DS18B20溫度傳感器采集獲得，且其測溫范圍較大，在-10～＋85℃溫度范圍內(nèi)精度可以達(dá)到±0.5℃，有效溫度范圍-55～＋125℃.

鬧鐘功能：具有鬧鐘功能，其功能是通過軟件編程來實現(xiàn)的.設(shè)置好鬧鐘時間后就自動開啟了鬧鐘，時間到了之后就會有提示（本系統(tǒng)采用LED燈閃爍提示方式［3］），需要手動關(guān)閉鬧鐘才會停止提示.

2.3 軟件編程

多功能電子時鐘的軟件編程是在Keil uVision3集成開發(fā)環(huán)境上進(jìn)行的，設(shè)置好工作環(huán)境后，編寫軟件，編譯調(diào)試成功之后即可生成HEX文件燒錄到單片機(jī)內(nèi).多功能電子時鐘把整個系統(tǒng)分成一個個的模塊分別進(jìn)行編寫與調(diào)試，先編寫調(diào)試硬件驅(qū)動程序，然后再編寫功能函數(shù)，最后綜合.在確保單片機(jī)能正常工作之后，首先編寫的是液晶顯示器LCD1602的驅(qū)動程序，調(diào)試成功之后再編寫時鐘芯片DS1302的驅(qū)動程序，調(diào)試成功之后再編寫溫度傳感器DS18B20的驅(qū)動程序.在這些都完成之后再編寫幾個功能函數(shù)，最后進(jìn)行綜合，實現(xiàn)時間日期調(diào)整與顯示、溫度顯示等功能.

2.4 按鍵模塊功能設(shè)計

多功能電子時鐘系統(tǒng)中，按鍵模塊包含4個按鍵，分別是“鬧鐘”鍵、“設(shè)置”鍵、“＋”鍵和“-”鍵.按下“設(shè)置”鍵隨著顯示屏上標(biāo)識位的改變，按動“＋”鍵和“-”鍵就可以分別設(shè)置年、月、日、星期、時、分、秒等.在動態(tài)顯示情況下，標(biāo)識位顯示“0”，若只按下“設(shè)置”鍵，標(biāo)識位顯示“1～8”，即按1次“設(shè)置”鍵，標(biāo)識位顯示“1”，按2次“設(shè)置”鍵，標(biāo)識位顯示“2”，且“1～7”對應(yīng)調(diào)節(jié)年、月、日、星期、時、分、秒，“8”是確定時間情況輸入.長按鬧鐘鍵，再按設(shè)置鍵，按動“＋”鍵和“-”鍵就可以設(shè)置鬧鐘.鬧鐘設(shè)置時，標(biāo)識位會變?yōu)椤癆～H”等字母，調(diào)節(jié)方式與時間調(diào)節(jié)一致.在該電路中，鬧鐘鍵接STC89C52的P1.1接口，設(shè)置鍵接P1.2接口，“＋”鍵和“-”鍵分別接AT89C52的P1.3和P1.4接口，按鍵低電平有效，按鍵的消抖則由軟件來實現(xiàn).按鍵模塊如圖2所示.

圖2 按鍵模塊圖

3 多功能電子時鐘硬件電路設(shè)計

硬件電路外觀實物圖如圖3所示.

圖3 “新時鐘”硬件電路外觀實物圖

多功能電子時鐘硬件電路主要由STC89C52單片機(jī)、時鐘電路、按鍵模塊、USB傳輸線、溫度傳感器電路組成.設(shè)計選用DS1302時鐘芯片.秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn).譯碼顯示電路將計數(shù)器的輸出狀態(tài)用LCD1602液晶顯示器顯示.

3.1 STC89C52系統(tǒng)模塊外接電路設(shè)計

在電路中，按鍵模塊與STC89C52的P1.1～P1.4接口和GND相連接；DS18B20溫度傳感器模塊與P0.0接口、GND和VCC相連接；鬧鐘指示燈則與P1.0接口相連接；晶振、復(fù)位電路連接如圖4左上部份所示.多功能電子時鐘電路原理圖如圖4所示.

圖4 多功能電子時鐘電路原理圖

3.2 LCD1602液晶顯示模塊外接電路設(shè)計

由于多功能電子時鐘界面需要顯示的功能較多，顯示內(nèi)容不僅有數(shù)字，還有字母，所以選用LCD1602顯示模塊.系統(tǒng)采用5×7點陣字符位.模塊采用數(shù)字式接口，能夠方便地與單片機(jī)進(jìn)行通信.LCD1602液晶顯示模塊與STC89C52的P0.5～P0.7，P2.0～P2.7接口相連接，且P0.5～P0.7接口是液晶顯示器的控制接口.具體連接如圖5所示.

圖5 液晶模塊圖

3.3 DS18B20溫度傳感器模塊外接電路設(shè)計

在多功能電子時鐘電路中，DS18B20溫度傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境的實時溫度變化情況并及時把信息傳遞給單片機(jī).在本系統(tǒng)中DS18B20溫度傳感器模塊與STC89C52的P0.0接口相連接.具體連接如圖6所示.

圖6 溫度模塊圖

3.4 DS1302時鐘模塊外接電路設(shè)計

在多功能電子時鐘電路中，為了保證時鐘的精度，選用了DS1302模塊.DS1302與單片機(jī)之間的通信，僅需3根I／O 線：復(fù)位（RST）、I／O 數(shù)據(jù)線、串行時鐘（SCLK）［4］.串行時鐘（SCLK）與STC89C52的P1.5接口相連接，I／O數(shù)據(jù)線與STC89C52的P1.6接口相連接，復(fù)位（RST）與STC89C52的P1.7接口相連接，并且需把時鐘模塊與STC89C52的地和電源相連接.具體連接如圖7所示.

圖7 時鐘模塊圖

4 多功能電子時鐘性能調(diào)試

多功能電子時鐘性能調(diào)試分為電路調(diào)試和軟件調(diào)試.

4.1 電路調(diào)試

電路常見故障主要來源于元器件引腳接錯、元器件損壞及其參量誤差、連線接錯、電源故障、測試儀器誤差、引入噪聲、干擾［4］等.電路調(diào)試步驟如下：檢查電路、通電觀察、靜態(tài)調(diào)試、動態(tài)調(diào)試等［5］.

在完成硬件制作后，把HEX文件燒錄進(jìn)單片機(jī).首先是檢查電路，根據(jù)信號的流通過程，使用萬用表檢查電路的漏焊、虛焊、錯誤焊接等問題.其次是通電觀察，觀察液晶屏上的顯示結(jié)果，如發(fā)現(xiàn)溫度不能動態(tài)顯示而其他數(shù)據(jù)都能正常顯示，檢查結(jié)果是把溫度傳感器方向接反了從而導(dǎo)致傳感器被燒毀，換了新的傳感器并正確連接之后，溫度動態(tài)顯示就正常了.靜態(tài)調(diào)試，接通電源（使用USB供電），打開液晶顯示開關(guān)，調(diào)節(jié)液晶顯示的清晰度.如發(fā)現(xiàn)液晶顯示不明顯，看不清楚，就新接電位器來調(diào)節(jié)對比度，達(dá)到正常顯示目的.動態(tài)調(diào)試是使用萬用表測試相關(guān)接點的電流情況以及回路、通路的電壓和主要元件的電阻參量等，確定它們是否正常工作并調(diào)到最佳范圍內(nèi).如實驗分析了在較大電流區(qū)間內(nèi)復(fù)合電流對硅二極管伏安特性的影響［7］.

4.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試時，首先調(diào)試STC89C52模塊的功能，接著調(diào)試LCD1602液晶顯示情況，即通過編寫液晶顯示的驅(qū)動程序來實現(xiàn)液晶顯示功能，使其能實時地顯示單片機(jī)接收到的時間、溫度等數(shù)據(jù)，并動態(tài)顯示在屏幕上.然后調(diào)試DS1302模塊的功能，單片機(jī)通過同步串行通訊與DS1302通訊，每次通訊都必須由單片機(jī)發(fā)起，無論讀還是寫操作，單片機(jī)都必須先向DS1302寫入1個命令幀.在正常顯時狀態(tài)下，單片機(jī)讀取DS1302中的程序；在設(shè)置時間和鬧鐘程序時，需將內(nèi)容寫入DS1302中.接著調(diào)試DS18B20程序，觀察其能否動態(tài)的顯示溫度變化情況.最后，調(diào)試按鍵模塊，即在主函數(shù)中判斷按鍵狀態(tài).主程序流程圖如圖8所示.

圖8 多功能電子時鐘主程序流程圖

5 多功能電子時鐘計時顯示與功能

首先連接好各模塊，將USB接口與電源相連接，按下LCD1602液晶顯示器的開關(guān)按鍵，LED屏幕被點亮.當(dāng)屏幕點亮后，可在屏幕上看到2排字符，上排左邊顯示時、分、秒，右邊顯示溫度；下排依次分別顯示年、月、日、星期以及標(biāo)識位.在按鍵模塊中，按下設(shè)置鍵，標(biāo)識位發(fā)生變化，然后就可以調(diào)節(jié)時間、日期、星期等.

長按按鍵模塊上的鬧鐘鍵，同時按下設(shè)置鍵，就可以設(shè)置鬧鐘，待鬧鐘到達(dá)設(shè)定時間，多功能電子時鐘板上的綠色LED燈就會由原來的1s閃爍1次變?yōu)榭焖匍W爍，按任意鍵可以結(jié)束鬧鐘.多功能電子時鐘選擇的DS1302時鐘芯片內(nèi)含有鋰電池，斷電重啟多功能電子時鐘系統(tǒng)，無需重置時間.

多功能電子時鐘計時顯示、鬧鐘設(shè)置模式如圖9所示.屏上標(biāo)識位顯示情況及其功能表如表1所示.

圖9 多功能電子時鐘計時顯示、鬧鐘設(shè)置模塊

表1 標(biāo)識位顯示情況及其內(nèi)容表

6 多功能電子時鐘特征與應(yīng)用討論

多功能電子時鐘主要特征：a.是基于51單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計的多功能電子時鐘能夠在LCD1602液晶顯示器上顯示時間、日期、星期、溫度以及調(diào)試標(biāo)識位，并可以設(shè)置鬧鐘，具有到時提醒的功能；b.是采用按鍵來設(shè)置時間、鬧鐘等，操作簡單、方便，且采用 USB供電；c.是采用DS1302時鐘芯片提取時間日期信息，該芯片獨立于單片機(jī)運行，有自己的備份電源系統(tǒng)，第一次設(shè)置之后就可以長期自動運行，即使系統(tǒng)掉電也不用重新設(shè)置，可以有效的節(jié)約能源.

多功能電子時鐘解決了傳統(tǒng)機(jī)械時鐘因使用石英機(jī)芯等驅(qū)動帶來的讀時不準(zhǔn)確，以及因使用機(jī)械傳動裝置而造成的使用壽命較短等缺點，也解決了數(shù)碼管顯示功能不足的缺點.多功能電子時鐘的應(yīng)用范圍非常廣，給人們的生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)等帶來方便，且其能耗較小.若能在此設(shè)計基礎(chǔ)上，將鬧鐘提醒功能改為報時功能，增加濕度顯示功能以及讓本設(shè)計更加美觀大方、攜帶方便的話，多功能電子時鐘將更加完美.

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