基于STC12C5A60S2的新型多功能電子鐘設計

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

基于STC12C5A60S2的新型多功能電子鐘設計

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

摘要：針對目前市場上一些普通的電子鐘功能單一、不具備時間校準、陰陽歷及節氣的顯示功能等不足之處。設計研制了一款基于STC12C5A60S2的多功能電子鐘，闡述了系統硬件電路和軟件的整體方案的設計，不僅能實現年、月、日、星期、時、分、秒等基本信息，并能顯示陽歷、節氣和陰歷信息，同時更是具有生日設置和時間校準及鬧鐘設置提醒等功能。通過實物裝置的測試表明，該時鐘具有精度高、功能多樣、運行穩定、電路簡潔等優點。

關鍵詞：電子鐘；STC12C5A60S2；時間校準

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計[J]．新型工業化，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

隨著社會的發展，人類科技的進步，人們認識時間從觀太陽轉動、沙漏及擺鐘到現在的電子鐘，這一發展過程中電子鐘的出現使人們認識時間更加的方便，與傳統的機械鐘相比，它具有走時準確、顯示直觀、無機械傳動裝置等優點[1]，從而廣泛應用于人們日常的生活之中。但現今市場上常用的一些普通電子鐘功能單一，不具備時間校準，報時和鬧鐘及陰陽歷，節氣顯示等功能，這些在一定的情況下無法滿足我們的生活和工作的需要，因此開發設計一種既滿足上述要求又性價比較高的多功能時鐘，成為了我們目前急需解決的問題。

基于上述的情況，設計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間顯示調節功能，而且具有時間校準，生日提醒及陰陽歷、節氣顯示等功能。在基于單片機控制基本原理下，采用了一款新型高性能的8051單片機STC12C5A60S2為核心，利用DS1302時鐘芯片構造時鐘電路，12864液晶作為顯示等完成系統硬件設計，并采用C語言編寫程序完成系統軟件設計[2]。通過實物裝置測試實驗結果表明系統運行效果良好，達到預期功能，適用于家庭、教室、營業廳等場合。

1　總體方案設計

整個系統根據各部分所實現的功能不同來區分，主要由主控模塊、時鐘電路模塊、接口模塊、電源模塊共4個模塊組成；系統設計框圖如圖1所示。

圖1　系統設計框圖Fig.1　System　design　diagram

該系統中主控模塊使用51系列具有超強性能的STC12C5A60S2單片機作為主控芯片[3]；時鐘模塊使用美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘DS1302，運用DS1302專業的時鐘芯片來計時，不僅比采用單片機內部的定時器計時準確，更重要的是DS1302可以在提供很小電流的后備電源下進行掉電工作，同時DS1302可以通過編程來實現為后備電源充電控制，這樣能夠使后備電源在運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現其功能，而鍵盤輸入部分選擇獨立式鍵盤，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，經過24V交流變壓器降壓、整流、濾波送至集成穩壓芯片7805，使得輸出穩定、可靠的+5V電源供系統使用[5]。

2　系統硬件電路設計

2.1主控制模塊電路的設計

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

本模塊電路的主要目的是設計出單片機的最小系統[8]。為了能使STC12C5A60S2單片機能正常工作，該部分電路主要由復位電路和時鐘電路組成；復位電路采用手動按鍵的上電復位，而時鐘電路則采用外部晶振電路，利用12MHz的晶體振蕩器和兩個33pF的電容構成，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的主控制電路[9]，具體設計原理圖如圖2所示。

2.2時鐘電路模塊設計

時鐘電路模塊采用DS1302時鐘芯片構成。DS1302能提供秒、分、時、日、星期、月和年份信息，通過小時寄存器的選擇位來選擇AM/PM模式，即12小時制還是24小時制，一個月小于31天時可以自動調整，且具有閏年補償功能；工作電壓寬達2.5～5.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力[6]。

DS1302與單片機的數據通信采用串行方式，通過SPI三線接口進行數據的控制和傳遞，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，當外接的晶振電路停振時將會導致DS1302計時停止[5]。其次就是保證備用電源BT1可以長時間的為其供電，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候具有涓細電流充電的能力，但如果要長時間保證時鐘正常運行，最好選用小型充電電池。

DS1302在每次進行讀、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；初始化后就可以進行調整時間及鬧鈴程序的讀寫。時鐘電路模塊設計原理圖如圖3所示。

圖2　單片機最小系統原理圖Fig.2　Principle　diagram　of　Single　chip　microcomputer　minimum　system

圖3　時鐘電路模塊原理圖Fig.3　The　principle　diagram　of　the　clock　circuit module

2.3接口模塊電路設計

本系統的顯示部分采用12864液晶顯示，12864液晶是一塊128x64點陣可顯示漢字的圖形型液晶顯示模塊，與微機的接口主要有8位并行及串行兩種數據傳輸方式。由于并行傳輸數據速度相對較快，同時考慮到本系統時鐘變化要及時的在液晶上顯示，因此采用并行接口與STC12C5A60S2單片機的數據相傳輸。

同時在系統中采用蜂鳴器來作為鬧鈴電路，當達到預設的鬧鐘時間時鬧鈴功能工作，也就是蜂鳴器發出聲響。通過按鍵進入功能菜單界面，選擇鬧鈴設置，本系統可以同時設置四個不同的鬧鈴時間。當設置好鬧鈴時間后則當前時鐘時間將不斷與設定的鬧鈴時間相比較，不相等時不產生任何動作，一旦相等，程序執行將跳入鬧鈴程序，這時單片機P1.4口輸出一個低電平，從而使蜂鳴器工作，這樣就實現了鬧鈴的功能，同時鬧鈴的工作時間可以通過按鍵調節設置。

鍵盤輸入部分由4個獨立按鍵實現，按鍵分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口相連，分別對應A功能選擇鍵，B設置鍵，C時間、日期調整，D退出、鬧鈴開關鍵的功能。接口模塊電路設計原理圖如圖4所示。

2.4電源模塊電路設計

直流穩壓電源電路一般由電源變壓器、整流、濾波電路及穩壓電源電路所組成[5]。本模塊電路主要采用直流穩壓芯片7805構成集成穩壓電路，通過變壓、全波整流、濾波、穩壓過程將220V交流電變為穩定的直流電，并實現5V電壓穩定輸出。電源模塊電路設計原理圖如圖5所示。

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

3　系統軟件設計

為了使系統能過正常的實現所有功能，除了設計出合理的硬件電路，還必須具有能在此硬件平臺上實現預期功能的程序[8]。該系統的程序設計主要包括三個方面的內容：一是DS1302從單片機中讀取數據進行計數時間陰歷等程序設計；二是利用按鍵進行時間的調整及功能設置；三是數據顯示程序設計。系統的主程序框圖如圖6所示。

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

4　調試及實驗分析

圖6　主程序流程圖Fig.6　The　process　flow　chart

系統實物裝置如圖7所示；系統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。將各個模塊焊好，檢查確認無虛焊、粘焊；（2）模塊電路能否正常運行。先對主控模塊上電進行測試，主要是測試主控模塊上電運行是否正常。測試方法目測，看電源指示燈是否發亮并且一直保持亮度不變。正常發亮并不會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　結論

基于STC12C5A60S2單片機的多功能電子鐘的設計與制作；通過硬件電路的設計和軟件設計的完美結合實現了其相應功能，尤其是軟件程序的編寫，實現了一系列新的功能，同時硬件電路結構簡單，經過實物裝置的測試表明該系統各方面性能指標良好，實現預期功能，具有一定的市場實用性和理論研究價值。

圖7　系統實物裝置圖Fig.7　System　physical　device

圖8　調整界面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

基金項目：＊國家自然科學基金項目（51077046）；湖南省自科基金項目(2015JJ5009)；湖南省教育廳科研項目（15C0395）；湖南工業大學研究生校級創新基金（CX1502）

作者簡介：張曙云（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式技術應用，智能配電網技術；匡洪海（1972-），女，博士，副教授，研究方向：配電網停電管理，新能源與分布式發電。

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