基于單片機的多功能數字鐘系統設計與分析

摘要：文章簡述了系統各模塊方案的論證與選擇的相關內容。文中在對本系統的各個模塊的方案進行論證與實際應用相比較的基礎上，最終方案選用AT89C52作為主控制系統來控制時鐘的準時運轉，采用獨立式按鍵控制本設計系統將要實現的全部功能，選用LCD液晶動態掃描來顯示時間。并對系統的硬件設計與實現進行分析，同時，對系統的軟件設計進行分析。
關鍵詞：單片機；I／O口；多功能；數字鐘；模塊

0 引言
隨著科技的發展，電子技術也在不斷地向前飛速發展。本設計是制作一款多功能數字鐘，其具有顯示年、月、日，時、分、秒、星期及鬧鐘功能，而且秒、分、時、日、月、年可自動關聯進位。秒具備清零功能，分、時、日、月、年可自動修改、手動設置等功能。它是以一塊AT89S52芯片作為主控模塊，采用DS1302作為定時來源的多功能數字鐘。多功能數字鐘結構較簡單，因此便于操作使用。它具有高度的智能化和集成化，是現代人辦公、生活、學習的好幫手，具有廣闊的市場前景。同時，它具有鬧鈴和播放音樂等功能，由于這些完善的功能，它必將越來越受到社會各界人士的歡迎。

1 系統方案的論證與選擇
1．1 各模塊方案的論證與選擇
1．1．1 主控模塊的論證與選擇
方案一：采用8031芯片。8031芯片內部無ROM，需要外擴程序存儲器，由此造成電路焊接的困難，況且使用8031還需要另外購買其他的芯片，從而造成成本較高，性價比低。
方案二：采用89C51芯片。80C51芯片內部有ROM，且片內ROM全部采用Flash ROM，它能在3V的超低壓工作，與MCS-51系列單片機完全兼容，但是其不具備ISP在線編程技術，需把程序編寫好以后再放到編程器中燒寫，才可以進行硬件電路的調試，倘若程序編寫出現問題，調試電路就較麻煩，而且其芯片內存也只有4kB。
方案三：采用AT89S52芯片。該芯片內部既有Flash ROM，又與MCS-51兼容，而且ISP在線編程技術適用于AT89S52芯片，這樣既降低了成本也無需反復插拔芯片，可避免損壞芯片；而且它的性能穩定，且內存達8kB。
經過三種方案的比較，方案三主要容量較大，具有成本低的優點。因此主模塊采用AT89S52。
1．1．2 顯示模塊的論證與選擇
方案一：點陣顯示。是由八行八列的LED管集成在一塊電路上組成，主要用來顯示漢字，同時也能顯示數字和少量圖象，但它的焊接較麻煩，價格高，鑒于所設計的內容要求用它不切實際，所以排除此方案。
方案二：LED數碼管靜態顯示。此方案電路容易理解且驅動的程序簡單，但需多片七段譯碼器驅動顯示，這不僅增加了成本，還占用單片機多個I／O口，也給電路的焊接帶來一定的困難，因此不選用此方案。
方案三：采用LED數碼管動態掃描顯示。此方案價格低廉，不僅減少了對I／O口的浪費，而且能夠同時驅動多個數碼管。但其驅動程序不容易編寫和理解。
方案四：采用LCD液晶顯示。由ks0108驅動，能顯示大量數據、文字、圖形，顯示的位數多，字體清晰多樣、美觀，而且外部接線較簡單。
經過四種方案的比較，本設計主要顯示字體較多，因此，最后選擇了方案四。
1．1．3 控制按鍵的論證與選擇
方案一：選取陣列式按鍵，減少了I／O口的使用，且掃描M×N個按鍵只需占用M+N個I／O口即可實現，但給編程帶來了一定的困難，雖然節省了很多的口線，降低了成本，但在此設計中所用的按鍵要盡量少，因此排除此方案。
方案二：獨立式按鍵，每個按鍵實現一個功能，易于控制且編寫程序簡單，容易理解，雖然會占用一定的單片機I／O口資源，但是題目中要求使用的按鍵要盡量少。
通過以上兩種方案比較，采用方案二。
1．2 系統各模塊的最終方案
經過以上對本系統各模塊的方案進行論證與實際應用相比較，本設計電路最終選用AT89C52作為主控系統來控制時鐘的準時運轉，采用獨立試按鍵控制本設計系統將要實現的全部功能，選用LCD動態掃描來顯示時間。本設計選擇最優的方案，并設計出如圖1所示的系統框圖。

如圖1所示，系統的整個控制流程是：由單片機AT89C52的內部程序定時控制LCD使之顯示出本文所要實現的效果，當計時到整點時單片機發出一條命令去控制喇叭進行整點報時，若出現特殊狀況，比如突然斷電則單片機將會停止工作，從而會造成時間的不準確，所以加一組鍵盤便于隨時修正時間使時間能夠準時計時。此外，為了使所設計的數字鐘秒表更為準確，本系統電路又添加了時鐘芯片DS1302，此芯片計時精度非常高，一個星期誤差只有3s。添加了此芯片使本系統更具實用性。

2 系統的硬件設計與實現
本設計的多功能時鐘主要由四個模塊組成，其核心元件是一塊單片機AT89C52，并采用了誤差小的時鐘芯片DS1302作時鐘定時，它一星期的誤差只有為3s。
系統主要通過單片機AT89C52對各個模塊進行實時控制，其中P3．1＼P3．1＼P3．2用來接獨矩陣式按鍵，此模塊用于控制電路以便于實現預期要實現的各個功能：P1和P2口用來接LCD進行動態顯示，利用AT89C52單片機直接控制LCD來實現對LCD的動態掃描顯示，其中驅動LCD用芯片KS0108；P2．0＼P2．1＼P2．2還接了時鐘芯片DS1302的第5、7、6腳作定時用；本系統還有一部分是鬧鈴，鬧鈴用普通蜂鳴器即可，外加三極管電阻對其聲音進行放大。
2．1 主控制模塊電路的設計
主控模塊電路的電路如圖2所示。

如圖2所示，本次設計的多功能數字鐘采用一塊AT89C52作為主控模塊，還用到了轉換芯片DS1302，主要是對實現定時電路進行信號交換。在單片機工作之前，我們必須給它一個電源(5V)和連接一些需要連接的地方。比如第18、19引腳之間要給它接上一個12MHz的晶振和兩個33pF的電容。第31引腳要接上電源，第9引腳要接上復位電路。第20引腳要接地，第40引腳要接上電源。DS1302芯片主要用于電路的轉換。單片機剩下的P0口、P3口、和P2口分別用于其他功能。同時要指出的是在使用P0口時要給它接上上拉電阻，這樣單片機的驅動能力就會大大增強。P3口是復用功能，可以用做數據的傳輸和地址線。特別要強調的是這里只能用高8位做數據線。P2口內部已經具備了上拉電阻，因此不用再加上拉電阻了。這些都是上電之前要做好的一些前提條件，如果忽視了哪一點，都可能使單片機不能正常工作，或者說容易燒壞單片機。
2．2 LCD顯示模塊電路的設計
顯示電路圖如圖3所示。從圖3中可以觀察到，單片機P1口連接LCD的D0-D7， LCD的第1、2腳分別接電源和地，然后由單片機AT89C52載入程序用以控制LCD，由此來顯示相應的文字。

為了線路的簡便，本顯示模塊只用到一塊LCD(128×64)的液晶顯示器。另外，為了使程序更簡單，還使用了一塊液晶的控制器芯片KS0108來驅動LCD，這樣當編寫程序時就省去了編寫LCD的驅動程序，大大減少了設計的時間段，這樣既省時間又不會使電路變復雜。
2．3 鬧鈴與按鍵模塊電路的設計
鬧鈴電路如圖4所示。本電路比較簡單，只用普通的蜂鳴器接至AT89C52由它進行控制，從圖4可以看出單片機P3．0口接喇叭的正極，為了使蜂鳴器的聲音大些，P3．0口信號輸出端接上一個電阻和一個三極管用于放大聲音信號，蜂鳴器的負極直接接地，按鍵模塊用到了三個按鈕和三個電阻。單片機的P3．1＼P3．2＼P3．3與三個按鈕相連。按鈕的另一端接喇叭的 負極。其中按鈕的功能是隨時調整時間以及調
整鬧鐘。

2．4 DS1302時鐘模塊的設計
2．4．1 引腳功能及結構
圖5所示為DS1302的引腳圖。其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1正0．2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32．768kHz晶振。RST是復位／片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址／命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節或多字節數據的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數據傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數據傳送，I／O引腳變為高阻態。上電運行時，在Vcc大于或等于2．5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I／O為串行數據輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK始終是輸入端。

2．4．2 DS1302與CPU的連接
DS1302與CPU的連接電路如圖6所示。DS1302與CPU的連接需要三條線，即SCLK(7)、I／O(6)、RST(5)。時鐘的顯示用LCD。實際上，在調試程序時可以不加電容器，只加一個32．768kHz的晶振即可。只是選擇晶振時，不同的晶振，誤差也較大(還可以在上面的電路中加入DS18 B20，同時顯示實時溫度)。只要占用CPU一個口線即可。LCD還可以換成LED，因為LED無法顯示較復雜的字符而本設計有用到字符顯示，因此系統選用LCD，其特點是可顯示任意字段筆劃(比如星期)而且顯示清晰。

為了初始化任何數據的傳輸，引腳信號應由低變高，并且應將具有地址和控制信息的8位數據(控制字節)裝入芯片的移位寄存器內，數據的讀寫可以用單字節或多字節的突發模式方式進行。所有的數據應在時鐘的下降沿變化，而在時鐘的上升沿，芯片或與之相連的設備進行輸入。

3 系統的軟件設計
3．1 系統軟件概述
3．1．1 DS1302的命令字節
命令字節的格式如圖7所示，每次數據的傳輸都是由命令字節開始的，這里的最高有效位必須是1。D6是RAM(為1)或時鐘／日歷(為0)的標識位。D1～D5定義片內寄存器的地址。最低有效位(D0)定義了寫操作(為0時)或讀操作(為1時)。命令字節的傳輸始終從最低有效位開始。

3．1．2 DS1302的控制字節
DS1302的控制字節如圖7所示。控制字節的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數據寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時鐘數據，為1表示存取RAM數據；位5至位1指示操作單元的地址；最低有效位(位0)如為0表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，控制字節總是從最低位開始輸出。

(1)數據的寫入或讀出。對芯片的所有寫入或讀出操作都是由命令字節為引導的。每次僅寫入或讀出1B數據的操作稱為單字節操作。每次對時鐘／日歷的8B或31個RAM字節進行全體寫入或讀出稱為多字節突發模式操作。包括命令字節在內，對于單字節操作，每次需要16個時鐘；對于時鐘／日歷多字節突發模式操作，每次需要72個時鐘；而對于RAM多字節突發模式操作，每次則需要多達256個時鐘。單字節傳送操作格式如圖8所示。多字節突發模式操作格式如圖9所示。

(2)時鐘／日歷寄存器數據格式及功能定義。訪問DS1302片內各寄存器數據格式如表1所示。表中x表示任意，可為0或1。
3．2 流程圖
3．2．1 主程序流程圖

3．2．2 子程序的設計

4 結語
本多功能數字鐘系統電路主要是由數字集成芯片DS1302和單片機AT89C52實現的，具有年、月、曰及星期的顯示及設定功能，同時，具有時、分、秒的顯示及進位功能。可設定中斷按鍵，即設定鬧鈴按鍵和調整時間的按鍵以及其它功能的按鍵。能顯示當前的時間、星期及年、月、日，同一時刻可以設置鬧鐘。當輸入的時間與設定的時間一致時，蜂鳴器就會發出報警聲，還可以播放音樂即為鬧鐘的鈴聲。它有很強的實用性和較廣泛的推廣應用前景。