張曙云，匡洪海，曾麗瓊，陳海東，馮韌（湖南工業(yè)大學(xué)，電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲，412000）

基于STC12C5A60S2的新型多功能電子鐘設(shè)計(jì)

張曙云，匡洪海，曾麗瓊，陳海東，馮韌
（湖南工業(yè)大學(xué)，電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲，412000）

摘要：針對(duì)目前市場上一些普通的電子鐘功能單一、不具備時(shí)間校準(zhǔn)、陰陽歷及節(jié)氣的顯示功能等不足之處。設(shè)計(jì)研制了一款基于STC12C5A60S2的多功能電子鐘，闡述了系統(tǒng)硬件電路和軟件的整體方案的設(shè)計(jì)，不僅能實(shí)現(xiàn)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒等基本信息，并能顯示陽歷、節(jié)氣和陰歷信息，同時(shí)更是具有生日設(shè)置和時(shí)間校準(zhǔn)及鬧鐘設(shè)置提醒等功能。通過實(shí)物裝置的測試表明，該時(shí)鐘具有精度高、功能多樣、運(yùn)行穩(wěn)定、電路簡潔等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電子鐘；STC12C5A60S2；時(shí)間校準(zhǔn)

本文引用格式：張曙云，匡洪海，曾麗瓊，等．基于STC12C5A60S2的新型多功能電子鐘設(shè)計(jì)[J]．新型工業(yè)化，2015，5（7）：24-28

Citation:ZHANGShu-yun,KUANGHong-hai,ZENGLi-qiong,etal.DesignofaNewTypeofMulti-functional ElectronicClockbasedonSTC12C5A60S2[J].TheJournalofNewIndustrialization,2015,5（7）:24-28.

0　引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類科技的進(jìn)步，人們認(rèn)識(shí)時(shí)間從觀太陽轉(zhuǎn)動(dòng)、沙漏及擺鐘到現(xiàn)在的電子鐘，這一發(fā)展過程中電子鐘的出現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)時(shí)間更加的方便，與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)[1]，從而廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘５纳钪?。但現(xiàn)今市場上常用的一些普通電子鐘功能單一，不具備時(shí)間校準(zhǔn)，報(bào)時(shí)和鬧鐘及陰陽歷，節(jié)氣顯示等功能，這些在一定的情況下無法滿足我們的生活和工作的需要，因此開發(fā)設(shè)計(jì)一種既滿足上述要求又性價(jià)比較高的多功能時(shí)鐘，成為了我們目前急需解決的問題。

基于上述的情況，設(shè)計(jì)研制了一款小型輕巧的多功能電子鐘，不僅具有目前市場上普通電子鐘所具有的時(shí)間顯示調(diào)節(jié)功能，而且具有時(shí)間校準(zhǔn)，生日提醒及陰陽歷、節(jié)氣顯示等功能。在基于單片機(jī)控制基本原理下，采用了一款新型高性能的8051單片機(jī)STC12C5A60S2為核心，利用DS1302時(shí)鐘芯片構(gòu)造時(shí)鐘電路，12864液晶作為顯示等完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并采用C語言編寫程序完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[2]。通過實(shí)物裝置測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，達(dá)到預(yù)期功能，適用于家庭、教室、營業(yè)廳等場合。

1　總體方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)各部分所實(shí)現(xiàn)的功能不同來區(qū)分，主要由主控模塊、時(shí)鐘電路模塊、接口模塊、電源模塊共4個(gè)模塊組成；系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1　System　design　diagram

該系統(tǒng)中主控模塊使用51系列具有超強(qiáng)性能的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片[3]；時(shí)鐘模塊使用美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302，運(yùn)用DS1302專業(yè)的時(shí)鐘芯片來計(jì)時(shí)，不僅比采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，更重要的是DS1302可以在提供很小電流的后備電源下進(jìn)行掉電工作，同時(shí)DS1302可以通過編程來實(shí)現(xiàn)為后備電源充電控制，這樣能夠使后備電源在運(yùn)行過程中基本不耗電[4]；接口模塊又分為輸出接口部分和鍵盤輸入接口部分，顯示輸出接口部分采用LCD12864液晶顯示屏，鬧鈴電路部分采用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)其功能，而鍵盤輸入部分選擇獨(dú)立式鍵盤，這相比采用矩陣鍵盤控制更方便簡單。電源模塊采用交流220V供電，經(jīng)過24V交流變壓器降壓、整流、濾波送至集成穩(wěn)壓芯片7805，使得輸出穩(wěn)定、可靠的+5V電源供系統(tǒng)使用[5]。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1主控制模塊電路的設(shè)計(jì)

主控制模塊芯片采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)，該系列是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（IT）的單片機(jī)，這是一種高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍[6]。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，具有2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S，即25萬次/秒），片上還集成有1280字節(jié)RAM，I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)20mA，特別使用于電機(jī)控制及強(qiáng)干擾場合[7]。

本模塊電路的主要目的是設(shè)計(jì)出單片機(jī)的最小系統(tǒng)[8]。為了能使STC12C5A60S2單片機(jī)能正常工作，該部分電路主要由復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成；復(fù)位電路采用手動(dòng)按鍵的上電復(fù)位，而時(shí)鐘電路則采用外部晶振電路，利用12MHz的晶體振蕩器和兩個(gè)33pF的電容構(gòu)成，其中晶體振蕩器起振蕩作用，兩電容起到去耦的作用，這些一起共同組成了系統(tǒng)的主控制電路[9]，具體設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2.2時(shí)鐘電路模塊設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路模塊采用DS1302時(shí)鐘芯片構(gòu)成。DS1302能提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年份信息，通過小時(shí)寄存器的選擇位來選擇AM/PM模式，即12小時(shí)制還是24小時(shí)制，一個(gè)月小于31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能；工作電壓寬達(dá)2.5～5.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力[6]。

DS1302與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信采用串行方式，通過SPI三線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制和傳遞，芯片外接晶振電路振蕩采用32768Hz晶振，特別要注意的要保證外接晶振電路的正常工作，當(dāng)外接的晶振電路停振時(shí)將會(huì)導(dǎo)致DS1302計(jì)時(shí)停止[5]。其次就是保證備用電源BT1可以長時(shí)間的為其供電，雖然DS1302在主電源掉電后耗電很小，而且在有主電源供電的時(shí)候具有涓細(xì)電流充電的能力，但如果要長時(shí)間保證時(shí)鐘正常運(yùn)行，最好選用小型充電電池。

DS1302在每次進(jìn)行讀、寫程序前都必須初始化，我們可以先將芯片的SCLK端置“0”，接著將RST端置“1”，最后才給予SCLK脈沖；初始化后就可以進(jìn)行調(diào)整時(shí)間及鬧鈴程序的讀寫。時(shí)鐘電路模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

圖2　單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖Fig.2　Principle　diagram　of　Single　chip　microcomputer　minimum　system

圖3　時(shí)鐘電路模塊原理圖Fig.3　The　principle　diagram　of　the　clock　circuit module

2.3接口模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的顯示部分采用12864液晶顯示，12864液晶是一塊128x64點(diǎn)陣可顯示漢字的圖形型液晶顯示模塊，與微機(jī)的接口主要有8位并行及串行兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。由于并行傳輸數(shù)據(jù)速度相對(duì)較快，同時(shí)考慮到本系統(tǒng)時(shí)鐘變化要及時(shí)的在液晶上顯示，因此采用并行接口與STC12C5A60S2單片機(jī)的數(shù)據(jù)相傳輸。

同時(shí)在系統(tǒng)中采用蜂鳴器來作為鬧鈴電路，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的鬧鐘時(shí)間時(shí)鬧鈴功能工作，也就是蜂鳴器發(fā)出聲響。通過按鍵進(jìn)入功能菜單界面，選擇鬧鈴設(shè)置，本系統(tǒng)可以同時(shí)設(shè)置四個(gè)不同的鬧鈴時(shí)間。當(dāng)設(shè)置好鬧鈴時(shí)間后則當(dāng)前時(shí)鐘時(shí)間將不斷與設(shè)定的鬧鈴時(shí)間相比較，不相等時(shí)不產(chǎn)生任何動(dòng)作，一旦相等，程序執(zhí)行將跳入鬧鈴程序，這時(shí)單片機(jī)P1.4口輸出一個(gè)低電平，從而使蜂鳴器工作，這樣就實(shí)現(xiàn)了鬧鈴的功能，同時(shí)鬧鈴的工作時(shí)間可以通過按鍵調(diào)節(jié)設(shè)置。

鍵盤輸入部分由4個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)，按鍵分別與單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口相連，分別對(duì)應(yīng)A功能選擇鍵，B設(shè)置鍵，C時(shí)間、日期調(diào)整，D退出、鬧鈴開關(guān)鍵的功能。接口模塊電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

2.4電源模塊電路設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源電路一般由電源變壓器、整流、濾波電路及穩(wěn)壓電源電路所組成[5]。本模塊電路主要采用直流穩(wěn)壓芯片7805構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓、全波整流、濾波、穩(wěn)壓過程將220V交流電變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并實(shí)現(xiàn)5V電壓穩(wěn)定輸出。電源模塊電路設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

圖4　接口模塊電路原理圖Fig.4　Interface　module　circuit　principle　diagram

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)能過正常的實(shí)現(xiàn)所有功能，除了設(shè)計(jì)出合理的硬件電路，還必須具有能在此硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的程序[8]。該系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：一是DS1302從單片機(jī)中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)間陰歷等程序設(shè)計(jì)；二是利用按鍵進(jìn)行時(shí)間的調(diào)整及功能設(shè)置；三是數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主程序框圖如圖6所示。

圖5　電源模塊電路原理圖Fig.5　Power　supply　module　circuit　principle　diagram

4　調(diào)試及實(shí)驗(yàn)分析

圖6　主程序流程圖Fig.6　The　process　flow　chart

系統(tǒng)實(shí)物裝置如圖7所示；系統(tǒng)測試的顯示界面如圖8所示，測試的步驟如下：

（1）測各模塊焊接是否到位。將各個(gè)模塊焊好，檢查確認(rèn)無虛焊、粘焊；（2）模塊電路能否正常運(yùn)行。先對(duì)主控模塊上電進(jìn)行測試，主要是測試主控模塊上電運(yùn)行是否正常。測試方法目測，看電源指示燈是否發(fā)亮并且一直保持亮度不變。正常發(fā)亮并不會(huì)突然變亮或者變暗則電路正常無短路斷路情況；各接口模塊按以上方法各自測量。

5　結(jié)論

基于STC12C5A60S2單片機(jī)的多功能電子鐘的設(shè)計(jì)與制作；通過硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的完美結(jié)合實(shí)現(xiàn)了其相應(yīng)功能，尤其是軟件程序的編寫，實(shí)現(xiàn)了一系列新的功能，同時(shí)硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)過實(shí)物裝置的測試表明該系統(tǒng)各方面性能指標(biāo)良好，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，具有一定的市場實(shí)用性和理論研究價(jià)值。

圖7　系統(tǒng)實(shí)物裝置圖Fig.7　System　physical　device

圖8　調(diào)整界面Fig.8　Adjust　the　interface

圖9　顯示界面Fig.9　Display　interface

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.004

基金項(xiàng)目：＊國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51077046）；湖南省自科基金項(xiàng)目(2015JJ5009)；湖南省教育廳科研項(xiàng)目（15C0395）；湖南工業(yè)大學(xué)研究生校級(jí)創(chuàng)新基金（CX1502）

作者簡介：張曙云（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式技術(shù)應(yīng)用，智能配電網(wǎng)技術(shù)；匡洪海（1972-），女，博士，副教授，研究方向：配電網(wǎng)停電管理，新能源與分布式發(fā)電。

Design of a New Type of Multi-functional Electronic Clock based on STC12C5A60S2

ZHANGShu-yun,KUANGHong-hai,ZENGLi-qiong,CHENGHai-dong,FENGRen

(School of Electrical and Information Egineerin, Hunan University of Technology, Hunan Zhuzhou, 412000)

Abstract:ThispaperdescribesthedesignofafunctionelectronicclockbasedonSTC12C5A60S2inaccordancewith thedisadvantagesofsomecommonelectronicclockinthemarketwhichislackofthefunctionoftimealignment,Gregorian calendarandseasonalsegments.Itsoverallprogramincludessystemhardwareandsoftwaredesign.Itcannotonlyrealize thedisplayfunctionofbasicinformationsuchasyear,month,week,day,etc,butalsodisplaythrottle,solarandlunar.Ithas thefunctionofbirthdaytimecalibrationandalarmsettingsaswell.Professionalequipmenttestshowsthatthisclockhasthe advantagesofhighprecision,versatility,stablityandsimplecircuit.

Keywords:Electronicclock;STC12C5A60S2;Timecalibration