論簡易數字時鐘設計

韓劉宇

（天津工業大學 電子與信息工程學院通信工程專業 300384）

1 設計要求

基本設計要求

（1）單片機控制日歷時鐘芯片實現年份、月份、日期、星期、時間信息的獲取。

（2）在LCD上對年份、月份、日期、星期、時間信息進行顯示。

（3）可以對年份、月份、日期、星期、時間進行修改。

（4）具有掉電后時間信息不丟失的功能。

發揮部分

（1）具有鬧鐘功能。可設置鬧鈴時間，當鬧鈴時間到時，進行鬧鈴。通過按鍵可解除鬧鈴。

（2）具有整點報時功能。

（3）程序固化到單片機中，并且可直接進行程序下載和更新。

2 總體設計

2.1 系統組成及工作原理

本電子鐘由單片機、定時、顯示、按鍵、定時提醒、ISP在線編程6部分組成。產品以AT89S52單片機、DS12C887時鐘芯片為核心，顯示部分采用LCD1602，使用4個按鍵和1蜂鳴器，加上ISP在線編程模塊。DS12C887時鐘芯片產生時鐘信號和存放鬧鈴數據，其精度和可靠性高，在單片機掉電狀態下能正確走時、保存鬧鈴數據長達10年，故能實現停電重起后定時設計不變的關鍵設計指標。AT89S52單片機實時獲取DS12C887的時間和鬧鈴數據，驅動LCD和蜂鳴器。顯示部分的LCD有高亮度，低成本等諸多優點。蜂鳴器作鬧鈴提示切合實際、直觀。按鍵方面采用軟件消抖，減少硬件電路的同時增加了可靠性。本產品完全達到設計要求，輔助的ISP在線編程讓產品具有強大的擴展功能，使其不僅僅是一個電子鐘，更是一個單片機試驗平臺。

2.2 DS12C887時鐘芯片原理

DS12C887時鐘芯片能夠產生世紀、年、月、日、時、分、秒等信息，同時 DS12C887時鐘芯片中自帶有鋰電池，外部掉電時，通過鋰電池的作用其內部時間信息還能夠保持相當長的時間；時間記錄分為十二小時制和二十四小時制兩種方式。在十二小時制模式中，AM和PM用來分別表示上午和下午；時間的表示方法也有兩種，利用二進制數表示或利用BCD碼表示；DS12C887時鐘芯片帶有 128字節的 RAM，其中有113字節通用 RAM用來給用戶使用，11字節的RAM是用來存儲時間信息的，4字節 RAM是用來存儲 DS12C887的控制信息的，被我們稱之為控制寄存器。

3 硬件設計

3.1 硬件組成

3.2 單片機核心模塊

3.2.1 主要特性

單片機AT89S52是ATMEL公司生產的低電壓、高性能COMS 8位單片機，它有128Byte RAM、8KByte可編程FLASH ROM，指令系統與MCS-51系列兼容。采用KEILC51編譯軟件，PROTUES仿真平臺，能方便實現程序的仿真。ISP在線編程，能方便的更新程序。可對選用的單片機特點進行描述，可畫出單片機最小系統并描述電路連接。

3.2.2 單片機引腳說明

AT89S52是采用40個引腳封裝的雙列直接 DIP結構，40個引腳中，外置石英振蕩器的時鐘線有兩根，正電源和地線有兩根，還有32個 I/O口，中斷口線與P3口線是復用的。我們對引腳的功能加以說明：

·Pin20：是接地腳。

·Pin40：是正電源腳，接+5V電源，用來正常工作或對片內EPROM燒寫程序時。

·Pin19：是時鐘XTAL1腳，為片內振蕩電路輸入端。

·Pin18：是時鐘XTAL2腳，為片內振蕩電路輸出端。時鐘有兩種方式，方式一為片內時鐘振蕩方式，但需在18和19兩個引腳外接石英晶體和振蕩電容。方式二為外部時鐘方式，即將XTAL1接地，將外部時鐘的信號從XTAL2腳輸入。

·輸入輸出 (I/O)Pin32-Pin39引腳是 P0.0-P0.7的輸入輸出腳，Pin1-Pin8引腳是 P1.0-P1.7的輸入輸出腳，Pin21-Pin28引腳為 P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17引腳為P3.0-P3.7輸入輸出腳，上述的輸入輸出腳的功能是：

P3口（10腳～17腳）：為8位準雙向 I/O口，由于高阻狀態不能在這種接口輸出中產生，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向 I/O口。 P3口能驅動 （吸收或輸出電流）4個TTL負載。P除了作為一般的準雙向通用I/O口使用外，p3口每個引腳還有第二功能。P3口的八條線都被我們定義有第二功能[6]，如表4.1所列。

P2口（21腳～28腳）：為8位準雙向 I/O口。當我們訪問外部存儲器時，它可以被我們作為高8位地址總線 送出高8位地址。P2可以驅動（吸收或輸出電流）4個TTL的負載。

P1口（1腳～8腳）：為 8位準雙向 I/O口。P1口能驅動4個TTL負載。

P0口（32腳～39腳）：不同于其他的三個端口，它為雙向8位三態I/O口，外接存儲器與地址總線的低八位及數據的總線進行復用，8個TTL負載能以吸收電流的方式被驅動。

P3引腳第二功能：3.0 RXD（串行口的輸入端）

3.1 TXD（串行口的輸出端）

3.2 INT0（外部中斷0請求輸入端，低電平的時候有效）

3.3 INT1（外部中斷0請求輸入端，低電平的時候有效）

3.4 T0（定時器/計數器0的技數脈沖輸入端）

3.5 T1（定時器/計數器0的技數脈沖輸入端）

3.6 WR（片外數據存儲器寫選通信號輸出端，低電平的時候有效）

3.7 RD（片外數據存儲器寫選通信號輸出端，低電平的時候有效）

·Pin9：RESET/Vpd為復位信號復用腳，單片機通電時，時鐘電路就開始工作，在RESET引腳上產生24個時鐘周期以上的高電平，則系統即會初始復位。初始化后，程序計數器 PC會指向 0000H，P0-P3輸出口都為高電平時，則堆棧指鐘就會寫入 07H，而其它專用的寄存器被清“0”。當RESET從高電平下降為低電平后，系統就會從 0000H開始執行程序。然而，初始復位并不使RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態發生變化，當單片機復位后它的狀態為：

·P0～P3=FFH，各口可用于輸出，也可用于輸入；

·SP=07H，第一個入棧內容將寫入08H單元；

·IP、IE和 PCON的有效位為 0，各中斷源處于低優先級且均被關斷，串行通訊的波特率不加倍；

·PSW=00H，當前工作寄存器為0組。

·Pin30：ALE/PROG是訪問外部程序器時，ALE輸出的用來鎖存地址的低位字節。當訪問內部程序存儲器的時候，ALE端將會有個 以1/6時鐘頻率為周期的正脈沖信號，此信號是用于識別單片機工作與否的，我們也可以把它當作一個時鐘向外輸出。還有一個特點就是，當我們訪問外部程序存儲器，ALE會自動跳過一 個脈沖。而如果單片機是EPROM的話 ，在其編程的時候，PROG會用于輸入編程的脈沖。

·Pin29：PESN是訪問外部程序存儲器時，輸出負脈沖選通信號的引腳，PC其16位的地址數據會出現在P0和P2中，外部程序存儲器會把其指令數據放到P0口的上面，而CPU負責讀入執行。

·Pin31：EA/Vpp是程序存儲器內外部選通線，8051和8751單片機中，其內部有 4kB的程序存儲器，當EA是高電平而且程序地址不大于4kB時，讀取的就是內部程序存儲器的指令數據，而超過4kB地址則讀取的就是外部指令的數據。但是如果EA是低電平，不管地址的大小，都是讀取外部程序存儲器的指令。顯而易見，對于內部沒有程序存儲器 8031,EA端就必須要接地。

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3.3 晶振電路

振蕩器是數字鐘的核心。振蕩器的穩定度及頻率的精確度決定了數字鐘計時的準確程度，通常選用石英晶體構成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作用是產生時間標準信號。

3.4 顯示電路

本電路采用1602LCD，由于數碼管只能顯示數字數碼管顯示內容單一，液晶則比較豐富，而這個實驗中，要求功能較多，為了使電路顯示的更清晰明了，本實驗最終決定采用1602LCD 顯示。且液晶顯示已占居社會主流，優勢明顯。

模塊引腳功能表：

3.5 時鐘電路

3.6 獨立按鍵電路

鑒于使用中斷電路會增加硬件電路的復雜度，本電路采用獨立按鍵的方法，只需在程序中加入掃描程序即可。其中P1.4接按鍵1，P1.5接按鍵2，P1.6接按鍵3，P1.7接按鍵4。其中按鍵1為選擇鍵，通過按鍵1可以將光標移動到要調節的選項；按鍵2為加鍵，通過按鍵2可以調整時間和鬧鐘的各項數值加一；按鍵3為減鍵，通過按鍵3可以調整時間和鬧鐘的各項數值減一；按鍵4為鬧鐘，通過按鍵4可以調節鬧鐘。

3.7 蜂鳴器電路

3.8 ISP下載口電路

4程序設計

4.1 主程序設計

void main()//主函數

{

init();//調用初始化函數

while(1)

{

keyscan();//按鍵掃描

if(flag_ri==1)//當鬧鐘中斷時進入這里

{

di();

delay(100);

di();

delay(500);

}

if(flag==0&&flag1==0)//正常工作時進入這里

{

keyscan();//按鍵掃描

year=read_ds(9);//讀取12C887數據

month=read_ds(8);

day=read_ds(7);

//week=read_ds(6);

shi=read_ds(4);

fen=read_ds(2);

miao=read_ds(0);

if(fen/10==0&&fen%10==0&&miao/10==0&&miao%10==0)di();

week=GetWeekFromDay(year,month,day);

write_sfm(10,miao);//送液晶顯示

write_sfm(7,fen);

write_sfm(4,shi);

write_week(week);

write_nyr(3,year);

write_nyr(6,month);

write_nyr(9,day);

}

}

}

4.2 程序流程圖

5 調試及結果

本數字時鐘采用ISP下載線進行下載和供電。首先將程序下載到AT89S52芯片中。打開開關將看到開機初始畫面，左側四個按鍵依次設為 K1、K2、K3、K4，按K1鍵，將會看到光標依次挪動到秒、分、時、日、月、年，當光標移動到某個選項，例如“分”選項：按下K2，該項數值則加一，按下K3，該項數值則減一；若調節年月日選項時，調節完畢后會自動計算出該日為星期幾，并且顯示在LCD屏幕上。當時鐘處于正常運行狀態時，按下K4鍵，界面將轉到鬧鈴調節界面，此時按照時鐘的調節方法，設定鬧鈴。每當有按鍵按下時，蜂鳴器將會伴隨響聲，當時中達到整點時，蜂鳴器也將會有提示音(整點報時功能)，當時鐘的時間到達設定的鬧鈴時間，蜂鳴器將會發出連續的鳴叫聲，直至按下任意鍵來解除此鬧鈴。實物效果圖：

整體電路圖：

[1] 倪云峰.單片機原理與應用【M】.西安：西安電子科技大學出版社,2009.

[2] 梁潔婷.單片機原理與應用【M】.北京：高等教育出版社,2002.

[3] 林國清,李見為,王崇文.一種新型日歷時鐘芯片[J].國外電子元器件,2002(3)：61-62.